直流电动机可调可控直流稳压电源的设计

1、第一章 绪论1.1 电机调速方案脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。直流电动机的转速和其他参量的关系可表示为 （1-1）式中 ：电枢供电电压（V）。 ：电枢电流（A）。 ：励磁磁通（Wb）。 ：电枢回路总电阻（）。 ：电势系数。1.2 本设计内容简介本系统采用P

2、WM调压调速，设计包括主电路、触发电路、驱动电路三个部分，如图1.1所示。 图1.1 总体结构框图交流电源由电网接入，经过变压器变压后输入整流桥变为直流。通过调节占空比来调节斩波输出电压以控制电机电枢电压，调节电机转速。第二章 主电路的设计2.1 电路原理图说明主电路的结构如图2.1所示。图中组成电网滤波器，单项整流桥及电容组成的输入整流滤波器。主功率开关元件IGBT构成斩波器，他在控制电路产生的PWM脉冲作用下，根据用户所需要的电压按照一定的占空比导通或关断；经电感和电容滤波后，向负载提供一个可调的平滑直流电压。并联在电源输出端的电阻R1用来给负载提供最小的负载电流，以满足电源在轻载状态下，

3、电感续流的要求。 图2.1 主电路原理图 2.2 电路工作状态分析（1） 整流输出工作原理及波形分析 图2.2 整流电路原理图基本工作过程： 在正半周过零点至wt=0期间，因<，故二极管均不导通，此阶段电容向放电，提供负载所需电流，同时下降。 至wt=0之后，将要超过，使得D1和D4开通，=，交流电源向电容充电，同时向负载R1供电。 电容被充电到wt=q时，=，D1和D4关断。电容开始以时间常数RC按指数函数放电。 当wt=p，即放电经过p-q角时，Ud降至开始充电时的初值，另一对二极管D2和D3导通，此后又向充电，与正半周的情况一样，如图2.3所示。 图2.3 电容滤波对整流电路的影响

4、主要的数量关系：:1、输出电压平均值 1) 空载时， 。2) 重载时，逐渐趋近于0.9，即趋近于接近电阻负载时的特性。3) 在设计时根据负载的情况选择电容C值，使,此时输出电压为：1.2 (2.1) 2、电流平均值 1) 输出电流平均值为： =/R (2.2) = (2.3) 2) 二极管电流平均值为：=/2=/2 (2.4) 3、二极管承受的电压 1) 为变压器二次侧电压最大值，即 。 （2）斩波电路工作原理及波形分析 图2.4 斩波电路原理图直流降压斩波电路基本工作原理：直流降压斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图

5、中Em所示。t=0时刻，驱动V导通，电源向负载供电，负载电压=，负载电流按指数曲线上升。t=时刻，控制V关断，二极管VD续流，负载电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小或基本维持不变。 图2.5 斩波电路波形图 当电感足够大，电流连续时，负载电压的平均值可化简得： （2.5）所以输出电压为： （2.6） 其中：=，为降压比。 降压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是电感储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容可将输出电压保持住。2.3 主要元件选型一、电力二极管的选择由设计要求知道输入交流电压=220V，整流输出电压为=200V，斩

6、波输出电压为0220V直流恒压，对于斩波电路其控制波形的占空比为0%98%， 故对于电力二极管：电力二极管平均电流为：=1/2=（37）A电力二极管承受最大反压：=1.414=311V考虑安全裕度，电力二极管额定电压=（23）×311=（622 933）V。取电力二极管额定电压=940V。流过电力二极管电流有效值=/1.414=(1.4145.66)A考虑裕量问题，一般取其通态平均电流为按此原则所得计算结果的1.5 2倍。根据正弦半波波形平均值与有效值比为1:1.5；故需电力二极管的额定电流为：=（1.52）*5.66/1.57=（5.47.2）A。在考虑裕量，将计算结果放大到两倍，

7、本设计选取取额定电流15A的电力二极管。二、滤波电容的选择滤波电容选择一般根据放电的时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，一般不做严格计算，多取2000 uF以上。因该系统负载较大，故取=0.15F；耐压：1.5=1.5×220=360V，取360V。即选用0.15F、360V电容器。三、IGBT的选择因为=220V，则取3倍裕量，选耐压为660V以上的IGBT。由于IGBT是以最大标注且稳定电流与峰值电流间大致为4倍关系，故应选用大于4倍额定负载电流的IGBT为宜，因此选用60A,额定电压为240V以上的IGBT。本设计选用FGL60N100BNTD  &#

8、160; 60A，300V，IGBT。 四、 续流二极管的选择根据公式U=（23）=（160240）V，而电流I=(1.52)I2=(1216)A,为了留出充足裕量，选择了额定电压为240V、额定电流为20A的续流二极。五、 输出滤波器元件参数的选择： 在主电路中，L1、C2构成电源输出滤波器。为了维持电感的滤波效果，上锯齿波电流的 最小值必须大于或等于零。因此必须满足下列条件： （2.7）式中，：IGBT输入电压；：电源输出电压，：电感续流二极管的凝结负载电流；：IGBT的导通时间。越大，输出电流纹波越小，所允许的临界负载电流也越小，但考虑到电感的损耗、体积及动态特性的影响，不宜过

9、大，通常取(1.51.2) 本设计取=0.1H。 滤波电容可由式（2.9）算出，本设计中取0.01F。 （2.8）（7）变压器参数选择：由于PWM控制信号中最大脉冲宽度为50%，系统要求可知，本设计所采用的变压器一、二次线电压分别为220V和400V。变比K=400/220=1.82，因为1.2，故采用的变压器二次侧电压为U=400V。又由于电枢电流达到6A左右，其中电机启动电流达到了50A，为了留出充足裕量，本设计采用的变压器额定电流为I=60A。故变压器容量为S=UI=2400VA，考虑到裕量问题，我们采用的变压器容量为2.4KVA。第三章 控制电路的设计3.1 触发电路设计斩波电路有三种

10、控制方式：（1）保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型：（2）保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型；（3）导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。其中第一种是最常用的方法。PWM控制信号的产生方法有很多。这里我使用的是IGBT的专用触发芯片SG3525，其电路原理图如图3.1。图3.1 PWM信号产生电路SG3525所产生的仅仅只是PWM控制信号，强度不够，不能够直接去驱动IGBT，中间还需要有驱动电路就爱你过信号放大。另外，主电路会产生很大的谐波，很可能影响到控制电路中PWM信号的产生。因此，还需要对控制电路和主电路进行电气隔离。

11、3.2 驱动电路设计IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以直接驱动IGBT。因此需要信号放大的电路。另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。因而还设计中还学要有带电器隔离的部分。具体来讲IGBT的驱动要求有以下几点：（1）动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则IGBT会在开通及关延时，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件 不会被损坏。（2）能向 IGBT提供适当的正向和反向栅压，一般取+15 V左右的正向栅压比较恰当，取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。（3）具有栅压限幅电路，保护栅极不

12、被击穿。IGBT栅极极限电压一般为±20 V，驱动信号超出此范围可能破坏栅极。（4）当 IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。当然驱动电路还要注意其他几个问题。主要是要选择合适的栅极电阻Rg和Rge。以及要有足够的输入输出电隔离能力。这里，使用了EXB841集成电路作为IGBT的驱动电路。其具体电路原理图参见图3.2。图3.2中的标号Y1、Y2分别与图3.1中的Y1、Y2相连。EXB841芯片具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，是一种比较典

13、型的驱动电路。其功能比较完善，在国内得到了广泛应用。当EXB841输人端脚14和脚15有10m A的电流流过时，光祸ISO1导通，A点电位迅速下降至0 V,V1和V2截止;V2截止使D点电位上升至20 V,V4导通，V5截止，EXB841通过V4及栅极电阻Rg向一个IGBT提供电流使之迅速导通。控制电路使EXB841输入端脚14和脚15无电流流过，光藕ISO1不通，A点电位上升使V1和V2导通;V2导通使V4截止、V5导通，IGBT栅极电荷通过V5迅速放电，使EXB841的脚3电位迅速下降至0V(相对于EXB841脚1低5 V)，使IGBT可靠关断。设IGBT已正常导通，则V1和V2截止，V4

14、导通，V5截止，B点和C点电位稳定在8V左右，Vzi不被击穿，V3截止，E点电位保持为20 V，二极管VD6截止。若此时发生短路，IGBT承受大电流而退饱和，uce上升很多，二极管VD7截止，则EXB841的脚6"悬空”,B点和C点电位开始由8V上升;当上升至13V时，VZ，被击穿，V3导通，C4通过R，和V3放电，E点电位逐步下降，二极管VU6导通时D点电位也逐步下降，使EXB 841的脚3电位也逐步下降，缓慢关断IGBT。对于EXB841，它本身存在一些不足之处。例如过流保护阈值过高，保护存在盲区，软关断保护不可靠，负偏压不足，过流保护五自锁功能等。为此，对驱动电路进行了一些优化

15、，还增加了故障信号封锁电路。这些主要都是为了加强对电路的保护，属于保护电路的范畴。图3.2 驱动电路原理图第四章 仿真分析与调试本设计采用Matlab软件仿真分析及SIMULINK环境下的仿真工具。simulink环境下仿真工具PSB(Power System Blocksets) 是为电力电子系统以及电力传动系统而设计的。它的基础是MATLAB中的simulink。4.1 建立仿真模型在电力电子设计过程中利用MATLAB来进行仿真建模分析有很大的好处，它不但非常方便而且能够在很大程度范围内减少因设计问题而造成的浪费。这里的仿真主要是运用MATLAB软件中的simulink工具。先从simul

16、ink的元件库中找到需要用的元件，然后搭建相应的主电路，设置好参数后即可进行仿真。选择电机的属性如图4.1所示。图4.1 电机参数及属性仿真电路中，用虚拟的示波器监控了斩波电路输出电压输出电流的波形，以及IGBT电压电流的波形。另外还在电路中加了一个滤波电容。设定好元器件的参数之后,还需要设置仿真算法和仿真时间。本设计设置如图4.2所示。图4.2 MATLAB 属性设置有一类特殊的微分方程，其中一些解变化缓慢，另一些变化快，且相差较悬殊，这类方程常常称为刚性方程，又称为Stiff方程。刚性方程一般不适合用ode45()求解。通常电力电子仿真中大量存在非线性环节，算法ode15s比较适用。由图可

17、见，本设计设定为60S的仿真时间。设置的仿真算法是ode15S。仿真电路图见附录一。4.2 仿真结果与分析变压器二次侧输出电压波如图4.3： 图4.3 变压器二次侧输出电压波形从上图可以看出，变压器二次侧输出电压值稳定值为400V。（1） 额定电压时运行分析电枢电压波形如图4.4所示：图4.4 额定电压时电枢电压波形经整流、斩波环节输出最大电压稳定值为240V，等于所采用直流电机额定电压大小。电机转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩如图4.5所示：图4.5 电机转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩波形如图可知，电机转速n=178rad/min。（2） PWM信号为30%时，电路运行分析电枢电压波形如图如图4.6所示：图4.6 PWM信号为30%时电枢电压波形当PWM信号占空比为30%时，输入的电枢电压为Ua201V。电机转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩如图4.7所示： 图4.7 PWM信号为30%时电机转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩由图可知，PWM信号为30%时额定电压下直流电机运行转速n117r/min。（3） PWM信号为20%时，电路运行分析 电枢电压波形如图：图4.9 PWM信号为20%时电枢电压波形当PWM信号占空比为20%时，输入的电枢电压为Ua120V。电机转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩：图4.10 PWM信号为20%时电机转速、电枢电流、励磁电流、电磁