IGBT斩波电机调速标准系统.docx
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IGBT斩波电机调速标准系统
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。
关键字：
直流电动机、调速、直流斩波
1.前言
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（PowerMOSFET）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。
2、调速系统方案确定
电源电路通常是由整流电路、滤波电路和稳压电路组成的，220V的交流电压通过电源插头送到变压器的初级线圈，再感应到次级线圈，次级线圈两端得到较低的交流电压，该电压经二极管桥式整流电路转换成直流电压并送到滤波电路，滤波电路对送来的有波动的直流电压进行平滑处理，经IGBT组成的直流斩波电路然后送到稳压电路进行稳压，结果稳压电路输出很稳定的直流电压供给负载，使负载在稳定的电压下正常工作。
由于CW494内部有两个放大器，很容易实现电压负反馈，并且为了实现限流保护，可采用电流截止反馈，加入继电器，过电流时可切断主电路，IGBT栅极由CW494集成脉宽调制器对主电路进行控制，从而使该系统调压调速。
系统框图如下图1所示。
图1 系统框图
2.1 变压器
变压器在生产、输送、分配和使用电能的电力系统中是一个十分重要的装置，它起着使电能传输经济、运行安全、使用方便的作用。
在电力系统中，主要应用变压器作为信号传输的元件，在国民经济的各个部门，也广泛地使用各种类型的变压器，以提供特种电源或满足特殊的需要。
整流变压器一次侧接交流电网，二次侧接连接整流装置。
2.1.1 整流变压器的作用
（1）变换整流器的输入电压等级。
由于要求整流器输出直流电压一定，若整流桥路的交流输入电压太高，则晶闸管运行时的触发延迟角需要较大；若整流器输入电压过低，则可能在触发延迟角最小时仍不能达到负载要求的电压额定值。
所以，通常采用整流变压器变换整流器的输入电压等级，以得到合适的二次电压。
（2）利用变压器漏抗限制晶闸管导通时，整流器短路时电流上升率di/dt增大。
（3）实现电网与整流装置的电气隔离，改善电源电压波形，减小整流装置的谐波对电网的干扰。
2.1.2 整流变压器的特点
（1）由于整流器的各桥臂在一周期内轮流导通，整流变压器二次绕组电流并非正弦波（近似方波），电流中含有直流分量，而一次电流不含直流分量，使整流变压器视在功率比直流输出功率大。
（2）当整流器短路或晶闸管击穿时，变压器中可能流过很大的短路电流。
为此要求变压器阻抗要大些，以限制短路电流。
（3）整流变压器由于通过非正弦电流引起较大的漏抗压
5.1信号发生电路的调试·············································11
5.2驱动电路的调试·················································11
5.3完整电路调试···················································12
7心得体会·························································12
致谢·······························································14
1课程设计目的
电力电子技术是一门实践性很强的技术。
由电力电子器件构成的直流电机斩波调速电路，由于其节能，先进，灵活等特点在工业控制中得到了广泛应用。
基于IGBT的直流电机脉宽调速与转速检测课程设计，结合电力电子、电力拖动和电子技术基础等多门专业课的理论知识的运用。
通过实践，加强了学生的动手和灵活运用多门专业知识的能力，并达到深化运用先进的电力电子技术解决实际问题能力的培养。
2课程设计要求
2.1选用合适的IGBT设计制作一个斩波调速器，使占空比可调，设频率设定为5.7kHz,占空比调节范围为10%~90%。
2.2斩波调速器负载选用额定电压为220V，额定电流为1.2A的它励直流电动机（即把实验室的并励直流电动机做它励接法做实验）实现电机的单向调速，即电机的单象限运行。
3直流调速系统结构和原理
直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。
其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。
直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。
其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。
直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。
其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。
电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。
换向器是一种机械整流部件。
由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。
各换向片间互相绝缘。
换向器质量对运行可靠性有很大影响。
直流电机斩波调速原理是利用可控硅整流调压来达直流电机调速的目的。
利用可控硅的开关特性，控制其通断时间从而实现斩波，以改变转子两端的电压来调节直流电机的转速。
4设计直流斩波调速电路
4.1调速方案选择
直流电动机转速的控制方法可分为励磁控制法与电枢电压控制法两类。
随着电力电子技术的进步,发展了许多新的电枢电压控制方法。
如:
由交流电源供电,使用晶闸管进行相控调压。
使用硅整流器将交流电整流成直流或由蓄电池等直流电源供电,再由PWM斩波器进行斩波调压等。
PWM驱动装置与传统晶闸管驱动装置比较,具有下列优点:
需用的大功率可控器件少,线路简单。
调速范围宽。
电流波形系数好,附加损耗小。
功率因数高。
可以广泛应用于现代直流电机伺服系统中。
其中，直流斩波是常用的一种调速方法。
其基本原理是用改变电机电枢电压的接通和断开的时间比（占空比）来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。
只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。
直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，这是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路。
基于IGBT等位代表全控型器件的不断完善给这种控制技术也提供了强大的物质支持。
本系统正是基于IGBT的直流斩波电路作为直流电机调速系统。
4.2设计与分析
该直流电动机的直流斩波调速系统主要由信号发生电路、IGBT驱动电路和主电路三大部分组成。
下面详细介绍各部分电路的设计。
4.2.1信号发生电路
图1信号发生电路
信号发生电路，是整个电路的控制电路，是整个电路的关键部分。
没有这部分，就没法实现斩波电路的控制，实现直流电机的调速。
通过可调节的信号产生的电路，产生相应的信号，通过IGBT的驱动电路来控制IGBT的通断，实现直流斩波，就能达到直流电动机调速的目的。
该系统是同过脉冲宽度调制来实现斩波控制的。
信号发生电路是由脉冲宽度控制器TL494、可调电阻和其他电路元件组成，如图1所示。
图2TL494结构图
TL494是一种频率固定的脉冲调制控制电路，集成了开关电源控制所需要的主要模块，如图2所示。
内部线性的锯齿波振荡器频率由2个外部元器件决定，RT和CT。
近似的振荡频率可以由下面公式决定：
图3TL494时序图
输出脉冲宽度调制是通过在CT上的正锯齿波和2个控制信号中的任意一个比较而实现的。
驱动晶体管Q1和Q2的或非门，当双稳态触发器的时钟输入是低电平的时候才使能，即锯齿波电压大于控制信号时。
因此，增大控制信号的幅度会相应的减少输出脉冲的宽度，如图3所示。
信号发生电路中，通过调节电路的R5即RT，改变TL494的振荡频率，而使Q1输出地脉冲宽度发生变化。
以引脚9输出地Q1脉冲驱动驱动电路，实现斩波电路的可调节控制。
4.2.2IGBT的驱动电路
图4IGBT结构、简化等效电路和电气符号
图5IGBT驱动电路
IGBT是一个三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。
由图4可看出，IGBT是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿管结构，相当于MOSFET驱动的厚基层PNP晶体管。
IGBT是一种场控器件，其开通和关断是由栅极和发射机间的电压决定。
该电压大于开启电压时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。
当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。
本系统驱动电路为IGBT光电隔离门极驱动电路，如图5所示。
为使IGBT工作稳定，驱动电路按要求使用+15V和—15V正、反偏压的双电源供电。
为使驱动电路与信号电路隔离，采用抗噪能力强、响应快的光耦合器件。
输入信号通过U3光耦合器件引入驱动电路，然后通过推拉式的电路，向IGBT集电极提供电流。
由于IGBT的转移特性，当其集电极电流增加到一定值时，其栅射电压就会突然上升，这样，IGBT就导通了。
集电极电流下降到一定值或被撤除时，栅射电压不足，IGBT又断开。
在信号电路发出信号时，驱动电路的光耦器件U3被驱动，驱动电路被接通，向IGBT集电极提供电流，IGBT就导通了。
光耦器件恢复，驱动电流提供的基极电流被切断，IGBT就关断。
4.2.3主电路
图6主电路
主电路是一个基于IGBT降压直流斩波电路，可通过IGBT的通断，控制电机两端电压的变化，从而达到直流调速的目的。
如图6所示。
本电路选取的IGBT型号为IRG4IBC30S，参数为VCES=600V，VCE（on）typ.=1.4V，VGE=15V，IC=18A，属于N型IGBT。
图7降压斩波电路
图7为跟主电路一样的降压斩波电路的电路图，当t=0时，IGBT（即图中的V）的发射机E和栅极G上达到启动电压而导通，电源E向负载供电，U0=E，I0按指数规律上升。
t=t1时，IGBT关断，I0经VD续流，U0近似为零，I0呈指数规律下降。
其中，电感L的作用是使I0连续且脉动小。
降压斩波电路工作波形如图8所示。
电流连续时，负载电压平均值
其中，a——导通占空比，简称占空比或导通比。
U0最大为E，减小a，U0随之减小。
图8降压斩波电路工作波形
通过IGBT通断时间控制，占空比改变了，再经过降压斩波，直流电机的电枢电压也得到可调节相应改变，从而直流电机的转速也就得到了调节。
4.2.4总电路图
图9基于IGBT直流斩波直流电机调速系统总电路图
5电路调试
电路调试对电路设计来说有着至关重要的作用，通过调试可以发现电路中各种在表面上看不出的问题，可帮助我们改良电路使其能够更好地工作。
5.1信号发生电路的调试
按图1接好电路，Vcc端接+15V电源，根据TL494输出信号频率的计算公式：
调节6号脚的电阻R5，通过示波器观测输出端，使其频率等于5.7KHz。
改变5号脚电容的值也可以改变频率，试用电阻调节明显更加方便。
调节电位器R4可以改变输出方波的占空比，范围是10%--90%。
5.2驱动电路的调试
由于控制IGBT通断需要的电压较大，用芯片TL494直接驱动是不行的。
为了确保IGBT能够正常通断，设计它的导通和关断电压分别为+15V和-15V。
驱动电路如图4所示，信号通过光电耦合器进入到电路中，Q2和Q3分别输出-15V和+15V的电压。
5.3完整电路调试
当信号发生电路和驱动电路都没有问题时，便可以把电路全都链接起来。
斩波电路的输入端接220V的直流，另一端接电机（由实验室提供），电机的励磁绕组接220V直流。
接好电路后就可以一边调节信号方波的占空比一边观察电机转速的变化。
通过观察得到下表数据：
占空比（%）
10
20
30
40
50
60
70
80
90
转速（n/min）
162.2
334.6
470.9
621.7
748.9
887.3
1046
1194
1360
6设计总结
现在，直流斩波器广泛应用于生产、生活等实际情况当中，从中国大面积，多人口，低技术，少能源等国情出发，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。
电力投资的持续增长，因此直流斩波器在电力电子行业有着巨大的发展潜力，它的传统领域和新领域节前景非常广阔
直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。
励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。
大多数应用场合都使用电枢电压控制法。
随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中，直流斩波便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。
直流斩波调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比（占空比）来改变直流电机电枢上电压的"占空比"，从而改变平均电压，控制电机的转速。
在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。
只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。
而且采用直流斩波技术构成的无级调速系统．启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。
7心得体会
做了两周的课程设计，使我们实在受益匪浅。
一开始，接触这个课题时我们还不知道应该从何下手，很多东西不知道应该如何实现。
在图书馆、数据库和网上查资料，请教同学，再经过2个星期的努力，我们设计的基于IGBT的斩波直流调速系统终于完成了。
通过这次设计加深了我对电力电子技术这门课程的了解，特别是直流斩波技术这一部分，以前总是觉得理论结合不了实际，但通过这次设计使我认识到了理论结合实际的重要性。
但由于我知识的限制，设计还有很多不足之处，希望老师指出并教导。
在设计过程中，对电路图的研究，也增强了我们的思考能力；在使用软件绘制电路图的过程中，学到了很多实用的技巧；在对课题研究和资料查阅时，也开阔了我们的视野，了解了不少电力电子、电机拖动相关的知识。
从开始任务到查找资料，到设计电路图，到最后的实际接线过程中，我们更深入地了解了电力电子技术，学到了课堂上学习不到的知识，如脉冲调制控制器的原理、IGBT的驱动电路等等。
课程设计是培养学生综合运用所学知识和实践能力,使课堂理论知识与实际运用相结合的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
很感激学校给了我们这次动手实践的机会，让我们学生有了一个共同学习，增长见识，开拓视野的机会。
也感谢老师对我们的指导，我会以这次课程设计作为对自己的激励，继续努力学习。
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