【文章內(nèi)容簡介】 s為采樣周期可知，PI調(diào)節(jié)的非遞推位置算式為 （）電流環(huán)的作用：（1）對內(nèi)環(huán)內(nèi)擾動(dòng)起及時(shí)抗擾作用。（2）啟動(dòng)時(shí)保證系統(tǒng)在也許的最大電流下恒流啟動(dòng)。（3）調(diào)節(jié)電流，使電流跟隨其給定電壓Ui變化。（4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)作用。（5）其輸出限幅值用來限制αmin和βmin，防止丟脈沖，逆變失敗。PWM調(diào)速系統(tǒng)采用PI算法的軟件調(diào)節(jié)電流，電壓環(huán)，由于采用飽和非線形控制，使兩個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)揮充分作用，系統(tǒng)具有很好的動(dòng)靜態(tài)特性，是一種非常實(shí)用的系統(tǒng)（2）轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)速反饋由直流測速發(fā)電機(jī)測速后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波電路濾去雜波，再進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，然后送入單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。為了減少退飽和超調(diào)，采用積分分離的比例積分調(diào)節(jié)算法。當(dāng)轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓之差=e小于某一設(shè)定值ε時(shí)，進(jìn)行上面所講的比例積分調(diào)節(jié)算法；而當(dāng)eε時(shí)，不再進(jìn)行積分運(yùn)算，即將積分分離出來。在eε的情況下，將積分分離后有兩種運(yùn)算方法，一種是進(jìn)行比例調(diào)節(jié)運(yùn)算， 它適合用于比例系數(shù)較大的場合；另一種是直接輸出限幅值，使電動(dòng)機(jī)在最大容許的電樞電流下加速或減速，它適合于比例系數(shù)較小的場合。轉(zhuǎn)速環(huán)的作用：（1）使轉(zhuǎn)速環(huán)n跟隨給定電壓Un變化，達(dá)到靜態(tài)無差。（2）對負(fù)載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅用于限制最大電流。第四章 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 主電路本設(shè)計(jì)整流電路由不可控的二極管三相橋式整流橋組成,采用功率晶體管GTR組成的直流PWM功率變換器。三相交流電源經(jīng)三相橋式不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源,再經(jīng)直流PWM功率變換器得到可調(diào)的直流電壓,給直流電動(dòng)機(jī)供電。主電路如圖33所示從圖中可以看出，380V電壓經(jīng)過六個(gè)二極管的全波整流，變?yōu)橹绷鳌２捎么蠊β孰娙軨濾波，以獲得恒定的直流電壓Us。由于電容容量過大，突加電源時(shí)相當(dāng)于短路，勢必產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管，為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串加限流電阻（或者電抗），合上電源以后，延時(shí)開關(guān)將短路，以免在運(yùn)行中造成附加損耗。對于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。鍵入假設(shè)電壓由Us提高到Usm，則電容儲(chǔ)能由 增加到 ，儲(chǔ)能的增量應(yīng)該等于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)釋放的全部動(dòng)能，于是 （）按制動(dòng)儲(chǔ)能要求選擇的電容量為 （）電力電子器件的耐壓極限限制著最高泵升電壓Usm，因此電容量不可能很小，一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達(dá)到數(shù)千微法。 單片機(jī)控制PWM直流調(diào)速系統(tǒng)主電路圖(1)IGBT模塊簡介IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型晶體管)的縮寫，IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點(diǎn)，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOS 截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極—發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有在uA級的漏電流流過，基本上不消耗功率。IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關(guān)。其相互關(guān)系見下表。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時(shí)，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時(shí)，開關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時(shí)額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開關(guān)時(shí)，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時(shí)應(yīng)該降等使用。由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到20～30V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點(diǎn)：在使用模塊時(shí)，盡量不要用手觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時(shí)，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸； 在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動(dòng)端子時(shí)，在配線未接好之前請先不要接上模塊； 盡量在底板良好接地的情況下操作。 在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動(dòng)信號，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。此外，在柵極—發(fā)射極間開路時(shí)，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時(shí)，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。在使用IGBT的場合，當(dāng)柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時(shí)(柵極處于開路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則IGBT就會(huì)損壞，為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。在安裝或更換IGBT模塊時(shí)，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時(shí)將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過高時(shí)將報(bào)警或停止IGBT模塊工作。一般保存IGBT模塊的場所，應(yīng)保持常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為5～35℃ ，常濕的規(guī)定在45～75％左右。在冬天特別干燥的地區(qū)，需用加濕機(jī)加濕。 盡量遠(yuǎn)離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合； 在溫度發(fā)生急劇變化的場所IGBT模塊表面可能有結(jié)露水的現(xiàn)象，因此IGBT模塊應(yīng)放在溫度變化較小的地方； 保管時(shí)，須注意不要在IGBT模塊上堆放重物； 裝IGBT模塊的容器，應(yīng)選用不帶靜電的容器。 IGBT模塊由于具有多種優(yōu)良的特性，使它得到了快速的發(fā)展和普及，已應(yīng)用到電力電子的各方各面。因此熟悉IGBT模塊性能，了解選擇及使用時(shí)的注意事項(xiàng)對實(shí)際中的應(yīng)用是十分必要的。IGBT 的工作特性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類： （2） 靜態(tài)特性IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。 IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似．也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與Ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。 IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds(on) 可用下式表示 Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh 式中Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓， ～1V ；Udr ——擴(kuò)展電阻Rdr 上的壓降；Roh ——溝道電阻。 通態(tài)電流Ids 可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos 式中Imos ——流過MOSFET 的電流。 由于N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態(tài)壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。 （3） 動(dòng)態(tài)特性IGBT 在開通過程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 來運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td(on) 為開通延遲時(shí)間， tri 為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時(shí)間ton 即為td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時(shí)間由tfe1 和tfe2 組成。 IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因?yàn)镮GBT柵極 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓更高。 IGBT在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍Ｒ驗(yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時(shí)間，td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間，trv為電壓Uds(f)的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間 t(off)=td(off)+trv十t(f) 式中，td(off)與trv之和又稱為存儲(chǔ)時(shí)間。 IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。 （4）光電隔離及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)由于輸出的PWM控制信號功率很小無法直接驅(qū)動(dòng)IGBT，要經(jīng)過脈沖功率放大后才能驅(qū)動(dòng)IGBT。脈沖功率放大電路選用模塊EX359，其電源電壓為12V，輸入信號4~5V，（對應(yīng)IGBT導(dǎo)通）和2V（對應(yīng)IGBT關(guān)斷），工作頻率為2~5kHz，可驅(qū)動(dòng)50A以下的逆變器，其內(nèi)部電路如圖35所示