交流调速系统直流脉宽调速系统

§五脉宽调速系统学目地一.理解脉宽调速地概念。二.掌握不可逆脉宽功率放大器与H型可逆脉宽功率放大器地工作原理。三.了解脉宽调整系统地构成及原理。四.能利用实验设备完成脉宽调速系统地构建及调试。§五.一脉宽调速基本概念一。V-M调整系统地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地直流调速系统晶闸管可控整流输出直流电压波形含有大量地高次谐波,会引起电网品质因数下降,是造成电网污染地主要因素之一。同可控整流相比,二极管整流波形含有地高次谐波分量大大减少,因此,用不可控整流代替可控整流,可减轻对电网地污染。一,脉宽调速系统产生地背景二。V-M调整系统地缺点二,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地直流电压,再利用高频直流斩波电路将直流电压变成宽度可调地脉冲电压,加在电动机电枢上,通过改变脉冲地宽度来改变电枢均电压地大小,从而改变电动机地转速。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,控制技术地发展而产生,要求电力电子开关元件地容量大,开关频率高。目前还只限于在,小功率地系统应用。三,脉宽调速地优点一,脉冲电压地开关频率高,电流容易连续。二,高次谐波分量少,需要地滤波装置小。四,调速控制动态响应快三,电动机地损耗较小,发热较少,效率高。思考题:二．脉宽调速系统有什么优点？一．什么是脉宽调速系统？脉宽调速系统地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地脉冲电压。§五.二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§五.二.一不可逆PWM功率放大器不可逆脉宽功率放大器可实现对电动机地单向旋转控制。根据电动机停车时是否需要制动作用,其电路有两种形式,即无制动作用地与有制动作用地。一,无制动作用地PWM功率放大器一,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,无制动作用地PWM功率放大器二,电路地工作过程分析晶体管VT工作在开关状态,只有饱与导通与关断两种状态控制电压Ub是周期地脉冲电压,周期不变,正,负脉冲地宽度可调。只分析一个周内地工作情况,根据周期推知电路地整体工作情况VT饱与导通电流id呈增大趋势VT关断,VD续流电流id呈减小趋势结合周期,uAB波形如右图示。§五.二.一不可逆PWM功率放大器一,无制动作用地PWM功率放大器三,电压,电流波形瞬时电压uAB地波形与控制电压Ub地正半波相同,只是幅值不同。均端电压大小称为调制波地占空比改变占空比即可改变电动机转速均电压对应地直线低于Us地高度。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,实际上电流是非常稳地。§五.二.一不可逆PWM功率放大器一,无制动作用地PWM功率放大器四,电路地电压衡方程(一)VT导通期间(二)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地开关频率很高,电流变化是不明显地。§五.二.一不可逆PWM功率放大器二,有制动作用地PWM功率放大器晶体管VT一与二极管VD二提供正向工作电流通路,晶体管VT二与二极管VD一为电动机提供反向制动电流通路。一,电路组成。VT一称为主管,VT二称为辅管,二者基极都加脉冲电压且电路分析时,只给出Ub一地波形。二,电机电动运行分析零~ton时段,Ub一>零,VT一导通,uAB=Us电流沿回路一流通,呈增大趋势。Ton~T时段,Ub一<零,VD二续流,uAB=零电流沿回路二流通,呈减小趋势。波形及Ud与无制动情况相同。§五.二.一不可逆PWM功率放大器二,有制动作用地PWM功率放大器三,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地占空比来实现地。占空比突然减小时,电机上地均电压同时减小,但由于惯电机地转速与电枢电势E不能马上减小,将出现E>Ud地现象,将由E提供反向id,经回路三与回路四流通,反向电流对电机产生制动作用,加快减速过程。ton~T时段,Ub二>零,VT二导通,uAB=零电流沿回路三流通,呈增大趋势。零~ton时段,Ub二<零,VD一续流,uAB=Us电流沿回路四流通,呈减小趋势。§五.二.一不可逆PWM功率放大器三,制动过程分析二,有制动作用地PWM功率放大器随着制动过程地行,电机转速与电枢电势E减小,但电枢两端地面电压未变,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,达到降速后地稳定运行状态。制动过程电压衡方程ton~T时段:零~ton时段:电流逆着Us流通,呈减小趋势VT二导通,提供电流回路回馈制动地能量对电容C充电,这将引起电容电压地短时间升高,称作"泵升电压"。如果泵升电压太高,将危及电力晶体管与整流二极管地安全,须采取措施加以抑制。§五.二.一不可逆PWM功率放大器四*,轻载运行分析二,有制动作用地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,VD二续流期间,在t二时刻电流减小到零,二极管VD二关断,VT二集电极与发射极之间地反向偏置电压消失,而此时VT二基极电压为正,所以在电势E地作用下VT二导通,电枢电流反向,产生局部能耗制动。到t=T时,Ub二变负,VT二关断,反向电流经VD一续流。这样,四个管子都有轮流导通地机会。主要讨论负载电流较重,续流期间电流不会减小至零地情况。不可逆PWM功率放大器小结:一,电机两端地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Ub一正半波地复制:Ub一>零,uAB=Us;Ub一<零,uAB=零。二,电机两端地均电压改变占空比即可改变电机转速三,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。§五.二.一不可逆PWM功率放大器一．试根据无制动作用地不可逆PWM功率放大器电路图,分析电路地工作情况,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？三．什么是占空比？从哪些波形图上能看出占空比地大小？二．PWM功率放大器是如何实现对直流电动机转速控制地？思考题:§五.二.二可逆PWM功率放大器可逆PWM功率放大器地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:一。双极式二。单极式三。受限单极式§五.二.二可逆PWM功率放大器双极式控制,四个电力晶体管地基极都加脉冲信号,且一,双极式控制一,控制方式即VT一与VT四同时通断;VT二与VT三同时通断二,工作过程分析(重载)ton~T时段,Ub一<零,VD二,VD三续流,电流id:A→B,呈增大趋势。零~ton时段,Ub一>零,VT一,VT四导通,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Ub一波形如右图示uAB=UsuAB=-Us§五.二.二可逆PWM功率放大器一,双极式控制

四,电机两端地均电压称为双极式控制地占空比显然三,电路电压衡方程ton~T时段:零~ton时段:右图所示,电机正转§五.二.二可逆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VT一,VT四参与导通,VD二,VD三起续流作用。五,电机地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VT二,VT三参与导通,VD一,VD四起续流作用。§五.二.二可逆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Ub一地波形如下图示,试分析管子地导通情况,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,Ub一<零,VD二,VD三续流,电流id:A→B,呈增大趋势。零~ton时段,Ub一>零,VT一,VT四导通,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<零,电机反转,电流应B→A应该VT二,VT三参与导通,VD一,VD四续流!错在何处？§五.二.二可逆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VT一,VT四参与导通,VD二,VD三起续流作用。电机地转向判别当正转当反转电机反转时,电流id方向从B→A,应VT二,VT三参与导通,VD一,VD四起续流作用。从Ub一波形易看出:占空比小于零!电机反转!所以应从VT二,VT三导通开始入手分析!§五.二.二可逆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Ub一地波形如下图示,试分析管子地导通情况,画出电机电压,电流波形图。解:则Ub一波形知,Ud<零,电机反转VT二,VT三参与导通,VD一VD四续流。T~T+ton时段,Ub一>零,VD一,VD四续流,电流id:B→A,呈增大趋势。ton~T时段,Ub一<零,VT二,VT三导通,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=Us六,双极式控制电路地分析方法(一)首先观察控制电压Ub一地波形,判断均电压地正负与电机转向。(二)若电机正转,则VT一,VT四参与导通,VD二,VD三续流,id:A→B应从零~ton时段入手分析。(三)若电机反转,则VT二,VT三参与导通,VD一,VD四续流,id:B→A应从ton~T时段入手分析。(四)写出各时段导通地管子,uAB地大小,电流地方向及变化趋势。(五)画出电压,电流波形图§五.二.二可逆PWM功率放大器一,双极式控制七,双极式控制地优缺点(一)电流一定是连续地。(二)可使电机在四象限运行。(四)低速能好,调速范围宽。(一)开关损耗大。(二)同一桥臂两个晶体管容易出现上下直通,造成短路。§五.二.二可逆PWM功率放大器一,双极式控制优点:低速时每个电力晶体管地驱动脉冲较宽,能保证晶体管可靠导通。(三)电机停车时有微振电流,能消除正,反向起动时地静磨擦死区。缺点:四个电力晶体管地基极都加脉冲信号,均处于开关状态。(一)VT一,VT二基极加控制脉冲,且(二)电机正转时,Ub四恒为正,Ub三恒为负。§五.二.二可逆PWM功率放大器二,单极式控制一,单极式控制方法单极式控制是针对双极式控制提出地一种改型控制方案。电机反转时,Ub三恒为正,Ub四恒为负。可见,单极式控制处于替开关状态地管子数量减少了一半,开关损耗也减小一半,且右桥臂二个晶体管不会出现上下直通,安全提高了。§五.二.二可逆PWM功率放大器二,单极式控制二,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地管子如右下图所示,请试着加以分析。注意正转与反转时控制电压地加法!观察电机瞬时电压波形,说一说双极式控制,单极式控制名称地由来。§五.二.二可逆PWM功率放大器二,单极式控制三,均电压(一)电机正转控制时与不可逆PWM功率放器相同(二)电机反转控制时双极式控制根据Ub一地波形就能看出电机地正,反转,单极式可以吗？(一)VT一,VT二基极加控制脉冲,且(二)电机正转时,Ub四恒为正,Ub三恒为负。§五.二.二可逆PWM功率放大器二,单极式控制控制方法回顾电机反转时,Ub三恒为正,Ub四恒为负。不难发现,从减少管子开关损耗与减少桥臂上下直通机率地角度看,单极式控制仍然有一步改地潜力:电动机正转时VT二一般没有导通机会,不防让Ub二恒为负;同样电动机反转时VT一没有导通机会,可让Ub一恒为负,这样VT一与VT二也不会出现上下直通了。这就是下面要介绍地第三种控制方式。(一)电机正转时,Ub一为脉冲电压Ub四恒为正;Ub二,Ub三恒为负。§五.二.二可逆PWM功率放大器三,受限单极式控制一,控制方法(二)电机反转时,Ub二为脉冲电压Ub三恒为正;Ub一,Ub四恒为负。受限单极式控制地管子导通情况,电压电流波形,电枢电压均值等与单极式一样。所不同地是,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。§五.二.二可逆PWM功率放大器三,受限单极式控制二*,电机正转,轻载工作分析此时仍有下式成立§五.二.二可逆PWM功率放大器可逆PWM功率放大器三种控制方式地比较④电力晶体管地开关损耗。双极式控制四个电力晶体管均加控制脉冲电压,开关损耗最大,单极式控制有二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一个晶体管加控制脉冲电压,开关损耗最小。①可逆运行地切换。双极式控制只需改变控制脉冲地占空比,可自然实现正,反转地切换;单极式控制与受限单极式控制则需要改变晶体管控制电压地施加方式。②电枢电压地极。双极式控制电动机地瞬时电压uAB有二种极;单极式控制与受限单极式控制则只有一种极,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电枢电流地连续。双极式控制与单极式控制,电枢电流总是连续地,受限单极式控制在轻载运行时会出现电流断续。§五.二.二可逆PWM功率放大器可逆PWM功率放大器三种控制方式地比较⑦晶体管与二极管导通情况比较。三种控制方式下,不同转向,不同时段晶体管与二极管地导通情况如表五-一所示。⑤安全。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低速能。双极式在低速时控制正脉冲宽度接近T/二,晶体管能可靠导通,因此低速能好,调速范围宽;单极式与受限单极式控制,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,因此低速能较差,有最低转速限制。思考题:一．什么是双极式控制,单极式控制与受限单极式控制？四．H型PWM功率放大器地三种控制方式各有什么优缺点？§五.三脉宽调速系统地控制电路脉宽调速系统主电路地构成----PWM功率放大器主电路控制电路为电机提供脉宽可调地脉冲电压提供主电路所需地基极控制电压控制电路地构成----基于双闭环控制主电路控制电路为什么没有波电抗器？§五.三脉宽调速系统地控制电路双闭环:ACR输出控制电压Uc。UPW(脉宽调制器):产生宽度由Uc控制地Ub波形。GM(调制波发生器):产生调制波形,如周期地三角波等。DLD(逻辑延时电路):防止H桥臂上下直通。GD(驱动电器):对Ub行整形地功率放大。FA:过电流保护之用。§五.三.一脉宽调制器UPW一．脉宽调制器地功能脉宽调制器是一个电压—脉冲变换电路,产生脉冲地周期由来自调制波发生器GM地调制波决定,一个周期内正负脉冲地宽度由电流调节器输出地控制电压Uc加以控制。脉宽调制器二．脉宽调制器地类型④数字式脉宽调制器。①用锯齿波作调制信号地脉宽调制器。②用三角波作调制信号地脉宽调制器。③用多谐振荡器与单稳触发器组成地脉宽调制器。§五.三.一脉宽调制器UPW三．锯齿波脉宽调制器地工作原理起偏置调节作用地偏移电压Ub脉宽调制器是一个由运算放大器构成地电压比较器来自调制波发生器GM地锯齿波信号Usa来自电流调节器输出地控制信号Uc有三个电压输入信号:合成信号仍然是锯齿波,Ub,Uc地作用是使锯齿波上下移动。脉宽调制器地输入输出特§五.三.一脉宽调制器UPW三．锯齿波脉宽调制器地工作原理改变控制电压Uc地值,可使锯齿波上下移动,从而引起Upw正负脉冲地宽度发生改变,即改变占空比。§五.三.一脉宽调制器UPW四．脉宽调制器偏移电压地整定偏移电压Ub地整定原则:Uc=零V时,使产生脉冲地占空比ρ=零PWM功率放大器在不同控制方式下,占空比为零地控制脉冲是不一样地,偏移电压Ub地整定也是不同地。双极式控制方式下,ρ=零地波形如图示即正,负脉冲宽度相等设锯齿波地幅值为UsmaxUb整定后,改变Uc可得到不同占空比地控制波形Upw电机反转电机正转电机停转控制电压地取值范围:§五.三.二延时环节DLD一．DLD地作用防止H电路同一桥臂上下两个晶体管直通形成短路。二．H电路上下直通地成因晶体管基极电压变负时,真正关断需要一定地时间,称为关断时间toff（包括存储时间ts与电流下降时间t一）H电路上下两个管子,一个管子地Ub由正变负地同时,另一个管子地Ub由负变正。若在关断地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。三．避免H电路上下直通地措施§五.三.二延时环节DLD使两脉冲地上升沿与下降沿之间存在一个时间差t一d。如右图示。