专利名称：直流斩波调压的他励直流电动机励磁电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直流斩波调压的他励直流电动机励磁电路，尤其涉及一种适用于各种他励直流电动机传动的直流励磁电路，配套矩阵整流器一起使用可以满足较大功率的直流传动与直流发电的应用场合。
背景技术：
长期以来，他励直流电动机传动中供电和励磁电源一般采用可控硅整流器方案，造成电网电流波形畸变严重，功率因数降低，电源利用率下降。由于可控硅属于半控器件，整流器只能采用相控方案。随着功率开关制造技术的日益提高，许多大功率全控器件不断出现，如IGBT(绝缘门双极晶体管)和MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)等，全控器件的应用范围越来越广，在许多领域已经有取代半控器件的趋势。另外随着电力部门不断地强化电力环保，消除电力电子变换器向电网的谐波电流污染已经势在必行，为此以前采用的可控硅整流器方案已经不再受到欢迎，采用新型全控器件的可控整流器方案日益受到青睐。其中采用一种高性能的四象限矩阵整流器的直流电源方案比较引人注目(Vladimir Blasko.DC motor matrix converter with field and armature circuits.United States Patent，Patent Number6636693B2，Date of PatentOct.21，2003.)，利用两组矩阵整流器系统分别为他励直流电动机供电和励磁，不仅可以实现整流器功能，而且具有再生发电能力，不仅可以连续调节输出直流电压水平和改变输出电压极性，而且本质上输入电流波形为正弦波形，能够消除对电网的谐波电流污染。但是这种配置的必然结果是虽然电网功率因数非常高，但是系统结构复杂，安全换流策略和控制算法比较复杂，成本比较高，没有考虑到供电电路传输功率非常大和励磁电路消耗功率非常低的实际情况，因此这种方案需要进一步简化。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种直流斩波调压的他励直流电动机励磁电路，具有结构简单、控制容易、成本低廉和支持较大功率等优点。
为实现上述目的，本发明在现有三相不控整流桥的基础上增加一个斩波调压电路，整流桥由六只整流二极管按照三相H桥结构相连组成，斩波调压电路由吸收电容、吸收电阻、功率开关、续流二极管、滤波电容及滤波电感构成。三相不控整流桥中，每两只整流二极管串联，其公共端连接一相输入，三组二极管串联后的阴极连接在一起形成正极，其阳极连接在一起形成负极。斩波调压电路中，吸收电容与吸收电阻并联后的一端与三相不控整流桥的输出正极相连，另一端与三相不控整流桥的输出负极相连，功率开关的漏极与整流桥的输出正极相连，功率开关的源极与续流二极管的阴极及滤波电感的一端相连，滤波电感的另一端与滤波电容的一端相连，滤波电容的另一端及续流二极管的阳极均与整流桥的输出负极相连，滤波电容与励磁线圈电路即他励电动机励磁线圈并联。
三相交流电压施加到三相不可控整流桥三个输入端时，其输出端正极与负极之间产生一个六脉波的直流电压，经过吸收电容和吸收电阻缓冲之后送入功率开关进行高频PWM(脉冲宽度调制)斩波调压，产生的电压脉冲再次经过滤波电感与滤波电容构成的滤波电路滤波后为励磁绕组供电，滤波电感电流的续流回路由续流二极管构成。这样滤波之后供给励磁绕组的电压就是电压精度、电压调整率与负载调整率非常高的直流电压源，同时三相输入电流呈现高频PWM波形，便于网侧输入滤波器的滤波。
本发明在三相不控整流桥后级增加斩波调压电路，在输出电压闭环调节和整流后电压检测的基础上，能够稳定连续调节最终输出的直流电压水平，同时使得三相输入电流为对称的高频PWM波形，有利于输入滤波器的滤波，降低谐波电流水平，具有反应快速可靠、通用性强等特征，同时具有结构简单、附加成本低、实现容易等优点。尤其适用于采用矩阵整流器供电的他励直流电动机传动系统中作为励磁电源使用。
图1为本发明的电路原理图。
图2为本发明与矩阵整流器一起应用于他励直流电动机传动系统中的实施例电路原理图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例是对本发明的进一步说明，而不构成对本发明的限定。
本发明设计的直流斩波调压的他励直流电动机励磁电路如图1所示，在现有的三相不控整流桥1的基础上增加了一个斩波调压电路2，三相不控整流桥1由六只整流二极管D1～D6组成，斩波调压电路2由吸收电容C1、吸收电阻R1、功率开关S1、续流二极管D7、滤波电容C2及滤波电感L1构成。吸收电容C1与三相不控整流桥1的输出相连，滤波电容C2与励磁线圈电路3即他励电动机励磁线圈相连。
三相不控整流桥1中，整流二极管D1与整流二极管D2串联，构成一个桥臂。整流二极管D3与整流二极管D4串联，构成一个桥臂。整流二极管D5与整流二极管D6串联，构成一个桥臂。D1、D3与D5的共阴极，形成整流桥的正极输出，D2、D4与D6的共阳极，形成整流桥的负极输出。D1阳极与D2阴极形成的公共点与输入Ua相电压相连，D3阳极与D4阴极形成的公共点与输入Ub相电压相连，D5阳极与D6阴极形成的公共点与输入Uc相电压相连。
斩波调压电路2中，吸收电容C1与吸收电阻R1并联，其并联后的一端与三相不控整流桥1的输出正极相连，另一端与三相不控整流桥1的输出负极相连。功率开关S1的漏极与整流桥的输出正极相连，功率开关S1的源极与续流二极管D7的阴极及滤波电感L1的一端相连，滤波电感L1的另一端与滤波电容C2的一端相连，滤波电容C2的另一端及续流二极管D7的阳极均与整流桥的输出负极相连。
励磁线圈电路3中，电阻R2与电感L2串联，然后与斩波调压电路2中的滤波电容C2并联，即R2的另一端与C2一端相连，L2的另一端与C2另一端相连。
本发明的工作原理为(1)三相不控整流桥1中，D1～D6构成自然整流器，将三相输入交流电压整形成六脉动直流电压，为后级斩波调压电路2供电；(2)斩波调压电路2中，C1与R1构成吸收电路，能够缓冲输入直流电压的瞬变，保护后级的S1和D7。在PWM驱动信号作用下，S1进行高频开通和关断动作，开通时将输入的直流电压传递到后级，关断时禁止输入直流电压的传递。这样在后级L1与C2构成的低通滤波电路的输入端形成高频PWM电压，经过滤波后得到比较平直的直流电压输出，供励磁线圈电路3使用。D7的作用是为L1提供电流续流的路径，防止生成高幅值感应电压而危害功率开关和励磁绕组绝缘等的安全。
(3)功率开关S1的PWM信号产生方式是增加输入直流电压检测和输出直流电压的反馈环节，使得产生的PWM信号能够抵抗输入直流电压的脉动和励磁线圈产生的扰动，获得高性能的直流输出电压。同时在三相输入Ua、Ub与Uc线路上形成120电角度的高频PWM电流波形，非常有利于输入滤波器的滤波。
本发明中的斩波调压电路是一个附加电路，只需要一只吸收电容、一只吸收电阻、一只功率开关、一只续流二极管和一只滤波电感、两只滤波电容，就能借助功率开关S1的开通与关断将三相不控整流桥1整流后的电压斩波成PWM电压，其经过L1与C2滤波后的平均值就是期望的输出直流电压，作为励磁线圈的供电电压。同时三相输入电流波形为高频PWM电流，有利于输入电流滤波。
本发明由于在三相不控整流桥的输出端增加了一个包含低通LC滤波电路的斩波调压电路，通过增加调节功率开关PWM脉冲的脉宽，使之适应整流后电压的波动和励磁负载的变动，输出一个高精度的直流电压。由于高频斩波作用，滤波电感与滤波电容的容量可以很小，降低了成本。
在本发明的具体实施例中，上述器件中整流二极管D1～D6、吸收电容C1、吸收电阻R1、滤波电感L1、滤波电容C2的精度不作要求。D1～D6的耐压为1200V，载流量按照实际励磁功率计算。C1的分布电感含量低，容值为0.1μF～4.7μF。R1的分布电感含量低，阻值为47kΩ～470kΩ，功率为20W。D7为反向快速恢复功率二极管，反向恢复时间越小越好，一般为小于40nS。功率开关S1选择IGBT，开关频率不低于60kHz，耐压1200V，额定电流按照实际励磁功率计算。滤波电感L1取值为1mH～25mH，载流量按照实际励磁功率计算。滤波电容C1取值为4.7μF～470μF，耐压1000V。
图2为本发明直流斩波调压的他励直流电动机励磁电路应用在他励直流电动机传动系统中的实施例。
按图2所示，他励直流电动机传动系统需要直流电压供电和直流电压励磁。其中直流电压源由矩阵整流器提供，矩阵整流器由三相交流电压源供电，利用开关函数算法或输入电流空间矢量算法可以连续调节输出电压，同时能够确保输入电流为正弦波形分布。
本发明直流斩波调压的他励直流电动机励磁电路能够连续调节直流励磁电压，同时该励磁电路的输入电流为高频PWM波形，再考虑到励磁功率非常小，PWM电流的幅值较低。这样矩阵整流器与本发明的输入电流经过输入LC滤波器后，在网侧就得到了正弦度非常高的电流波形，满足有关谐波电流的限值标准。在他励直流电动机传动系统中，三相交流输入为Ua、Ub和Uc，滤波后三相交流为Ua’、Ub’和Uc’。
权利要求
1.一种直流斩波调压的他励直流电动机励磁电路，包括由六只整流二极管(D1～D6)按照三相H桥结构相连组成的三相不控整流桥(1)，其特征在于还包括一个由吸收电容(C1)、吸收电阻(R1)、功率开关(S1)、续流二极管(D7)、滤波电容(C2)及滤波电感(L1)构成的斩波调压电路(2)，吸收电容(C1)与吸收电阻(R1)并联后的一端与三相不控整流桥(1)的输出正极相连，另一端与三相不控整流桥(1)的输出负极相连，功率开关(S1)的漏极与整流桥的输出正极相连，功率开关(S1)的源极与续流二极管(D7)的阴极及滤波电感(L1)的一端相连，滤波电感(L1)的另一端与滤波电容(C2)的一端相连，滤波电容(C2)的另一端及续流二极管(D7)的阳极均与整流桥的输出负极相连，滤波电容(C2)与励磁线圈电路(3)即他励电动机励磁线圈并联。
2.根据权利要求1的直流斩波调压的他励直流电动机励磁电路，其特征在于所述整流二极管(D1～D6)的耐压为1200V，所述吸收电容(C1)的容值为0.1μF～4.7μF，所述吸收电阻(R1)的阻值为47kΩ～470kΩ，功率为20W，所述续流二极管(D7)为反向快速恢复功率二极管，反向恢复时间小于40nS，所述功率开关(S1)选择IGBT，开关频率不低于60kHz，耐压1200V，所述滤波电感(L1)取值为1mH～25mH，所述滤波电容(C1)取值为4.7μF～470μF，耐压1000V。
3.权利要求1的直流斩波调压的他励直流电动机励磁电路，其特征在于所述滤波电容(C2)、滤波电感(L1)构成LC低通滤波器，滤波电容(C2)为交流电容。
全文摘要
本发明涉及一种直流斩波调压的他励直流电动机励磁电路，在原有三相不控整流桥的基础上增加了由吸收电容、吸收电阻、功率开关、续流二极管、滤波电容及滤波电感构成的斩波调压电路，吸收电容与吸收电阻并联后连接于整流桥的输出正、负极，功率开关的漏极与整流桥的输出正极相连，源极与续流二极管的阴极及滤波电感的一端相连，滤波电感的另一端与滤波电容的一端相连，滤波电容的另一端及续流二极管的阳极均与整流桥的输出负极相连。本发明通过斩波调压电路在输出端产生高精度的可调直流电压，供励磁线圈励磁使用，同时使得三相输入电流为对称的高频PWM波形，有利于滤波，降低谐波电流水平，具有结构简单、反应快速可靠、通用性强等特征。
文档编号H02M7/12GK1808883SQ20051011220
公开日2006年7月26日 申请日期2005年12月29日 优先权日2005年12月29日
发明者杨喜军 申请人:上海交通大学