基于智能功率模塊的直流PWM調(diào)速系統(tǒng)

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1、基于智能功率模塊的直流PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1．前言???隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，直流脈沖寬度調(diào)制(PWM)型調(diào)速系統(tǒng)近年來已發(fā)展成熟,它已成為現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的佼佼者。與傳統(tǒng)的晶閘管-電動機(jī)(V-M)直流調(diào)速系統(tǒng)相比，它具有調(diào)速范圍寬，穩(wěn)速精度高，響應(yīng)速度快，低速性能好等優(yōu)點。特別是大功率的普通晶閘管、門極關(guān)斷晶閘管、絕緣柵雙極晶體管的相繼問世，促使其生產(chǎn)水平已達(dá)到4500V，2500A，組成的PWM變換器要以用來驅(qū)動上千千瓦的電動機(jī)，廣泛用于交通、工礦企業(yè)等電動傳動系統(tǒng)中，因此對PWM調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步研究，在調(diào)

2、速精度要求較高的場合，對解決傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速精度低、穩(wěn)定性差的難題，具有廣泛的意義和價值。2．系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖???本文設(shè)計的是一個直流PWM調(diào)速系統(tǒng)，閉環(huán)系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，提高調(diào)速范圍，因此系統(tǒng)采用可逆轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，主電路設(shè)計為H型雙極式結(jié)構(gòu)形式，在此系統(tǒng)選一調(diào)速電機(jī)，即220V，6.5A的直流他勵電動機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。設(shè)計時保持技術(shù)先進(jìn)，便于操作，結(jié)構(gòu)輕便的原則。???本系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，它由直流電動機(jī)M，雙極式H橋PWM變換

3、器，脈寬調(diào)制器(UPW)，電流檢測與保護(hù)電路(FA)以及速度調(diào)節(jié)器(ASR),電流調(diào)節(jié)器(ACR),測速發(fā)電機(jī)(TG)等組成。圖1?直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理框圖???圖中:?UPW—脈寬調(diào)制器；GM—調(diào)制波發(fā)生器；DLD—邏輯延時環(huán)節(jié)；???GD—基極驅(qū)動器；PWM—脈寬調(diào)制變換器；FA—瞬時動作的限流保護(hù)；???TA—電流傳感器；TG—測速發(fā)電機(jī)；ASR—速度調(diào)節(jié)器；ACR—電流調(diào)節(jié)器；、—轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓；、—電流給定電壓和電流反饋電壓。3．利用智能功率模塊構(gòu)成主電路???智能功率模塊（Intelligen

4、tPowerModule，簡稱IPM）是以IGBT為功率器件的新型模塊。這種功率模塊是將輸出功率組件IGBT和驅(qū)動電路、多種保護(hù)電路集成在同一模塊內(nèi)，并可將監(jiān)測到的過壓、過熱、欠壓等故障信號送給控制電路，即使發(fā)生過載或是使用不當(dāng)，也可保證IPM自身不受損壞。與普通IGBT相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上有進(jìn)一步的提高，而且由于IPM通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，使散熱器的尺寸減小，故使整個系統(tǒng)尺寸減小。?????IPM為新型器件，且以其完善的功能和高可靠性為我們創(chuàng)造了很好的應(yīng)用條件，可以大大地簡化交、直流大功率電流變換裝置的

5、硬件系統(tǒng)的組成，提高其性價比。本系統(tǒng)中采用智能功率模塊來構(gòu)成主電路是最佳的選擇。IPM內(nèi)部（單管）電路單元圖如圖2所示。圖2?IPM內(nèi)部電路功能原理圖???系統(tǒng)調(diào)速的電動機(jī)額定電壓為220V，額定電流為6.5A，可見它的額定功率小于1430W，為小功率電機(jī)。需選擇低頻三相220V的智能功率模塊。東芝公司為了實現(xiàn)家用空調(diào)器中變頻系統(tǒng)雖然調(diào)制頻率不高但成本要低的目的，開發(fā)了低頻運行的IPM系列，即MIG系列，它們均為6單元逆變模塊。其中，MIG20J106L是一種用于低頻運行的IPM模塊，適用于小功率范圍（1.5kW以下

6、）應(yīng)用，非常適用于本次設(shè)計。???MIG20J106L的內(nèi)部等效電路圖如圖3所示。圖3?MIG20J106L內(nèi)部等效電路???其中，管腳3、6、9、ll是控制電源，外接輸入典型值為+15V±10％；管腳1、4、7、10是控制芯片的地信號，與控制部分的信號地相接；管腳2、5、8、12、13、14是控制信號，6路PWM信號經(jīng)光耦隔離后，分別供給這些控制端子，在進(jìn)一步控制6只功率器件的開通和關(guān)斷。15腳F0是故障輸出信號，當(dāng)IPM發(fā)生故障時，該端口輸出一低電平信號。端口P和N是變頻器主電路的直流側(cè)正負(fù)電壓輸入端，220V交

7、流電經(jīng)整流濾波后，加在該端上。管腳17、18、19是與負(fù)載相連的三相輸出端。???用MIG20J106L型IPM構(gòu)成的主電路圖如圖4所示。圖中，PC為光耦隔離器件，選擇TLP521。TLP521為雙路光電耦合器，是一種完全對稱特性的光電模擬信號隔離器。該光電耦合器在電路中將選中的模擬信號的輸入級、輸出級完全隔離開來。阻止了相互之間電的聯(lián)系，從而消除了輸入級、輸出級之間的干擾。由于MIG20J106L為低頻器件，控制信號經(jīng)普通光耦TLP52l隔離后送給IPM的信號控制。IPM上橋臂三個單元的控制電源分別單獨供電，下橋臂

8、三個單元的控制電源集中供電。故障信號F0輸出經(jīng)TLP521隔離后再給控制電路。在IPM的直流輸入端并接一電容，以濾除噪聲干擾。IPM的直流輸入端電壓可直接從交流220V整流濾波后引入。圖4?系統(tǒng)主電路圖4．控制電路設(shè)計???直流電動機(jī)的PWM控制可用不同的控制手段來實現(xiàn)，如使用專用集成PWM控制器，或者使用微機(jī)進(jìn)行控制，也可以使用集成PWM控制