直流电动机可调可控直流稳压电源的设计.

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n 和其他参量的关系可表示为

a a a

e U I R n C -=

Φ

∑ （1-1）

式中 a U ：电枢供电电压（V ）。 a I ：电枢电流（A ）。 Φ：励磁磁通（Wb ）。 a R ：电枢回路总电阻（Ω）。 e C ：电势系数。

1.2 本设计内容简介

本系统采用PWM 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。

基本工作过程：

在

in

U正半周过零点至ωt=0期间，因

in

U<

d

U，故二极管均不导通，此阶段

电容

1

C向

1

R放电，提供负载所需电流，同时

d

U下降。

至ωt=0之后，

in

U将要超过

d

U，使得D1和D4开通，

d

U=

in

U，交流电源向电容充电，同时向负载R1供电。

电容被充电到ωt=θ时，

d

U=

in

U，D1和D4关断。电容开始以时间常数RC 按指数函数放电。

当ωt=π，即放电经过π-θ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

in

U又向

1

C充电，与

in

U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

主要的数量关系：:

1、输出电压平均值

1) 空载时，。

2) 重载时，

d

U逐渐趋近于0.9

2

U，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：

d

U≈1.2

2

U(2.1)

2、电流平均值

1) 输出电流平均值

R

I为：

R

I=

d

U/R (2.2)

d

I=

R

I(2.3)

2) 二极管电流

D

I平均值为：

D

I=

d

I/2=

R

I/2 (2.4)

3、二极管承受的电压

d

i C i R

+

-

R

C

a)b)

VD1VD

3

u d

VD4

VD2

u1u2

i2

2

d

U

()2/

5

~

3T

RC≥

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，如图中Em 所示。

t=0时刻，驱动V 导通，电源d U 向负载供电，负载电压0U =d U ，负载电流0

I 按指数曲线上升。

t=1t 时刻，控制V 关断，二极管VD 续流，负载电压0U 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：

0on on d d on off t t

u u u t t T

=

=+ （2.5）

所以输出电压为：

0d u u α=

（2.6）

其中：α=

on

t T

，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1L 储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容1C 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i U =220V ，整流输出电压为d U =200V ，斩波输出电压为0～220V 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：dvt I =1/2d I =（3～7）A 电力二极管承受最大反压：t U =1.414t U =311V

考虑安全裕度，电力二极管额定电压n U =（2～3）×311=（622 ～933）V 。取电力二极管额定电压n U =940V 。

流过电力二极管电流有效值vt I =d I /1.414=(1.414～5.66)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：n I =（1.5～2）*5.66/1.57=（5.4～7.2）A 。在考虑裕量，将计算结果放大到两倍，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1C 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1C =0.15F ；耐压：1.5dm U =1.5×220=360V ，取360V 。即选用0.15F 、360V 电容器。

三、IGBT 的选择

因为2m U =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 60A ，300V ，IGBT 。

四、 续流二极管的选择

根据公式U=（2～3）2U =（160～240）V ，而电流I=(1.5～2)I2==(12～16)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，

1L 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：

10

1min

2on O U U L t I -≥

（2.7） 式中，1U ：IGBT 输入电压；0U ：电源输出电压，min O I ：电感续流二极管的凝结负载电流；on t ：IGBT 的导通时间。1L 越大，输出电流纹波越小，所允许