1、 基于IGBT的直流斬波牽引電機調速基于IGBT的直流斬波牽引電機調速控制電路 學 院：電氣學院 專 業：電氣工程及其自動化（軌道交通方向） 班 級：BG1102 姓 名：魯春嬌 學 號：111001180204 指導教師：王致杰 設計時間：2014.12 小組成員及分工： 組 長：張亞強 文獻檢索：魯春嬌，戚誠凱 文檔編輯：王智超，張詡目錄前言4第一章 軌道車輛牽引領域電力電子器件的發展61.1 電力電子器件的發展61.2電氣牽引控制技術的發展61.3 控制技術6第二章 軌道車輛牽引領域電力電子器件的應用82.1 電力電子器件在軌道車輛牽引中的應用發展82.2 IGBT在軌道車輛牽引變流器的

2、應用82.2.1 IGBT簡介8第三章 直流斬波電路11第四章 直流調速系統124.1直流調速系統結構124.2直流調速系統原理134.3調速方案選擇13第五章 設計直流斬波調速電路155.1信號發生電路155.2 IGBT的驅動電路185.3主電路195.4總電路圖22第六章 電路調試236.1 信號發生電路的調試236.2 驅動電路的調試236.3 完整電路調試23第七章 結論24個人心得25參考文獻26前言長期以來，直流電機以其良好的線性特性、優異的控制性能等特點成為大多數變速運動控制和閉環位置伺服控制系統的最佳選擇。特別隨著計算機在控制領域和高開關頻率、全控型第二代電力半導體器件的發展

3、，以及直流斬波調速技術的應用，直流電機得到廣泛應用。目前,市場上用的最多的IGBT直流斬波器,它是屬于全控型斬波器，它的主導器件采用國際上先進的電力電子器件IGBT，由門極電壓控制，從根本上克服了晶閘管斬波器及GTR 斬波器的缺點。基于IGBT的直流斬波控制實現應用也是十分廣泛的直流電機的調速，與可控硅脈沖調速方式和電阻調速方式相比，具有明顯的優點。電力牽引傳動與電力電子器件存在相互促進和相互依存的密切關系，電力傳動是按照直一直傳動、交一直傳動再到交一直一交傳動的過程發展的，而為了滿足這一發展歷程，離不開電力電子器件和現代計算機控制技術的高速發展。現代電力電子器件的發展迅猛，開發周期

4、愈來愈短，如快速晶閘管、GTO晶閘管、IGBT、IPM等，每種新器件的誕生都迫使我們加快了對新器件的基礎應用研究，從而促進了牽引傳動方式的進步。電力牽引傳動與電力電子器件存在相互促進和相互依存的密切關系，電力傳動是按照直一直傳動、交一直傳動再到交一直一交傳動的過程發展的，而為了滿足這一發展歷程，離不開電力電子器件和現代計算機控制技術的高速發展。現代電力電子器件的發展迅猛，開發周期愈來愈短，如快速晶閘管、GTO晶閘管、IGBT、IPM等，每種新器件的誕生都迫使我們加快了對新器件的基礎應用研究，從而促進了牽引傳動方式的進步。電力牽引是我國最主要的軌道交通車輛的牽引方式。我國軌道交通車輛發展迅猛，從

5、以往單一的鐵路形式發展成為包括高速鐵路、城際客運專線、城市地鐵和輕軌以及磁懸浮列車等在內的多種形式，通過軌道交通車輛出行已經成為人們最重要的交通方式。隨著軌道交通車輛的發展，電力牽引技術也得到了極大的提高和發展。目前電力牽引系統已經發展到了交直交的交流傳動系統，并得到了空前的應用。微機、網絡、FPGA和智能控制等先進技術都在電力牽引系統中獲得了廣泛的運用，新型的電力牽引和控制系統在不斷涌現。電動機作為最主要的機電能量轉換裝置，其應用范圍已遍及國民經濟的各個領域和人們的日常生活。無論是在工農業生產，交通運輸，國防，航空航天，醫療衛生，商務和辦公設備中，還是在日常生活的家用電器和消費電子產品（如電

6、冰箱，空調，DVD等）中，都大量使用著各種各樣的電動機。據資料顯示，在所有動力資源中，百分之九十以上來自電動機。同樣，我國生產的電能中有百分之六十是用于電動機的。電動機與人的生活息息相關，密不可分。電氣時代，電動機的調速控制一般采用模擬法，對電動機的簡單控制應用比較多。簡單控制是指對電動機進行啟動，制動，正反轉控制和順序控制。這類控制可通過繼電器，可編程控制器和開關元件來實現。直流電動機在電力拖動系統中具有兩個突出優點。首先直流電動機具有良好的啟動、制動性能、調速性能和控制性能，這個優點使直流電動機運動控制系統（簡稱直流調速系統）在需要調速的高性能電力拖動中得到廣泛的應用。另外，它的電樞電壓、

7、電樞電力、電樞回路電阻、電機輸出轉矩、電機轉速等各參數、變量之間的關系幾乎都是近似的線性函數關系，這使直流電動機的數學模型較為簡單、準確、相應地使得直流調速控制系統的分析、計算及設計也較為容易，且經過較長時間的實踐，直流拖動控制系統在理論和實踐上都比較成熟、經典，而且從反饋閉環控制的角度來看，它又是及交流調速控制系統的基礎。第一章 軌道車輛牽引領域電力電子器件的發展 1.1 電力電子器件的發展自1957 年晶閘管問世，標志著電力電子技術的誕生，從此電子技術向兩個分支發展。一支是以晶體管集成電路為核心形成對信息處理的微電子技術，其發展特點是集成度愈來愈高，集成規模越來越大，功能越來越全。另一支是

8、以晶閘管為核心形成對電力處理的電力電子技術，其發展特點是晶閘管的派生器件越來越多，功率越來越大，性能越來越好。傳統的電力電子器件已發展到相當成熟的階段，但在實際中卻存在兩個制約其繼續發展的致命因素。一是控制功能上的欠缺，因為通過門極只能控制其開通而不能控制其關斷，屬于半控型器件。二是此類器件立足于分立元件結構，開通損耗大，工作頻率難以提高，一般情況下難以高于400Hz，因而大大地限制了其應用范圍。因此，半控制器件的發展已處于停滯狀態。到了70 年代末，可關斷晶閘管(GTO)器件日趨成熟，標志著電力電子器件已經從半控型器件發展到全控制型器件。進入80 年代以后，伴隨著GTO器件的發展及成熟，MO

9、S 器件的開發則繁花似錦。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)獨占鰲頭。至此電力電子器件又從電流控制型器件發展到電壓控制型器件。90 年代，電力電子器件又在向智能化、模塊化方向發展，力求將電力器件與驅動電路、保護電路、檢測電路等集成在一個芯片或模塊內，使裝置更趨小型化、智能化，其典型器件是IPM。而IGCT 器件既具有IGBT 器件的開關特性，同時又具有GTO器件的導通特性，且制造成本較低(與GTO和IGBT相比)，可以獲得和GTO晶閘管一樣的產量，即其集IGBT與GTO二者優勢于一身，預計今后會在更多的工業和牽引領域中發揮作用。總之，電力電子器件的發展經歷了從半控到全控、從電流控制型到電壓控制型、從

10、單個元件到模塊化再到智能化的發展過程。1.2電氣牽引控制技術的發展1.2.1 牽引/ 制動特性軌道運輸裝備的牽引/ 制動特性是其最基本、最重要的性能，是運輸裝備設計首要考慮的重要因素之一，它包括了運輸裝備的持續運行速度、最高運行速度、牽引/制動力特性以及裝備的加速性能，以滿足鐵路運輸的需求。在軌道運輸裝備減速制動時通常優先采用再生制動，將電機回饋的電能通過變流裝置回饋給電網，達到綠色環保節能的目的。在系統研究與實際工程應用中，采用高功率密度變流裝置、變壓器、牽引電機和直接轉矩控制等先進電機控制策略，在實現對電機的牽引/ 制動特性準確控制的同時，獲得毫秒級的轉矩階躍動態響應性能。電氣牽引傳動粗分

11、為以下幾種方式：1）直流電網供電直流電動機傳動，即直直傳動。2）直流供電交流異步傳動，即直交傳動。3）單相交流供電直流（脈流）電動機傳動，即交直傳動。4）單相交流供電三相交流異步電動機傳動, 即交交傳動。1.3 控制技術1.3.1 PWM控制技術脈沖寬度調制技術（PWM）是現代變流技術廣泛應用的起點，是奠定綠色變頻節能的基礎。其通過改變輸出脈沖的占空比來實現等效的輸出電壓與頻率，從而實現交流到直流，直流到交流的能量變換。通常采用的空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術在三相對稱正弦波電壓供電時，以合成旋轉的空間電壓矢量為參考，三相逆變器8 種不同開關模式電壓矢量合成參考電壓矢量，形成PWM波。1.

12、3.2 傳動控制技術傳動控制技術是牽引傳動系統的核心技術，傳動控制技術已經由轉差電流控制發展成矢量控制和直接轉矩控制等。1）轉差電流控制技術轉差電流控制技術是一種早期的用于控制交流異步電機的方法，基于異步電動機的穩態數學模型，控制性能遠不能與直流調速系統相媲美，系統的動態性能差。2）矢量控制技術矢量控制，又稱為磁場定向控制（FOC），其基本原理是將異步電動機的定子電流正交分解為產生磁場的電流分量 （勵磁電流） 和產生轉矩的電流分量 （轉矩電流）分別加以控制，并同時控制兩分量的幅值，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。矢量控制策略存在一些固有缺點，比如轉子磁鏈難以準確觀測，對電機參數比較敏感，實際

13、工程應用時矢量控制必須具備異步電動機參數自動辨識功能。與直接轉矩控制相比，矢量控制具有直接的電流閉環控制特點，電流控制的穩定性高，有獨立的PWM調制單元，決定其轉矩控制結果是一個開關周期內的平均值。如果在大功率低開關頻率應用時，高速區必須采用同步調制技術。同步調制技術與直接轉矩控制相比，開關頻率利用不充分，在逆變器峰值電流、電機諧波損耗、轉矩脈動、直流側電流諧波等重要性能指標上比直接轉矩控制差。而直接轉矩控制PWM調制在磁鏈和轉矩控制中直接實現，轉矩動態性能高，但在低速高開關頻率區性能比矢量控制差。通常在小功率高開關頻率場合應用矢量控制，在大功率低開關頻率場合應用直接轉矩控制。3）直接轉矩控制

14、技術直接轉矩控制技術是繼矢量控制技術之后發展起來的一種高性能異步電動機變頻調速技術。與矢量控制不同，直接轉矩控制通過直接控制轉矩和磁鏈來間接控制電流，不需要復雜的坐標變換，因此具有控制結構簡單、轉矩響應快以及對參數魯棒性好等優點，它在很大程度上解決了矢量控制中結構復雜、計算量大、對參數變化敏感等問題。直接轉矩控制可以充分利用逆變器的開關頻率，從而特別適用于大功率牽引傳動領域。第二章 軌道車輛牽引領域電力電子器件的應用2.1 電力電子器件在軌道車輛牽引中的應用發展80 年代以前，在軌道車輛牽引領域，電力電子器件主要用于直流傳動系統中的整流器和斬波器以及輔助傳動系統。電力電子器件主要是晶閘管。進入

15、80 年代以后，隨著交流傳動技術日趨成熟，電力電子器件又有了新的用武之地，其在牽引領域的應用主要包括：整流器、斬波器、電力制動、逆變器以及輔助傳動系統。這一時期在這些應用領域采用的電力電子器件主要是晶閘管和GTO。進入90 年代以后，交流傳動在電力機車、內燃機車及動車組上得以大量地推廣應用，使電力電子器件在軌道車輛牽引領域中有了更廣闊的應用前景。這一時期其在牽引領域的應用主要是牽引變流器，主要采用的電力電子器件是GTO和IGBT。根據電力電子器件的發展現狀及趨勢，預計在今后幾年，電力電子器件將在以下方面取得進展：(1)已進入實用化的全控型器件將在功率等級、易于驅動和更高工作頻率這三個方面繼續改

16、善和提高。(2)由于MCT、IGBT、IGCT 等器件的大容量化及實用化，在更多的領域，IGBT 和IGCT 將取代GTO。(3)IGCT 等新型混合器件將逐步得以推廣應用。(4)功率集成電路將會有更進一步的發展。這將預示著電力電子技術將躍入一個新的時代。(5)新型半導體材料SiC 的問世，將預示著在不遠的將來會誕生一種集高耐壓、大電流、高開關速度、無吸收電路、簡單的門極驅動、低損耗等所有優點于一身的新型SiC 電力器件。2.2 IGBT在軌道車輛牽引變流器的應用2.2.1 IGBT簡介IGBT，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動

17、式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。2.2.2 IGBT工作特性IGBT的導通： IGBT硅片的結構與功率MOSFET 的結構十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個N+ 緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個部分)。如等效電路圖所示(圖1)，其中一個MOSFE

18、T驅動兩個雙極器件。基片的應用在管體的P+和 N+ 區之間創建了一個J1結。 當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時，一個N溝道形成，同時出現一個電子流，并完全按照功率 MOSFET的方式產生一股電流。如果這個電子流產生的電壓在0.7V范圍內，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區內，并調整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結果是，在半導體層次內臨時出現兩種不同的電流拓撲：一個電子流(MOSFET 電流)； 一個空穴電流(雙極)。IGBT的關斷： 當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區內。在任何情況下，如果MOSF

19、ET電流在開關階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始后，在N層內還存在少數的載流子(少子)。這種殘余電流值(尾流)的降低，完全取決于關斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關，如摻雜質的數量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導通問題，特別是在使用續流二極管的設備上，問題更加明顯。靜態特性：IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出

20、特性相似也可分為飽和區1 、放大區2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態下的IGBT ，正向電壓由J2 結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無N+緩沖區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應用范圍。IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關系曲線。它與MOSFET 的轉移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT 處于關斷狀態。在IGBT 導通后的大部分漏極電流范圍內， Id 與Ugs呈線性關系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。IGBT 的開關特性是指漏

21、極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT 處于導通態時，由于它的PNP 晶體管為寬基區晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達林頓結構，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時，通態電壓Uds(on) 可用下式表示：Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh式中Uj1 JI 結的正向電壓，其值為0.7 1V ；Udr 擴展電阻Rdr 上的壓降；Roh 溝道電阻。通態電流Ids 可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos式中Imos 流過MOSFET 的電流。由于N+ 區存在電導調制效應，所以IGBT 的通態壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態壓降為2 3V

22、 。IGBT 處于斷態時，只有很小的泄漏電流存在。動態特性IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET 來運行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期， PNP 晶體管由放大區至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on) 為開通延遲時間，tri 為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton 即為td (on) tri 之和，漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。IGBT的觸發和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動電路產生。當選擇這些驅動電路時，必須基于以下的參數來進行：器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為

23、IGBT柵極- 發射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行觸發，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。IGBT在關斷過程中，漏極電流的波形變為兩段。因為MOSFET關斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關斷時間t(off)=td(off)+trv十t(f)式中：td(off)與trv之和又稱為存儲時間。IGBT的開關速度低于M

24、OSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發射極并聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約34V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術發展的需求；高壓領域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上，目前只能通過IGBT高壓串聯等技術來實現高壓應用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經獲得實

25、際應用，日本東芝也已涉足該領域。與此同時，各大半導體生產廠商不斷開發IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術，主要采用1um以下制作工藝，研制開發取得一些新進展。2013年9月12日 我國自主研發的高壓大功率3300V/50A IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）芯片及由此芯片封裝的大功率1200A/3300V IGBT模塊通過專家鑒定，中國自此有了完全自主的IGBT“中國芯”。由于IGBT 器件屬電壓驅動的全控型開關器件，脈沖開關頻率高，性能好，損耗小，且自保護能力也強。為此，目前世界上無論是干線鐵路還是城市軌道的電動車輛的電氣系統中均采用IGBT 模塊來構成。隨著IGBT

26、 性能的迅速發展，IGBT 模塊的電壓等級和電流容量在不斷提高，從1991 年生產出了小型IGBT 模塊，其電壓等級為1200V/300A，很快取代了在工業上通用變頻器中所用的雙極型晶體管;1993年出現了1700V/300A 的IGBT，并已開始在城市電車上獲得推廣應用;到2000 年后更出現了1700V/2400A , 3300V/1200A和6500V/600A的高壓IGBT，這些高壓HV IGBT 很快地應用到鐵道與城市地鐵輕軌車輛中，由于其性能優越，加之其為絕緣型模塊，整機的結構設計緊湊輕巧，且采用了低感母線技術與軟門極的驅動技術并解決了熱循環的壽命問題，目前，HV IGBT 模塊已

27、成為軌道電力牽引系統中應用的主導元件。隨著城市發展，城軌交通供電網壓制也從早期的600V DC 和750V DC 發展為1500V DC 網壓制，以適應大城市大客流量發展的需要。網壓的提高對電力電子器件的電壓等級提出了更高的要求，IGBT 模塊的電壓等級也從1200V 發展到L700V, 3300V 以及4500V和6500V電壓等級水平。第三章 直流斬波電路直流斬波電路是一種將電壓恒定的直流電變換為電壓可調的直流電的電力電子變流裝置，亦稱直流斬波器或DC/DC變換器。用斬波器實現直流變換的基本思想是通過對電力電子開關器件的快速通、斷控制把恒定的直流電壓或電流斬切成一系列的脈沖電壓或電流，在一

28、定濾波的條件下，在負載上可以獲得平均值可小于或大于電源的電壓或電流。如果改變開關器件通、斷的動作頻率，或改變開關器件通、斷的時間比例，就可以改變這一脈沖序列的脈沖寬度，以實現輸出電壓、電流平均值的調節。早在1940年德國人采用機械開關通斷的思想來調節直流電壓以控制直流電動機的轉速，1960年美國人把晶體管斬波器用于控制柴油發電機的勵磁系統，1963年德國人把晶閘管斬波器用于控制蓄電池車。早期主要應用于城市電車，地鐵、電動汽車等直流牽引調速控制系統中。隨著自關斷電力電子開關器件和脈寬調制技術的不斷發展，直流斬波器具有效率高、體積小、重量輕、成本低等顯著優點，廣泛應用于開關電源、有源功率因數校正、

29、超導儲能等新技術領域。一般來說，直流斬波電路有兩類不同的應用領域：一類負載是要求輸出電壓可在一定范圍內調節控制，即要求電路輸出可變的直流電壓，例如直流電動機負載，為了改變其轉速，要求可變的直流電壓供電；另一類負載則要求無論在電源電壓變化或負載變化時，電路的輸出電壓都能維持恒定不變，即輸出一個恒定的直流電壓，如開關電源等。這兩種不同的要求均可通過一定類型的控制系統根據反饋控制原理實現。直流斬波電路的種類較多，根據其電路結構及功能分類，主要有以下4種：降壓(Buck)斬波電路、升壓(Boost)斬波電路、升降壓(Buck-Boost)斬波電路、丘克(Cuk)斬波電路，其中前兩種是最基本的電路，后兩

30、種是前兩種基本電路的組合形式。由基本斬波電路衍生出來的Sepic斬波電路和Zeta斬波電路也是較為典型的電路。利用基本斬波電路進行組合，還可以構成復合斬波電路和多相多重斬波電路。第四章 直流調速系統4.1直流調速系統結構直流電機由定子和轉子兩部分組成，其間有一定的氣隙。其構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疊片鐵心構成。直流電機的轉子則由電樞、換向器（又稱整流子）和轉軸等部件構成。其中電樞由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。電樞鐵心由硅鋼片疊成，在其外圓處均

31、勻分布著齒槽，電樞繞組則嵌置于這些槽中。換向器是一種機械整流部件。由換向片疊成圓筒形后，以金屬夾件或塑料成型為一個整體。各換向片間互相絕緣。換向器質量對運行可靠性有很大影響。直流電機斬波調速原理是利用可控硅整流調壓來達直流電機調速的目的，利用交流電相位延遲一定時間發出觸發信號使可控硅導通即為斬波，斬波后的交流電經電機濾波后其平均電壓隨斬波相位變化而變化。為了達到控制直流電機目的，在控制回路加入了速度、電壓、電流反饋環路和PID調節器來防止電機由于負載變化而引起的波動和對電機速度、電壓、電流超常保護。直流勵磁的磁路在電工設備中的應用，除了直流電磁鐵（直流繼電器、直流接觸器等）外，最重要的就是應用

32、在直流旋轉電機中。在發電廠里，同步發電機的勵磁機、蓄電池的充電機等，都是直流發電機；鍋爐給粉機的原動機是直流電動機。此外，在許多工業部門，例如大型軋鋼設備、大型精密機床、礦井卷揚機、市內電車、電纜設備要求嚴格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動機作為原動機來拖動工作機械的。直流發電機通常是作為直流電源，向負載輸出電能；直流電動機則是作為原動機帶動各種生產機械工作，向負載輸出機械能。在控制系統中，直流電機還有其它的用途，例如測速電機、伺服電機等。雖然直流發電機和直流電動機的用途各不同，但是它們的結構基本上一樣，都是利用電和磁的相互作用來實現機械能與電能的相互轉換。直流電機的最大弱點就是有電流的

33、換向問題，消耗有色金屬較多，成本高，運行中的維護檢修也比較麻煩。因此，電機制造業中正在努力改善交流電動機的調速性能，并且大量代替直流電動機。不過，近年來在利用可控硅整流裝置代替直流發電機方面，已經取得了很大進展。包括直流電機在內的一切旋轉電機，實際上都是依據我們所知道的兩條基本原則制造的。一條是：導線切割磁通產生感應電動勢；另一條是：載流導體在磁場中受到電磁力的作用。因此，從結構上來看，任何電機都包括磁場部分和電路部分。從上述原理可見，任何電機都體現著電和磁的相互作用，是電、磁這兩個矛盾著的對立面的統一。我們在這一章里討論直流電機的結構和工作原理，就是討論直流電機中的“磁”和“電”如何相互作用

34、，相互制約，以及體現兩者之間相互關系的物理量和現象（電樞電動勢、電磁轉矩、電磁功率、電樞反應等）。 當電壓等級不夠高時，在德國和日本曾用1200V 和1700V 等級IGBT 構成三點式(三電平)逆變器用于750V和1500V 電網。隨著新一代IGBT 迅速發展，尤其是3300V 等級IGBT 的批量生產，用這類電壓等級的模塊(器件)構成兩電平(兩點式)逆變器能夠滿足在3300V 電網當中的應用，因而在上世紀末國外生產的地鐵輕軌電動車輛以及部分干線電力機車動車都已采用這類高壓HV IGBT 模塊。雖然三電平逆變器較兩電平逆變器具有輸出波形好、電壓上升率也低及損耗小等優點，但是其主電路結構復雜，

35、所用器件多出一倍，這是它不足之點。所以在城軌車輛中目前都采用IGBT 構成的兩電平逆變器，而在干線電力機車中，采用4500V 等級或6500V等級的HV IGBT 來構成兩電平逆變器。當然，由于三電平逆變器輸出的諧波分量低的突出優點，目前在日本仍有不少的應用。在軌道車輛上要求結構緊湊、重量輕和體積小的裝置，采用絕緣式IGBT 模塊比那些非絕緣式的GTO 器件就更能體現出滿足這一要求的特點。通過采用低感母線技術以盡量降低母線的寄生電感來達到抑制關斷時的尖峰電壓的目的，使逆變器可以取消吸收電路，這樣進一步簡化了結構，縮小了體積。在1500V網壓下，采用上述技術可以使其尖峰電能押制在2300V以內。

36、應用了低感母線技術的主電路結構不僅在器件數量上有明顯減少，而且重量和損耗也降低了。碳化硅（SiC）是一種物理化學特性僅次于金剛石的化合物半導體材料，有著非常優秀的物理特性。可極大地提高電力電子變換器的效率，使各類變換器的體積減少到原來的5%20%，具有耐高壓（達數萬伏）、耐高溫（大于500 ）的特性,被公認為是下一代電力電子器件的最佳候選者之一。現代高速列車通過車地信息網絡來達到安全運行的要求。隨著無線技術的日益發展，無線技術應用越來越被各行各業所接受。通過采用先進的無線局域網(LAN)和GPRS/GSM無線通信技術實現快捷的信息處理；采用無線通信方式實現高速列車遠程監控技術；采用無線通信方式

37、實現遠程列車設備檢修數據庫的訪問技術等，從而擺脫地面設備的束縛，實現實時列車狀態的跟蹤運行。隨著功率電子器件、功率電子設備以及變流技術向著模塊化方向發展，使得功率模塊的功能、通用性以及性能越來越強。已成功完成了IGBT、IGCT以及高壓大功率晶閘管的模塊化集成工作，成功解決了各類模塊化器件在集成過程中產生的控制、驅動以及故障保護檢測等問題，正朝著體積更小、重量更輕、功率更高、效率更高的方向發展。4.2直流調速系統原理直流電機斬波調速原理是利用可控硅整流調壓來達直流電機調速的目的。利用可控硅的開關特性，控制其通斷時間從而實現斬波，以改變轉子兩端的電壓來調節直流電機的轉速。直流發電機和直流電動機具

38、有相同的結構，只是直流發電機是由原動機（一般是交流電動機）拖動旋轉而發電。可見，它是把機械能變為電能的設備。直流電動機則接在直流電源上，拖動各種工作機械（機床、泵、電車、電纜設備等）工作，它是把電能變為機械能的設備。4.3調速方案選擇 直流電動機轉速的控制方法可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法兩類。隨著電力電子技術的進步, 發展了許多新的電樞電壓控制方法。如: 由交流電源供電, 使用晶閘管進行相控調壓; 使用硅整流器將交流電整流成直流或由蓄電池等直流電源供電, 再由PWM 斬波器進行斬波調壓等。PWM 驅動裝置與傳統晶閘管驅動裝置比較, 具有下列優點: 需用的大功率可控器件少, 線路簡單; 調速

39、范圍寬; 電流波形系數好, 附加損耗小; 功率因數高。可以廣泛應用于現代直流電機伺服系統中。其中，直流斬波是常用的一種調速方法。其基本原理是用改變電機電樞電壓的接通和斷開的時間比(占空比)來控制馬達的速度，在脈寬調速系統中，當電機通電時，其速度增加；電機斷電時，其速度減低。只要按照一定的規律改變通、斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持一穩定值。直流斬波電路實際上就是直流PWM電路，這是PWM控制技術應用較早也成熟較早的一類電路。基于IGBT等位代表全控型器件的不斷完善給這種控制技術也提供了強大的物質支持。本系統正是基于IGBT的直流斬波電路作為直流電機調速系統。第五章 設計直流斬波調速電路該

40、直流電動機的直流斬波調速系統主要由信號發生電路、IGBT驅動電路和主電路三大部分組成。下面詳細介紹各部分電路的設計： 5.1信號發生電路 圖5-1 信號發生電路 信號發生電路，是整個電路的控制電路，是整個電路的關鍵部分。沒有這部分，就沒法實現斬波電路的控制，實現直流電機的調速。通過可調節的信號產生的電路，產生相應的信號，通過IGBT的驅動電路來控制IGBT的通斷，實現直流斬波，就能達到直流電動機調速的目的。 該系統是同過脈沖寬度調制來實現斬波控制的。信號發生電路是由脈沖寬度控制器TL494、可調電阻和其他電路元件組成，如圖1所示。圖5-2 TL494結構圖TL494 是一種頻率固定的脈沖調制控

41、制電路，集成了開關電源控制所需要的主要模塊，如圖2所示。內部線性的鋸齒波振蕩器頻率由2 個外部元器件決定，RT 和CT。近似的振蕩頻率可以由下面公式決定： 圖5-3 TL494時序圖 輸出脈沖寬度調制是通過在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的。驅動晶體管Q1 和Q2 的或非門，當雙穩態觸發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，增大控制信號的幅度會相應的減少輸出脈沖的寬度，如圖3所示。 信號發生電路中，通過調節電路的R5即RT，改變TL494的振蕩頻率，而使Q1輸出地脈沖寬度發生變化。以引腳9輸出地Q1脈沖驅動驅動電路，實現斬波電路的可調節控

42、制。5.2 IGBT的驅動電路 圖5-4 IGBT結構、簡化等效電路和電氣符號圖5-5 IGBT驅動電路 IGBT是一個三端器件，具有柵極G、集電極C和發射極E。由圖4可看出，IGBT是用雙極型晶體管與MOSFET組成的達林頓管結構，相當于MOSFET驅動的厚基層PNP晶體管。 IGBT是一種場控器件，其開通和關斷是由柵極和發射機間的電壓決定。該電壓大于開啟電壓時，MOSFET內形成溝道，并為晶體管提供基極電流進而使IGBT導通。當柵極與發射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關斷。 本系統驅動電路為IGBT光電隔離門極驅動電路，如圖5所

43、示。為使IGBT工作穩定，驅動電路按要求使用+15V和15V正、反偏壓的雙電源供電。為使驅動電路與信號電路隔離，采用抗噪能力強、響應快的光耦合器件。輸入信號通過U3光耦合器件引入驅動電路，然后通過推拉式的電路，向IGBT集電極提供電流。由于IGBT的轉移特性，當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又斷開。 在信號電路發出信號時，驅動電路的光耦器件U3被驅動，驅動電路被接通，向IGBT集電極提供電流，IGBT就導通了。光耦器件恢復，驅動電流提供的基極電流被切斷，IGBT就關斷。5.3主電路圖5-6 主

44、電路 主電路是一個基于IGBT降壓直流斬波電路，可通過IGBT的通斷，控制電機兩端電壓的變化，從而達到直流調速的目的。如圖6所示。 本電路選取的 IGBT型號為IRG4IBC30S，參數為VCES=600V，VCE(on)typ.= 1.4V，VGE = 15V，IC = 18A，屬于N型IGBT。圖5-7 降壓斬波電路 圖7為跟主電路一樣的降壓斬波電路的電路圖，當t=0時，IGBT（即圖中的V）的發射機E和柵極G上達到啟動電壓而導通，電源E向負載供電，U0=E，I0按指數規律上升; t=t1時，IGBT關斷，I0經VD續流，U0近似為零，I0呈指數規律下降。其中，電感L的作用是使I0連續且脈

45、動小。降壓斬波電路工作波形如圖2-8 所示。電流連續時，負載電壓平均值 其中，a導通占空比，簡稱占空比或導通比。U0最大為E，減小a，U0隨之減小。圖5-8 降壓斬波電路工作波形通過IGBT通斷時間控制，占空比改變了，再經過降壓斬波，直流電機的電樞電壓也得到可調節相應改變，從而直流電機的轉速也就得到了調節。5.4總電路圖圖5-9 基于IGBT直流斬波直流電機調速系統總電路圖第六章 電路調試 電路調試對電路設計來說有著至關重要的作用，通過調試可以發現電路中各種在表面上看不出的問題，可幫助我們改良電路使其能夠更好地工作。6.1 信號發生電路的調試 按圖1接好電路，Vcc端接+15V電源，根據TL4

46、94輸出信號頻率的計算公式： 調節6號腳的電阻R5，通過示波器觀測輸出端，使其頻率等于5.7KHz。改變5號腳電容的值也可以改變頻率，試用電阻調節明顯更加方便。調節電位器R4可以改變輸出方波的占空比，范圍是10%-90%。6.2 驅動電路的調試 由于控制IGBT通斷需要的電壓較大，用芯片TL494直接驅動是不行的。為了確保IGBT能夠正常通斷，設計它的導通和關斷電壓分別為+15V和-15V。驅動電路如圖4所示，信號通過光電耦合器進入到電路中，Q2和Q3分別輸出-15V和+15V的電壓。6.3 完整電路調試 當信號發生電路和驅動電路都沒有問題時，便可以把電路全都連接起來。斬波電路的輸入端接220

47、V的直流，另一端接電機，電機的勵磁繞組接220V直流。接好電路后就可以一邊調節信號方波的占空比一邊觀察電機轉速的變化。通過觀察得到下表數據：表6-1 占空比(%)102030405060708090轉速(n/min)162.2334.470.9621.7748.9887.3104611941360第七章 結論 現在，直流斬波器廣泛應用于生產、生活等實際情況當中，從中國大面積，多人口，低技術，少能源等國情出發，大力發展直流電技術，結合電力電子技術，這對改善我國科技現狀水平，提高經濟效益將起著重要作用。電力投資的持續增長，因此直流斬波器在電力電子行業有著巨大的發展潛力，它的傳統領域和新領域節前景非常廣闊直流電機轉速控制可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速時受到磁飽和限制，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大動態響應較差，所以這種控制方法用得很少。大多數應用場合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術的進步，改變電樞電壓可通過多種途徑實現，其中，直流斬波便是常用的改變電樞電壓的一種調速方法。直流斬波調速控制的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內接通和