现代电力电子技术林渭勋第2章节下章节

2.6 电压双象限电路 2.7 单极性PWM四象限直流变换电路 2.8 双极性PWM四象限电路,2.6 电压双象限电路,2.6.1 U00时的工作情况分析 2.6.2 U00时的工作情况分析 2.6.3 电压双象限电路在可逆直流调速系统中的应用,2.6.1 U00时的工作情况分析,图2-34 电压双象限电路的电量波形,2.6.1 U00时的工作情况分析,图2-35 电压双象限电路的瞬时值等效电路,2.6.1 U00时的工作情况分析,图2-36 不同工作象限下的平均值等效电路 a)第一象限 b)第二象限 c)第三象限 d)第四象限,2.6.2 U00时的工作情况分析,U00时电量波形如图2-34c所示，由图可见，u=-US2，ug10，ug3为脉冲列，在时区C有ug3=0，VT1和VT3关断，为维持i0连续，VD2和VD4正偏导通，等效电路如图2-35c所示，由图可见，u0=u，U20(当有源负载为电动机时，U2m,此时U2的极性和幅值均受控于u，当u0，U20。,2.6.3 电压双象限电路在可逆直流调速系统中的应用,1.负载特性 2.可逆直流调速系统的开环机械特性 3.下放中的调速过程,1.负载特性,在恒转矩负载中，位能型负载是常见的一种，其转矩MC具有固定的方向，不随转速方向而变(不计生产机械传动损耗)，如图2-37所示，各式起重机的提升机构具有这种负载特性，由于在重物提升和下放中需要采用不同速度，故需用调速电源，若由直流电动机驱动，则要求采用可逆直流调速电源。,2.可逆直流调速系统的开环机械特性,图2-37 带位能型负载的可逆直流调速系统开环机械特性,3.下放中的调速过程,速度减量越大，相对应的电磁转矩也越大。为避免在调速过程中出现过大电流冲击以保证系统安全运行，必须在控制电路中设置自动电流限止环节，系统最大电磁转矩被限在M上，故实际的动态轨迹为S-X-Y-W。,2.7 单极性PWM四象限直流变换电路,2.7.1 四象限桥式直流变换电路的分类 2.7.2 同频式单极性PWM全桥电路 2.7.3 倍频式单极性PWM全桥电路,2.7.1 四象限桥式直流变换电路的分类,图2-38 同频式单极性PWM四象限直流变换电路 a)主电路结构 b)等效电路 c)0时电量波形 d)0时电量波形,2.7.2 同频式单极性PWM全桥电路,1.控制极电压的时序分布 2.电路工作原理 3.输出电流脉动量0的估算,1.控制极电压的时序分布,当u0时U00，相反uS0有U00，可见VT2和VT3的开关反映输出电压U0的极性，当负载为电动机时，就反映电动机的转向；而由VT1VD和VT4VD4组成的上下臂则称为斩波臂，其控制极信号ug1和ug4在相位上互补，开关周期为T，其脉宽DT决定于u的幅值。即输出电压U0的幅值。,2.电路工作原理,根据上述控制极电压时序特点，全桥电路可用图2-38b所示的电路等效，图中用开关S代替方向臂，当u0时，S置a;当u0时，S置b。当S置a时与图2-2a完全相同，也即当u0时，带有源负载的单极性PWM四象限电路相当于输出电压U00的电流双象限电路，可工作于第一和第二象限。,3.输出电流脉动量0的估算,为简单忽略等效内阻r0，在图2-38c的DT时区中，有VT1和VT3导通，即U=uL+u2 即u=Ud-u2=Ud-U0=D0Ud在r0=0时，u2U0=D,而u恒为正值D0Ud，故输出电流i0在本时区线性上升，即提高开关频率可抑制输出电流脉动量。,2.7.3 倍频式单极性PWM全桥电路,1.控制极电压的时序分布 2.工作过程分析,2.7.3 倍频式单极性PWM全桥电路,图2-39 倍频式单极性PWM全桥式四象限电路 a)主电路 b)信号生成 c)0时电量波形 d)=0时电量波形 e)0时电量波形,1.控制极电压的时序分布,VT2和VT3的开关反映输出电压U0的极性，当负载为电动机时，就反映电动机的转向；而由VT1VD和VT4VD4组成的上下臂则称为斩波臂，其控制极信号ug1和ug4在相位上互补，开关周期为T，其脉宽DT决定于u的幅值。即输出电压U0的幅值。,2.工作过程分析,(1)uS0时的情况 电路具有两种工作模式，第一种是VT1和VT3导通(由于ug1和ug3均为高位)，输出电压u0d，输出电流i0线性上升，负载从电源吸取能量；第二种工作模式是VT1、VD2(或VT3、VD4)导通，u0=0，负载电感释放能量，负载电流i0下降。 (2)uS=0时的情况 (3)uS0的情况 控制极电压时序如图2-38e，电路也有两种工作模式：第一种是VT2和VT4导通，u0=-Ud，i0负向增长；第二种是VT2和VD1(或VT4和VD3)导通，u0=0，输出电压平均值U0=-DUd。,2.8 双极性PWM四象限电路,2.8.1 电路工作原理分析 *2.8.2 PWM四象限桥式电路在可逆直流调速系统中的应用,2.8 双极性PWM四象限电路,图2-40 双极性PWM四象限电路 a)半桥电路 b)全桥电路 c)电量波形,2.8.1 电路工作原理分析,1.控制极电压的时序分布 2.输出电流脉动量0的估算,1.控制极电压的时序分布,图2-41 占空比D与控制 电压的关系曲线,2.输出电流脉动量0的估算,在相同的电路条件下，单极性电路的电流脉动小，但在轻载下会出现电流断续；双极性电路的电流脉动大，但在轻载下不会出现电流断续。,*2.8.2 PWM四象限桥式电路在可逆直流调速系统中的应用,1.双极性PWM四象限桥式电路的开环机械特性,逆直流调速系统带反抗型负载，其转矩特性如图2-42所示，反抗性负载转矩是恒转矩负载的一种常见形式，是由摩擦阻力产生的转矩，故又称摩擦转矩，其特点是不管运动图2-42 带摩擦型负载的双极性PWM可逆。,1.双极性PWM四象限桥式电路的开环机械特性,图2-42 带摩擦型负载的双极性PWM可逆 直流调速系统的开环机械特性,1.双极性PWM四象限桥式电路的开环机械特性,(1)UC1637的主要性能 1)可用于单电源或双电源电路。 2)两独立输出端能提供平均电流为100mA的PWM信号并与主电路直耦。 3)PWM载波频率为30kHz，由外接电阻电容值决定。 4)设有限流和欠电压封锁等保护措施。 (2)系统基本结构 由图2-43a可见，调速系统由全桥式变换电路、直流电动机负载(他激式)、驱动电路和控制电路四个部分组成。 (3)UC1637输出级及MOSFET栅极驱动电路的工作原理分析 由图2-43可见，这两部分电路直接耦合，因此一起分析比较方便。,1.双极性PWM四象限桥式电路的开环机械特性,1)u1=0、u2=1的情况：即N1输出处低位而N2输出处于高位的状态，于是VT1截止，电流IA流入VT2基极并使VT2导通，输出端对电源中点O之间电压u0d,于是图2-43a中VT7截止而VT8导通，VF4栅荷沿T8释放，VF4关断；与此同时，VF1栅极因加上负栅压Ud(经RA和T8)反向充电而转为导通，桥左侧输出端a对O之间电压ua0=d；与此同时，由于u2=1，VT4和VT6导通而VT5截止；ub0=-Ud，于是VT9导通，T10截止，VF2和VF3均加有正栅压，因此VF2关断而VF3导通，桥右侧输出电压ub0=-Ud，故桥输出电压uab=ua0-ub0=2Ud。 2)u=1，u2=0的情况：由于u1=1，VT1和VT3导通而VT2截止，uA0=-Ud；由于u2=0，VT4和VT6截止而VT5导通，ub0=Ud，于是全桥电路中有VT7和VF4导通，ua0=-Ud；VT10和VF2导通，ub0=Ud，uab=ua0-ub0=-2Ud。,1.双极性PWM四象限桥式电路的开环机械特性,3)u1=u2=1的情况：引用上面分析，当u1=1时有ua0=-Ud；u2=1时有ub0=-Ud，因此uab=ua0-ub0=0。 (4)三角形载波发生电路 由图2-43b中CP1、CP2和F1组成自激式非正弦振荡电路，其输出对称三角波加到PWM信号比较器CP3和CP4的输入端，作为PWM信号的载波电压uC，其重复频率fc取决于外接元件R3和C1的数值。,1.双极性PWM四象限桥式电路的开环机械特性,(5)PWM信号生成电路 PWM信号生成电路由CP3和CP4组成，由图2-43b可见，载波信号uC同时接到CP3的同相端和CP4的反相端。 (6)反馈控制 (7)限流保护 为在系统过载时保障桥中器件的安全，设置了限流电路，它由限流比较器CP6实现，CP6反相端串接电流动作设定值(200mV)，电流信号取自采样电阻Rk，当桥入端电流i超过设定值时，CP6动作并输出高电平使F2和F3复位，其Q端输出电压uF2和uF3均由高位降为低位。,1.双极性PWM四象限桥式电路的开环机械特性,(8)欠电压保护和系统关机 N1和N2的第二个入端信号来自欠电压封锁电路UVL和关机比较器CP5出端，当电源电压Ud4.5V时，UVL输出高位，VD5截止，当14脚外接电压低于2.5V时，CP5输出高位，VD6也截止，因此uL=1；相反若UVL或CP5动作，VD5或VD6导通，则uL=0，由此可见uL的电位受UVL和CP5状态的控制，前者用来作欠电压封锁保护，后者用来作为开关机或延时起动。,