电力电子课程设计---基于降压斩波原理的电机调速的设计

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1、 1 1 综述 电力电子技术在现代化社会的建设中的应用起着重要作用并得到飞跃性的发展。从我 国国情出发，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。 因此研究直流斩波有着深远的意义，它不仅能够大大改善各种机车的调速系统，为其 提高安全、快速、低损耗的调速装置，还可以为世界能源危机带来曙光，解决能源带来的 各种问题。 鉴于上述情况，本次课程设计设计了直流电动机的降压斩波调速系统，加深我们对斩 波调速系统的理解。斩波电路通过控制电路导通比来控制输出端电压大小，此电压即为电 动机的电枢电压，电枢电压的改变可方便调节电动机的转速。 基于降压斩波原理的电

2、机调速的设计 2 2 系统结构与工作原理 2.1 系统结构 系统由三相交流电源、变压器、整流电路、降压斩波电路和直流电动机等组成。 直流电动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。换向器是一种机械整流部件，其质量对 运行可靠性有很大影响。 2.2 系统工作原理 直流电动机斩波调速控制系统的原理框图如图

3、 2-1 所示： 380V三相 交流电 变压器 三相桥式不可 控整流电路 直流电 动机 降压斩 波电路 图 2-1 系统原理框图 系统首先是利用变压器将 380V 的交流电变为较小的交流电，然后通过不可控整流电 路将其变为直流电，因此需要整流电路，设计中选用的是三相桥式不可控整流电路。 直流电动机斩波调速原理是通过控制全控型器件 IGBT 的导通和关断来调节整流电路 输出的电压的大小，并将得到的电压给电动机，来达到对直流电动机调速的目的。 3 3 3 主主电电路路的的设计设计 3.1 整流电路 设计中选用的是三相桥式不可控整流电路，其原理图如下面的图 3-1 所示： 图 3-1 三相桥式不可控

4、整流电路原理图 上图 3-1 所示的电路左端接经过变压器得到的三相交流电，经过此三相桥式不可控整 流电路整流后，可得到直流电，供给降压斩波电路。其中 C 为大电容，用来抑制整流电路 输出电压脉动大小，起滤波和平波的作用。 3.2 降压斩波电路 降压斩波电路的原理图如下面的图 3-2 所示： 图 3-2 降压斩波电路的原理图 其中图中 Em为直流电动机的反电动势。 该电路使用一个全控型器件 IGBT，为在 V 关断时给负载中的电感电流提供通道，设置 了续流二极管 D。当在 V 导通时将前面得到的直流电通过 V 给电动机供电，并同时给电感 L 充电，此时 D 两端电压 U0近似等于电源电压；当 V

5、 关断后，由于电感 L 的存在，通过续 流二极管 D 及电动机 M 续流，当忽略二极管两端的电压降时，此时 U0=0。 下面分析 U0的平均值的大小。假设当 t=0 时，IGBT（即图中的 V）的发射机 E 和栅 基于降压斩波原理的电机调速的设计 4 极 G 上达到启动电压而导通，向负载供电，U0=E，I0按指数规律上升，导通时间记为 ton； 当 t=t1时，IGBT 关断，I0经 D 续流，U0近似为零，I0呈指数规律下降，关断时间记为 toff。 其中，电感 L 的作用是使 I0连续且脉动小。 当电流出现断续时，直流电动机的机械特性将很软，对电动机不利，所以应使电流连 续，电流连续的条件

6、是 此时，负载电压平均值 其中， ， 为导通占空比，简称占空比或导通比。U0最大为 E， 即是整流电路的输出电压。通过控制电路控制占空比的大小，来方便地调节平均电压。由 直流电动机的机械特性可知，在不同的平均电压下，电动机转速不同，由此可方便调节直 流电动机的转速。如果减小占空比，则电动机的输入电压减小，电动机转速降低，反之则 增大。 本设计中采用 PWM 脉宽调制，在一个开断周期内，开关管的开通、关断时间很短， 这样电动机波动较小，运行稳定。 5 4 4 控制电路控制电路的设计的设计 U1U1 TL494TL494 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16 R1R1 1k1k R2R2 1k1k R3R3 1k1k C1C1 100nF100nF R4R4 5k5k Key=AKey=A 50%50% R5R5 5k5k Key=AKey=A50%50% 0 0 6 6 5 5 4 4 3 3 1 1 2 2 VCCVCC 15V15V VCCVCC 7 7 Output 图 4-1 控制电路 控制电路，是整个电路的关键