直流電機(jī)相對交流電機(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)和改變勵磁的恒功率調(diào)速,。
直流電動機(jī)測試電源要根據(jù)直流電動機(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)和過載試驗(yàn),，還要進(jìn)行動態(tài)過程試驗(yàn)等。這就要求其具有連續(xù)調(diào)壓,、過流功能,，并要求響應(yīng)速度快。本篇文章將介紹大功率直流電動機(jī)測試電源設(shè)計(jì),。
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)算過程,。
整流輸出電壓Ud的波形在一個(gè)周期內(nèi)波動6次，且脈動波形相同,，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-10%～+10%,，所以二極管最小參數(shù)應(yīng)取：
IA(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為ZP200-ZL20螺栓型普通整流二極管,。
圖1 主電路圖
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,，既能將脈動電流變?yōu)槠交闹绷鳎€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)電阻值對輸出脈動電壓值有直接影響,。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,，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，它本身的阻抗對電容兩端的電壓會有影響,，而且電壓是脈動的,，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),。
對主電路進(jìn)行計(jì)算,，并根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的需要對IGBT進(jìn)行選型。
IGBT的作用是通過它的周期性開和關(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)際電壓等級值取1200V,。
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為測試電源輸出電壓幅值68V,?？紤]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,。
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)通過程中,，通過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)工作過程中電壓電流的重疊,。
PWM移相控制是通過UC3875的誤差放大器來實(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
驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
隨著IGBT在各類變流裝置中的廣泛應(yīng)用,，IGBT驅(qū)動模塊的選擇及其性能越來越引起使用者的重視。理想的驅(qū)動模塊除了應(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)力求電路簡單,、穩(wěn)定,。IGBT的常用驅(qū)動模塊有許多種，其中EXB系列應(yīng)用最廣,。EXB841驅(qū)動模塊廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源,、UPS、電力傳動及電力補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域,。
圖4所示是本設(shè)的IGBT的驅(qū)動電路圖,。
圖4 驅(qū)動電路
IGBT在開關(guān)過程中需要一個(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)的誤動作。
這兩種電壓均可由20V供電的驅(qū)動器內(nèi)部電路產(chǎn)生,。