專利名稱：直流斬波調壓的他勵直流電動機勵磁電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種直流斬波調壓的他勵直流電動機勵磁電路，尤其涉及一種適用于各種他勵直流電動機傳動的直流勵磁電路，配套矩陣整流器一起使用可以滿足較大功率的直流傳動與直流發電的應用場合。
背景技術：
長期以來，他勵直流電動機傳動中供電和勵磁電源一般采用可控硅整流器方案，造成電網電流波形畸變嚴重，功率因數降低，電源利用率下降。由于可控硅屬于半控器件，整流器只能采用相控方案。隨著功率開關制造技術的日益提高，許多大功率全控器件不斷出現，如IGBT(絕緣門雙極晶體管)和MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)等，全控器件的應用范圍越來越廣，在許多領域已經有取代半控器件的趨勢。另外隨著電力部門不斷地強化電力環保，消除電力電子變換器向電網的諧波電流污染已經勢在必行，為此以前采用的可控硅整流器方案已經不再受到歡迎，采用新型全控器件的可控整流器方案日益受到青睞。其中采用一種高性能的四象限矩陣整流器的直流電源方案比較引人注目(Vladimir Blasko.DC motor matrix converter with field and armature circuits.United States Patent，Patent Number6636693B2，Date of PatentOct.21，2003.)，利用兩組矩陣整流器系統分別為他勵直流電動機供電和勵磁，不僅可以實現整流器功能，而且具有再生發電能力，不僅可以連續調節輸出直流電壓水平和改變輸出電壓極性，而且本質上輸入電流波形為正弦波形，能夠消除對電網的諧波電流污染。但是這種配置的必然結果是雖然電網功率因數非常高，但是系統結構復雜，安全換流策略和控制算法比較復雜，成本比較高，沒有考慮到供電電路傳輸功率非常大和勵磁電路消耗功率非常低的實際情況，因此這種方案需要進一步簡化。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，設計提供一種直流斬波調壓的他勵直流電動機勵磁電路，具有結構簡單、控制容易、成本低廉和支持較大功率等優點。
為實現上述目的，本發明在現有三相不控整流橋的基礎上增加一個斬波調壓電路，整流橋由六只整流二極管按照三相H橋結構相連組成，斬波調壓電路由吸收電容、吸收電阻、功率開關、續流二極管、濾波電容及濾波電感構成。三相不控整流橋中，每兩只整流二極管串聯，其公共端連接一相輸入，三組二極管串聯后的陰極連接在一起形成正極，其陽極連接在一起形成負極。斬波調壓電路中，吸收電容與吸收電阻并聯后的一端與三相不控整流橋的輸出正極相連，另一端與三相不控整流橋的輸出負極相連，功率開關的漏極與整流橋的輸出正極相連，功率開關的源極與續流二極管的陰極及濾波電感的一端相連，濾波電感的另一端與濾波電容的一端相連，濾波電容的另一端及續流二極管的陽極均與整流橋的輸出負極相連，濾波電容與勵磁線圈電路即他勵電動機勵磁線圈并聯。
三相交流電壓施加到三相不可控整流橋三個輸入端時，其輸出端正極與負極之間產生一個六脈波的直流電壓，經過吸收電容和吸收電阻緩沖之后送入功率開關進行高頻PWM(脈沖寬度調制)斬波調壓，產生的電壓脈沖再次經過濾波電感與濾波電容構成的濾波電路濾波后為勵磁繞組供電，濾波電感電流的續流回路由續流二極管構成。這樣濾波之后供給勵磁繞組的電壓就是電壓精度、電壓調整率與負載調整率非常高的直流電壓源，同時三相輸入電流呈現高頻PWM波形，便于網側輸入濾波器的濾波。
本發明在三相不控整流橋后級增加斬波調壓電路，在輸出電壓閉環調節和整流后電壓檢測的基礎上，能夠穩定連續調節最終輸出的直流電壓水平，同時使得三相輸入電流為對稱的高頻PWM波形，有利于輸入濾波器的濾波，降低諧波電流水平，具有反應快速可靠、通用性強等特征，同時具有結構簡單、附加成本低、實現容易等優點。尤其適用于采用矩陣整流器供電的他勵直流電動機傳動系統中作為勵磁電源使用。
圖1為本發明的電路原理圖。
圖2為本發明與矩陣整流器一起應用于他勵直流電動機傳動系統中的實施例電路原理圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步描述。以下實施例是對本發明的進一步說明，而不構成對本發明的限定。
本發明設計的直流斬波調壓的他勵直流電動機勵磁電路如圖1所示，在現有的三相不控整流橋1的基礎上增加了一個斬波調壓電路2，三相不控整流橋1由六只整流二極管D1～D6組成，斬波調壓電路2由吸收電容C1、吸收電阻R1、功率開關S1、續流二極管D7、濾波電容C2及濾波電感L1構成。吸收電容C1與三相不控整流橋1的輸出相連，濾波電容C2與勵磁線圈電路3即他勵電動機勵磁線圈相連。
三相不控整流橋1中，整流二極管D1與整流二極管D2串聯，構成一個橋臂。整流二極管D3與整流二極管D4串聯，構成一個橋臂。整流二極管D5與整流二極管D6串聯，構成一個橋臂。D1、D3與D5的共陰極，形成整流橋的正極輸出，D2、D4與D6的共陽極，形成整流橋的負極輸出。D1陽極與D2陰極形成的公共點與輸入Ua相電壓相連，D3陽極與D4陰極形成的公共點與輸入Ub相電壓相連，D5陽極與D6陰極形成的公共點與輸入Uc相電壓相連。
斬波調壓電路2中，吸收電容C1與吸收電阻R1并聯，其并聯后的一端與三相不控整流橋1的輸出正極相連，另一端與三相不控整流橋1的輸出負極相連。功率開關S1的漏極與整流橋的輸出正極相連，功率開關S1的源極與續流二極管D7的陰極及濾波電感L1的一端相連，濾波電感L1的另一端與濾波電容C2的一端相連，濾波電容C2的另一端及續流二極管D7的陽極均與整流橋的輸出負極相連。
勵磁線圈電路3中，電阻R2與電感L2串聯，然后與斬波調壓電路2中的濾波電容C2并聯，即R2的另一端與C2一端相連，L2的另一端與C2另一端相連。
本發明的工作原理為(1)三相不控整流橋1中，D1～D6構成自然整流器，將三相輸入交流電壓整形成六脈動直流電壓，為后級斬波調壓電路2供電；(2)斬波調壓電路2中，C1與R1構成吸收電路，能夠緩沖輸入直流電壓的瞬變，保護后級的S1和D7。在PWM驅動信號作用下，S1進行高頻開通和關斷動作，開通時將輸入的直流電壓傳遞到后級，關斷時禁止輸入直流電壓的傳遞。這樣在后級L1與C2構成的低通濾波電路的輸入端形成高頻PWM電壓，經過濾波后得到比較平直的直流電壓輸出，供勵磁線圈電路3使用。D7的作用是為L1提供電流續流的路徑，防止生成高幅值感應電壓而危害功率開關和勵磁繞組絕緣等的安全。
(3)功率開關S1的PWM信號產生方式是增加輸入直流電壓檢測和輸出直流電壓的反饋環節，使得產生的PWM信號能夠抵抗輸入直流電壓的脈動和勵磁線圈產生的擾動，獲得高性能的直流輸出電壓。同時在三相輸入Ua、Ub與Uc線路上形成120電角度的高頻PWM電流波形，非常有利于輸入濾波器的濾波。
本發明中的斬波調壓電路是一個附加電路，只需要一只吸收電容、一只吸收電阻、一只功率開關、一只續流二極管和一只濾波電感、兩只濾波電容，就能借助功率開關S1的開通與關斷將三相不控整流橋1整流后的電壓斬波成PWM電壓，其經過L1與C2濾波后的平均值就是期望的輸出直流電壓，作為勵磁線圈的供電電壓。同時三相輸入電流波形為高頻PWM電流，有利于輸入電流濾波。
本發明由于在三相不控整流橋的輸出端增加了一個包含低通LC濾波電路的斬波調壓電路，通過增加調節功率開關PWM脈沖的脈寬，使之適應整流后電壓的波動和勵磁負載的變動，輸出一個高精度的直流電壓。由于高頻斬波作用，濾波電感與濾波電容的容量可以很小，降低了成本。
在本發明的具體實施例中，上述器件中整流二極管D1～D6、吸收電容C1、吸收電阻R1、濾波電感L1、濾波電容C2的精度不作要求。D1～D6的耐壓為1200V，載流量按照實際勵磁功率計算。C1的分布電感含量低，容值為0.1μF～4.7μF。R1的分布電感含量低，阻值為47kΩ～470kΩ，功率為20W。D7為反向快速恢復功率二極管，反向恢復時間越小越好，一般為小于40nS。功率開關S1選擇IGBT，開關頻率不低于60kHz，耐壓1200V，額定電流按照實際勵磁功率計算。濾波電感L1取值為1mH～25mH，載流量按照實際勵磁功率計算。濾波電容C1取值為4.7μF～470μF，耐壓1000V。
圖2為本發明直流斬波調壓的他勵直流電動機勵磁電路應用在他勵直流電動機傳動系統中的實施例。
按圖2所示，他勵直流電動機傳動系統需要直流電壓供電和直流電壓勵磁。其中直流電壓源由矩陣整流器提供，矩陣整流器由三相交流電壓源供電，利用開關函數算法或輸入電流空間矢量算法可以連續調節輸出電壓，同時能夠確保輸入電流為正弦波形分布。
本發明直流斬波調壓的他勵直流電動機勵磁電路能夠連續調節直流勵磁電壓，同時該勵磁電路的輸入電流為高頻PWM波形，再考慮到勵磁功率非常小，PWM電流的幅值較低。這樣矩陣整流器與本發明的輸入電流經過輸入LC濾波器后，在網側就得到了正弦度非常高的電流波形，滿足有關諧波電流的限值標準。在他勵直流電動機傳動系統中，三相交流輸入為Ua、Ub和Uc，濾波后三相交流為Ua’、Ub’和Uc’。
權利要求
1.一種直流斬波調壓的他勵直流電動機勵磁電路，包括由六只整流二極管(D1～D6)按照三相H橋結構相連組成的三相不控整流橋(1)，其特征在于還包括一個由吸收電容(C1)、吸收電阻(R1)、功率開關(S1)、續流二極管(D7)、濾波電容(C2)及濾波電感(L1)構成的斬波調壓電路(2)，吸收電容(C1)與吸收電阻(R1)并聯后的一端與三相不控整流橋(1)的輸出正極相連，另一端與三相不控整流橋(1)的輸出負極相連，功率開關(S1)的漏極與整流橋的輸出正極相連，功率開關(S1)的源極與續流二極管(D7)的陰極及濾波電感(L1)的一端相連，濾波電感(L1)的另一端與濾波電容(C2)的一端相連，濾波電容(C2)的另一端及續流二極管(D7)的陽極均與整流橋的輸出負極相連，濾波電容(C2)與勵磁線圈電路(3)即他勵電動機勵磁線圈并聯。
2.根據權利要求1的直流斬波調壓的他勵直流電動機勵磁電路，其特征在于所述整流二極管(D1～D6)的耐壓為1200V，所述吸收電容(C1)的容值為0.1μF～4.7μF，所述吸收電阻(R1)的阻值為47kΩ～470kΩ，功率為20W，所述續流二極管(D7)為反向快速恢復功率二極管，反向恢復時間小于40nS，所述功率開關(S1)選擇IGBT，開關頻率不低于60kHz，耐壓1200V，所述濾波電感(L1)取值為1mH～25mH，所述濾波電容(C1)取值為4.7μF～470μF，耐壓1000V。
3.權利要求1的直流斬波調壓的他勵直流電動機勵磁電路，其特征在于所述濾波電容(C2)、濾波電感(L1)構成LC低通濾波器，濾波電容(C2)為交流電容。
全文摘要
本發明涉及一種直流斬波調壓的他勵直流電動機勵磁電路，在原有三相不控整流橋的基礎上增加了由吸收電容、吸收電阻、功率開關、續流二極管、濾波電容及濾波電感構成的斬波調壓電路，吸收電容與吸收電阻并聯后連接于整流橋的輸出正、負極，功率開關的漏極與整流橋的輸出正極相連，源極與續流二極管的陰極及濾波電感的一端相連，濾波電感的另一端與濾波電容的一端相連，濾波電容的另一端及續流二極管的陽極均與整流橋的輸出負極相連。本發明通過斬波調壓電路在輸出端產生高精度的可調直流電壓，供勵磁線圈勵磁使用，同時使得三相輸入電流為對稱的高頻PWM波形，有利于濾波，降低諧波電流水平，具有結構簡單、反應快速可靠、通用性強等特征。
文檔編號H02M7/12GK1808883SQ20051011220
公開日2006年7月26日 申請日期2005年12月29日 優先權日2005年12月29日
發明者楊喜軍 申請人:上海交通大學