IGBT斩波控制的直流电机的调速系统设计

课程设计名称：电力电子技术

题目：IGBT斩波控制的直流电机的调

速系统设计

专业：自动化

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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。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。该斩波器既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。

关键词：直流电动机；调速；直流斩波；IGBT

目录

引言 (1)

1.主电路原理图 (2)

1.1主电路方案 (2)

1.2基本直流斩波电路原理图 (2)

1.3数量关系 (3)

2.IGBT驱动电路的选择 (4)

2.1 IGBT简介 (4)

2.2 IGBT驱动电路的条件 (4)

3.控制电路的选择 (6)

3.1 控制电路方案选择 (6)

3.2 SG3525芯片工作原理 (7)

4.保护电路的设计 (8)

4.1 主电路器件保护 (8)

5.结论 (9)

心得体会 (10)

参考文献 (11)

引言

随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空等领域中已经得到了广泛的应用。直流电动机的启动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要。IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。因此，在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。

1. 主电路原理图

1.1主电路方案

对于降压斩波电路的选择，可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。这就可以根据所学的buck 降压电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种方案把本该简单的电路复杂化，不可取。至于开关的选择，选用全控型的IGBT 管，而不选半控型的晶闸管，因为IGBT 控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。

1.2基本直流斩波电路原理图

Em

L

R

图1.1降压斩波电路原理图

图1.2 电流连续与断续波形图

此电路使用一个全控型器件V ，图中为IGBT ，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。并设置了续流二极管VD ，在V 关断时给负载中电感电流提供通道。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，如图中Em 所示。

i G i

工作原理：

（1）t=0时刻驱动V 导通，电源E 向负载供电，负载电压uo=E ，负载电流io 按指数曲线上升。

（2）t=t1时控制V 关断，二极管VD 续流，负载电压uo 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。

（3）通常串接较大电感L 使负载电流连续且脉动小。

1.3数量关系

（1）电流连续时 负载电压平均值：

E

E T t

E t t t U α==+=

on off on on o

式中，ton 为V 处于通态的时间，toff 为V 处于断态的时间，T 为开关周期，α为导通

占空比，简称占空比或导通比负载电流平均值：

R E U I M

o o -=

（2）电流断续时，负载电压u 0平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。

2. IGBT驱动电路的选择

2.1 IGBT简介

IGBT 是三端器件，具有栅极G，集电极C和发射极E。它是个场控器件，通断由栅射极电压Uge决定。Uge 大于开启电压Uge(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT 导通。通态时电导调制效应使电阻R减小，使通态压降减小。当栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT 关断。

2.2 IGBT驱动电路的条件

驱动电路的作用是将芯片输出的脉冲进行功率放大,以驱动IGBT.保证IGBT的可靠工作,驱动电路起着至关重要的作用,对IGBT驱动电路的基本要求如下:

(1) 提供适当的正向和反向输出电压,使IGBT可靠的开通和关断.

(2) 提供足够大的瞬态功率或瞬时电流,使IGBT能迅速建立栅控电场而导通.

(3) 尽可能小的输入输出延迟时间,以提高工作效率.

(4) 足够高的输入输出电气隔离性能,使信号电路与栅极驱动电路绝缘.

(5) 具有灵敏的过流保护能力.

根据要求，对驱动电路进行设计，如图其工作原理：控制电路所输出的信号通过TLP521-1光耦合器实现电气隔离，再经过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大。驱动电路的隔离方式，采用光电耦合式驱动电路比较方便，该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1us的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。对于光电耦合式驱动电路可以直接用光耦电路进行主电路与控制电路隔离，再把驱动信号加一级推挽电路进行放大使得驱动信号足以驱动IGBT管。

图2.2 驱动电路