電力電子課程設(shè)計---基于降壓斬波原理的電機調(diào)速的設(shè)計_第1頁
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文檔簡介

1、<p><b>  1 綜述</b></p><p>  電力電子技術(shù)在現(xiàn)代化社會的建設(shè)中的應(yīng)用起著重要作用并得到飛躍性的發(fā)展。從我國國情出發(fā),大力發(fā)展直流電技術(shù),結(jié)合電力電子技術(shù),這對改善我國科技現(xiàn)狀水平,提高經(jīng)濟效益將起著重要作用。</p><p>  因此研究直流斬波有著深遠(yuǎn)的意義,它不僅能夠大大改善各種機車的調(diào)速系統(tǒng),為其提高安全、快速、低損耗的調(diào)

2、速裝置,還可以為世界能源危機帶來曙光,解決能源帶來的各種問題。</p><p>  鑒于上述情況,本次課程設(shè)計設(shè)計了直流電動機的降壓斬波調(diào)速系統(tǒng),加深我們對斬波調(diào)速系統(tǒng)的理解。斬波電路通過控制電路導(dǎo)通比來控制輸出端電壓大小,此電壓即為電動機的電樞電壓,電樞電壓的改變可方便調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。</p><p>  2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理</p><p><b&g

3、t;  2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p>  系統(tǒng)由三相交流電源、變壓器、整流電路、降壓斬波電路和直流電動機等組成。</p><p>  直流電動機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成,其間有一定的氣隙。其構(gòu)造的主要特點是具有一個帶換向器的電樞。直流電機的定子由機座、主磁極、換向磁極、前后端蓋和刷架等部件組成。其中主磁極是產(chǎn)生直流電機氣隙磁場的主要部件,由永磁體或帶有直流勵磁繞組的

4、疊片鐵心構(gòu)成。直流電機的轉(zhuǎn)子則由電樞、換向器和轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成。其中電樞由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。換向器是一種機械整流部件,其質(zhì)量對運行可靠性有很大影響。</p><p>  2.2 系統(tǒng)工作原理</p><p>  直流電動機斬波調(diào)速控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2-1所示:</p><p>  圖2-1 系統(tǒng)原理框圖</p><p>  

5、系統(tǒng)首先是利用變壓器將380V的交流電變?yōu)檩^小的交流電,然后通過不可控整流電路將其變?yōu)橹绷麟?,因此需要整流電路,設(shè)計中選用的是三相橋式不可控整流電路。</p><p>  直流電動機斬波調(diào)速原理是通過控制全控型器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷來調(diào)節(jié)整流電路輸出的電壓的大小,并將得到的電壓給電動機,來達(dá)到對直流電動機調(diào)速的目的。</p><p><b>  3 主電路的設(shè)計</b&

6、gt;</p><p><b>  3.1 整流電路</b></p><p>  設(shè)計中選用的是三相橋式不可控整流電路,其原理圖如下面的圖3-1所示:</p><p>  圖3-1 三相橋式不可控整流電路原理圖</p><p>  上圖3-1所示的電路左端接經(jīng)過變壓器得到的三相交流電,經(jīng)過此三相橋式不可控整流電路整流后

7、,可得到直流電,供給降壓斬波電路。其中C為大電容,用來抑制整流電路輸出電壓脈動大小,起濾波和平波的作用。</p><p>  3.2 降壓斬波電路</p><p>  降壓斬波電路的原理圖如下面的圖3-2所示:</p><p>  圖3-2降壓斬波電路的原理圖</p><p>  其中圖中Em為直流電動機的反電動勢。</p>

8、<p>  該電路使用一個全控型器件IGBT,為在V關(guān)斷時給負(fù)載中的電感電流提供通道,設(shè)置了續(xù)流二極管D。當(dāng)在V導(dǎo)通時將前面得到的直流電通過V給電動機供電,并同時給電感L充電,此時D兩端電壓U0近似等于電源電壓;當(dāng)V關(guān)斷后,由于電感L的存在,通過續(xù)流二極管D及電動機M續(xù)流,當(dāng)忽略二極管兩端的電壓降時,此時U0=0。</p><p>  下面分析U0的平均值的大小。假設(shè)當(dāng)t=0時,IGBT(即圖中的V)的

9、發(fā)射機E和柵極G上達(dá)到啟動電壓而導(dǎo)通,向負(fù)載供電,U0=E,I0按指數(shù)規(guī)律上升,導(dǎo)通時間記為ton;當(dāng)t=t1時,IGBT關(guān)斷,I0經(jīng)D續(xù)流,U0近似為零,I0呈指數(shù)規(guī)律下降,關(guān)斷時間記為toff。其中,電感L的作用是使I0連續(xù)且脈動小。</p><p>  當(dāng)電流出現(xiàn)斷續(xù)時,直流電動機的機械特性將很軟,對電動機不利,所以應(yīng)使電流連續(xù),電流連續(xù)的條件是</p><p>  此時,負(fù)載電壓平

10、均值</p><p>  其中 , , , 為導(dǎo)通占空比,簡稱占空比或?qū)ū?。U0最大為E,即是整流電路的輸出電壓。通過控制電路控制占空比的大小,來方便地調(diào)節(jié)平均電壓。由直流電動機的機械特性可知,在不同的平均電壓下,電動機轉(zhuǎn)速不同,由此可方便調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速。如果減小占空比,則電動機的輸入電壓減小,電動機轉(zhuǎn)速降低,反之則增大。</p><p>  本設(shè)計中采用PWM脈寬調(diào)制,在一個開

11、斷周期內(nèi),開關(guān)管的開通、關(guān)斷時間很短,這樣電動機波動較小,運行穩(wěn)定。</p><p>  4 控制電路的設(shè)計</p><p><b>  圖4-1 控制電路</b></p><p>  控制電路,是整個電路的關(guān)鍵部分。沒有這部分,就沒辦法實現(xiàn)斬波電路的控制,也就沒辦法實現(xiàn)直流電動機的調(diào)速。通過可調(diào)節(jié)的控制電路,產(chǎn)生相應(yīng)的信號,通過IGBT的驅(qū)

12、動電路來控制IGBT的通斷,實現(xiàn)直流斬波,這樣才能達(dá)到直流電動機調(diào)速的目的。</p><p>  該系統(tǒng)是通過脈沖寬度調(diào)制來實現(xiàn)斬波控制的。控制電路是由脈沖寬度控制器TL494、可調(diào)電阻和其他電路元件組成,如圖4-1所示。</p><p>  圖4-2 TL494結(jié)構(gòu)圖</p><p>  TL494 是一種頻率固定的脈沖調(diào)制控制電路,集成了開關(guān)電源控制所需要的主

13、要模塊,如圖4-2所示。內(nèi)部線性的鋸齒波振蕩器頻率由2 個外部元器件決定,即RT 和CT。近似的振蕩頻率可以由下面公式?jīng)Q定:</p><p>  圖4-3 TL494時序圖</p><p>  輸出脈沖寬度調(diào)制是通過在CT 上的正鋸齒波和2 個控制信號中的任意一個比較而實現(xiàn)的,驅(qū)動晶體管Q1 和Q2 的或非門,當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的時鐘輸入是低電平的時候才使能,即鋸齒波電壓大于控制信號時。因此

14、,增大控制信號的幅度會相應(yīng)的減少輸出脈沖的寬度,如圖4-3所示。</p><p>  控制電路中,通過調(diào)節(jié)電路的R5即RT,改變TL494的振蕩頻率,而使Q1輸出地脈沖寬度發(fā)生變化。以引腳9輸出地Q1脈沖驅(qū)動驅(qū)動電路,實現(xiàn)斬波電路的可調(diào)節(jié)控制。</p><p>  5 驅(qū)動電路的設(shè)計</p><p>  IGBT是一個三端器件,具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。由圖

15、5-1可看出,IGBT是用雙極型晶體管與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu),相當(dāng)于一個由MOSFET驅(qū)動的厚基層PNP晶體管。</p><p>  IGBT是一種場控器件,其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓決定。該電壓為正且大于開啟電壓時,MOSFET內(nèi)形成溝道,并為晶體管提供基極電流進而使IGBT導(dǎo)通。當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時,MOSFET內(nèi)的溝道消失,晶體管的基極電流被切斷,使得IGBT關(guān)斷。&l

16、t;/p><p>  圖5-1 IGBT簡化等效電路和電氣符號</p><p>  本系統(tǒng)驅(qū)動電路為IGBT光電隔離門極驅(qū)動電路,如圖5-2所示。為使IGBT工作穩(wěn)定,驅(qū)動電路按要求使用+15V和—15V正、反偏壓的雙電源供電。為使驅(qū)動電路與控制電路隔離,采用抗噪能力強、響應(yīng)快的光耦合器件。輸入信號通過U3光耦合器件引入驅(qū)動電路,然后通過推拉式的電路,向IGBT集電極提供電流。由于IGBT的

17、轉(zhuǎn)移特性,當(dāng)其集電極電流增加到一定值時,其柵射電壓就會突然上升,這樣,IGBT就導(dǎo)通了。集電極電流下降到一定值或被撤除時,柵射電壓不足,IGBT又?jǐn)嚅_。</p><p>  在控制電路發(fā)出信號時,驅(qū)動電路的光耦器件U3被驅(qū)動,驅(qū)動電路被接通,向IGBT集電極提供電流,IGBT就導(dǎo)通了。光耦器件恢復(fù),驅(qū)動電流提供的基極電流被切斷,IGBT就關(guān)斷。</p><p>  圖5-2 IGBT驅(qū)動

18、電路</p><p>  6 保護電路的設(shè)計</p><p>  在電力電子電路中,除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅(qū)動電路設(shè)計采用合適的過電壓、過電流、du/dt保護和di/dt 保護也是必要的。</p><p>  緩沖電路又稱為吸收電路,其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt,減小器件的開關(guān)損耗。緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路和開通

19、緩沖電路,通常講緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路,而將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路。本設(shè)計中對IGBT的保護電路采用的是一種緩沖電路和di/dt抑制電路相結(jié)合,電路圖如下圖6-1所示:</p><p><b>  圖6-1 保護電路</b></p><p><b>  7 結(jié)論</b></p><p>  通過這次課程設(shè)計

20、,驗證了這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對直流電動機的調(diào)速。</p><p>  這種方法是先將三相交流電經(jīng)變壓器得到較小的交流電,再將得到的交流電經(jīng)過三相橋式不可控整流電路變?yōu)橹绷麟姡瑢⒋酥绷麟娊?jīng)過降壓斬波電路來調(diào)節(jié)電壓的大小,來實現(xiàn)對直流電動機的調(diào)速控制。</p><p>  直流斬波調(diào)速控制的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開全控器件IGBT,并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)接通和斷開的時間比(占空比)來

21、改變直流電動機電樞上的電壓的,來控制電動機的轉(zhuǎn)速。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間,即可控制電機轉(zhuǎn)速。而且采用直流斬波技術(shù)構(gòu)成的無級調(diào)速系統(tǒng).啟停時對直流系統(tǒng)無沖擊,并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的特點。</p><p><b>  8 本設(shè)計的體會</b></p><p>  經(jīng)過這幾天的的電力電子技術(shù)的課程設(shè)計,我受益匪淺。</p><p&

22、gt;  一開始,看到課程設(shè)計的要求時我不知道應(yīng)該從何下手,很多東西不知道應(yīng)該如何實現(xiàn)。在圖書館、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)上查資料,請教同學(xué),再經(jīng)過努力,設(shè)計的基于IGBT的降壓斬波的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)終于完成了。雖然設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)相比于現(xiàn)實中的復(fù)雜系統(tǒng)較為簡單,但是它使我深刻的理解了調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的意義所在,并為我以后的繼續(xù)學(xué)習(xí)和設(shè)計無功補償打下基礎(chǔ)。</p><p>  通過這次課程設(shè)計我加深了對電力電子技術(shù)這門課程的了解,

23、特別是降壓斬波這一部分。通過這次課程設(shè)計使我認(rèn)識到了理論結(jié)合實際的重要性,但由于知識的限制,設(shè)計還有很多不足之處,希望老師指出并教導(dǎo)。在設(shè)計過程中,對電路圖的研究,也增強了思考能力,在使用軟件繪制電路圖的過程中,學(xué)到了很多實用的技巧,在對課題研究和資料查閱時,也開闊了視野,了解了不少與電力電子、電機拖動相關(guān)的知識。從開始看要求到查找資料,查找所用芯片資料,到設(shè)計電路圖,我更加深入地了解了電力電子技術(shù),學(xué)到了在課堂上學(xué)習(xí)不到的知識,如控制

24、電路、IGBT的驅(qū)動電路等等。</p><p>  課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識和實踐能力,是課堂理論知識與實際運用相結(jié)合的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程,這是一個共同學(xué)習(xí),增長見識,開拓視野的機會。在這個過程中,我知道了當(dāng)遇到未知問題時,可以用各種途徑最終解決難題, 我會以這次課程設(shè)計作為對自己的激勵,繼續(xù)努力學(xué)習(xí)。</p><p><b>  參考文

25、獻</b></p><p>  [1] 王兆安,劉進軍. 電力電子技術(shù).第5版.北京:機械工業(yè)出版社,2009.</p><p>  [2] 楊蔭福等. 電力電子裝置及系統(tǒng). 北京.清華大學(xué)出版社,2007.</p><p>  [3] 黃俊,秦祖蔭. 電力電子自關(guān)斷器件及電路[M].北京:機械工業(yè)出版社,1991.</p><p&g

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