電力拖動自動控制系統(tǒng)第四章

電力拖動自動控制系統(tǒng) 第四章 主講教師 解小華學(xué)時 64 第四章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) 本章提要 問題的提出 脈寬調(diào)制變換器 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 PWM調(diào)速系統(tǒng)控制電路 第四章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) 問題的提出 自從全控型電力電子器件問世以后 就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制 PWM 的高頻開關(guān)控制方式形成的脈寬調(diào)制變換器 直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) 即直流PWM調(diào)速系統(tǒng) 對于直流電機(jī)調(diào)速 可控直流電源可以有兩種方式 晶閘管整流 斬波電源或脈寬調(diào)制變換器 斬波電源利用不可控直流電源經(jīng)過電子開關(guān)的高頻通斷切換來實現(xiàn)對負(fù)載電壓供電 第四章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) V M直流調(diào)速系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位 即可改變整流電壓Ud 從而實現(xiàn)平滑調(diào)速 與G M系統(tǒng)相比V M系統(tǒng)有很多優(yōu)越性 但它也有缺點 電流是脈動的 產(chǎn)生諧波分量 尤其在低速時 因此需要加平波電抗器 設(shè)備投入大 體積增加 同時電感大又限制了系統(tǒng)的快速性 當(dāng)系統(tǒng)在較低速運行時 晶閘管的導(dǎo)通角很小 使系統(tǒng)的功率因素很低 并產(chǎn)生較大的諧波電流 引起電網(wǎng)電壓波形畸變殃及附近的用電設(shè)備 也限制了調(diào)速范圍 對過電壓 過電流敏感 要注意保護(hù) 第四章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) 直流PWM調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點 主電路簡單 不用電抗器 用電機(jī)本身的電感 從而獲得脈動很小的直流電流 開關(guān)頻率高 電樞電流容易連續(xù) 無電流斷續(xù)問題 系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn) 調(diào)速范圍較寬 頻帶寬 響應(yīng)快 功率因素高 電流和電壓永遠(yuǎn)相同 無無功功率問題 PWM調(diào)速系統(tǒng)和V M調(diào)速系統(tǒng)主要區(qū)別在主電路和PWM控制電路 閉環(huán)控制系統(tǒng)以及靜 動態(tài)分析和設(shè)計基本一樣 PWM脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制變換器 第四章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) 4 1脈寬調(diào)制變換器本節(jié)提要 不可逆PWM變換器 可逆PWM變換器 4 1脈寬調(diào)制變換器 一 不可逆PWM變換器 一 簡單的不可逆PWM變換器 直流降壓斬波器 1 組成 2 1 Us 由二極管整流電路提供 電容C 大容量 濾波 二極管VD 在晶體管VT關(guān)斷時為電樞回路提供釋放電感儲能的續(xù)流回路 功率開關(guān)器件VT由脈寬可調(diào)的脈沖電壓Ug驅(qū)動 4 1脈寬調(diào)制變換器 2 基本原理 由二極管整流橋完成 交 直 Us恒定 控制VT在一個周期內(nèi)導(dǎo)通的長短 即脈沖寬度 來改變電樞平均電壓Ud 可控 t t t us Us Us US ud ud Ud1 Ud2 f 2f ton ton ton ton T T 2T 2T 在一個開關(guān)周期T內(nèi) 當(dāng)0 t ton時 Ug為正 VT飽和導(dǎo)通 ud us 當(dāng)ton t T時 Ug為負(fù)VT截止 ud 0 M經(jīng)VD續(xù)流 系統(tǒng)Uct小 Ug的導(dǎo)通時間ton短 Uct大 Ug的導(dǎo)通時間ton長 顯然 Ud2 Ud1 4 1脈寬調(diào)制變換器 電壓和電流波形 O 4 1脈寬調(diào)制變換器 電機(jī)兩端得到的平均電壓為 式中 ton T為PWM波形的占空比 改變 0 1 即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 PWM脈寬調(diào)速系統(tǒng)如上述介紹有許多優(yōu)點 但也存在缺點 過壓能力低 需保護(hù) VT單向?qū)щ娦?不可逆 無制動 需要制動時 必須具有反向電流 id的通路 因此應(yīng)再設(shè)置一個電力晶體管 4 1脈寬調(diào)制變換器 二 有制動的不可逆PWM變換器電路1 主電路結(jié)構(gòu) 有制動電流通路的不可逆PWM變換器 M VD2 Ug2 Ug1 VT2 VT1 VD1 E 4 1 2 3 C Us VT2 Ug2 VT1 Ug1 Ug1 Ug2 極性相反 4 1脈寬調(diào)制變換器 2 工作狀態(tài)與波形 M是電動狀態(tài)a 在0 t ton期間 Ug1為正 VT1導(dǎo)通 Ug2為負(fù) VT2關(guān)斷 此時 電源電壓Us加到電樞兩端 電流id沿圖中的回路1流通 b 在ton t T期間 Ug1和Ug2都改變極性 VT1關(guān)斷 但VT2也不能導(dǎo)通 因為id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流 在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓 使它失去導(dǎo)通的可能 因此 電動狀態(tài)是由VT1和VD2交替導(dǎo)通 VT2始終不通 4 1脈寬調(diào)制變換器 輸出波形 電動狀態(tài)的電壓 電流波形與簡單的不可逆電路波形完全一樣 M為電動狀態(tài)的電壓 電流波形 4 1脈寬調(diào)制變換器 制動狀態(tài) 減速 減速時 減小Uct 使Ug1的正脈沖變窄 負(fù)脈沖變寬 從而使平均電樞電壓Ud降低 Ud1 Ud2 由于機(jī)電慣性 轉(zhuǎn)速n和反電動勢E還來不及變化 因而造成E Ud的局 ud ud ton ton T T Ud1 Ud2 E E 面 由Ud0 E IdR可知 很快使電流id反向 這時希望VT2發(fā)揮作用 4 1脈寬調(diào)制變換器 制動狀態(tài)的一個周期分為兩個工作階段 先分析ton T階段 a 在ton t T期間 Ug2變正 于是VT2導(dǎo)通 E Ud使電流id反向 沿回路3流通 M 處于能耗制動 b 在T t T ton 下一周期的0 t ton 期間 VT2關(guān)斷 id沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流 向電源回饋制動 同時在VD1兩端上的壓降使VT1不能導(dǎo)通 制動狀態(tài)電流流向如下圖 4 1脈寬調(diào)制變換器 制動狀態(tài)電流流向 M VD2 Ug2 Ug1 VT2 VT1 VD1 E 4 3 C Us VT2 Ug2 VT1 Ug1 4 1脈寬調(diào)制變換器 在整個制動狀態(tài)中 VT2和VD1輪流導(dǎo)通 而VT1始終是關(guān)斷的 此時的電壓和電流波形如下圖 制動狀態(tài)的電壓 電流波形 4 1脈寬調(diào)制變換器 由于制動作用使電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降 n E 直到新的穩(wěn)態(tài) Ud E 又回到VT1和VD2輪流導(dǎo)通 M重新回到電動狀態(tài) 注意 當(dāng)US 直流電源 采用半導(dǎo)體整流裝置時 其單向?qū)щ娦?在回饋制動階段電能不可能通過它送回電網(wǎng) 只能向濾波電容C充電 從而造成瞬間電壓升高 稱作 泵升電壓 它的值太高時 對電力晶體管和整流二極管都不利 限制的措施書中有介紹 4 1脈寬調(diào)制變換器 輕載電動狀態(tài)有一種特殊情況 即輕載電動狀態(tài) 這時平均電流較小 以致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時 還沒有到達(dá)周期T 電流已經(jīng)衰減到零 此時 VT2兩端電壓也降為零 便提前導(dǎo)通了 使電流方向變動 產(chǎn)生局部時間的制動作用 輕載電動狀態(tài) 一個周期分成四個階段 第1階段 VD1續(xù)流 電流 id沿回路4流通 第2階段 VT1導(dǎo)通 電流id沿回路1流通 第3階段 VD2續(xù)流 電流id沿回路2流通 第4階段 VT2導(dǎo)通 電流 id沿回路3流通 4 1脈寬調(diào)制變換器 在1 4階段 電動機(jī)流過負(fù)方向電流 電機(jī)工作在制動狀態(tài) 在2 3階段 電動機(jī)流過正方向電流 電機(jī)工作在電動狀態(tài) 因此 在輕載時 電流可在正負(fù)方向之間脈動 平均電流等于負(fù)載電流 其輸出波形見下圖 輕載電動狀態(tài)的電流波形 4 1脈寬調(diào)制變換器 小結(jié) 不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài) 4 1脈寬調(diào)制變換器 二 可逆PWM變換器 可逆PWM變換器主電路有H型 T型多種形式 最常用的是橋式 亦稱H型 電路 如下圖所示 這時 電動機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件基極驅(qū)動電壓極性的變化而改變 其控制方式有雙極式 單極式 受限單極式等多種 這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆PWM變換器 4 1脈寬調(diào)制變換器 一 雙極式可逆PWM變換器 Us Ug4 Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 A B VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 橋式可逆PWM變換器 1 主電路結(jié)構(gòu) 4個大功率晶體管VT 開關(guān)管 VT1 VT4一組 VT2 VT3一組 4個續(xù)流二極管VD1 VD4 驅(qū)動電壓 Ug1 Ug4 Ug2 Ug3 Ug1 4 1脈寬調(diào)制變換器 2 工作狀態(tài)與波形 正向運行 在0 t ton期間 Ug1 Ug4為正 VT1 VT4導(dǎo)通 Ug2 Ug3為負(fù) VT2 VT3截止 電流id沿回路1流通 電動機(jī)M兩端電壓UAB Us 在ton t T期間 Ug1 Ug4為負(fù) VT1 VT4截止 由于電感儲存很大能量 放電 維持電流方向不變 這時通過VD2 VD3續(xù)流 并鉗位使VT2 VT3保持截止 電流id沿回路2流通 電動機(jī)M兩端電壓UAB Us 4 1脈寬調(diào)制變換器 正向運行電流流向 Us Ug4 Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 1 2 A B VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 橋式可逆PWM變換器 Ug1 Ug4 Ug1 Ug4 4 1脈寬調(diào)制變換器 反向運行 先分析ton T階段 在ton t T期間 Ug2 Ug3為正 VT2 VT3導(dǎo)通 Ug1 Ug4為負(fù) 使VT1 VT4截止 電流 id沿回路3流通 電動機(jī)M兩端電壓UAB Us 在T t T ton 下一周期的0 t ton 期間 Ug2 Ug3為負(fù) VT2 VT3截止 VD1 VD4續(xù)流 并鉗位使VT1 VT4截止 電流 id沿回路4流通 電動機(jī)M兩端電壓UAB Us 4 1脈寬調(diào)制變換器 反向運行電流流向 Us Ug4 Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 3 A B 4 VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 橋式可逆PWM變換器 Ug2 Ug3 Ug2 Ug3 4 1脈寬調(diào)制變換器 輸出波形 4 1脈寬調(diào)制變換器 輸出平均電壓雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 為占空比 當(dāng) 0時 ton T 2 Ud 電機(jī)正轉(zhuǎn) 當(dāng) 0時 ton T 2 Ud 電機(jī)反轉(zhuǎn) 當(dāng) 0時 ton T 2 電機(jī)停止 4 1脈寬調(diào)制變換器 注意 當(dāng)電機(jī)停止時電樞電壓并不等于零 而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓 因而電流也是交變的 這個交變電流的平均值為零 不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩 徒然增大電機(jī)的損耗 這是雙極式控制的缺點 但它也有好處 在電機(jī)停止時仍有高頻微振電流 從而消除了正 反向時的靜摩擦死區(qū) 起著所謂 動力潤滑 的作用 雙極式可逆PWM制動時情況比較復(fù)雜 根據(jù)VT3 VT2的通斷情況 電機(jī)可能處在能耗制動 再生發(fā)電或反接制動 產(chǎn)生制動時一定具備上述其中一個制動過程 4 1脈寬調(diào)制變換器 性能評價 雙極式可逆PWM變換器的優(yōu)點 a 電流一定連續(xù) b 可使電機(jī)在四象限運行 c 電機(jī)停止時有微振電流 能消除靜摩擦死區(qū) d 低速平穩(wěn)性好 系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1 20000左右 e 低速時 每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬 有利于保證器件的可靠導(dǎo)通 4 1脈寬調(diào)制變換器 雙極式可逆PWM變換器的缺點 a 在工作過程中 4個大功率晶體管可能都處于開關(guān)狀態(tài) 開關(guān)損耗大 b 在切換時可能發(fā)生上 下橋臂直通的事故 為了防止上述情況 在上 下橋臂的驅(qū)動脈沖之間 應(yīng)設(shè)置邏輯延時 二 單極式可逆PWM變換器為克服雙極式變換器的上述缺點 可采用單極式PWM變換器 電路圖與雙極式的一樣 如下圖所示 4 1脈寬調(diào)制變換器 1 單極式可逆PWM變換器主電路結(jié)構(gòu) Us Ug4 Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 A B VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 橋式可逆PWM變換器 驅(qū)動電壓 Ug1 Ug2 VT1與VT2交替導(dǎo)通 VT3與VT4由轉(zhuǎn)向決定常通 正轉(zhuǎn)時 VT4直通 VT3截止 反轉(zhuǎn)時 VT3直通 VT4截止 4 1脈寬調(diào)制變換器 2 工作狀態(tài)與波形 正向運行 在0 t ton期間 Ug1 Ug4為正 VT1 VT4導(dǎo)通 Ug2 Ug3為負(fù) VT2 VT3截止 電流id沿回路1流通 電動機(jī)M兩端電壓UAB Us 在ton t T期間 Ug4為正 VT4繼續(xù)導(dǎo)通Ug1 Ug3為負(fù) VT1 VT3截止 由于電感儲存很大能量 放電 維持電流方向不變 這時雖然Ug2為正 但電流通過VT4 VD2續(xù)流 并鉗位使VT2保持截止 電流id沿回路2流通 電動機(jī)M兩端電壓UAB 0 4 1脈寬調(diào)制變換器 正向運行電流流向 Us Ug4 Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 1 2 A B VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 橋式可逆PWM變換器 Ug1 Ug4 Ug4 4 1脈寬調(diào)制變換器 反向運行 先分析ton T階段 在ton t T期間 Ug2 Ug3為正 VT2 VT3導(dǎo)通 Ug1 Ug4為負(fù) 使VT1 VT4截止 電流 id沿回路3流通 電動機(jī)M兩端電壓UAB Us 在T t T ton 下一周期的0 t ton 期間 Ug3為正 VT3導(dǎo)通 Ug1為正 也不導(dǎo)通 VT3 VD1續(xù)流 并鉗位使VT1截止 電流 id沿回路4流通 電動機(jī)M兩端電壓UAB 0 4 1脈寬調(diào)制變換器 反向運行電流流向 Us Ug4 Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 3 A B 4 VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 橋式可逆PWM變換器 Ug2 Ug3 Ug3 4 1脈寬調(diào)制變換器 輸出波形 單極式在一個周期內(nèi)有一段UAB 0 因而被稱作 第四章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) 4 2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性本節(jié)提要 帶制動的不可逆電路電壓方程 雙極式可逆電路電壓方程 機(jī)械特性方程 4 2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 由于采用脈寬調(diào)制 嚴(yán)格地說 即使在穩(wěn)態(tài)情況下 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是脈動的 所謂穩(wěn)態(tài) 是指電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài) 機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩 電流 的關(guān)系 采用不同形式的PWM變換器 系統(tǒng)的機(jī)械特性也不一樣 對于帶制動電流通路的不可逆電路和雙極式控制的可逆電路 電流的方向是可逆的 無論是重載還是輕載 電流波形都是連續(xù)的 因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡單 現(xiàn)在就分析這種情況 4 2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 一 帶制動的不可逆電路電壓方程 對于帶制動電流通路的不可逆電路 電壓平衡方程式分兩個階段 0 t ton ton t T 式中R L 電樞電路的電阻和電感 4 2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 二 雙極式可逆電路電壓方程 對于雙極式控制的可逆電路 只在第二個方程中電源電壓由0改為 Us 其他均不變 于是 電壓方程為 0 t ton ton t T 式中R L 電樞電路的電阻和電感 4 2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 三 機(jī)械特性方程 按電壓方程求一個周期內(nèi)的平均值 即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式 無論是上述哪一種情況 電樞兩端在一個周期內(nèi)的平均電壓都是Ud Us Ud Us為PWM電壓系數(shù) 只是 與占空比 的關(guān)系不同 在不可逆PWM變換器 在雙極式控制的可逆變換器 2 1 平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用Id和Te表示 平均轉(zhuǎn)速n E Ce 而電樞電感壓降的平均值Ldid dt在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為零 4 2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 于是 無論是上述哪一組電壓方程 其平均值方程都可寫成 機(jī)械特性方程 或用轉(zhuǎn)矩表示 式中Cm Km N 電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù) n0 Us Ce 理想空載轉(zhuǎn)速 與電壓系數(shù)成正比 4 2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線 電流連續(xù) n0s Us Ce 4 2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 說明 圖中所示的機(jī)械曲線是電流連續(xù)時脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能 圖中僅繪出了第一 二象限的機(jī)械特性 它適用于帶制動作用的不可逆電路 雙極式控制可逆電路的機(jī)械特性與此相仿 只是更擴(kuò)展到第三 四象限了 對于電機(jī)在同一方向旋轉(zhuǎn)時電流不能反向的電路 輕載時會出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象 把平均電壓抬高 在理想空載時 Id 0 理想空載轉(zhuǎn)速會翹到n0s Us Ce 第四章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) 4 3PWM調(diào)速系統(tǒng)控制電