第1讲直流PWM可逆直流调速系统

1、第4章 可逆控制和弱磁控制的直流调速系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统内 容 提 要直流PWM可逆直流调速系统 V-M可逆直流调速系统 弱磁控制的直流调速系统 问题的提出 有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。直流电动机的转速方向如何改变？改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向当电机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。电动机除电动转矩外还须产生制动转矩，实现生产机械快速的减速、停车与正反向运行等功能。在转速和电磁转矩的

2、坐标系上，就是四象限运行的功能，这样的调速系统需要正反转，故称可逆调速系统。图4-1 调速系统的四象限运行 问题的提出4.1直流PWM可逆调速系统PWM变换器电路有多种形式，可分为不可逆与可逆两大类，还有一种带制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统，其电流能够反向。之所以不可逆是因为平均电压始终大于零，因而转速不能反向。如果要求转速反向，需要改变PWM变换器输出电压的正负极性，使得直流电动机可以在四象限中运行，由此构成了可逆的PWM变换器-直流电动机系统。降压斩波电路 ，单极型工作方式输出电压Ud和电流Id都是单方向的，因此该电路只能工作于第象限。当电枢电流Id充分小时，id波形仍然会断续

3、。但是由于载波频率很高，使得电流断续的范围很小，以至可以忽略。PWM变换电源电路结构与工作原理二象限PWM变换电路(a)工作于单极型方式。只能输出正向电压Ud0，使直流电动机正向运转。但是由于电流id可以正反两个方向流动(b)，使得工作于第和第象限两个象限(c)。在轻载，甚至空载(Id=0)时也不会发生电流断续。因此不会出现输出特性非线性(d)。使得PWM变换器的控制特性和数学模型比相控整流电路更为理想。相应的有、象限PWM变电路PWM变换电源电路结构与工作原理+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3

4、VT4Ug4桥式可逆PWM变换器注意：在变流中，为了防止同一桥臂上、下两个电力电子器件同时导通而引起直流电源短路，在由 VT1、VT4 导通切换到 VT2、VT3 导通或反向切换时，必须留有死区时间。对于功率晶体管，死区时间约需30s；对于IGBT，死区时间约需5s或更小些。 +-图4-3 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形在一个开关周期内，当0tton时，UAB=US，电枢电流id沿回路1流通；当tontT时，驱动电压反号， id沿回路2经二极管续流， UAB=-US 。 , UAB的平均值为正，电动机正转；反之那么反转。 ,平均输出电压为零，电动机停止。 U, iUd

5、Eid+UsttonT0-UsOb) 正向电动运行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOc) 反向电动运行波形 = 2 1 -n*max 0 +n*max在 0 1 = 1 0 +14.1直流PWM可逆调速系统双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点：1电流一定连续；2可使电动机在四象限运行；3电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区；4低速平稳性好，系统的调速范围大；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。双极式控制方式的缺乏之处是： 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、

6、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。4.1直流PWM可逆调速系统PWM变换器的控制一般采用锯齿波同步的自然采样调制法，或者规那么采样法。图(b)是单极型PWM调制原理，占空比和控制电压Uc的关系为图(c)是双极型PWM调制原理，占空比和控制电压的关系为PWM变换电源控制特性与数学模型 PWM-M系统的机械特性由PWM变换电源供电的直流电动机调速系统简称为PWM-M系统。其机械特性，一般不考虑电流断续的情况。PWM-M系统的四象限机械特性如下图。PWM变换电源4.1.2 直流PWM可逆直流调速系统转速反向的过渡过程a点过渡到b点，Id从正向IdL降低为零。 b点过渡到c点 ， Id从零反向上升

7、到允许的制动电流-Idm 。c点过渡到d点 ，回馈制动状态，转速将减速到0 。d点过渡到e点 ，反向起动状态 ,转速要超调，转速环退饱和 。在f点稳定工作，电枢电流与负载电流-IdL相等。图4-4 在坐标系上表示的电动机反向轨迹 右图是正向起动、正向制动和反向起动过程中的时域波形示意图。这个过程分阶段分析如下：在t=0时刻，正向起动转速给定指令阶跃上升到Un*,即Un*=UnN, 与正向额定转速相对应.由于电枢的惯性使得误差电压DUn阶跃上升.很大的DUn很快使转速调节器ASR输出饱和，即Ui*=Uim .此后电流调节器ACR快速调节使电枢电流Id 跟随Ui*维持在最大电枢电流Idm.这个电枢

8、电流产生一个恒定的加速转矩,使转速n恒速上升.4.1.2 直流PWM可逆直流调速系统转速反向的过渡过程随着n的上升电枢反电势Ea线性上升。为了维持电枢电流恒为Idm，在ACR的调节下，控制电压Uc不断上升，调节PWM变换电源的占空比，使输出直流电压Ud 不断上升以抵消电枢电压Ea上升对Id的影响。转速误差电压不断减小。在t1时刻，及之后正向运行a点n上升到nN,Un和Un*相等,DUn0 。此后，ASR快速退出饱和进入线性调节状态，其输出维持在一个与负载电流 IL相平衡的值上，转速稳定在nN上，进入恒速运行状态。4.1.2 直流PWM可逆直流调速系统转速反向的过渡过程在t2时刻，开始正向制动a

9、bc给定信号Un*从UnN阶跃下降到“-UnN，对应于反向额定转速“-nN。由于电枢惯性，使得转速误差信号DUn突然下降到“-2UnN，ASR快速反向饱和，Ui*-Uim。此后在ACR的快速调节下使电枢电流Id 跟随“Ui*维持在最大反向电枢电流“-Idm，转速n下降cd反向电枢电流“-Idm产生一个恒定的制动转矩，使转速n恒速下降，直流电动机进入正向制动状态。电枢反电势Ea 也线性下降，ACR实时调节直流电源电压Ud下降使Ud 保持比Ea 低一个恒定的差值以维持恒定的反向电枢电流“-Idm 。4.1.2 直流PWM可逆直流调速系统转速反向的过渡过程反向起动de此后Ud平滑地过零变负，使转速n

10、也过零变负进入反向起动状态。直到t3时刻，转速n反向上升到“-nN，再次与Un*相等，DUn0，反向起动结束。t3时刻之后，efASR退出反向饱和，进入线性调节状态，其输出维持在一个与反向负载电流相平衡的值上，转速稳定在“-nN上，进入反向恒速运行状态。4.1.2 直流PWM可逆直流调速系统转速反向的过渡过程4.1.3 直流PWM功率变换器的能量回馈图4-5桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图整流器 H型桥式PWM变换器 放电电阻 滤波大电容当可逆系统进入制动状态时，直流PWM功率变换器把机械能变为电能回馈到直流侧，由于二极管整流器导电的单向性，电能不可能通过整流器送回交流电网，只能向滤波电

11、容充电，使电容两端电压升高，称作泵升电压。在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，当PWM控制器检测到泵升电压高于规定值时，开关器件VTb导通，使制动过程中多余的动能以铜耗的形式消耗在放电电阻中。放电电阻 如果在大容量的调速系统中希望实现电能回馈到交流电网，以取得更好的制动效果并且节能，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的电能逆变后回馈电网。在突加交流电源时，大电容量滤波电容C相当于短路，会产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管。为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串入限流电阻。合上电源后，经过延时或当直流电压到达一定值时，闭合接触器触点K把电阻短路，以免

12、在运行中造成附加损耗。限流电阻 4.1.4 单片微机控制的PWM可逆直流 调速系统三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，转速检测用数字测速。微机控制具备故障检测功能，对电压、电流、温度等信号进行实时监测和报警。一般选用专为电机控制设计的单片微机，配以显示、键盘等外围电路，通过通信接口与上位机或其他外设交换数据。 系统组成图4-1 PWM可逆直流调速系统原理图整流器桥式可逆电力电子变换器驱动电路模块，内部含有光电隔离电路和开关放大电路PWM波生成环节，其算法包含在单片微机软件中测速发电机霍尔电流传感器图4-6 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图控制软件一般采用转速、电流双闭环控制，电流环为内环，转速环