1 综述。
电力电子技术在现代化社会的建设中的应用起着重要作用并得到飞跃性的发展。从我国国情出发，大力发展直流电技术，结合电力电子技术，这对改善我国科技现状水平，提高经济效益将起着重要作用。
因此研究直流斩波有着深远的意义，它不仅能够大大改善各种机车的调速系统，为其提高安全、快速、低损耗的调速装置，还可以为世界能源危机带来曙光，解决能源带来的各种问题。
鉴于上述情况，本次课程设计设计了直流电动机的降压斩波调速系统，加深我们对斩波调速系统的理解。斩波电路通过控制电路导通比来控制输出端电压大小，此电压即为电动机的电枢电压，电枢电压的改变可方便调节电动机的转速。
2 系统结构与工作原理。
2.1 系统结构。
系统由三相交流电源、变压器、整流电路、降压斩波电路和直流电动机等组成。
直流电动机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。
其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。
换向器是一种机械整流部件，其质量对运行可靠性有很大影响。
2.2 系统工作原理。
直流电动机斩波调速控制系统的原理框图如图2-1所示：
图2-1 系统原理框图。
系统首先是利用变压器将380v的交流电变为较小的交流电，然后通过不可控整流电路将其变为直流电，因此需要整流电路，设计中选用的是三相桥式不可控整流电路。
直流电动机斩波调速原理是通过控制全控型器件igbt的导通和关断来调节整流电路输出的电压的大小，并将得到的电压给电动机，来达到对直流电动机调速的目的。
3 主电路的设计。
3.1 整流电路。
设计中选用的是三相桥式不可控整流电路，其原理图如下面的图3-1所示：
图3-1 三相桥式不可控整流电路原理图。
上图3-1所示的电路左端接经过变压器得到的三相交流电，经过此三相桥式不可控整流电路整流后，可得到直流电，供给降压斩波电路。其中c为大电容，用来抑制整流电路输出电压脉动大小，起滤波和平波的作用。
3.2 降压斩波电路。
降压斩波电路的原理图如下面的图3-2所示：
图3-2降压斩波电路的原理图。
其中图中em为直流电动机的反电动势。
该电路使用一个全控型器件igbt，为在v关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管d。当在v导通时将前面得到的直流电通过v给电动机供电，并同时给电感l充电，此时d两端电压u0近似等于电源电压；当v关断后，由于电感l的存在，通过续流二极管d及电动机m续流，当忽略二极管两端的电压降时，此时u0=0。
下面分析u0的平均值的大小。假设当t=0时，igbt（即图中的v）的发射机e和栅极g上达到启动电压而导通，向负载供电，u0=e，i0按指数规律上升，导通时间记为ton；当t=t1时，igbt关断，i0经d续流，u0近似为零，i0呈指数规律下降，关断时间记为toff。其中，电感l的作用是使i0连续且脉动小。
当电流出现断续时，直流电动机的机械特性将很软，对电动机不利，所以应使电流连续，电流连续的条件是。
此时，负载电压平均值。
其中，， 为导通占空比，简称占空比或导通比。u0最大为e，即是整流电路的输出电压。通过控制电路控制占空比的大小，来方便地调节平均电压。
由直流电动机的机械特性可知，在不同的平均电压下，电动机转速不同，由此可方便调节直流电动机的转速。如果减小占空比，则电动机的输入电压减小，电动机转速降低，反之则增大。
本设计中采用pwm脉宽调制，在一个开断周期内，开关管的开通、关断时间很短，这样电动机波动较小，运行稳定。
4 控制电路的设计。
图4-1 控制电路。
控制电路，是整个电路的关键部分。没有这部分，就没办法实现斩波电路的控制，也就没办法实现直流电动机的调速。通过可调节的控制电路，产生相应的信号，通过igbt的驱动电路来控制igbt的通断，实现直流斩波，这样才能达到直流电动机调速的目的。
该系统是通过脉冲宽度调制来实现斩波控制的。控制电路是由脉冲宽度控制器tl494、可调电阻和其他电路元件组成，如图4-1所示。
图4-2 tl494结构图。
tl494 是一种频率固定的脉冲调制控制电路，集成了开关电源控制所需要的主要模块，如图4-2所示。内部线性的锯齿波振荡器频率由2 个外部元器件决定，即rt 和ct。近似的振荡频率可以由下面公式决定：
图4-3 tl494时序图。
输出脉冲宽度调制是通过在ct 上的正锯齿波和2 个控制信号中的任意一个比较而实现的，驱动晶体管q1 和q2 的或非门，当双稳态触发器的时钟输入是低电平的时候才使能，即锯齿波电压大于控制信号时。因此，增大控制信号的幅度会相应的减少输出脉冲的宽度，如图4-3所示。
控制电路中，通过调节电路的r5即rt，改变tl494的振荡频率，而使q1输出地脉冲宽度发生变化。以引脚9输出地q1脉冲驱动驱动电路，实现斩波电路的可调节控制。
5 驱动电路的设计。
igbt是一个三端器件，具有栅极g、集电极c和发射极e。由图5-1可看出，igbt是用双极型晶体管与mosfet组成的达林顿结构，相当于一个由mosfet驱动的厚基层pnp晶体管。
igbt是一种场控器件，其开通和关断是由栅极和发射极间的电压决定。该电压为正且大于开启电压时，mosfet内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使igbt导通。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，mosfet内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得igbt关断。
图5-1 igbt简化等效电路和电气符号。
本系统驱动电路为igbt光电隔离门极驱动电路，如图5-2所示。为使igbt工作稳定，驱动电路按要求使用+15v和—15v正、反偏压的双电源供电。为使驱动电路与控制电路隔离，采用抗噪能力强、响应快的光耦合器件。
输入信号通过u3光耦合器件引入驱动电路，然后通过推拉式的电路，向igbt集电极提供电流。由于igbt的转移特性，当其集电极电流增加到一定值时，其栅射电压就会突然上升，这样，igbt就导通了。集电极电流下降到一定值或被撤除时，栅射电压不足，igbt又断开。
在控制电路发出信号时，驱动电路的光耦器件u3被驱动，驱动电路被接通，向igbt集电极提供电流，igbt就导通了。光耦器件恢复，驱动电流提供的基极电流被切断，igbt就关断。
图5-2 igbt驱动电路。
6 保护电路的设计。
在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计采用合适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt 保护也是必要的。
缓冲电路又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路，通常讲缓冲电路专指关断缓冲电路，而将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。本设计中对igbt的保护电路采用的是一种缓冲电路和di/dt抑制电路相结合，电路图如下图6-1所示：
图6-1 保护电路。
7 结论。通过这次课程设计，验证了这种方法能够实现对直流电动机的调速。
这种方法是先将三相交流电经变压器得到较小的交流电，再将得到的交流电经过三相桥式不可控整流电路变为直流电，将此直流电经过降压斩波电路来调节电压的大小，来实现对直流电动机的调速控制。
直流斩波调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开全控器件igbt，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比(占空比)来改变直流电动机电枢上的电压的，来控制电动机的转速。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用直流斩波技术构成的无级调速系统．启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。
8 本设计的体会。
经过这几天的的电力电子技术的课程设计，我受益匪浅。
一开始，看到课程设计的要求时我不知道应该从何下手，很多东西不知道应该如何实现。在图书馆、数据库和网上查资料，请教同学，再经过努力，设计的基于igbt的降压斩波的直流电动机调速系统终于完成了。虽然设计的调速系统相比于现实中的复杂系统较为简单，但是它使我深刻的理解了调速系统设计的意义所在，并为我以后的继续学习和设计无功补偿打下基础。
通过这次课程设计我加深了对电力电子技术这门课程的了解，特别是降压斩波这一部分。通过这次课程设计使我认识到了理论结合实际的重要性，但由于知识的限制，设计还有很多不足之处，希望老师指出并教导。在设计过程中，对电路图的研究，也增强了思考能力，在使用软件绘制电路图的过程中，学到了很多实用的技巧，在对课题研究和资料查阅时，也开阔了视野，了解了不少与电力电子、电机拖动相关的知识。
从开始看要求到查找资料，查找所用芯片资料，到设计电路图，我更加深入地了解了电力电子技术，学到了在课堂上学习不到的知识，如控制电路、igbt的驱动电路等等。
课程设计是培养学生综合运用所学知识和实践能力，是课堂理论知识与实际运用相结合的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程，这是一个共同学习，增长见识，开拓视野的机会。在这个过程中，我知道了当遇到未知问题时，可以用各种途径最终解决难题， 我会以这次课程设计作为对自己的激励，继续努力学习。
2] 杨荫福等。 电力电子装置及系统。 北京。清华大学出版社，2007.
3] 黄俊，秦祖荫。 电力电子自关断器件及电路[m].北京：机械工业出版社，1991.
4] 杨晶琦。 电力电子器件原理与设计。国防工业出版社，1999.
5] 王兆安，黄俊。 电力电子技术。第4版。北京：机械工业出版社，2000.
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