大功率直流電機(jī)測試電源設(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)和過載試驗(yàn)，還要進(jìn)行動(dòng)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(dòng)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?；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(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(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%，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(hào)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(dòng)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(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。