电机车斩波控制研究

课程设计

课程名称电机控制

课题名称电机车斩波控制研究

专业电气工程及其自动化

班级电气

学号20100101

姓名

指导教师谢卫才

2013年5月1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，以及直流斩波调速技术的应用，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。基于IGBT 的直流斩波控制实现直流电机的调速，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，应用也是十分广泛的。

现代的各行各业中，多数的机械都有调速的要求,直流电机调速系统具有良好的控制特性，得到了广泛的应用。20世纪80年代，以晶闸管为功率开关器件的斩波调压调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广，但晶闸管斩波调速器不中之处是：晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现，增加了装置的成本和换流损耗；电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低；此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高（一般在300以下），电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重，并且在深调速下谐波含量很大，电磁兼容装置能够减小谐波对其他敏感设备的影响，但其体积相对较大。随着现代电力电子技术的发展，以新型自关断电力电子器件为基础的现代直流传动系统可以较好地满足用户对系统提出的高技术要求，尤其在一些大功率、有特殊要求的使用环境，现代直流传动系统有更高的适应性。

国内外已经把直流斩波器广泛地应用在电力牵引机上，例如地铁、电力机车、城市无轨电车、升降机等等。利用直流斩波器能够比较容易地实现平稳起动，无级调速以及再生制动，电能损耗可大为减少。电机车通常采用串激式直流电动机传动，这是由于串激式直流电动机具有起动转矩大、过载能力强、机械特性软、有空载车速行、重载慢行的自然特点，并适用于多机并联运行。

某些电机，处在经常频繁起动、变速、制动和停车的运行工作状态下。为了提高工作效率节省电能，可采用斩波器调速，实行再生制动，把部分能量回馈给电网，节约电能将是非常可观的。目前许多直流调速大都采用晶闸管（SCR）斩波器调速。SCR斩波器调速，可以做到平稳起动、无级调速、损耗小、效率高。但SCR 斩波器属于强迫换流电路，有出现换流失败，即出现“失控”现象的可能，会给生产和人身安全带来威胁。SCR斩波器的工作频率低（一般在150~300HZ左右），滤波器体积大，SCR的开关时间受元件本身和换流电路参数的限制，一般导通率不能过低，否则在轻载时电流将出现断续，使电机附加损耗增大。

将大功率晶体管（GTR）引入斩波调速系统，可大大改善斩波器的性能。GTR 具有自关断能力，不需强迫换流电路，简化了主电路，体积也减小，它是一个电

流控制元件，不存在换流失败问题；GTR工作频率（可高于1000HZ）供电给串激电动机可大大减少滤波器的容量，调速范围宽。但它受耐压和电流定额（目前可购到最大为400A、1200V的GTR元件）等应用范围受到限制，主要用在矿山井下及地面的运输设备上及蓄电池型电动车上。

门极可关断晶闸管（GTO）是一种可自行关断的大功率开关元器件，GTO耐压高，电流大，开关工作频率可达1000HZ，且电流变化率di/dt和电压变化率du/dt 值也较高。不过GTO为了获得良好的开关特性，对其门电路驱动电流要求是很高的。

使GTO导通的门极正向驱动电流较小，与SCR类似；但使GTO关断的负向门极电流，其幅值、斜率，维持时间都有严格要求。配置不当，轻则增大关断损耗或影响工作频率，重则会损坏GTO元件，这是它应用范围受限制的主要方面。

新型高速大功率绝缘栅晶体管（IGBT）开关元件的问世和应用，使大功率变换器又上一个新的台阶。IGBT开关工作频率可超过音频（大于1000HZ）。耐压高，电流大，输入阻抗高（基本上是电压控制元件），导通压降低，它集功率场效应管（Power MOSFET）和大功率晶体管（GTR）的特点于一身，而且关断速度高于GTR，是目前较理想的功率开关元件。

1、斩波控制的工作原理及演变

直流斩波控制一直是一种把恒定直流电压变换成负载所需的可变直流的电源变换装置。它通过周期性地快速通、断直流电压，而把恒定的直流电压斩成一系列的脉冲电压，改变这一脉冲的宽度或频率就可以实现输出电压平均值的调节。即将固定输入的电源电压产生出经过斩波控制的可变负载电压，又称DC/DC 变换。

1.1 降压斩波电路

降压斩波电路的原理图和工作波形如图1-1所示。电路使用一个全控器件V ，为IGBT ，为在V 关断是给负载的电杆电流提供通道，设置了续流二极管VD 。

图1-1 降压斩波电路的原理图和波形

a ）电路图

b ）电流连续时的波形

c ）电流断续时的波形

降压斩波电路工作原理:当t =0时刻驱动V 导通，电源E 向负载供电，负载电压o u E ，负载电流o i 按指数曲线上升;当t =t 1时刻控制V 关断，负载电流经二极管VD 续流，负载电压o u 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L 值较大。

i E M

至一个周期T 结束，再驱动V 导通，重复上一周期过程。当电路工作处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图1-1b 所示。负载电压的平均值为

0on on on off t E t U E E t t T

α===+ （1-1） 式中on t 为V 处于通态的时间；off t 为V 处于断态的时间；T 为开关周期；α为导通占空比。

负载电流的平均值为

00M U E I R

-= （1-2） 若负载中的L 比较小时，在V 关断后到了2t 时刻，如图1-1所示，负载电流衰减至零，会出现负载电流断续的情况。

根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式：

1) 保持开关周期T 不变，调节开关导通时间on t 不变，称为PWM 。

2) 保持开关导通时间on t 不变，改变开关周期T ，称为频率调制或调频型。 3) on t 和T 都可调，使占空比改变，称为混合型。

其中方式1）应用最多。

1.2 升压斩波电路

升压斩波电路的原理图和工作波形如图1-2所示。

升压斩波电路工作原理：首先假设L 和C 值很大。当V 处于通态时，电源E 向电感L 充电，电流恒定1i ，电容C 向负载R 供电，输出电压0u 恒定。当V 处于断态时，电源E 和电感L 同时向电容C 充电，并向负载提供能量。

设V 通态的时间为on t ，此阶段L 上积蓄的能量为on t Ei 1；设V 断态的时间为off t ，则此期间电感L 释放能量为off t i E u 10)(-

电路处于稳态时，一个周期T 中电感L 积蓄能量与释放能量相等，即

101()on off Ei t u E i t =- （1-3）

化简得