中心議題：

• 大功率直流電動(dòng)機(jī)測(cè)試電源設(shè)計(jì)

解決方案：

• 主電路設(shè)計(jì)
• 控制電路設(shè)計(jì)
• 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

直流電機(jī)相對(duì)交流電機(jī)有調(diào)速性能優(yōu)良、調(diào)速方便、平滑、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此仍然廣泛應(yīng)用于很多工業(yè)場(chǎng)合。直流調(diào)速主要有以下幾種方式：電樞串電阻調(diào)速、改變電樞電壓調(diào)速、PWM直流調(diào)整系統(tǒng)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)和改變勵(lì)磁的恒功率調(diào)速。

直流電動(dòng)機(jī)測(cè)試電源要根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)壓試驗(yàn)、輕載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)和過(guò)載試驗(yàn)，還要進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程試驗(yàn)等。這就要求其具有連續(xù)調(diào)壓、過(guò)流功能，并要求響應(yīng)速度快。本篇文章將介紹大功率直流電動(dòng)機(jī)測(cè)試電源設(shè)計(jì)。

一、主電路設(shè)計(jì)

1整流電路計(jì)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)橹绷麟妷海淮送?，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(yīng)當(dāng)按照有效值選取，如下是計(jì)算過(guò)程。

整流輸出電壓Ud的波形在一個(gè)周期內(nèi)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：

                       (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%，二極管最小參數(shù)應(yīng)?。篒A(VT)=I(VT)×1.1=78A；UFM=URM×1.1=593V，所以，二極管額定參數(shù)為：200A、1200V。因此選擇的二極管型號(hào)為ZP200-ZL20螺栓型普通整流二極管。

圖1 主電路圖[page]

2 濾波電容計(jì)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?yàn)榈刃Т?lián)電阻值對(duì)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約為線電壓峰值540V。在帶負(fù)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(cè)電壓在帶負(fù)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(qū)間內(nèi)，電容C向負(fù)載放電，在T/6區(qū)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(jì)算值，濾波效果滿足小于10%的要求。因此，選擇DCMCE 1669型電解電容，其規(guī)格為5600μF/400V。

由于電解電容不是理想的電容，它本身的阻抗對(duì)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(wěn)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?yàn)楦哳l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(shù)量級(jí)其他電容，只要電容C1的耐壓峰值滿足即可以，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，開關(guān)S1合上，把R1從主電路中去除。

3 逆變電路計(jì)算
對(duì)于逆變電路選取的是全橋逆變電路，采用IGBT作為開關(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(wěn)定性好，驅(qū)動(dòng)功率小的特點(diǎn)，又具有GTR通態(tài)電壓低，導(dǎo)電損耗小而耐壓高的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)主電路進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的需要對(duì)IGBT進(jìn)行選型。IGBT的作用是通過(guò)它的周期性開和關(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(duì)它的設(shè)計(jì)、選擇直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全、可靠。所以，選擇的參數(shù)必須在其正向偏置安全區(qū)(FBSOA)。計(jì)算參數(shù)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(wěn)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(shù)；α安全系數(shù)取1.1。關(guān)斷時(shí)的峰值電壓Uce為988V，額定電壓應(yīng)向上取，實(shí)際電壓等級(jí)值取1200V。
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② 額定電流Ic
高頻變壓器一次側(cè)電流

I1=I2×N2/N1=125A

其中，I1為高頻變壓器一次側(cè)電流，I2為測(cè)試電源輸出電流，N1、N2為高頻變壓器一次側(cè)和二次側(cè)匝數(shù)。

每只IGBT管上的平均電流I為63A。額定電流Ic是IGBT手冊(cè)上給出的在結(jié)溫25℃條件下的額定值，Ics=186A。其中，Ics為IGBT額定電流計(jì)算值；I為每只IGBT管上的平均電流；1.414為峰值系數(shù)；1.5為Imin過(guò)載容量系數(shù)；1.4為Ic減小系數(shù)。額定電流Ic是根據(jù)管子電流等級(jí)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選擇西門子大功率IGBT模塊BSM200GB120DLC。

4 輸出整流電路設(shè)計(jì)
開關(guān)整流二極管不僅應(yīng)有短的反向恢復(fù)時(shí)間和小的反向恢復(fù)電流，而且反向電流的恢復(fù)速度以緩慢為好，便于減小噪聲。常用的有摻金擴(kuò)散型、外延型、肖特基型和快恢復(fù)型（PIN）。其中，快恢復(fù)型的特點(diǎn)是正向壓降低，常溫時(shí)0.85V，隨結(jié)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(fù)型二極管。

對(duì)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(cè)試電源輸出電壓幅值68V。考慮到留有一定的裕量，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(fù)二極管。

二、控制電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)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)開關(guān)輪流導(dǎo)通。在同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管輪流導(dǎo)通過(guò)程中，通過(guò)變壓器的漏感與開關(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，保證開關(guān)管處于零電壓開關(guān)狀態(tài)(ZVS)，從而避免了開關(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(xiàn)的，在UC3875的4角上接PI調(diào)節(jié)器，利用電壓傳感器將輸出電壓與給定基準(zhǔn)電壓相比較，從而控制A、B與C、D之間的相位，最終調(diào)整波形占空比，使電源穩(wěn)定在預(yù)定值上。A/B、D/C兩個(gè)半橋，可單獨(dú)進(jìn)行導(dǎo)通延時(shí)(即死區(qū)時(shí)間)的控制，在該死區(qū)時(shí)間內(nèi)確保下一個(gè)功率開關(guān)器件的輸出電容放電完畢，為即將導(dǎo)通的開關(guān)器件提供電壓開通條件。圖3所示是本設(shè)計(jì)的控制電路圖。

圖3  控制電路

三、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

隨著IGBT在各類變流裝置中的廣泛應(yīng)用，IGBT驅(qū)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(qū)動(dòng)模塊除了應(yīng)為IGBT提供足夠的開通和關(guān)斷柵壓外，還應(yīng)具備迅速、可靠的保護(hù)功能，同時(shí)力求電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定。IGBT的常用驅(qū)動(dòng)模塊有許多種，其中EXB系列應(yīng)用最廣。EXB841驅(qū)動(dòng)模塊廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、UPS、電力傳動(dòng)及電力補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域。圖4所示是本設(shè)的IGBT的驅(qū)動(dòng)電路圖。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路

IGBT在開關(guān)過(guò)程中需要一個(gè)+15V電壓以獲得低開啟電壓，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(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路產(chǎn)生。