直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

§5脈寬調(diào)速系統(tǒng)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.理解脈寬調(diào)速的概念

。2.掌握不可逆脈寬功率放大器和H型可逆脈寬功率放大器的工作原理

。3.了解脈寬調(diào)整系統(tǒng)的構(gòu)成及原理

。4.能利用實驗設(shè)備完成脈寬調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)建及調(diào)試?！?.1脈寬調(diào)速基本概念1。V-M調(diào)整系統(tǒng)的應(yīng)用開環(huán)調(diào)速單閉環(huán)調(diào)速雙閉環(huán)調(diào)速可逆調(diào)速系統(tǒng)V-M系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)晶閘管可控整流輸出直流電壓波形中含有大量的高次諧波，會引起電網(wǎng)品質(zhì)因數(shù)下降，是造成電網(wǎng)污染的主要因素之一。同可控整流相比，二極管整流波形中含有的高次諧波分量大大減少，因此，用不可控整流代替可控整流，可減輕對電網(wǎng)的污染。一、脈寬調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的背景2。V-M調(diào)整系統(tǒng)的缺點二、脈寬調(diào)速系統(tǒng)所謂脈寬調(diào)速，就是利用二極管不可控整流得到一穩(wěn)恒的直流電壓，再利用高頻直流斬波電路將直流電壓變成寬度可調(diào)的脈沖電壓，加在電動機電樞上，通過改變脈沖的寬度來改變電樞平均電壓的大小，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方式稱為脈寬調(diào)速，簡稱PWM調(diào)速。脈寬調(diào)速技術(shù)是隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生，要求電力電子開關(guān)元件的容量大、開關(guān)頻率高。目前還只限于在中、小功率的系統(tǒng)中應(yīng)用。三、脈寬調(diào)速的優(yōu)點1、脈沖電壓的開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)。2、高次諧波分量少，需要的濾波裝置小。4、調(diào)速控制動態(tài)響應(yīng)快3、電動機的損耗較小、發(fā)熱較少，效率高。思考題：2．脈寬調(diào)速系統(tǒng)有什么優(yōu)點？1．什么是脈寬調(diào)速系統(tǒng)？脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式功率放大器，簡稱PWM（PulseWidthModulated）功率放大器，其功能就是實現(xiàn)直流斬波，即將直流電壓變成寬度可調(diào)的脈沖電壓。§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雙極式單極式受限單極式(電機單向工作)(電機雙向工作)不可逆功率放大器無制動作用有制動作用§5.2.1不可逆PWM功率放大器不可逆脈寬功率放大器可實現(xiàn)對電動機的單向旋轉(zhuǎn)控制。根據(jù)電動機停車時是否需要制動作用，其電路有兩種形式，即無制動作用的和有制動作用的。一、無制動作用的PWM功率放大器1、電路組成Us為直流電源VT相當(dāng)于一個高頻開關(guān)元件VD續(xù)流二極管電容C起濾波作用一、無制動作用的PWM功率放大器2、電路的工作過程分析晶體管VT工作在開關(guān)狀態(tài)，只有飽和導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)控制電壓Ub是周期性的脈沖電壓，周期不變，正、負(fù)脈沖的寬度可調(diào)。只分析一個周內(nèi)的工作情況，根據(jù)周期性推知電路的整體工作情況VT飽和導(dǎo)通電流id呈增大趨勢VT關(guān)斷，VD續(xù)流電流id呈減小趨勢結(jié)合周期性，uAB波形如右圖示?！?.2.1不可逆PWM功率放大器一、無制動作用的PWM功率放大器3、電壓、電流波形瞬時電壓uAB的波形與控制電壓Ub的正半波相同，只是幅值不同。平均端電壓大小稱為調(diào)制波的占空比改變占空比即可改變電動機轉(zhuǎn)速

平均電壓對應(yīng)的直線低于Us的高度。電機電樞電勢E又低于Ud。電流波形只是用來說明其變化趨勢，實際上電流是非常平穩(wěn)的?！?.2.1不可逆PWM功率放大器一、無制動作用的PWM功率放大器4、電路的電壓平衡方程(1)VT導(dǎo)通期間(2)VD續(xù)流期間電源向電機供電，電流呈增大趨勢。電樞電感釋放能量維持電流，電流呈減小趨勢。由于VT的開關(guān)頻率很高，電流變化是不明顯的?！?.2.1不可逆PWM功率放大器二、有制動作用的PWM功率放大器晶體管VT1和二極管VD2提供正向工作電流通路，晶體管VT2和二極管VD1為電動機提供反向制動電流通路。1、電路組成。VT1稱為主管，VT2稱為輔管，二者基極都加脈沖電壓且電路分析時，只給出Ub1的波形。2、電機電動運行分析0~ton時段，Ub1>0,VT1導(dǎo)通，uAB=Us電流沿回路1流通，呈增大趨勢。Ton~T時段，Ub1<0,VD2續(xù)流，uAB=0電流沿回路2流通，呈減小趨勢。波形及Ud與無制動情況相同?！?.2.1不可逆PWM功率放大器二、有制動作用的PWM功率放大器3、制動過程分析制動過程發(fā)生在電機停車或減速控制情況下，以減速為例分析EUd減速控制是通過減小控制脈沖的占空比來實現(xiàn)的。占空比突然減小時，電機上的平均電壓同時減小，但由于慣性電機的轉(zhuǎn)速和電樞電勢E不能馬上減小，將出現(xiàn)E>Ud的現(xiàn)象，將由E提供反向id，經(jīng)回路3和回路4流通，反向電流對電機產(chǎn)生制動作用，加快減速過程。ton~T時段，Ub2>0,VT2導(dǎo)通，uAB=0電流沿回路3流通，呈增大趨勢。0~ton時段，Ub2<0,VD1續(xù)流，uAB=Us電流沿回路4流通，呈減小趨勢。§5.2.1不可逆PWM功率放大器3、制動過程分析二、有制動作用的PWM功率放大器隨著制動過程的進(jìn)行，電機轉(zhuǎn)速和電樞電勢E減小，但電樞兩端的平面電壓未變，當(dāng)E落到Ud下方時，即Ud>E，Ud又開始提供正向電流，電機又回到電動運行狀態(tài)，達(dá)到降速后的穩(wěn)定運行狀態(tài)。制動過程中電壓平衡方程ton~T時段:0~ton時段:電流逆著Us流通，呈減小趨勢VT2導(dǎo)通，提供電流回路回饋制動的能量對電容C充電，這將引起電容電壓的短時間升高，稱作“泵升電壓”。如果泵升電壓太高，將危及電力晶體管和整流二極管的安全，須采取措施加以抑制?！?.2.1不可逆PWM功率放大器4*、輕載運行分析二、有制動作用的PWM功率放大器當(dāng)電動機處于輕載運行狀態(tài)時，負(fù)載電流較小，VD2續(xù)流期間，在t2時刻電流減小到零，二極管VD2關(guān)斷，VT2集電極和發(fā)射極之間的反向偏置電壓消失，而此時VT2基極電壓為正，所以在電勢E的作用下VT2導(dǎo)通，電樞電流反向，產(chǎn)生局部能耗制動。到t=T時，Ub2變負(fù)，VT2關(guān)斷，反向電流經(jīng)VD1續(xù)流。這樣，4個管子都有輪流導(dǎo)通的機會。主要討論負(fù)載電流較重、續(xù)流期間電流不會減小至零的情況。不可逆PWM功率放大器小結(jié)：1、電機兩端的瞬時電壓無論時無制動還是有制動，電樞瞬時電壓波形都相當(dāng)于控制電壓Ub1正半波的復(fù)制：Ub1>0,uAB=Us;Ub1<0,uAB=0。2、電機兩端的平均電壓改變占空比即可改變電機轉(zhuǎn)速3、電壓、電流波形無論時無制動還是有制動，電機正常工作時，電壓、電流波形如右圖所示?！?.2.1不可逆PWM功率放大器1．試根據(jù)無制動作用的不可逆PWM功率放大器電路圖，分析電路的工作情況，畫出電壓、電流波形圖，電動機瞬時電壓波形與控制脈沖波形有什么對應(yīng)關(guān)系？3．什么是占空比？從哪些波形圖上能看出占空比的大??？2．PWM功率放大器是如何實現(xiàn)對直流電動機轉(zhuǎn)速控制的？思考題：§5.2.2可逆PWM功率放大器可逆PWM功率放大器的電路構(gòu)成有多種形式，H型功率放大器最為常用。H型功率放大器H型可逆PWM功率放大器根據(jù)控制方式不同可分為：1。雙極式2。單極式3。受限單極式§5.2.2可逆PWM功率放大器雙極式控制，四個電力晶體管的基極都加脈沖信號，且一、雙極式控制1、控制方式即VT1與VT4同時通斷；VT2與VT3同時通斷2、工作過程分析(重載)ton~T時段，Ub1<0,VD2、VD3續(xù)流，電流id:A→B,呈增大趨勢。0~ton時段，Ub1>0,VT1、VT4導(dǎo)通，電流id:A→B,呈減小趨勢。后面各周期往復(fù)循環(huán)，可得電壓、電流波形如右圖Ub1波形如右圖示uAB=UsuAB=-Us§5.2.2可逆PWM功率放大器一、雙極式控制

4、電機兩端的平均電壓稱為雙極式控制的占空比顯然3、電路電壓平衡方程ton~T時段：0~ton時段：右圖所示，電機正轉(zhuǎn)§5.2.2可逆PWM功率放大器一、雙極式控制

電機正轉(zhuǎn)時，電流id方向從A→B，應(yīng)VT1、VT4參與導(dǎo)通，VD2、VD3起續(xù)流作用。5、電機的轉(zhuǎn)向判別當(dāng)正轉(zhuǎn)當(dāng)反轉(zhuǎn)當(dāng)停轉(zhuǎn)電機反轉(zhuǎn)時，電流id方向從B→A，應(yīng)VT2、VT3參與導(dǎo)通，VD1、VD4起續(xù)流作用?！?.2.2可逆PWM功率放大器一、雙極式控制

例：雙極式控制PWM功率放大器，控制電壓Ub1的波形如下圖示，試分析管子的導(dǎo)通情況，畫出電機電壓、電流波形圖。試看下面分析是否正確？ton~T時段，Ub1<0,VD2、VD3續(xù)流，電流id:A→B,呈增大趨勢。0~ton時段，Ub1>0,VT1、VT4導(dǎo)通，電流id:A→B,呈減小趨勢。后面各周期往復(fù)循環(huán)，可得瞬時電壓波形如右圖uAB=UsuAB=-Us錯!!由圖知Ud<0,電機反轉(zhuǎn)，電流應(yīng)B→A應(yīng)該VT2、VT3參與導(dǎo)通，VD1、VD4續(xù)流!錯在何處？§5.2.2可逆PWM功率放大器一、雙極式控制

電機正轉(zhuǎn)時，電流id方向從A→B，應(yīng)VT1、VT4參與導(dǎo)通，VD2、VD3起續(xù)流作用。電機的轉(zhuǎn)向判別當(dāng)正轉(zhuǎn)當(dāng)反轉(zhuǎn)電機反轉(zhuǎn)時，電流id方向從B→A，應(yīng)VT2、VT3參與導(dǎo)通，VD1、VD4起續(xù)流作用。從Ub1波形易看出：占空比小于0!電機反轉(zhuǎn)!所以應(yīng)從VT2、VT3導(dǎo)通開始入手分析!§5.2.2可逆PWM功率放大器一、雙極式控制

例：雙極式控制PWM功率放大器，控制電壓Ub1的波形如下圖示，試分析管子的導(dǎo)通情況，畫出電機電壓、電流波形圖。解：則Ub1波形知，Ud<0,電機反轉(zhuǎn)VT2、VT3參與導(dǎo)通，VD1VD4續(xù)流。T~T+ton時段，Ub1>0,VD1、VD4續(xù)流，電流id:B→A,呈增大趨勢。ton~T時段，Ub1<0,VT2、VT3導(dǎo)通，電流id:B→A,呈減小趨勢。后面各周期往復(fù)循環(huán)，可得瞬時電壓波形如右圖uAB=-UsuAB=Us6、雙極式控制電路的分析方法(1)首先觀察控制電壓Ub1的波形，判斷平均電壓的正負(fù)和電機轉(zhuǎn)向。(2)若電機正轉(zhuǎn)，則VT1、VT4參與導(dǎo)通，VD2、VD3續(xù)流，id:A→B應(yīng)從0~ton時段入手分析。(3)若電機反轉(zhuǎn)，則VT2、VT3參與導(dǎo)通，VD1、VD4續(xù)流，id:B→A應(yīng)從ton~T時段入手分析。(4)寫出各時段導(dǎo)通的管子，uAB的大小，電流的方向及變化趨勢。(5)畫出電壓、電流波形圖§5.2.2可逆PWM功率放大器一、雙極式控制7、雙極式控制的優(yōu)缺點(1)電流一定是連續(xù)的。(2)可使電機在四象限運行。(4)低速性能好，調(diào)速范圍寬。(1)開關(guān)損耗大。(2)同一橋臂兩個晶體管容易出現(xiàn)上下直通，造成短路?！?.2.2可逆PWM功率放大器一、雙極式控制優(yōu)點：低速時每個電力晶體管的驅(qū)動脈沖較寬，能保證晶體管可靠導(dǎo)通。(3)電機停車時有微振電流，能消除正、反向起動時的靜磨擦死區(qū)。缺點：四個電力晶體管的基極都加脈沖信號，均處于開關(guān)狀態(tài)。(1)VT1、VT2基極加控制脈沖，且(2)電機正轉(zhuǎn)時，Ub4恒為正，Ub3恒為負(fù)。§5.2.2可逆PWM功率放大器二、單極式控制1、單極式控制方法單極式控制是針對雙極式控制提出的一種改進(jìn)型控制方案。電機反轉(zhuǎn)時，Ub3恒為正，Ub4恒為負(fù)?？梢姡瑔螛O式控制處于交替開關(guān)狀態(tài)的管子數(shù)量減少了一半，開關(guān)損耗也減小一半，且右橋臂2個晶體管不會出現(xiàn)上下直通，安全性提高了?！?.2.2可逆PWM功率放大器二、單極式控制2、工作過程分析電動機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)工作時，電壓、電流波形圖及各時段導(dǎo)通的管子如右下圖所示，請試著加以分析。注意正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時控制電壓的加法!觀察電機瞬時電壓波形，說一說雙極式控制、單極式控制名稱的由來?！?.2.2可逆PWM功率放大器二、單極式控制3、平均電壓(1)電機正轉(zhuǎn)控制時與不可逆PWM功率放器相同(2)電機反轉(zhuǎn)控制時雙極式控制根據(jù)Ub1的波形就能看出電機的正、反轉(zhuǎn)，單極式可以嗎？(1)VT1、VT2基極加控制脈沖，且(2)電機正轉(zhuǎn)時，Ub4恒為正，Ub3恒為負(fù)?！?.2.2可逆PWM功率放大器二、單極式控制控制方法回顧電機反轉(zhuǎn)時，Ub3恒為正，Ub4恒為負(fù)。不難發(fā)現(xiàn)，從減少管子開關(guān)損耗和減少橋臂上下直通機率的角度看，單極式控制仍然有進(jìn)一步改進(jìn)的潛力:電動機正轉(zhuǎn)時VT2一般沒有導(dǎo)通機會，不防讓Ub2恒為負(fù)；同樣電動機反轉(zhuǎn)時VT1沒有導(dǎo)通機會，可讓Ub1恒為負(fù)，這樣VT1和VT2也不會出現(xiàn)上下直通了。這就是下面要介紹的第三種控制方式。(1)電機正轉(zhuǎn)時，Ub1為脈沖電壓Ub4恒為正；Ub2、Ub3恒為負(fù)?！?.2.2可逆PWM功率放大器三、受限單極式控制1、控制方法(2)電機反轉(zhuǎn)時，Ub2為脈沖電壓Ub3恒為正；Ub1、Ub4恒為負(fù)。受限單極式控制的管子導(dǎo)通情況、電壓電流波形、電樞電壓平均值等與單極式一樣。所不同的是，電動機輕載運行時單極式不會出現(xiàn)電流斷續(xù)，而受限單極式會出現(xiàn)電流斷續(xù)?！?.2.2可逆PWM功率放大器三、受限單極式控制2*、電機正轉(zhuǎn)、輕載工作分析此時仍有下式成立§5.2.2可逆PWM功率放大器可逆PWM功率放大器三種控制方式的比較④電力晶體管的開關(guān)損耗。雙極式控制4個電力晶體管均加控制脈沖電壓，開關(guān)損耗最大，單極式控制有2個晶體管加控制脈沖電壓，開關(guān)損耗較小，受限單極式控制只有1個晶體管加控制脈沖電壓，開關(guān)損耗最小。①可逆運行的切換。雙極式控制只需改變控制脈沖的占空比，可自然實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)的切換；單極式控制和受限單極式控制則需要改變晶體管控制電壓的施加方式。②電樞電壓的極性。雙極式控制電動機的瞬時電壓uAB有2種極性；單極式控制和受限單極式控制則只有一種極性，即電動機正轉(zhuǎn)時uAB為正脈沖電壓，反轉(zhuǎn)時uAB為負(fù)脈沖電壓。③電樞電流的連續(xù)性。雙極式控制和單極式控制，電樞電流總是連續(xù)的，受限單極式控制在輕載運行時會出現(xiàn)電流斷續(xù)?！?.2.2可逆PWM功率放大器可逆PWM功率放大器三種控制方式的比較⑦晶體管和二極管導(dǎo)通情況比較。3種控制方式下，不同轉(zhuǎn)向、不同時段晶體管和二極管的導(dǎo)通情況如表5-1所示。⑤安全性。雙極式控制左右橋臂晶體管均可能出現(xiàn)上下直通情況，單極式控制左橋臂可能出現(xiàn)上下直通情況，受限單極式控制不會出現(xiàn)上下直通情況。⑥低速性能。雙極式在低速時控制正脈沖寬度接近T/2，晶體管能可靠導(dǎo)通，因此低速性能好，調(diào)速范圍寬；單極式和受限單極式控制，低速控制時，正脈沖寬度接近于零，不能保證晶體管可靠導(dǎo)通，因此低速性能較差，有最低轉(zhuǎn)速限制。思考題：1．什么是雙極式控制、單極式控制和受限單極式控制？4．H型PWM功率放大器的3種控制方式各有什么優(yōu)缺點？§5.3脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制電路脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的構(gòu)成----PWM功率放大器主電路控制電路為電機提供脈寬可調(diào)的脈沖電壓提供主電路所需的基極控制電壓控制電路的構(gòu)成----基于雙閉環(huán)控制主電路控制電路為什么沒有平波電抗器？§5.3脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制電路雙閉環(huán)：ACR輸出控制電壓Uc。UPW(脈寬調(diào)制器)：產(chǎn)生寬度由Uc控制的Ub波形。GM(調(diào)制波發(fā)生器)：產(chǎn)生調(diào)制波形，如周期性的三角波等。DLD(邏輯延時電路)：防止H橋臂上下直通。GD(驅(qū)動電器)：對Ub進(jìn)行整形的功率放大。FA：過電流保護(hù)之用?！?.3.1脈寬調(diào)制器UPW1．脈寬調(diào)制器的功能脈寬調(diào)制器是一個電壓—脈沖變換電路，產(chǎn)生脈沖的周期由來自調(diào)制波發(fā)生器GM的調(diào)制波決定，一個周期內(nèi)正負(fù)脈沖的寬度由電流調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓Uc加以控制。脈寬調(diào)制器2．脈寬調(diào)制器的類型④數(shù)字式脈寬調(diào)制器。①用鋸齒波作調(diào)制信號的脈寬調(diào)制器。②用三角波作調(diào)制信號的脈寬調(diào)制器。③用多諧振蕩器和單穩(wěn)觸發(fā)器組成的脈寬調(diào)制器?！?.3.1脈寬調(diào)制器UPW3．鋸齒波脈寬調(diào)制器的工作原理起偏置調(diào)節(jié)作用的偏移電壓Ub

脈寬調(diào)制器是一個由運算放大器構(gòu)成的電壓比較器來自調(diào)制波發(fā)生器GM的鋸齒波信號Usa來自電流調(diào)節(jié)器輸出的控制信號Uc有3個電壓輸入信號：合成信號仍然是鋸齒波，Ub、Uc的作用是使鋸齒波上下移動。脈寬調(diào)制器的輸入輸出特性§5.3.1脈寬調(diào)制器UPW3．鋸齒波脈寬調(diào)制器的工作原理改變控制電壓Uc的值，可使鋸齒波上下移動，從而引起Upw正負(fù)脈沖的寬度發(fā)生改變，即改變占空比。§5.3.1脈寬調(diào)制器UPW4．脈寬調(diào)制器偏移電壓的整定偏移電壓Ub的整定原則：Uc=0V時，使產(chǎn)生脈沖的占空比ρ=0PWM功率放大器在不同控制方式下，占空比為零的控制脈沖是不一樣的，偏移電壓Ub的整定也是不同的。雙極式控制方式下，ρ=0的波形如圖示即正、負(fù)脈沖寬度相等設(shè)鋸齒波的幅值為UsmaxUb整定后，改變Uc可得到不同占空比的控制波形Upw電機反轉(zhuǎn)電機正轉(zhuǎn)電機停轉(zhuǎn)控制電壓的取值范圍：§5.3.2延時環(huán)節(jié)DLD1．DLD的作用防止H電路同一橋臂上下兩個晶體管直通形成短路。2．H電路上下直通的成因晶體管基極電壓變負(fù)時，真正關(guān)斷需要一定的時間，稱為關(guān)斷時間toff（包括存儲時間ts和電流下降時間t1）H電路上下兩個管子，一個管子的Ub由正變負(fù)的同時，另一個管子的Ub由負(fù)變正。若在關(guān)斷的管子還沒有真正關(guān)斷，另一個管子通了，則造成上下直通情況。3．避免H電路上下直通的措施§5.3.2延時環(huán)節(jié)DLD使兩脈沖的上升沿和下降沿之間存在一個時間差t