大功率直流电机测试电源设计

直流电机相对交流电机有调速性能优良、调速方便、平滑、调速范围广等优点，因此仍然广泛应用于很多工业场合。直流调速主要有以下几种方式：电枢串电阻调速、改变电枢电压调速、PWM直流调整系统、双闭环直流调速系统、数字式直流调速系统和改变励磁的恒功率调速。

直流电动机测试电源要根据直流电动机的试验要求进行调压试验、轻载试验、负载试验和过载试验，还要进行动态过程试验等。这就要求其具有连续调压、过流功能，并要求响应速度快。本篇文章将介绍大功率直流电动机测试电源设计。
　　
电路设计

1整流电路计算

整流电路选用的是三相不控整流。这个电路的特点是简单、快速，而且输出波形能够满足逆变电路的要求。输入整流滤波电路的主要作用是将交流电压变为直流电压；此外，还要具有一定的输出电压保持能力，既能防止来自电网的干扰进入电源，又能防止电源产生的干扰。

二极管应当按照有效值选取，如下是计算过程。

整流输出电压Ud的波形在一个周期内波动6次，且脉动波形相同，因此：
(1)
U2为相电压有效值，其值为220V。
Ud=2.34×220=514V (2)
P0为50kW，效率η取0.8，所以P0=Ud×Id×0.8，Id=P0/Ud×0.8=122A。
流过整流二极管电流的有效值为：
(3)
而每只整流二极管承受的最大反压为：
(4)
考虑到电网电压的波动-10%～+10%，所以二极管最小参数应取：
IA(VT)=I(VT)×1.1=78A
UFM=URM×1.1=593V
所以，二极管额定参数为：200A、1200V。因此选择的二极管型号为ZP200-ZL20螺栓型普通整流二极管。

图1 主电路图

2 滤波电容计算

电源中工频滤波器接在工频整流与逆变电路之间，既能将脉动电流变为平滑的直流，还能抑制高频干扰，尤其是变换中产生的高频干扰。

滤波电容最好选用等效串联电阻低且电容量大的电解电容，因为等效串联电阻值对输出脉动电压值有直接影响。因此，为了减少等效串联电阻，用4个电容串并联，获得所需的电容量电路。

电网电压为380V，不考虑波动，空载直流电压Ud0约为线电压峰值540V。在带负载时，电压有所下降，电容电压：
Ud=1.35×380=513V （5）
输入电流Id，即高频变压器输入电流125A。直流侧电压在带负载时是脉动的，如图2所示。最大电压降△U按10%考虑。在T1区间内，电容C向负载放电，在T/6区间完成一个充放电周期。

图2 滤波电容滤波过程分析

假定在电容放电期间放电电流恒定，则：
Id=C△U/T1 (6)
(7)
由式（7）得
(8)
(9)
式中，Id为输入电流125A；△U为电压变化量(△U =Ud0×10%=54V)；T1为电容放电时间； Ud0为空载直流电压540V；T为工频交流电周期20ms；为工频交流电角频率)，可得：
(10)
电容承受的线电压峰值540V。

实际中，采用4个5600μF/400V的电解电容和2个大电阻并联为一组，用2组串联在一起组成滤波电容组。其电容量为5600μF。大于计算值，滤波效果满足小于10%的要求。

因此，选择DCMCE 1669型电解电容，其规格为5600μF/400V。

由于电解电容不是理想的电容，它本身的阻抗对电容两端的电压会有影响，而且电压是脉动的，所以为了稳定其两端电压，使每组电容的两端电压相等，分别在每组电容两端并联了一个均压电阻R2、R3，选择R2=R3=30kΩ。

至于滤波前面的去高频干扰的电容C1，其电容量是很难确定的，因为高频干扰包括电网的干扰，也包括电源的干扰，所以可试选取C1=（2.5±5%）μF或该数量级其他电容，只要电容C1的耐压峰值满足即可以，耐压峰值Up=600V。

电容输入式整流滤波电路在接通交流电压时，由于电容充电，往往引起较大的浪涌电流。在此，选择的限流电阻R1为20Ω/20W。起动后，延时一段时间后，开关S1合上，把R1从主电路中去除。

3 逆变电路计算

对于逆变电路选取的是全桥逆变电路，采用IGBT作为开关器件。

IGBT集MOSFET和GTR的优点于一体，具有功率MOSFET高输入阻抗，热稳定性好，驱动功率小的特点，又具有GTR通态电压低，导电损耗小而耐压高的优点。

对主电路进行计算，并根据设计目标的需要对IGBT进行选型。
IGBT的作用是通过它的周期性开和关作用，把直流电压变换成方波电压，它是逆变电路的关键核心元件。由于它比较脆弱，对它的设计、选择直接关系到整个系统的安全、可靠。所以，选择的参数必须在其正向偏置安全区(FBSOA)。计算参数时留有的裕量较大。

① 额定电压
输入电网电压整流滤波后，直流输出的电压最大值：
(11)
其中，Ud为IGBT承受的稳态最大电压，U为电网电压有效值为380V；1.1为波动系数；α安全系数取1.1。