直流電機相對交流電機有調速性能優(yōu)良、調速方便、平滑、調速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此仍然廣泛應用于很多工業(yè)場(chǎng)合。直流調速主要有以下幾種方式：電樞串電阻調速、改變電樞電壓調速、PWM直流調整系統、雙閉環(huán)直流調速系統、數字式直流調速系統和改變勵磁的恒功率調速。
直流電動(dòng)機測試電源要根據直流電動(dòng)機的試驗要求進(jìn)行調壓試驗、輕載試驗、負載試驗和過(guò)載試驗，還要進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程試驗等。這就要求其具有連續調壓、過(guò)流功能，并要求響應速度快。
電路設計
1整流電路計算
整流電路選用的是三相不控整流。這個(gè)電路的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快速，而且輸出波形能夠滿(mǎn)足逆變電路的要求。輸入整流濾波電路的主要作用是將交流電壓變?yōu)橹绷麟妷�；此外，還要具有一定的輸出電壓保持能力，既能防止來(lái)自電網(wǎng)的干擾進(jìn)入電源，又能防止電源產(chǎn)生的干擾。
二極管應當按照有效值選取，如下是計算過(guò)程。
整流輸出電壓Ud的波形在一個(gè)周期內波動(dòng)6次，且脈動(dòng)波形相同，因此：
（1）
U2為相電壓有效值，其值為220V。
Ud=2.34×220=514V （2）
P0為50kW，效率η取0.8，所以P0=Ud×Id×0.8，Id=P0/Ud×0.8=122A。
流過(guò)整流二極管電流的有效值為：
基于IGBT驅動(dòng)模塊的直流電動(dòng)機驅動(dòng)電源設計
（3）
而每只整流二極管承受的最大反壓為：
（4）
考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)-10%～+10%，所以二極管最小參數應�。�
IA（VT）=I（VT）×1.1=78A
UFM=URM×1.1=593V
所以，二極管額定參數為：200A、1200V。因此選擇的二極管型號為ZP200-ZL20螺栓型普通整流二極管。
圖1 主電路圖
2 濾波電容計算
電源中工頻濾波器接在工頻整流與逆變電路之間，既能將脈動(dòng)電流變?yōu)槠交闹绷�，還能抑制高頻干擾，尤其是變換中產(chǎn)生的高頻干擾。
濾波電容最好選用等效串聯(lián)電阻低且電容量大的電解電容，因為等效串聯(lián)電阻值對輸出脈動(dòng)電壓值有直接影響。因此，為了減少等效串聯(lián)電阻，用4個(gè)電容串并聯(lián)，獲得所需的電容量電路。
電網(wǎng)電壓為380V，不考慮波動(dòng)，空載直流電壓Ud0約為線(xiàn)電壓峰值540V。在帶負載時(shí)，電壓有所下降，電容電壓：
Ud=1.35×380=513V （5）
輸入電流Id，即高頻變壓器輸入電流125A。直流側電壓在帶負載時(shí)是脈動(dòng)的，如圖2所示。最大電壓降△U按10%考慮。在T1區間內，電容C向負載放電，在T/6區間完成一個(gè)充放電周期。
圖2 濾波電容濾波過(guò)程分析
假定在電容放電期間放電電流恒定，則：
Id=C△U/T1 （6）
（7）
由式（7）得
（8）
（9）
式中，Id為輸入電流125A；△U為電壓變化量（△U =Ud0×10%=54V）；T1為電容放電時(shí)間； Ud0為空載直流電壓540V；T為工頻交流電周期20ms；為工頻交流電角頻率），可得：
（10）
電容承受的線(xiàn)電壓峰值540V。
實(shí)際中，采用4個(gè)5600μF/400V的電解電容和2個(gè)大電阻并聯(lián)為一組，用2組串聯(lián)在一起組成濾波電容組。其電容量為5600μF。大于計算值，濾波效果滿(mǎn)足小于10%的要求。
因此，選擇DCMCE 1669型電解電容，其規格為5600μF/400V。
由于電解電容不是理想的電容，它本身的阻抗對電容兩端的電壓會(huì )有影響，而且電壓是脈動(dòng)的，所以為了穩定其兩端電壓，使每組電容的兩端電壓相等，分別在每組電容兩端并聯(lián)了一個(gè)均壓電阻R2、R3，選擇R2=R3=30kΩ。
至于濾波前面的去高頻干擾的電容C1，其電容量是很難確定的，因為高頻干擾包括電網(wǎng)的干擾，也包括電源的干擾，所以可試選取C1=（2.5±5%）μF或該數量級其他電容，只要電容C1的耐壓峰值滿(mǎn)足即可以，耐壓峰值Up=600V。
電容輸入式整流濾波電路在接通交流電壓時(shí)，由于電容充電，往往引起較大的浪涌電流。在此，選擇的限流電阻R1為20Ω/20W。起動(dòng)后，延時(shí)一段時(shí)間后，開(kāi)關(guān)S1合上，把R1從主電路中去除。
3 逆變電路計算
對于逆變電路選取的是全橋逆變電路，采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件。
IGBT集MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有功率MOSFET高輸入阻抗，熱穩定性好，驅動(dòng)功率小的特點(diǎn)，又具有GTR通態(tài)電壓低，導電損耗小而耐壓高的優(yōu)點(diǎn)。
對主電路進(jìn)行計算，并根據設計目標的需要對IGBT進(jìn)行選型。
IGBT的作用是通過(guò)它的周期性開(kāi)和關(guān)作用，把直流電壓變換成方波電壓，它是逆變電路的關(guān)鍵核心元件。由于它比較脆弱，對它的設計、選擇直接關(guān)系到整個(gè)系統的安全、可靠。所以，選擇的參數必須在其正向偏置安全區（FBSOA）。計算參數時(shí)留有的裕量較大。
① 額定電壓
輸入電網(wǎng)電壓整流濾波后，直流輸出的電壓最大值：
（11）
其中，Ud為IGBT承受的穩態(tài)最大電壓，U為電網(wǎng)電壓有效值為380V；1.1為波動(dòng)系數；α安全系數取1.1。
關(guān)斷時(shí)的峰值電壓Uce為988V，額定電壓應向上取，實(shí)際電壓等級值取1200V。
② 額定電流Ic
高頻變壓器一次側電流
I1=I2×N2/N1=125A
其中，I1為高頻變壓器一次側電流，I2為測試電源輸出電流，N1、N2為高頻變壓器一次側和二次側匝數。
每只IGBT管上的平均電流I為63A。
額定電流Ic是IGBT手冊上給出的在結溫25℃條件下的額定值，Ics=186A。
其中，Ics為IGBT額定電流計算值；I為每只IGBT管上的平均電流；1.414為峰值系數；1.5為Imin過(guò)載容量系數；1.4為Ic減小系數。額定電流Ic是根據管子電流等級按200A取。綜上所述，IGBT管的額定電壓為1200V，額定電流為200A。因此，IGBT選擇西門(mén)子大功率IGBT模塊BSM200GB120DLC。
4 輸出整流電路設計
開(kāi)關(guān)整流二極管不僅應有短的反向恢復時(shí)間和小的反向恢復電流，而且反向電流的恢復速度以緩慢為好，便于減小噪聲。常用的有摻金擴散型、外延型、肖特基型和快恢復型（PIN）。其中，快恢復型的特點(diǎn)是正向壓降低，常溫時(shí)0.85V，隨結溫升高，正向電壓降會(huì )更低，150℃時(shí)只有0.6V，和肖特基管接近；反向時(shí)間短，不大于200ns；反向漏電流在150℃時(shí)和額定電壓下只有1mA，接近普通整流二極管。故選用快恢復型二極管。
對于單相全波整流電路，整流二極管額定電流：
IN=0.5×I2=500A
式中，IN為整流二極管額定電流；I2為電源輸出電流1000A
管上承受最大反壓：
Um=2×U2=136V
其中，U2為測試電源輸出電壓幅值68V�？紤]到留有一定的裕量，因此，二極管按電壓300V，電流2000A選取。最終選擇的是ZK300-35ZT3平板型快恢復二極管。
控制電路設計
本設計中控制電路選用移相控制。移相式PWM控制器通過(guò)移相，使全橋的四個(gè)開(kāi)關(guān)輪流導通。在同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管輪流導通過(guò)程中，通過(guò)變壓器的漏感與開(kāi)關(guān)管的輸出寄生電容組成諧振腔使電容上的電壓以最快的速度放電，保證開(kāi)關(guān)管處于零電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)（ZVS），從而避免了開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中電壓電流的重疊。
PWM移相控制是通過(guò)UC3875的誤差放大器來(lái)實(shí)現的，在UC3875的4角上接PI調節器，利用電壓傳感器將輸出電壓與給定基準電壓相比較，從而控制A、B與C、D之間的相位，最終調整波形占空比，使電源穩定在預定值上。A/B、D/C兩個(gè)半橋，可單獨進(jìn)行導通延時(shí)（即死區時(shí)間）的控制，在該死區時(shí)間內確保下一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的輸出電容放電完畢，為即將導通的開(kāi)關(guān)器件提供電壓開(kāi)通條件。
圖3所示是本設計的控制電路圖。
圖3 控制電路
驅動(dòng)電路設計
隨著(zhù)IGBT在各類(lèi)變流裝置中的廣泛應用，IGBT驅動(dòng)模塊的選擇及其性能越來(lái)越引起使用者的重視。理想的驅動(dòng)模塊除了應為IGBT提供足夠的開(kāi)通和關(guān)斷柵壓外，還應具備迅速、可靠的保護功能，同時(shí)力求電路簡(jiǎn)單、穩定。IGBT的常用驅動(dòng)模塊有許多種，其中EXB系列應用最廣。EXB841驅動(dòng)模塊廣泛應用于開(kāi)關(guān)電源、UPS、電力傳動(dòng)及電力補償等領(lǐng)域。
圖4所示是本設的IGBT的驅動(dòng)電路圖。
圖4 驅動(dòng)電路
IGBT在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需要一個(gè)+15V電壓以獲得低開(kāi)啟電壓，還需要一個(gè)5V關(guān)柵電壓以防止關(guān)斷時(shí)的誤動(dòng)作。
這兩種電壓均可由20V供電的驅動(dòng)器內部電路產(chǎn)生。 |
