直流脉宽调速系统

§5脉宽调速系统学习目标1.理解脉宽调速的概念

。2.掌握不可逆脉宽功率放大器和H型可逆脉宽功率放大器的工作原理

。3.了解脉宽调整系统的构成及原理

。4.能利用实验设备完成脉宽调速系统的构建及调试。§5.1脉宽调速基本概念1。V-M调整系统的应用开环调速单闭环调速双闭环调速可逆调速系统V-M系统是目前应用最广的直流调速系统晶闸管可控整流输出直流电压波形中含有大量的高次谐波，会引起电网品质因数下降，是造成电网污染的主要因素之一。同可控整流相比，二极管整流波形中含有的高次谐波分量大大减少，因此，用不可控整流代替可控整流，可减轻对电网的污染。一、脉宽调速系统产生的背景2。V-M调整系统的缺点二、脉宽调速系统所谓脉宽调速，就是利用二极管不可控整流得到一稳恒的直流电压，再利用高频直流斩波电路将直流电压变成宽度可调的脉冲电压，加在电动机电枢上，通过改变脉冲的宽度来改变电枢平均电压的大小，从而改变电动机的转速。这种调速方式称为脉宽调速，简称PWM调速。脉宽调速技术是随着电力电子技术、控制技术的发展而产生，要求电力电子开关元件的容量大、开关频率高。目前还只限于在中、小功率的系统中应用。三、脉宽调速的优点1、脉冲电压的开关频率高，电流容易连续。2、高次谐波分量少，需要的滤波装置小。4、调速控制动态响应快3、电动机的损耗较小、发热较少，效率高。思考题：2．脉宽调速系统有什么优点？1．什么是脉宽调速系统？脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式功率放大器，简称PWM（PulseWidthModulated）功率放大器，其功能就是实现直流斩波，即将直流电压变成宽度可调的脉冲电压。§5.2

PWM功率放大器PWM功率放大器可逆式PWM功率放大器不可逆式PWM功率放大器可逆功率放大器双极式单极式受限单极式(电机单向工作)(电机双向工作)不可逆功率放大器无制动作用有制动作用§5.2.1不可逆PWM功率放大器不可逆脉宽功率放大器可实现对电动机的单向旋转控制。根据电动机停车时是否需要制动作用，其电路有两种形式，即无制动作用的和有制动作用的。一、无制动作用的PWM功率放大器1、电路组成Us为直流电源VT相当于一个高频开关元件VD续流二极管电容C起滤波作用一、无制动作用的PWM功率放大器2、电路的工作过程分析晶体管VT工作在开关状态，只有饱和导通和关断两种状态控制电压Ub是周期性的脉冲电压，周期不变，正、负脉冲的宽度可调。只分析一个周内的工作情况，根据周期性推知电路的整体工作情况VT饱和导通电流id呈增大趋势VT关断，VD续流电流id呈减小趋势结合周期性，uAB波形如右图示。§5.2.1不可逆PWM功率放大器一、无制动作用的PWM功率放大器3、电压、电流波形瞬时电压uAB的波形与控制电压Ub的正半波相同，只是幅值不同。平均端电压大小称为调制波的占空比改变占空比即可改变电动机转速

平均电压对应的直线低于Us的高度。电机电枢电势E又低于Ud。电流波形只是用来说明其变化趋势，实际上电流是非常平稳的。§5.2.1不可逆PWM功率放大器一、无制动作用的PWM功率放大器4、电路的电压平衡方程(1)VT导通期间(2)VD续流期间电源向电机供电，电流呈增大趋势。电枢电感释放能量维持电流，电流呈减小趋势。由于VT的开关频率很高，电流变化是不明显的。§5.2.1不可逆PWM功率放大器二、有制动作用的PWM功率放大器晶体管VT1和二极管VD2提供正向工作电流通路，晶体管VT2和二极管VD1为电动机提供反向制动电流通路。1、电路组成。VT1称为主管，VT2称为辅管，二者基极都加脉冲电压且电路分析时，只给出Ub1的波形。2、电机电动运行分析0~ton时段，Ub1>0,VT1导通，uAB=Us电流沿回路1流通，呈增大趋势。Ton~T时段，Ub1<0,VD2续流，uAB=0电流沿回路2流通，呈减小趋势。波形及Ud与无制动情况相同。§5.2.1不可逆PWM功率放大器二、有制动作用的PWM功率放大器3、制动过程分析制动过程发生在电机停车或减速控制情况下，以减速为例分析EUd减速控制是通过减小控制脉冲的占空比来实现的。占空比突然减小时，电机上的平均电压同时减小，但由于惯性电机的转速和电枢电势E不能马上减小，将出现E>Ud的现象，将由E提供反向id，经回路3和回路4流通，反向电流对电机产生制动作用，加快减速过程。ton~T时段，Ub2>0,VT2导通，uAB=0电流沿回路3流通，呈增大趋势。0~ton时段，Ub2<0,VD1续流，uAB=Us电流沿回路4流通，呈减小趋势。§5.2.1不可逆PWM功率放大器3、制动过程分析二、有制动作用的PWM功率放大器随着制动过程的进行，电机转速和电枢电势E减小，但电枢两端的平面电压未变，当E落到Ud下方时，即Ud>E，Ud又开始提供正向电流，电机又回到电动运行状态，达到降速后的稳定运行状态。制动过程中电压平衡方程ton~T时段:0~ton时段:电流逆着Us流通，呈减小趋势VT2导通，提供电流回路回馈制动的能量对电容C充电，这将引起电容电压的短时间升高，称作“泵升电压”。如果泵升电压太高，将危及电力晶体管和整流二极管的安全，须采取措施加以抑制。§5.2.1不可逆PWM功率放大器4*、轻载运行分析二、有制动作用的PWM功率放大器当电动机处于轻载运行状态时，负载电流较小，VD2续流期间，在t2时刻电流减小到零，二极管VD2关断，VT2集电极和发射极之间的反向偏置电压消失，而此时VT2基极电压为正，所以在电势E的作用下VT2导通，电枢电流反向，产生局部能耗制动。到t=T时，Ub2变负，VT2关断，反向电流经VD1续流。这样，4个管子都有轮流导通的机会。主要讨论负载电流较重、续流期间电流不会减小至零的情况。不可逆PWM功率放大器小结：1、电机两端的瞬时电压无论时无制动还是有制动，电枢瞬时电压波形都相当于控制电压Ub1正半波的复制：Ub1>0,uAB=Us;Ub1<0,uAB=0。2、电机两端的平均电压改变占空比即可改变电机转速3、电压、电流波形无论时无制动还是有制动，电机正常工作时，电压、电流波形如右图所示。§5.2.1不可逆PWM功率放大器1．试根据无制动作用的不可逆PWM功率放大器电路图，分析电路的工作情况，画出电压、电流波形图，电动机瞬时电压波形与控制脉冲波形有什么对应关系？3．什么是占空比？从哪些波形图上能看出占空比的大小？2．PWM功率放大器是如何实现对直流电动机转速控制的？思考题：§5.2.2可逆PWM功率放大器可逆PWM功率放大器的电路构成有多种形式，H型功率放大器最为常用。H型功率放大器H型可逆PWM功率放大器根据控制方式不同可分为：1。双极式2。单极式3。受限单极式§5.2.2可逆PWM功率放大器双极式控制，四个电力晶体管的基极都加脉冲信号，且一、双极式控制1、控制方式即VT1与VT4同时通断；VT2与VT3同时通断2、工作过程分析(重载)ton~T时段，Ub1<0,VD2、VD3续流，电流id:A→B,呈增大趋势。0~ton时段，Ub1>0,VT1、VT4导通，电流id:A→B,呈减小趋势。后面各周期往复循环，可得电压、电流波形如右图Ub1波形如右图示uAB=UsuAB=-Us§5.2.2可逆PWM功率放大器一、双极式控制

4、电机两端的平均电压称为双极式控制的占空比显然3、电路电压平衡方程ton~T时段：0~ton时段：右图所示，电机正转§5.2.2可逆PWM功率放大器一、双极式控制

电机正转时，电流id方向从A→B，应VT1、VT4参与导通，VD2、VD3起续流作用。5、电机的转向判别当正转当反转当停转电机反转时，电流id方向从B→A，应VT2、VT3参与导通，VD1、VD4起续流作用。§5.2.2可逆PWM功率放大器一、双极式控制

例：双极式控制PWM功率放大器，控制电压Ub1的波形如下图示，试分析管子的导通情况，画出电机电压、电流波形图。试看下面分析是否正确？ton~T时段，Ub1<0,VD2、VD3续流，电流id:A→B,呈增大趋势。0~ton时段，Ub1>0,VT1、VT4导通，电流id:A→B,呈减小趋势。后面各周期往复循环，可得瞬时电压波形如右图uAB=UsuAB=-Us错!!由图知Ud<0,电机反转，电流应B→A应该VT2、VT3参与导通，VD1、VD4续流!错在何处？§5.2.2可逆PWM功率放大器一、双极式控制

电机正转时，电流id方向从A→B，应VT1、VT4参与导通，VD2、VD3起续流作用。电机的转向判别当正转当反转电机反转时，电流id方向从B→A，应VT2、VT3参与导通，VD1、VD4起续流作用。从Ub1波形易看出：占空比小于0!电机反转!所以应从VT2、VT3导通开始入手分析!§5.2.2可逆PWM功率放大器一、双极式控制

例：双极式控制PWM功率放大器，控制电压Ub1的波形如下图示，试分析管子的导通情况，画出电机电压、电流波形图。解：则Ub1波形知，Ud<0,电机反转VT2、VT3参与导通，VD1VD4续流。T~T+ton时段，Ub1>0,VD1、VD4续流，电流id:B→A,呈增大趋势。ton~T时段，Ub1<0,VT2、VT3导通，电流id:B→A,呈减小趋势。后面各周期往复循环，可得瞬时电压波形如右图uAB=-UsuAB=Us6、双极式控制电路的分析方法(1)首先观察控制电压Ub1的波形，判断平均电压的正负和电机转向。(2)若电机正转，则VT1、VT4参与导通，VD2、VD3续流，id:A→B应从0~ton时段入手分析。(3)若电机反转，则VT2、VT3参与导通，VD1、VD4续流，id:B→A应从ton~T时段入手分析。(4)写出各时段导通的管子，uAB的大小，电流的方向及变化趋势。(5)画出电压、电流波形图§5.2.2可逆PWM功率放大器一、双极式控制7、双极式控制的优缺点(1)电流一定是连续的。(2)可使电机在四象限运行。(4)低速性能好，调速范围宽。(1)开关损耗大。(2)同一桥臂两个晶体管容易出现上下直通，造成短路。§5.2.2可逆PWM功率放大器一、双极式控制优点：低速时每个电力晶体管的驱动脉冲较宽，能保证晶体管可靠导通。(3)电机停车时有微振电流，能消除正、反向起动时的静磨擦死区。缺点：四个电力晶体管的基极都加脉冲信号，均处于开关状态。(1)VT1、VT2基极加控制脉冲，且(2)电机正转时，Ub4恒为正，Ub3恒为负。§5.2.2可逆PWM功率放大器二、单极式控制1、单极式控制方法单极式控制是针对双极式控制提出的一种改进型控制方案。电机反转时，Ub3恒为正，Ub4恒为负。可见，单极式控制处于交替开关状态的管子数量减少了一半，开关损耗也减小一半，且右桥臂2个晶体管不会出现上下直通，安全性提高了。§5.2.2可逆PWM功率放大器二、单极式控制2、工作过程分析电动机正转、反转工作时，电压、电流波形图及各时段导通的管子如右下图所示，请试着加以分析。注意正转和反转时控制电压的加法!观察电机瞬时电压波形，说一说双极式控制、单极式控制名称的由来。§5.2.2可逆PWM功率放大器二、单极式控制3、平均电压(1)电机正转控制时与不可逆PWM功率放器相同(2)电机反转控制时双极式控制根据Ub1的波形就能看出电机的正、反转，单极式可以吗？(1)VT1、VT2基极加控制脉冲，且(2)电机正转时，Ub4恒为正，Ub3恒为负。§5.2.2可逆PWM功率放大器二、单极式控制控制方法回顾电机反转时，Ub3恒为正，Ub4恒为负。不难发现，从减少管子开关损耗和减少桥臂上下直通机率的角度看，单极式控制仍然有进一步改进的潜力:电动机正转时VT2一般没有导通机会，不防让Ub2恒为负；同样电动机反转时VT1没有导通机会，可让Ub1恒为负，这样VT1和VT2也不会出现上下直通了。这就是下面要介绍的第三种控制方式。(1)电机正转时，Ub1为脉冲电压Ub4恒为正；Ub2、Ub3恒为负。§5.2.2可逆PWM功率放大器三、受限单极式控制1、控制方法(2)电机反转时，Ub2为脉冲电压Ub3恒为正；Ub1、Ub4恒为负。受限单极式控制的管子导通情况、电压电流波形、电枢电压平均值等与单极式一样。所不同的是，电动机轻载运行时单极式不会出现电流断续，而受限单极式会出现电流断续。§5.2.2可逆PWM功率放大器三、受限单极式控制2*、电机正转、轻载工作分析此时仍有下式成立§5.2.2可逆PWM功率放大器可逆PWM功率放大器三种控制方式的比较④电力晶体管的开关损耗。双极式控制4个电力晶体管均加控制脉冲电压，开关损耗最大，单极式控制有2个晶体管加控制脉冲电压，开关损耗较小，受限单极式控制只有1个晶体管加控制脉冲电压，开关损耗最小。①可逆运行的切换。双极式控制只需改变控制脉冲的占空比，可自然实现正、反转的切换；单极式控制和受限单极式控制则需要改变晶体管控制电压的施加方式。②电枢电压的极性。双极式控制电动机的瞬时电压uAB有2种极性；单极式控制和受限单极式控制则只有一种极性，即电动机正转时uAB为正脉冲电压，反转时uAB为负脉冲电压。③电枢电流的连续性。双极式控制和单极式控制，电枢电流总是连续的，受限单极式控制在轻载运行时会出现电流断续。§5.2.2可逆PWM功率放大器可逆PWM功率放大器三种控制方式的比较⑦晶体管和二极管导通情况比较。3种控制方式下，不同转向、不同时段晶体管和二极管的导通情况如表5-1所示。⑤安全性。双极式控制左右桥臂晶体管均可能出现上下直通情况，单极式控制左桥臂可能出现上下直通情况，受限单极式控制不会出现上下直通情况。⑥低速性能。双极式在低速时控制正脉冲宽度接近T/2，晶体管能可靠导通，因此低速性能好，调速范围宽；单极式和受限单极式控制，低速控制时，正脉冲宽度接近于零，不能保证晶体管可靠导通，因此低速性能较差，有最低转速限制。思考题：1．什么是双极式控制、单极式控制和受限单极式控制？4．H型PWM功率放大器的3种控制方式各有什么优缺点？§5.3脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统主电路的构成----PWM功率放大器主电路控制电路为电机提供脉宽可调的脉冲电压提供主电路所需的基极控制电压控制电路的构成----基于双闭环控制主电路控制电路为什么没有平波电抗器？§5.3脉宽调速系统的控制电路双闭环：ACR输出控制电压Uc。UPW(脉宽调制器)：产生宽度由Uc控制的Ub波形。GM(调制波发生器)：产生调制波形，如周期性的三角波等。DLD(逻辑延时电路)：防止H桥臂上下直通。GD(驱动电器)：对Ub进行整形的功率放大。FA：过电流保护之用。§5.3.1脉宽调制器UPW1．脉宽调制器的功能脉宽调制器是一个电压—脉冲变换电路，产生脉冲的周期由来自调制波发生器GM的调制波决定，一个周期内正负脉冲的宽度由电流调节器输出的控制电压Uc加以控制。脉宽调制器2．脉宽调制器的类型④数字式脉宽调制器。①用锯齿波作调制信号的脉宽调制器。②用三角波作调制信号的脉宽调制器。③用多谐振荡器和单稳触发器组成的脉宽调制器。§5.3.1脉宽调制器UPW3．锯齿波脉宽调制器的工作原理起偏置调节作用的偏移电压Ub

脉宽调制器是一个由运算放大器构成的电压比较器来自调制波发生器GM的锯齿波信号Usa来自电流调节器输出的控制信号Uc有3个电压输入信号：合成信号仍然是锯齿波，Ub、Uc的作用是使锯齿波上下移动。脉宽调制器的输入输出特性§5.3.1脉宽调制器UPW3．锯齿波脉宽调制器的工作原理改变控制电压Uc的值，可使锯齿波上下移动，从而引起Upw正负脉冲的宽度发生改变，即改变占空比。§5.3.1脉宽调制器UPW4．脉宽调制器偏移电压的整定偏移电压Ub的整定原则：Uc=0V时，使产生脉冲的占空比ρ=0PWM功率放大器在不同控制方式下，占空比为零的控制脉冲是不一样的，偏移电压Ub的整定也是不同的。双极式控制方式下，ρ=0的波形如图示即正、负脉冲宽度相等设锯齿波的幅值为UsmaxUb整定后，改变Uc可得到不同占空比的控制波形Upw电机反转电机正转电机停转控制电压的取值范围：§5.3.2延时环节DLD1．DLD的作用防止H电路同一桥臂上下两个晶体管直通形成短路。2．H电路上下直通的成因晶体管基极电压变负时，真正关断需要一定的时间，称为关断时间toff（包括存储时间ts和电流下降时间t1）H电路上下两个管子，一个管子的Ub由正变负的同时，另一个管子的Ub由负变正。若在关断的管子还没有真正关断，另一个管子通了，则造成上下直通情况。3．避免H电路上下直通的措施§5.3.2延时环节DLD使两脉冲的上升沿和下降沿之间存在一个时间差t