直流斩波调速系统的设计

皖西学院课程设计任务书系别：机电系专业：07机械(电子方向)学生姓名：胡献华胡中武学号：20090116742009011675课程设计题目：直流斩波调速系统的设计起迄日期: 11月5日~11月17日课程设计地点:指导教师:俞鹤下达任务书日期: 2012年 11月5日5．本课程设计课题工作进度计划：起迄日期工作内容2012年11月 5日~11月5日 11月 6日~11月9日 11月10日~ 11月16日11月17日下达设计任务查阅材料,方案设计; 完成设计初稿答辩、成绩考核教研室主任审查意见：负责人签字：年月日摘要长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。

特别随着计算机在控制领域和高开关频率、全控型第二代电力半导体器件的发展，以及脉宽调制(PWM)直流调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。

直流电动机转速的控制方法可分励磁控制法与电枢电压控制法两类。

励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制；而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。

所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法，调节电阻R 即可改变端电压，达到调速目的。

然而这种传统的调压调速方法效率低。

目前,市场上用的最多的IGBT直流斩波器,它是属于全控型斩波器，它的主导器件采用国际上先进的电力电子器件IGBT，由门极电压控制，从根本上克服了晶闸管斩波器及GTR 斩波器的缺点。

该斩波器能为煤矿窄轨电机车配套的调速装置针对不同的负载对象，做一些少量的改动又可用于其它要求供电电压可调的直流负载上。

与可控硅脉冲调速方式和电阻调速方式相比，具有明显的优点。

关键字：直流电动机、调速、直流斩波第一章系统工作原理直流电机斩波调速控制系统的原理框图如图1-1所示：图1-1 原理框图1.1 结构与调速原理直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。

其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。

直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。

其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。

直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。

其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。

电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。

换向器是一种机械整流部件。

由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。

各换向片间互相绝缘。

换向器质量对运行可靠性有很大影响。

直流电机斩波调速原理是利用可控硅整流调压来达直流电机调速的目的，利用交流电相位延迟一定时间发出触发信号使可控硅导通即为斩波，斩波后的交流电经电机滤波后其平均电压随斩波相位变化而变化。

为了达到控制直流电机目的，在控制回路加入了速度、电压、电流反馈环路和PID调节器来防止电机由于负载变化而引起的波动和对电机速度、电压、电流超常保护。

1.2调速方案选择随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM(脉宽调制)是常用的一种调速方法。

其基本原理是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。

只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。

最近几年来，随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。

1.3调速电路方案本电机调速系统采用脉宽调制方式, 与晶闸管调速相比技术先进, 可减少对电源的污染。

为使整个系统能正常安全地运行, 设计了过流、过载、过压、欠压保护电路, 另外还有过压吸收电路。

确保了系统可靠运行。

1.4控制方案选择直流电动机转速的控制方法可分为励磁控制法与电枢电压控制法两类。

随着电力电子技术的进步, 发展了许多新的电枢电压控制方法。

如: 由交流电源供电, 使用晶闸管进行相控调压; 使用硅整流器将交流电整流成直流或由蓄电池等直流电源供电, 再由PWM 斩波器进行斩波调压等。

PWM 驱动装置与传统晶闸管驱动装置比较, 具有下列优点: 需用的大功率可控器件少, 线路简单; 调速范围宽; 电流波形系数好, 附加损耗小; 功率因数高。

可以广泛应用于现代直流电机伺服系统中。

本系统是基于PWM 控制的直流电机控制系统。

第二章主电路的设计与分析2.1 主电路的各个部分电路主电路主要环节是：整流电路、斩波电路及保护电路。

图2-1 调速系统直流脉宽调速系统的组成如图2-1所示，由主电路、控制及保护电路、信号检测电路三大部分组成。

二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，电阻R1为起动限流电阻，C1为滤波电容。

可逆PWM变换器主电路系采用MOSFET 所构成的H型结构形式，它是由四个功率IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）和四个续流二极管（VD1、VD2、VD3、VD4）组成的双极式PWM可逆变换器，根据脉冲占空比的不同，在直流电机M上可得到正或负的直流电压。

2.1.1 整流电路晶体二极管桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。

这种电路，只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。

图2-2 整流电路桥式整流电路的工作原理如下：e2 为正半周时，对D1 、D3 加正向电压，Dl，D3 导通；对D2 、D4 加反向电压，D2 、D4 截止。

电路中构成e2 、Dl、Rfz 、D4 通电回路，在Rfz ，上形成上正下负的半波整洗电压，e2 为负半周时，对D2 、D4 加正向电压，D2 、D4 导通；对D1 、D3 加反向电压，D1 、D3 截止。

电路中构成e2 、D2 Rfz 、D3通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。

如此重复下去，结果在R ，上便得到全波整流电压。

其波形图和全波整流波形图是一样的。

从图2-2中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半！2.1.2 斩波调速电路直流电动机往往需要正、反向运行，而且有电动和制动工作状态，这就需要四象限斩波变换电路为电动机供电。

图2-3给出了四象限斩波调速主电路原理图。

T1~T4组成了全桥电路，又称H桥型电路；TA1检测母线的电流大小和方向，TA2检测电动机的电流大小和方向；电容C用来减小开关过程引起的电压，波纹压敏电阻Rv用来抑制电压尖峰。

电机的工作状态同供电方式和负载有关。

图2-3 斩波调速电路电机正向电动状态运行时，变换器工作在第一象限，使T1、T4导通，T2、T3关断，根据转速要求对T1进行PWM 调制，此时变换器等效一个降压斩波电路，能量由直流电源供向负载。

如果希望电机运行于正向制动状态，可使T2、T4导通，T1、T3关断，变换器等效一个升压斩波电路；调控T2电动机的反电动势升压变换得到一个略大于Ud 的电压，使得电动机输出电流反向，电磁转矩反向，直流电动机运行在发电制动状态，电动机的能量就回馈到电网，转速下降。

同理，T2、T3导通，T1、T4关断，调控T3，电动机可以运行在反向电动状态；T2、T4导通，T1、T3关断，调控T4，电动机可以运行在反向制动状态。

2.1.3 保护电路设计斩波器的散热设计：热管散热技术是当今国际较流行的散热方式，国内近年来发展较快，被人们称之为热的“超导体”，已广泛用于车辆电传动系统，热管的主要特点：高效的导热性，高度的等温性，热流密度变换能力强，结构多样灵活、重量轻。

由于IGBT 模块的开关频率高，开关损耗大，特别是对大功率IGBT 模块，一般普通型材散热器难以满足要求。

热管散热器特别适合于这种安装底板绝缘的大功率IGBT 模块散热。

目前适合于大功率IGBT 模块的热管散热器的热阻可以达到额定标准以下。

过电流保护电路：过电流保护采用的是在主电路中串联一个1￡的电阻，在其两端并联电磁继电器的线圈。

过流保护信号取自电阻两端的电压， 当主电路的电流高于一定数值时，电磁继电器的开关闭合，接通低电平，该过电流信号还送到SG3525的脚10。

在SG3525内部由于T3基极与A 端线相连，A 端线由低电压上升为逻辑高电平，经过SG3525A 的13脚输出为高电平，功率驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失。

在电路中，过流保护环节还输出一C D3D1D2D4RvT3T4T2T1TA1TA2MUd 斩波调速主电路原理图个信号到与门的输入端，当出现过流信号时，检测环节输出一低电平信号到与门的输入端，使脉冲消失，与SG3525的故障关闭功能一起构成双重保护。

IGBT的保护设计：在斩波电路中对斩波器的保护，实际上就是对IGBT的保护。

所以重要的是怎么设计好对开关管IGBT的保护方案。

在设计对IGBT的保护系统中，主要是针对过电流保护和开关过程中的过电压保护。

IGBT的过电流保护IGBT的过流保护电路可分为2类：一类是低倍数的（1.2～1.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达8～10倍）的短路保护。

对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。

这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。

IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。

如饱和压降小于2V 的IGBT允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs，4～5V时可达30μs以上。

存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。

通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。

软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。

但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。

为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。

所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。

降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。

降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。

若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。