IGBT直流斩波调速系统设计

本科生课程设计（论文）I本科生课程设计（论文）II摘要本设计采用一个直流斩波电路实现直流调压，以此控制直流电动机的转速。主电路包括：整流电路、斩波电路及保护电路。控制电路的主要环节是：触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、故障保护电路。由于要求电机能稳定运行并能实现无极调速，IGBT绝缘栅双极晶体管作为斩波电路的组成元件。关键词：整流电路；斩波电路；驱动电路；直流电动机本科生课程设计（论文）III目录摘要.....................................................................................II第1章绪论................................................................................11.1电力电子技术及IGBT概况................................................................11.2本文设计内容...........................................................................1第2章由ＩＧＢＴ构成的直流斩波调速系统的电路设计.........................................12.2整流电路设计...........................................................................22.3RC滤波稳压电路........................................................................32.4升降压直流斩波电路设计.................................................................32.5控制与驱动电路.........................................................................42.6保护电路...............................................................................52.7系统总电路图...........................................................................62.8系统各参数计算及器件选择...............................................................6第3章系统调试及仿真......................................................................7第4章课程设计总结........................................................................9参考文献....................................................................错误!未定义书签。附录I系统主电路图.........................................................................9本科生课程设计（论文）1第1章绪论1.1电力电子技术及IGBT概况电力电子技术应用于整个电能产生、传输及利用的各个环节。分布式电源及微电网技术、高压直流输电与灵活交流输电技术、电能质量控制技术及为数众多的电源技术都是电力电子技术应用的范例。电力电子技术为功率强大，可供诸如电力系统那样大电流、高电压场合应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其特殊之处不仅仅因为它能够通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的问题。IGBT直流斩波,对电力电子技术的发展起到重大推动作用，它打开了电力电子技术向高频大功率化发展的新纪元,使其应用产品的自动化、智能化、高效化和机电一体化做出了显著贡献。市场上用的最多的IGBT直流斩波器，它是属于全控型斩波器，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。中国电力系统具有地域跨度大、结构复杂、控制要求高的特点。中国资源特别是一次能源相对紧缺、环境问题突出。因此，中国电能的安全稳定、可靠供应及高效环保利用成为当务之急，电力电子技术必将发挥重要作用，而IGBT在电力电子中的作用不可忽视。在80年代后期，以绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。IGBT是MOSFET和BJT的复合。它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT的通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。目前,市场上用的最多的直流斩波器，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,它是属于全控型斩波器，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。与可控硅脉冲调速式和电阻调速方式相比，具有明显的优点。直流斩波电路的功能是将直流电变为另一固定电压或者可调电压的直流电，也称为直接直流-直流变换器。直流斩波电路一般是只直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流-交流-直流的情况。我们要研究的就是各种斩波电路的工作原理、掌握它们的工作的输入输出关系、电路解析方法和工作特点。1.2本文设计内容IGBT组成的直流斩波调速系统，对一台额定电压110V、功率为1kW的直流电动机提供直流可调电源，本文设计一个由以实现直流电动机的调速。要求输出电压在0～110V连续可调,斩波输出最大电流10A.本系统设计多个电气部分组成整体结构有变压部分，整流部分，保护部分，反馈部分及由IGBT为主的控制部分等部分所组成。本电机调速系统采用直流斩波调速方式,与晶闸管调速相比技术先进,可减少对电源的污染，而且本系统有着过电流保护与过电压保护，安全并且实用。第2章由ＩＧＢＴ构成的直流斩波调速系统的电路设计2.1总体设计方案本设计采用升降压直流斩波电路实现直流调压，以此控制直流电动机的转速。采用220V本科生课程设计（论文）2单相交流电源经降压变压器降压输出的交流电，再经感容滤波单相桥式全控整流电路整流，整流后的脉动直流电经RC滤波后，再由升降压斩波电路调压后控制直流电动机的运行。由于要求电机能稳定运行并能实现无极调速，所以采用双闭环直流可逆脉冲调速系统。电流环作为系统的内环，转速环作为系统的外环选用集成脉冲调制控制与驱动器。IGBT绝缘栅双极晶体管作为斩波电路的组成元件。图2.1总体框图2.2整流电路设计在整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。小功率整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。方案一：单相全波可控整流电路单相全波整流电路纹波系数低，电源利用率高。但变压器结构较复杂，绕组及铁芯对铜、铁等材料的消耗多，所承受的反向峰值电压较高，不存在直流磁化的问题，适用于输出低压的场合作电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。方案二：单相桥式全控整流电路单相桥式全整流电路输出电压高，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。因此，得到了较为广泛的应用。但二极管的数量多，二极管的正向电阻不为零，整流电路内阻大，损耗也较大。这是其唯一的缺点。综上所述，方案三较为经济、可靠、效率高。可以满足设计要求单相桥式全控整流电路单相交流220V变压器降压整流直流电动机直流斩波滤波本科生课程设计（论文）3图2.2单相桥式全控整流电路桥式整流电路的工作原理如下：U2为正半周时，对VT1、VT4和方向电压，VT1，VT4导通；对VT2、VT3加反向电压，VT2、VT3截止。电路中构成U2、VT1、R1、VT4通电回路，在R1上形成上正下负的半波整洗电压，U2为负半周时，对VT2、VT3加正向电压，VT2、VT3导通；对VT1、VT4加反向电压，VT1、VT4截止。电路中构成U2、VT2、R1、VT4通电回路，同样在R1上形成上正下负的另外半波的整流电压。如此重复下去，结果在R1，上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整洗电路小一半。这样就将交流电变为直流电。电容C起滤波稳压作用。波形图如下；图2.3单相桥式全控整流电路波形图2.3RC滤波稳压电路稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。滤波电路的作用：允许规定范围内的信号通过；而使规定范围之外的信号不能通过靠着电容器的平滑作用，使电压波动大大减小了，相应地脉动直流电压的平均值也就显著提高了。直流电源配用的滤波电容器都是电容量比较大的电解电容器。电容量越大，平滑滤波的效果越好。值得注意的是，电容器的充电电流都是流过二极管的，电容量越大，起始充电电流也越大，这个起始充电电流比流过二极管的正常工作电流要大许多倍，人们称它为“浪涌电流”。如果浪涌电流超过二极管所能耐受的最大瞬时电流值，就可能烧坏二极管。因此一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。2.4升降压直流斩波电路设计本科生课程设计（论文）4图2.5升降压斩波电路图2.6升降压斩波电路波形图设电路中电感的值很大，电容的值也很大如图，使电感电流和电容电压即负载电压基本为恒值。当可控开关处于通态时，电源经V向电感L供电，使其存储能量，此时电流为i1。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中储存的能量向负载释放，电流为i2。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，因此，该电路也称作反极性斩波电路。改变占空比，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当01/2时为降压，当1/21时，为升压。2.5控制与驱动电路控制电路主要环节是：触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。主电路电力电子开关器件要采用IGBT，并且系统具有完善的保护。IGBT开通的栅射极间驱动电压一般为15~20V。关断时电压通常为-5~-15V，有利于减小关断时间和关断损耗。本次设计采用三菱公司的M57962L型混合驱动器。；图2.7M57962L接线图M57962L采用双电源+Vcc和Vee，接线如图2.7所示。电路组成：(1)放大隔离电路；(2)定时复位电路；(3)过流检测电路；(4)过流输出电路。本科生课程设计（论文）5当控制电路使M57962L输入端13和14脚有10mA的电流时光耦IC1导通，A点电位迅速下降至VEE，使IC2A的2脚输出为高电平Vcc，则三极管V2、V4导通，V3、V5截止，使V7导通，Vcc加到R17上，同时由R18/(R17+R18)大于R16/(R15+R16)，导致IC2D的13脚为低电位，V6截止，R4/(R3+R4)大于R16(R15+R16)使IC2B的13脚截至，故IC2的14脚为高