直流脉宽调速控制系统讲义.ppt

第4章 直流脉宽调速控制系统,4.0 预备知识 4.1 PWM变换器的工作原理 4.2 PWM调速系统的开环机械特性 4.3 脉宽调速系统的构成 4.4 PWM功率变换器的设计,,--重点内容,,本 章 提 要,4.0.1 直流脉宽调速系统出现的历史背景,20世纪70年代以前，以晶闸管为基础组成的相控整流装置是运动控制系统直流传动中主要使用的变流装置，但由于晶闸管属于半控型器件，使其构成的V－M系统的性能受到一定的限制； 20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，出现了全控型器件－－门极可关断晶闸管（GTO）、电力场效应晶体管（Power－MOSFET）、绝缘栅极双极晶体管（IGBT）； 直流电机控制领域向高精度方向发展； PWM驱动装置在中小功率场合，有着晶闸管驱动装置无法比拟的优点，例如：调速范围宽、快速性好、电流波形系数好、功率因数好等PWM系统的优点,（1）主电路线路简单，需用的功率器件少； （2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发 热都 较小； （3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右； （4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强； （5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高； （6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

4.0.0 升/降压直流斩波器,直流斩波电路（DC Chopper） 将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电 也称为直流--直流变换器（DC/DC Converter）11,一. 降压斩波电路 (Buck Chopper),电路结构,典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载全控型器件若为 晶闸管，须有辅助关断电路续流二极管,负载出现的反电动势,12,降压斩波电路工作原理,降压斩波电路得原理图及波形,t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升 t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降 通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小13,二. 升压斩波电路(Boost Chopper),电路结构,保持输出电压,储存电能,14,假设L和C值很大 V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定i1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定 V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量升压斩波电路及工组波形,a) 电路图,b) 波形,升压斩波电路工作原理,15,设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等,,T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。

电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用电容C可将输出电压保持住,升压斩波电路工作原理,升压斩波电路在直流电动机传动应用,t,t,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,T,E,i,O,O,,b),a),i,1,i,2,I,10,I,20,I,10,t,on,t,off,u,o,用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形a） 电路图 b） 电流连续时 c） 电流断续时,再生制动时把电能回馈给直流电源 电动机电枢电流连续和断续两种工作状态 直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器4.0.1 直流斩波器的基本结构与工作原理,1.直流斩波器的基本结构,b）电压波形图,,,,,,,,,,,,t,O,ua,Us,Ud,,,T,ton,ia,S,图4.0 直流斩波器－电动机系统原理图和电压波形,2. 斩波器的基本工作原理,在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管当VT导通时，直流电源电压 Us 加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢电流经 VD 续流，两端电压接近于零如此反复，电枢端电压波形如图(4-0b) ，好像是电源电压Us在ton 时间内被接上，又在 T – ton 时间内被斩断，故称“斩波”。

3. 输出电压计算,电动机得到的平均电压为：,式中 T — 电力电子开关器件的开关周期；ton — 开通时间； — 占空比，  = ton / T = ton f ,其中f 为开关频率4. 斩波电路三种控制方式,根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：,T 不变，变 ton —脉冲宽度调制（PWM）；ton不变，变 T —脉冲频率调制（PFM）；ton和 T 都可调 —混合型5. PWM 变换器的作用,采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路---脉宽调制变换器（PWM－－Pulse Width Modulation）PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速4.0 预备知识 4.1 PWM变换器的工作原理 4.2 PWM调速系统的开环机械特性 4.3 脉宽调速系统的构成 4.4 PWM功率变换器的设计,,--重点内容,,本 章 提 要,4.1 PWM 变换器的工作原理,,,0,转矩T(电流I),转速n,+T，+n 正向电动状态,-T，+n 正向制动状态,-T，-n 反向电动状态,+T，-n 反向制动状态,电动机的4个运行象限,4.1.1 不可逆PWM变换器,（1）无制动作用的不可逆PWM变换器,图4-1(a) 无制动作用的不可逆PWM变换器－直流电动机系统,a）主电路原理图,b）工作状态与波形,当ton ≤ t < T 时， Ub为负，VT关断，电枢失去电源，电枢电流经VD续流。

当0 ≤ t < ton时，Ub为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；,在一个开关周期内：,图4-1 (b) 系统稳态时电枢的电压和电流波形,U, i,1）电机两端得到的平均电压,式中  = ton / T 为 PWM 波形的占空比，,改变  （ 0 ≤  < 1 ）即可调节电机的转速,c) 相关方程：,2）一个周期内电路电压平衡方程,当0 ≤ t < ton时,当ton ≤ t < T 时,式中：R、L－－电枢回路的电阻和电感E－－电机反电动势,图4-3a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器电路,（2）有制动的不可逆PWM变换器,a）主电路原理图,1）一般电动状态,b）工作状态与波形,在ton ≤ t < T 期间， Ub1和Ub2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能在0 ≤ t < ton期间， Ub1为正，VT1导通， Ub2为负，VT2关断此时，电源电压Us加到电枢两端，电流 id 沿图中的回路1流通因此，实际上是由VT1和VD2交替导通，虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没有被用上。

2）制动状态,在 0 ≤ t < ton 期间，VT2 关断，-id 沿回路 4 经 VD1 续流，向电源回馈制动，与此同时， VD1 两端压降钳住VT1 使其不能导通在 ton ≤ t < T期间， Ub2 变正，于是VT2导通，反向电流 -id 沿回路 3 流通，产生能耗制动作用因此，在制动状态下，VT2和VD1轮流导通，而VT1始终处于关断状态，此时的电压和电流波形示于图3-3c3）轻载电动状态,轻载电动状态，一个周期分成四个阶段： 第1阶段，VD1续流，电流 -id 沿回路4流通； 第2阶段，VT1导通，电流 id 沿回路1流通； 第3阶段，VD2续流，电流 id 沿回路2流通； 第4阶段，VT2导通，电流 –id 沿回路3流通；,在1、4阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态； 在2、3阶段，电动机流过正方向电流，电机工作在电动状态 因此，在轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流，其输出波形见图3-2d图4-3d 轻载电动状态的电流波形,4.1.2 可逆PWM变换器,T 型可逆PWM变换器 双极式 （主电路的结构形式） H 型 单极式（控制方式） 受限单极式,,,（1）双极式可逆PWM变换器,图4-4 双极式H型PWM变换器电路,工作状态与波形,第1阶段，在 0 ≤ t < ton 期间， Ub1 、 Ub4为正， VT1 、VT4导通， Ub2 、Ub3为负， VT2 、VT3截止，电流 id 沿回路1流通，电动机M两端电压UAB = +Us ； 第2阶段，在ton ≤ t < T 期间， Ub1 、Ub4为负， VT1 、VT4截止， VD2 、VD3续流， 并钳位使VT2 、 VT3保持截止，电流 id 沿回路2流通，电动机M两端电压UAB = –Us ；,(1) 正向电动运行时电压、电流波形,（a）正向运行,（b）反向运行,第1阶段，在 0 ≤ t ≤ ton 期间， Ub2 、 Ub3为负，VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 续流，并钳位使 VT1 、 VT4截止，电流 –id 沿回路4流通，电动机M两端电压UAB = +Us ； 第2阶段，在ton ≤ t ≤ T 期间， Ub2 、 Ub3为正， VT2 、 VT3导通， Ub1 、 Ub4为负，使VT1 、 VT4保持截止，电流 – id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB = – Us ；,(2) 反向电动运行波形,电流脉动方向正确？,电机两端得到的平均电压:,式中  = ton / T 为 PWM 波形的占空比；,调速时， 的可调范围为0~1，定义 ＝2  －1，则,当 >0.5时，  为正,当 <0.5时，  为负,当 = 0.5时，  = 0,电机正转,电机反转,电机停止,,,,相关方程：,性能评价,1）电流一定连续；2）可使电机在四象限运行；3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。

双极式控制方式的不足之处：,在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时双极式H型PWM变换器有下列优点：,（2）单极式可逆PWM变换器,单极式可逆PWM变换器电路仍和双极式一样，不同之处仅在驱动脉冲信号左边两个管子的驱动脉冲具有和双极式时一样的正负交替的脉冲波形，使VT1和VT2交替导通右边两管VT3与VT4的驱动信号改成因电机的转向而施加不同的直流控制信号电机正转时：VT3截止而VT4常通；电机反转时：VT3常通而VT4截止因此可以看出，当电动机朝一个方向旋转时，PWM变换器只在一个阶段中输出某一极性的脉冲电压，而在另一阶段中UAB=0，这就是它之所以称为“单极式”变换器的原因 与双极式相比，优点在于：开关损耗减小，装置的可靠性有所 提高44,表4-1 单极式和双极式可逆PMW变换器工作（电动状态）情况（负载较重时）,,,,,,截止,续流,截止,导通,（3）受限单极式可逆PWM变换器,受限单极式可逆变换器在电机正转时：VT2一直截止，电机反转时：VT1一直截止，其它驱动信号都和一般单极式变换器相同。

4.0 预备知识 4.1 PWM变换器的工作原理 4.2 PWM调速系统的开环机械特性 4.3 脉宽调速系统的构成 4.4 PWM功率变换器的设计,,--重点内容,,本 章 提 要,4.2 PWM调速系统的开环机械特性,由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的，所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。