中心議題：

• 大功率直流電動機測試電源設計

解決方案：

• 主電路設計
• 控製電路設計
• 驅動電路設計

直流電機相對交流電機有調速性能優良、調速方便
、平滑

、調速範圍廣等優點，因此仍然廣泛應用於很多工業場合。直流調速主要有以下幾種方式：電樞串電阻調速、改變電樞電壓調速
、PWM直流調整係統、雙閉環直流調速係統
、數字式直流調速係統和改變勵磁的恒功率調速。

直流電動機測試電源要根據直流電動機的試驗要求進行調壓試驗
、輕載試驗
、負載試驗和過載試驗
，還要進行動態過程試驗等。這就要求其具有連續調壓、過流功能
，並要求響應速度快。本篇文章將介紹大功率直流電動機測試電源設計。

一、主電路設計

1整流電路計算
整流電路選用的是三相不控整流。這個電路的特點是簡單
、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為直流電壓；此外，還要具有一定的輸出電壓保持能力
，既能防止來自電網的幹擾進入電源，又能防止電源產生的幹擾。

二極管應當按照有效值選取，如下是計算過程。

整流輸出電壓Ud的波形在一個周期內波動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)

而每隻整流二極管承受的最大反壓為：

                (4)

考慮到電網電壓的波動-10%～+10%，二極管最小參數應取：IA(VT)=I(VT)×1.1=78A；UFM=URM×1.1=593V，所以，二極管額定參數為：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[page]

2 濾波電容計算
電(dian)源(yuan)中(zhong)工(gong)頻(pin)濾(lv)波(bo)器(qi)接(jie)在(zai)工(gong)頻(pin)整(zheng)流(liu)與(yu)逆(ni)變(bian)電(dian)路(lu)之(zhi)間(jian)，既(ji)能(neng)將(jiang)脈(mai)動(dong)電(dian)流(liu)變(bian)為(wei)平(ping)滑(hua)的(de)直(zhi)流(liu)
，還(hai)能(neng)抑(yi)製(zhi)高(gao)頻(pin)幹(gan)擾(rao)

，尤(you)其(qi)是(shi)變(bian)換(huan)中(zhong)產(chan)生(sheng)的(de)高(gao)頻(pin)幹(gan)擾(rao)。

濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)最(zui)好(hao)選(xuan)用(yong)等(deng)效(xiao)串(chuan)聯(lian)電(dian)阻(zu)低(di)且(qie)電(dian)容(rong)量(liang)大(da)的(de)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)
，因(yin)為(wei)等(deng)效(xiao)串(chuan)聯(lian)電(dian)阻(zu)值(zhi)對(dui)輸(shu)出(chu)脈(mai)動(dong)電(dian)壓(ya)值(zhi)有(you)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)。因(yin)此(ci)


，為(wei)了(le)減(jian)少(shao)等(deng)效(xiao)串(chuan)聯(lian)電(dian)阻(zu)
，用(yong)4個電容串並聯，獲得所需的電容量電路。

電網電壓為380V，不考慮波動，空載直流電壓Ud0約為線電壓峰值540V。在帶負載時
，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。直流側電壓在帶負載時是脈動的，如圖2所示。最大電壓降△U按10%考慮。在T1區間內，電容C向負載放電
，在T/6區間完成一個充放電周期。

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。實際中

，采用4個5600μF/400V的電解電容和2個大電阻並聯為一組，用2組串聯在一起組成濾波電容組。其電容量為5600μF。大於計算值，濾波效果滿足小於10%的要求。因此，選擇DCMCE 1669型電解電容

，其規格為5600μF/400V。

由(you)於(yu)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)不(bu)是(shi)理(li)想(xiang)的(de)電(dian)容(rong)，它(ta)本(ben)身(shen)的(de)阻(zu)抗(kang)對(dui)電(dian)容(rong)兩(liang)端(duan)的(de)電(dian)壓(ya)會(hui)有(you)影(ying)響(xiang)

，而(er)且(qie)電(dian)壓(ya)是(shi)脈(mai)動(dong)的(de)
，所(suo)以(yi)為(wei)了(le)穩(wen)定(ding)其(qi)兩(liang)端(duan)電(dian)壓(ya)
，使(shi)每(mei)組(zu)電(dian)容(rong)的(de)兩(liang)端(duan)電(dian)壓(ya)相(xiang)等(deng)，分(fen)別(bie)在(zai)每(mei)組(zu)電(dian)容(rong)兩(liang)端(duan)並(bing)聯(lian)了(le)一(yi)個(ge)均(jun)壓(ya)電(dian)阻(zu)R2
、R3，選擇R2=R3=30kΩ。

至於濾波前麵的去高頻幹擾的電容C1
，其電容量是很難確定的，因為高頻幹擾包括電網的幹擾，也包括電源的幹擾
，所以可試選取C1=（2.5±5%）μF或該數量級其他電容


，隻要電容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，由於電容充電
，往往引起較大的浪湧電流。在此，選擇的限流電阻R1為20Ω/20W。起動後，延時一段時間後，開關S1合上，把R1從主電路中去除。

3 逆變電路計算
對於逆變電路選取的是全橋逆變電路
，采用IGBT作為開關器件。IGBT集MOSFET和GTR的優點於一體

，具有功率MOSFET高輸入阻抗，熱穩定性好，驅動功率小的特點，又具有GTR通態電壓低，導電損耗小而耐壓高的優點。對主電路進行計算，並根據設計目標的需要對IGBT進行選型。IGBT的作用是通過它的周期性開和關作用
，把直流電壓變換成方波電壓，它是逆變電路的關鍵核心元件。由於它比較脆弱
，對它的設計、選擇直接關係到整個係統的安全、可靠。所以，選擇的參數必須在其正向偏置安全區(FBSOA)。計算參數時留有的裕量較大。

① 額定電壓
輸入電網電壓整流濾波後
，直流輸出的電壓最大值：

                       (11)

其中，Ud為IGBT承受的穩態最大電壓
，U為電網電壓有效值為380V；1.1為波動係數
；α安全係數取1.1。關斷時的峰值電壓Uce為988V，額定電壓應向上取，實際電壓等級值取1200V。
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② 額定電流Ic
高頻變壓器一次側電流

I1=I2×N2/N1=125A

其中，I1為高頻變壓器一次側電流
，I2為測試電源輸出電流，N1、N2為高頻變壓器一次側和二次側匝數。

每隻IGBT管上的平均電流I為63A。額定電流Ic是IGBT手冊上給出的在結溫25℃條件下的額定值
，Ics=186A。其中
，Ics為IGBT額定電流計算值；I為每隻IGBT管上的平均電流；1.414為峰值係數；1.5為Imin過載容量係數；1.4為Ic減小係數。額定電流Ic是根據管子電流等級按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 輸出整流電路設計
開kai關guan整zheng流liu二er極ji管guan不bu僅jin應ying有you短duan的de反fan向xiang恢hui複fu時shi間jian和he小xiao的de反fan向xiang恢hui複fu電dian流liu，而er且qie反fan向xiang電dian流liu的de恢hui複fu速su度du以yi緩huan慢man為wei好hao，便bian於yu減jian小xiao噪zao聲sheng。常chang用yong的de有you摻chan金jin擴kuo散san型xing、外延型、肖特基型和快恢複型（PIN）。其中
，快恢複型的特點是正向壓降低，常溫時0.85V，隨結溫升高
，正向電壓降會更低，150℃時隻有0.6V
，和肖特基管接近；反向時間短
，不大於200ns；反向漏電流在150℃時和額定電壓下隻有1mA
，接近普通整流二極管。故選用快恢複型二極管。

對於單相全波整流電路，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。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平板型快恢複二極管。

二

、控製電路設計

本設計中控製電路選用移相控製。移相式PWM控kong製zhi器qi通tong過guo移yi相xiang，使shi全quan橋qiao的de四si個ge開kai關guan輪lun流liu導dao通tong。在zai同tong一yi橋qiao臂bi的de兩liang個ge開kai關guan管guan輪lun流liu導dao通tong過guo程cheng中zhong，通tong過guo變bian壓ya器qi的de漏lou感gan與yu開kai關guan管guan的de輸shu出chu寄ji生sheng電dian容rong組zu成cheng諧xie振zhen腔qiang使shi電dian容rong上shang的de電dian壓ya以yi最zui快kuai的de速su度du放fang電dian，保bao證zheng開kai關guan管guan處chu於yu零ling電dian壓ya開kai關guan狀zhuang態tai(ZVS)，從而避免了開關工作過程中電壓電流的重疊。

PWM移相控製是通過UC3875的誤差放大器來實現的，在UC3875的4角上接PI調節器，利用電壓傳感器將輸出電壓與給定基準電壓相比較
，從而控製A
、B與C
、D之間的相位
，最終調整波形占空比，使電源穩定在預定值上。A/B、D/C兩個半橋
，可單獨進行導通延時(即死區時間)的控製，在該死區時間內確保下一個功率開關器件的輸出電容放電完畢，為即將導通的開關器件提供電壓開通條件。圖3所示是本設計的控製電路圖。

圖3  控製電路

三
、驅動電路設計

隨著IGBT在各類變流裝置中的廣泛應用
，IGBT驅動模塊的選擇及其性能越來越引起使用者的重視。理想的驅動模塊除了應為IGBT提供足夠的開通和關斷柵壓外，還應具備迅速、可靠的保護功能，同時力求電路簡單、穩定。IGBT的常用驅動模塊有許多種，其中EXB係列應用最廣。EXB841驅動模塊廣泛應用於開關電源、UPS
、電力傳動及電力補償等領域。圖4所示是本設的IGBT的驅動電路圖。

圖4 驅動電路

IGBT在開關過程中需要一個+15V電壓以獲得低開啟電壓，還需要一個5V關柵電壓以防止關斷時的誤動作。這兩種電壓均可由20V供電的驅動器內部電路產生。