直流电动机斩波调速系统设计

直流电动机斩波调速系统设计

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。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。

本次课程设计采用集成脉宽调制器以及调节器构成转速、电流双闭环的直流调速系统，转速环将电动机的的转速转化为电压信号与电压给定相比较，经转速调节器作用产生电流调节器的给定信号。电枢电流反馈信号与转速调节器的输出信号经电流调节器作用产生控制信号。因此需要设计电流检测、转速检测电路，以及ACR和ASR的模型。此外主电路要求设计驱动电路、保护电路和直流斩波电路，降压斩波电路，通过控制可控器件的占空比来控制输出电压的大小。主电路中的可控性器件通过集成脉宽调制器控制，来控制其开通和关断。最终形成直流电动机斩波调速系统。

关键词：斩波电路转速调节器电流调节器脉宽调制器保护和检测电路

1 概述

电力电子技术在现代化社会的建设中的应用起着重要作用并得到飞跃性的发展。直流斩波器作为一种电力电子器件，也必定随着直流电的广泛应用而显得异常重要。直流斩波器广泛应用于生产生活等时机情况当中，从我国国情出发，大力发展直流电技术，结合电力电子技术，这对改善我国科技现状水平，提高经济效益将起着重要作用。

因此研究直流斩波器有着深远的意义，它不仅能够大大改善各种机车的调速系统，为其提高安全、快速、低损耗的调速装置，还可以为世界能源危机带来曙光，解决能源带来的各种问题。

鉴于上述情况，本次课设要求设计直流电动机斩波调速系统，加深我们队斩波调速系统的理解。斩波电路通过控制电路导通比来控制输出端电压大小，用来控制直流电动机时，电枢电压的改变可方便调节电动机转速。转速调节器用来检测电动机转速，将其转换为电压信号与系统给定电压比较。

2设计意义和要求

2.1 课程设计意义

本次课程设计，一方面意在加深我们对本学期《电力电子装置及系统》课本理论知识的理解。另一方面在于加深我们的自学能力、查找资料的能力、分析和解决问题的能力。最重要的是在于锻炼我们的思维，用自己的知识去设计电路解决生活中的实际问题，了解直流电动机斩波调速电路对现代社会的重大意义，为以后的深入学习和生产奠定基础。

2.2 课程设计要求

直流电动机P N=10KW，U N=220V,I N=55A,n N=1500r/min要求完成的主要任务:

采用集成脉宽调制器及调节器构成转速、电流闭环的直流调速系统，设计、绘制该系统的原理图，并计算主开关管IGBT的额定电压和额定电流。

3 系统电路设计

3.1 系统分析

由题目要求根据所学知识分析可知，系统主要由电压给定环节、转速调节器、电流调节器、转速反馈环节、电流反馈环节、脉宽调制电路、触发电路、控制电路，直流斩波电路等几个主要部分组成。其主电路为直流斩波电路，通过控制电路中可控器件的导通时间，改变占空比可达到控制其输出电压大小的目的，其输出电压加在电动机两端，可方便调节直流电动机的转速。控制电路主要用来产生控制IGBT 的信号。采用双闭环调速系统，可是系统响应速度更快，对电网电压波动及负载扰动等干扰因素抑制作用增强。通过分析可绘出器系统原理框图如下图1所示：

图1 直流脉宽调制调速系统原理框图

电压给定

速度调节器

电流调节器 集成脉宽调制器 基极驱动器

直流斩波器

直流电动机

电流检测

转速检测

3.2 系统主电路

3.2.1整流电路

实际上系统首先是利用变压器将大电压380V的交流电变为60V交流电，然后通过不控整流二极管变为直流电。因此需要整流电路，设计中选用的是三相桥式整流电路，其原理图如下图2所示：

图2 三相桥式整流电路原理图

上图3所示的电路A、B、C接三相电源，经晶闸管三相桥式整流电路整流后，可得到直流电，供给斩波电路。其中大电容C用来抑制整流电路输出电压脉动大小，起滤波和平波的作用。

3.2.2降压斩波电路

由题目要求主电路采用斩波电路，并且辅助以保护电路和整流电路。斩波电路所选用的是降压斩波电路，其原理图及波形图如下图3所示：

图3主电路的原理图和波形图

如上图2所示为直流脉宽调制斩波电路的原理图和波形图，主电路采用降压斩波电路。输入的直流电经过滤波电筒后接入全控型器件IGBT 组成的控制组来控制正反向的门控电路导通角而电压输出地占空比，从而达到直流调压的目的，为达到较好的输出波形，在输出端接一电感。电路中的V 使用的是全控型器件

M

C 1

D

V

L

+

－

U i

U 0

+

－

IGBT,当在V关断时电源U i通过V给电动机M供电，并同时给电感L充电，此时输出电压近似等于电源电压；当V关断后，由于电感L的存在，通过续流二极管D及电动机M续流，当忽略二极管两端的电压降时，此时U0=0。在IGBT 开通和关断期间，负载电压的平均值U0=αU i，其中α为占空比即IGBT导通时间与其开通和关断时间之和之比。可以同过控制开关管的占空比方便调节负载端的平均电压。在不同定的平均电压下，电动机转速不同，可方便调节系统转速。由于采用PWM脉宽调制，在一个开断周期内，开关管的开通、关断时间很短，电机波动较小，运行稳定。如果减小占空比，则输出电压随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。

3.2.3保护电路

1）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SG3524的脚10。在SG3524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SG3524A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。

2）IGBT开关过程中的过电压保护

关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/μs。极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏。所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。但对于IGBT的开通来说，集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升率。一般情况下IGBT开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以控制。