直流电动机斩波调速系统设计.docx

1、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

2、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

3、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。

4、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,nN =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

5、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3.2 系统主电路 实际上

6、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。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

7、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U 0=0。在IGBT 开通和关断期间，负载电压的平均值U 0=U i ，其中为占空比即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

8、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。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

9、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/s 。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

10、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。3.3 速度调节器和电流调节器设计 转速反馈环节主要利用一测速发电机检测电动机的转速，将转速信号转换为电压信号，以一定的比例反馈会主回路中，与给定电压信号进行比较，从而产生一信号作为电流调节器的给定信号；系统通常采用比例积分调节，可以消除系统静差，调节器使用的校正系统式典型系统。原理图如下图4所示：图4 转速调节器原理图图4中错误！未找到引用源。为转速给定电压，错误！未

11、找到引用源。Un- 为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压错误！未找到引用源。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。电流反馈环节主要将电枢中电流反馈主回路中与转速调节器的输出作比较产生控制信号，用来作为控制电路的输入信号。电流调节器，通常采用比例积分调节，可消除系统静差。调节器可用校正系统，通常将电流环校正成典系统。通常调节器上有滤波装置，用来减少系统中谐波分量。电流调节器与电压调节器的结构基本相同，其结构图如下图5所示：图5 电流调节器原理图引言. 1 栅极电荷曲线. 1

12、测量栅极电荷. 3 确定栅极电荷. 3 驱动器输出功率. 5 栅极电流. 5 栅极峰值电流. 6 选择合适的IGBT 驱动器. 6 DriverSel 简便的IGBT 驱动器计算方法. 6 符号和术语. 7 参考文献. 8 本应用指南提供了关于确定用于开关IGBT 的驱动器输出性能的信息。所提供的信息仅包括提示并不包含完整的设计规则。信息并不全面，设计是否合适取决于用户自己。 引言保上下两桥臂不会直通发生事故，中间加入电容1C 、2C 进行逻辑延时，后面再加上非门和与门构成的电路。 图6 PWM生成电路由SG3524构成的基本电路如图7所示，由15脚输入+15V电压，用于产生+5V基准电压。9

13、脚是误差放大器的输出端，在1、9引脚之间接入外部阻容元件构成PI 调节器，可提高稳态精度。12、13引脚通过电阻与+15V电压源相连，供内部晶体管工作，由电流调节器输出的控制电压作为2引脚输入，通过其电压大小调节11、14引脚的输出脉冲宽度，实现脉宽调制变换器的功能实现。图 7 SG3524 管脚构成的电路图 信号产生电路使用的是 SG3424 芯片，该芯片输出一个信号供给驱动芯片 EXB841 从而控制 IGBT 的导通与关断。如下是 EXB841 芯片管脚图图 8 。 图 8 EXB841 驱动电路图 3.5 IGBT 参数计算 （1）IGBT 的额定电流：峰值电流=IN4， 额定电流4

14、IN, 则额定电流455=220A。 （U0 为二极管整流输出的直流电压） （2）IGBT 的额定电压：UTN=U03 U0=Ud/0.9=220/0.9 (0.9 为最大占空比 则 UTN=2203/0.9=733V (考虑 3 倍裕量 4 信号检测电路 4.1 转速检测电路 转速检测电路如图 9。与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调 量转速成正比的负反馈电压 U n ，与给定电压 U * 相比较后，得到转速偏差电压 n 11 测速发电机的输出电压不仅表示转速的大小， 还包含转 DU n 输送给转速调节器。 速的方向，测速电路如图 9 所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。 T

15、G MOTOR DC + Un RPn 图 9 转速检测电路 4.2 电流检测电路 本次设计的电流检测使用霍尔传感器如下图 10 所示： 图 10 电流检测电路 心得体会 本课设通过对直流斩波调速系统的设计，进一步理解了速度、电流调节器的 设计方法，以及对后面的驱动电路、检测和保护电路有了更深刻的了解。虽然该 调速系统相比于现实中的复杂系统较为简单， 但是它使我深刻的理解了调速系统 设计的意义所在，并为我以后的继续学习和设计无功补偿打下基础。 12 通过本次设计， 让我在大概学习课本知识的基础上又得到了进一步的深化。 开始拿到题目， 脑子里没有解决问题的思路，到后来开始认真学习课本以及以前 课

16、程设计的方法和解决问题的方法，经过自己的仔细分析和计算，最终得到想要 的结果，让我感到一丝的欣慰。 在本次课程设计中， 我学习了以前的没有注意到的内容并温故了很多科目和 软件的使用。 尝试使用 PROTEL99 软件、使用 WORD 画出调速系统的电路框图以及 电路图。 此外去图书馆查找关于课设的知识以及上网认真查找芯片资料，所有的 这些都让我受益匪浅。 让我进一步知道当遇到未知问题时，我可以用各种途径最 终解决难题，在以后的学习和工作中，我也将继续贯彻这种方法。 在设计过程中总会遇到各种的难题，比如对保护电路的设计，经过各种尝试 最后得到了想要的结果， 我的耐心在这个过程中逐步建立起来。为以后的工作积 累了经验，增强了信心。 13