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 解小華學時 64 第四章直流脈寬調速系統(tǒng) 本章提要 問題的提出 脈寬調制變換器 直流脈寬調速系統(tǒng)的機械特性 PWM調速系統(tǒng)控制電路 第四章直流脈寬調速系統(tǒng) 問題的提出 自從全控型電力電子器件問世以后 就出現了采用脈沖寬度調制 PWM 的高頻開關控制方式形成的脈寬調制變換器 直流電動機調速系統(tǒng) 簡稱直流脈寬調速系統(tǒng) 即直流PWM調速系統(tǒng) 對于直流電機調速 可控直流電源可以有兩種方式 晶閘管整流 斬波電源或脈寬調制變換器 斬波電源利用不可控直流電源經過電子開關的高頻通斷切換來實現對負載電壓供電 第四章直流脈寬調速系統(tǒng) V M直流調速系統(tǒng)通過調節(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 從而實現平滑調速 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 產生諧波分量 尤其在低速時 因此需要加平波電抗器 設備投入大 體積增加 同時電感大又限制了系統(tǒng)的快速性 當系統(tǒng)在較低速運行時 晶閘管的導通角很小 使系統(tǒng)的功率因素很低 并產生較大的諧波電流 引起電網電壓波形畸變殃及附近的用電設備 也限制了調速范圍 對過電壓 過電流敏感 要注意保護 第四章直流脈寬調速系統(tǒng) 直流PWM調速系統(tǒng)優(yōu)點 主電路簡單 不用電抗器 用電機本身的電感 從而獲得脈動很小的直流電流 開關頻率高 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) 調速范圍較寬 頻帶寬 響應快 功率因素高 電流和電壓永遠相同 無無功功率問題 PWM調速系統(tǒng)和V M調速系統(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)分析和設計基本一樣 PWM脈寬調速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調制變換器 第四章直流脈寬調速系統(tǒng) 4 1脈寬調制變換器本節(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 功率開關器件VT由脈寬可調的脈沖電壓Ug驅動 4 1脈寬調制變換器 2 基本原理 由二極管整流橋完成 交 直 Us恒定 控制VT在一個周期內導通的長短 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 在一個開關周期T內 當0 t ton時 Ug為正 VT飽和導通 ud us 當ton t T時 Ug為負VT截止 ud 0 M經VD續(xù)流 系統(tǒng)Uct小 Ug的導通時間ton短 Uct大 Ug的導通時間ton長 顯然 Ud2 Ud1 4 1脈寬調制變換器 電壓和電流波形 O 4 1脈寬調制變換器 電機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 即可調節(jié)電機的轉速 PWM脈寬調速系統(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 VT單向導電性 不可逆 無制動 需要制動時 必須具有反向電流 id的通路 因此應再設置一個電力晶體管 4 1脈寬調制變換器 二 有制動的不可逆PWM變換器電路1 主電路結構 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導通 Ug2為負 VT2關斷 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關斷 但VT2也不能導通 因為id沿回路2經二極管VD2續(xù)流 在VD2兩端產生的壓降給VT2施加反壓 使它失去導通的可能 因此 電動狀態(tài)是由VT1和VD2交替導通 VT2始終不通 4 1脈寬調制變換器 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 負脈沖變寬 從而使平均電樞電壓Ud降低 Ud1 Ud2 由于機電慣性 轉速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關斷 id沿回路4經VD1續(xù)流 向電源回饋制動 同時在VD1兩端上的壓降使VT1不能導通 制動狀態(tài)電流流向如下圖 4 1脈寬調制變換器 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脈寬調制變換器 在整個制動狀態(tài)中 VT2和VD1輪流導通 而VT1始終是關斷的 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脈寬調制變換器 由于制動作用使電動機轉速下降 n E 直到新的穩(wěn)態(tài) Ud E 又回到VT1和VD2輪流導通 M重新回到電動狀態(tài) 注意 當US 直流電源 采用半導體整流裝置時 其單向導電性 在回饋制動階段電能不可能通過它送回電網 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 以致在關斷后經續(xù)流時 還沒有到達周期T 電流已經衰減到零 此時 VT2兩端電壓也降為零 便提前導通了 使電流方向變動 產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導通 電流 id沿回路3流通 4 1脈寬調制變換器 在1 4階段 電動機流過負方向電流 電機工作在制動狀態(tài) 在2 3階段 電動機流過正方向電流 電機工作在電動狀態(tài) 因此 在輕載時 電流可在正負方向之間脈動 平均電流等于負載電流 其輸出波形見下圖 輕載電動狀態(tài)的電流波形 4 1脈寬調制變換器 小結 不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài) 4 1脈寬調制變換器 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M兩端電壓的極性隨開關器件基極驅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 主電路結構 4個大功率晶體管VT 開關管 VT1 VT4一組 VT2 VT3一組 4個續(xù)流二極管VD1 VD4 驅動電壓 Ug1 Ug4 Ug2 Ug3 Ug1 4 1脈寬調制變換器 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導通 Ug2 Ug3為負 VT2 VT3截止 電流id沿回路1流通 電動機M兩端電壓UAB Us 在ton t T期間 Ug1 Ug4為負 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M兩端電壓UAB Us 4 1脈寬調制變換器 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導通 Ug1 Ug4為負 使VT1 VT4截止 電流 id沿回路3流通 電動機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 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M兩端電壓UAB Us 4 1脈寬調制變換器 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脈寬調制變換器 輸出波形 4 1脈寬調制變換器 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 0時 ton T 2 Ud 電機正轉 當 0時 ton T 2 Ud 電機反轉 當 0時 ton T 2 電機停止 4 1脈寬調制變換器 注意 當電機停止時電樞電壓并不等于零 而是正負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 不產生平均轉矩 徒然增大電機的損耗 這是雙極式控制的缺點 但它也有好處 在電機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制動時情況比較復雜 根據VT3 VT2的通斷情況 電機可能處在能耗制動 再生發(fā)電或反接制動 產生制動時一定具備上述其中一個制動過程 4 1脈寬調制變換器 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 可使電機在四象限運行 c 電機停止時有微振電流 能消除靜摩擦死區(qū) d 低速平穩(wěn)性好 系統(tǒng)的調速范圍可達1 20000左右 e 低速時 每個開關器件的驅動脈沖仍較寬 有利于保證器件的可靠導通 4 1脈寬調制變換器 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狀態(tài) 開關損耗大 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 下橋臂的驅動脈沖之間 應設置邏輯延時 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脈寬調制變換器 1 單極式可逆PWM變換器主電路結構 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 驅動電壓 Ug1 Ug2 VT1與VT2交替導通 VT3與VT4由轉向決定常通 正轉時 VT4直通 VT3截止 反轉時 VT3直通 VT4截止 4 1脈寬調制變換器 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導通 Ug2 Ug3為負 VT2 VT3截止 電流id沿回路1流通 電動機M兩端電壓UAB Us 在ton t T期間 Ug4為正 VT4繼續(xù)導通Ug1 Ug3為負 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M兩端電壓UAB 0 4 1脈寬調制變換器 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導通 Ug1 Ug4為負 使VT1 VT4截止 電流 id沿回路3流通 電動機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導通 Ug1為正 也不導通 VT3 VD1續(xù)流 并鉗位使VT1截止 電流 id沿回路4流通 電動機M兩端電壓UAB 0 4 1脈寬調制變換器 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脈寬調制變換器 輸出波形 單極式在一個周期內有一段UAB 0 因而被稱作 第四章直流脈寬調速系統(tǒng) 4 2直流脈寬調速系統(tǒng)的機械特性本節(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 機械特性方程 4 2直流脈寬調速系統(tǒng)的機械特性 由于采用脈寬調制 嚴格地說 即使在穩(wěn)態(tài)情況下 脈寬調速系統(tǒng)的轉矩和轉速也都是脈動的 所謂穩(wěn)態(tài) 是指電機的平均電磁轉矩與負載轉矩相平衡的狀態(tài) 機械特性是平均轉速與平均轉矩 電流 的關系 采用不同形式的PWM變換器 系統(tǒng)的機械特性也不一樣 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 因而機械特性關系式比較簡單 現在就分析這種情況 4 2直流脈寬調速系統(tǒng)的機械特性 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直流脈寬調速系統(tǒng)的機械特性 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直流脈寬調速系統(tǒng)的機械特性 三 機械特性方程 按電壓方程求一個周期內的平均值 即可導出機械特性方程式 無論是上述哪一種情況 電樞兩端在一個周期內的平均電壓都是Ud Us Ud Us為PWM電壓系數 只是 與占空比 的關系不同 在不可逆PWM變換器 在雙極式控制的可逆變換器 2 1 平均電流和轉矩分別用Id和Te表示 平均轉速n E Ce 而電樞電感壓降的平均值Ldid dt在穩(wěn)態(tài)時應為零 4 2直流脈寬調速系統(tǒng)的機械特性 于是 無論是上述哪一組電壓方程 其平均值方程都可寫成 機械特性方程 或用轉矩表示 式中Cm Km N 電機在額定磁通下的轉矩系數 n0 Us Ce 理想空載轉速 與電壓系數成正比 4 2直流脈寬調速系統(tǒng)的機械特性 PWM調速系統(tǒng)機械特性 脈寬調速系統(tǒng)的機械特性曲線 電流連續(xù) n0s Us Ce 4 2直流脈寬調速系統(tǒng)的機械特性 說明 圖中所示的機械曲線是電流連續(xù)時脈寬調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能 圖中僅繪出了第一 二象限的機械特性 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械特性與此相仿 只是更擴展到第三 四象限了 對于電機在同一方向旋轉時電流不能反向的電路 輕載時會出現電流斷續(xù)現象 把平均電壓抬高 在理想空載時 Id 0 理想空載轉速會翹到n0s Us Ce 第四章直流脈寬調速系統(tǒng) 4 3PWM調速系統(tǒng)控制電