由IGBT构成的直流斩波调速系统(110V／10A)

辽 宁 工 业 大 学

电力电子技术课程设计（论文）

题目：由ＩＧＢＴ构成的直流斩波调速系统（１１０Ｖ

／１０Ａ）

院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字） 起止时间：2011-12-26至2012-01-06

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课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院 教研室：电气 学 号 设计题目 学生姓名 专业班级 电气 由ＩＧＢＴ构成的直流斩波调速系统（１１０Ｖ／１０Ａ） 课程设计（论文）任务 工作计划课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能 直流斩波调速方式比晶闸管整流调速的性能更好，本次设计的主要目的是为1台额定电压110V、功率为1kW的直流电动机提供直流可调电源，以实现直流电动机的调速。 设计任务与要求 1、方案的经济技术论证。 2、整流电路设计。 3、通过计算选择整流器件的具体型号。 4、斩波电路设计。 5、斩波器件选择。 6、驱动电路设计或选择。 7、绘制相关电路图。 8、模拟实验或matlab仿真。 9、完成4000字左右的设计说明书。 技术参数 1、交流电源：单相220V。2、斩波电路输出电压Ud在0～110V连续可调。3、斩波输出电流最大值10A。4、直流电动机额定电压110V、功率为1kW。5、根据实际工作情况，输出电流要求连续。 第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：整流及滤波电路设计；第5天：斩波电路设计；第6天：驱动电路设计；第7天：器件选择；第8天：在实验室调试或matlab仿真；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 指导教师评语及成绩注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

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摘要

现代社会对电能的产生、传输与应用提出更为高效、环保、可靠、经济的要求。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。本文采用的调速元件是IGBT直流斩波器,它是属于全控型斩波器，它的控制部分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。而且本系统设计了多个保护元件，防止过电压与过电流现象的发生。另外，反馈电阻与电容能使系统稳定工作。由ＩＧＢＴ构成的直流斩波调速系统有着明显的有点，应用十分广泛。中国电力的发展，电力电子技术必将发挥重要作用，而IGBT在电力电子中的作用不可忽视。

关键字：直流电动机；调速；IGBT；直流斩波

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目 录

第1章 绪论..................................................................................................4

1.1 电力电子技术概况.....................................................4 1.2 本文设计内容 ????????????????????????????4 第2章 由ＩＧＢＴ构成的直流斩波调速系统（１１０Ｖ／１０Ａ）电路设计.........5

2.1 调速系统总体设计方案 ???????????????????????? 5 2.2 具体电路设计 ????????????????????????????6

2.2.1 主电路设计?????????????????????????6 2.2.2 控制设计??????????????????????????6 2.2.3 保护电路设计????????????????????????8

2.3 元器件型号选择???????????????????????????10 2.4系统电气总图 ???????????????????????????14 2.5系统调试与仿真 …………???????????????????????15 2.6 电路元件明细表 ??????????????????????????16 第3章 课程设计总结......................................................................................17 参考文献??????????????????????????????????18

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第1章 绪论

1.1 电力电子技术概况

电力电子技术应用于整个电能产生、传输及利用的各个环节。分布式电源及微电网技术、高压直流输电与灵活交流输电技术、电能质量控制技术及为数众多的电源技术都是电力电子技术应用的范例。电力电子技术为功率强大，可供诸如电力系统那样大电流、高电压场合应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其特殊之处不仅仅因为它能够通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的问题。IGBT直流斩波,对电力电子技术的发展起到重大推动作用，它打开了电力电子技术向高频大功率化发展的新纪元,使其应用产品的自动化、智能化、高效化和机电一体化做出了显著贡献。市场上用的最多的IGBT直流斩波器，它是属于全控型斩波器，由门级电压控制，从根本上克服了晶闸管斩波器及GTR斩波器的缺点。中国电力系统具有地域跨度大、结构复杂、控制要求高的特点。中国资源特别是一次能源相对紧缺、而又浪费严重，环境问题突出。因此，中国电能的安全稳定、可靠供应及高效环保利用成为当务之急，电力电子技术必将发挥重要作用，而IGBT在电力电子中的作用不可忽视。

1.2 本文设计内容

本文设计一个由IGBT 组成的直流斩波调速系统，对一台额定电压110V、功率为1kW的直流电动机提供直流可调电源，以实现直流电动机的调速。本系统设计多个电气部分组成整体结构，有变压部分，整流部分，保护部分，反馈部分及由IGBT为主的控制部分等部分所组成。本电机调速系统采用直流斩波调速方式, 与晶闸管调速相比技术先进, 可减少对电源的污染，而且本系统有着过电流保护与过电压保护，安全并且实用。

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第2章 由ＩＧＢＴ构成的直流斩波调速系统的电路设计

2．1 总体调速系统方案

由于可调直流电源容量不大，故可采用单相交流电源供电、单相整流变压器降压、二极管桥式整流、电容滤波获得斩波输入直流电源，经IGBT斩波，即可得到要求的可调直流电源。

IGBT为场控输入器件，输入功率小。CW494集成脉宽控制器不但可方便获得所要求的斩波频率和脉冲宽度，由于它输出最大电流为250mA，因此，不用驱动放大电路即可满足控制要求，从而简化电路。

本电机调速系统采用直流斩波调速方式, 与晶闸管调速相比技术先进, 可减少对电源的污染。为使整个系统能正常安全地运行, 设计了过流、过载、过压、欠压保护电路, 另外还有过压吸收电路。确保了系统可靠运行

由ＩＧＢＴ构成的直流斩波调速系统 斩波调压主电路 控制电路 IGBT和CW494 调速 保护电路 M 缓冲电路 反馈电路

图 1 系统概略框图

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2．2 具体电路计算

2.2.1 斩波调压主电路

根据直流斩波调速系统的电路设计，可得直流斩波调压主电路，其中主要包括变压器部分，直流斩波部分，滤波电容，保护电路，反馈电路，及要调速的电动机。具体电路如图１所示。

图2斩波调压主电路

2.2.2 控制电路设计

控制电路如图2所示。

由于CW494具有较强的输出驱动能力,它成为目前世界上销量最大,应用面最广的开关电源控制集成电路，而且具有体积小、功率大、效率高的优点，所以本次采用此芯片，具体结构如图2

图3 控制电路CW494

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IGBT为场控输入器件，输入功率小。CW494集成脉宽控制器不但可方便获得所要求的斩波频率和脉冲宽度，由于它输出最大电流为250mA，因此，不用驱动放大电路即可满足控制要求，从而简化电路。

CW494内部有两个放大器，很容易实现电压反馈。若采用比例积分调节，且反馈电阻、电容参数选择得当，电压静态精度可不用计算，动态精度计算也可忽略。

为实现限流保护，可采用电流截止反馈。因负载功率小，可用电阻采样，还可以加入继电器，过电流严重时可切断主路电源 CW494内部电路框图如图3所示

图4 CW494内部电路框图

2.2.3 保护电路设计

斩波器的散热设计：

热管散热技术是当今国际较流行的散热方式，国内近年来发展较快，被人们称之为热的“超导体”，已广泛用于车辆电传动系统，热管的主要特点：高效的导热性，高度的等温性，热流密度变换能力强，结构多样灵活、重量轻。由于IGBT模块的开关频率高，开关损耗大，特别是对大功率IGBT模块，一般普通型材散热器难以满足要求。热管散热器特别适合于这种安装底板绝缘的大功率IGBT模块散热。目前适合于大功率IGBT模块的热管散热器的热阻可以达到额定标准以下。

过电流保护电路：变压器二次侧加熔断器

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IGBT的保护设计：

在斩波电路中对斩波器的保护，实际上就是对IGBT的保护。所以重要的是怎么设计好对开关管IGBT的保护方案。在设计对IGBT的保护系统中，主要是针对过电流保护和开关过程中的过电压保护。

IGBT的保护可分为过电流保护与过电压保护

可以并联电容CS、缓冲电阻RS与缓冲电路二极管VDS。

缓冲电路二极管VDS因VDS用于高频电路中，故选用快速恢复二极管，以保证IGBT导通时很快关断。

2.3 元件型号选择

2.3.1 整流变压器计算

（1） U2的计算

Ud=110V

考虑占空比为90%

则 U0=

Ud110=V=123V 0.90.9取 U0=1.2U2 则 U2=考虑10%的裕量

取 U2=1.1×102V=113V （2） 一、二次电流计算

取 I2=Id=10A

变比 K= I1=

220U1= =1.95 113U2I210==5.13A K1.95U0123=V=102V 1.21.2考虑空载电流 取I1=1.05×5.1A=5.3A

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（3）变压器容量计算

S1=U1I1=220V×5.3A=1166VA S2=U2I2=113×10A=1130AV S=

S1?S21=(1166+1130)VA=1148VA 222.3.2 整流元件选择

二极管承受最大反向电压UDM=2U2=2×113V=160V，考虑3倍裕量，则 UTN=3×160V=480V， 取500V

该电路整流输出接有大电容，而且负载也不是纯电感负载，但为了简化计算，仍按电感负载进行计算，只是电流裕量可适当取大些即可。 11 IdD==Id=×10A=5A

22 ID= ID(AV)= (1.5~2)

1Id=7.1A 2ID7.1=2×A=9A 取10A。

1.571.57故选ZP10-5整流二极管4只，并配10A散热器。

2.3.3 滤波电容选择

C0一般根据放电时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，电容量也越大。一般不作严格计算，多取2000μF以上。因该系统负载不大。故

取C0=2200Μf

耐压按 1.5UDM=1.5×160V=240V， 取250V。 即选用2200μF、250V电容器。

为滤除高频信号，取C1=1μF，耐压250V。

2.3.4 IGBT 选择

因U0=123V，取3倍裕量，选耐压为400V以上的IGBT。由于IGBT是以最大值标准，

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且稳定电流与峰值电流间大致为4倍关系，故应选用大于4倍额定负载电流的IGBT为宜，为此选用60A的IGBT，并配以相应的散热器即可。

2.3.5 保护元件的选择

（1）变压器二次侧熔断器选择

由于变压器最大二次电流I2=10A，故选用15A熔芯即可满足要求，应选用15A、250V熔断器，熔断器的结构形式可根据设备结构而定。 （2）IGBT 保护电路选择

1) 电容CS的选择 一般按布线电感磁场能量全部转化为电场能量计算。即

121=CS(Ucep?U0)2 LbI022得

2LbI0 CS≥2(Ucep?U0)式中 Lb——主回路布线电感μH ； I0——IGBT关断时集电极电流A ;

Ucep——缓冲电容器电压稳压定值，由IGBT安全工作区确定 V ； U0——直流电源电压 V ；

这里可按Lb=5~20μH估算。可取稍低于IGBTLb可由实测确定。Ucep为保证保护可靠，耐压值为宜，这里去Ucep=300V进行计算。取I0=Id、U0=123V，得

2LbI0=0.0319μF CS=2(Ucep?U0)取 CS=0.0319μF、耐压400V（略大于Ucep）。

2）缓冲电阻RS计算 要求IGBT关断信号到来之前，将缓冲电容器所积蓄的电荷放完，以关断信号之前放电90%为条件，其计算公式如下：

CS≤1/ (6fCS)

RS不能太小，过小会使IGBT开通时的集电极初始电流增大，因此，满足上式条件下，

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希望尽可能选取大的电阻值。

f为开关频率、IGBT最大开关频率为30kHz，实际使用在10kHz以内，这里取f=2kHz。则有 RS=

1≈2.6kΩ 6fCS取RS=1W，即RS选用1W、3.0kΩ电阻即可。

3）缓冲电路二极管VDS因VDS用于高频电路中，故选用快速恢复二极管，以保证IGBT导通时很快关断。

VDS电流定额可按IGBT通过电流的1/10试选，然后由调试决定。 2.3.6 反馈电路参数选择

（1）电压反馈电阻和滤波电容的确定

1） 电压反馈总电阻一般取几千欧至几十千欧为宜。RU过小损耗大，过大又会使电压反馈信号内阻加大。故取RU=11kΩ。考虑一定的功率裕量，可取一个10kΩ、3W固定电阻与一个1kΩ、1W电位器串取即可满足要求。电位器上分得10V电压，完全能满足反馈电压的需求。

2） 反馈电路滤波电容C2选择。放电时间常数为

RFC2=（3~5）

式中 T——u0 电压周期，取0.01s。

T 2因控制电路采用CW494，其锯齿波电压最大值为3.6V，故反馈电压最大为3.6V，对应电位器RP3电阻应为360Ω。则

C2=5×

T=69Μf 2RF取 C2=100μF。因控制电路电源电压为±15V，故取C2、耐压为50V。

3）电流反馈电阻RI及滤波电容C4的选择 因负载不大，可采用电阻取样。一般采

样电阻压降应小于3%Ud，即小于3.3V。取RI=0.25Ω。

2PRI=IdRI=102×0.25W=25W，取30W。

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电流截止反馈电位器RP5及过流继电器保护取样电位器RP4均取100Ω、1W实芯电位器即可。

2.3.7 控制电路参数选择

控制电路如图所示。

图5控制电路

1) 振荡器RT、CT的选择

RTCT=1.1/f=550μs

取RT=510Ω、

1W，CT=1μF、耐压30V。 42) R10、R11、R0电阻的选择

由于CW494内部有个放大器，其中右边一个不用，为防止干扰信号使该放大器饱和输出，而影响另一个放大器工作。可取R10=R11=20kΩ、W/4，并使输入端短接接地，反馈电阻R0取1KΩ、W/4。

3) 放大器的参数的选择

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取R8=R3=R4=R6=R7=20kΩ，W/4。为防止开环，可在2、3脚间再接一个3MΩ,W/4电阻。

取R5=5.1kΩ、W/4；C5=10μF、25V并在调试中最后确定。 取 R9=10kΩ。 4) R12及R13选择

R12一般取5~50Ω，IGBTD电流定额越大，R12值越小。IGBT选60A，取R12=33Ω，W/4。一般R13取值与R12相等即可。

2.4系统整体设计电路

根据对主电路、保护电路、控制电路、反馈电路等部分的设计与分析，可得直流斩波调速系统电气原理总图，如图5所示。

图6系统电气原理总图

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2.5系统调试与仿真

2.5.1 仿真模型及参数设置

由 IGB T 构成直流斩波电路的建模和参数设置

采用由 IGB T 组成的 Buck 直流变换器仿真模型 , IGB T按默认参数设置,并取消缓冲电路 ,由原件的计算可知， RS =20kΩ,CS =CS=0.0319μF ;电压源参数取 US = 110 V。

图7 由IGBT组成的直流斩波仿真模型图

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图8 电路仿真波形图

通过以上的仿真过程分析，可以得到结论：直流变换电路以全控型电力电子器件IGBT作为开关器件，通过控制主电路的状态，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流输出电压。利用Simulink对斩波的仿真结果进行了详细分析，与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，结果正确，验证了由IGBT构成的直流斩波电路的的正确性。

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2.5 元件明细表

根据系统结构与其元件型号的计算，可得系统所需的电气元件，其数量及型号如表一所示。

元件名称 整流二极管 散热器 电容器 IGBT 变压器 熔断器 IGBT保护电容CS 缓冲电阻R8 电压反馈电阻 电压反馈滤波电容 电流反馈电阻 电流反馈电容 表一 电路元件明细表 数量 4 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 规格 2P10-5 10A 220uF，250V 1uF，250V 60A配散热器 10A熔芯 15A，250V 0.022uF，400V 1W，3.6k? 10K?，3W 1K?，1W 100uf，50v 0.25K?,25W 100?，1W 510?

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第3章 课程设计总结

电力电子技术已经成为当今时代应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在，因此作为二十一世纪的大学来说掌握电力电子技术是十分重要的。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。

由IGBT构成的直流斩波电路具有着很好的优势，其中主控元件IGBT是一种新开发的电力电子开关元件，它具有门极可控（电压控制，晶闸管和GTO是电流控制门极），开关频率高，传输功率大的特点。而且本次设计的电路系统可以通过计算，能得到各元件的最佳值，并且围绕整流而涉及到的其他部分（如反馈、保护等）充分考虑到，能充分，高效率的斩波整流，使效果达到最佳。运用门极可控元件IGBT，把直流斩波调速做到了更加高效，所以以后会更加努力学习IGBT相关知识和应用，真正能够运用电力电子技术知识解决各种实际的问题。

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参考文献

[1] 王兆安.电力电子技术.第四版.北京：机械工业出版社,2003 [2] 郝万新.电力电子技术.化学工业出版社, 2002

[3] 孟志强.电力电子技术.晶闸管中频感应逆变电源的附加振荡启动方法, 2003.6 [4] 吕宏.电力电子技术.感应加热电源的PWM-PFM控制方法, 2003.1 [5] 吴雷.电力电子技术.基于DSP大功率中频感应焊机的研究, 2003.4

[6] 李金刚.电力电子技术.基于DSP感应加热电源频率跟踪控制的实现, 2003.4 [7]刘祖润.毕业设计指导．机械工业出版社，1995

[8]刘星平.电力电子技术及电力拖动自动控制系统．机械工业出版社1999 [9]郑琼林.电力电子电路精选．机械工业出版社，1996

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