第3章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)課件

(5)主電路元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率較高；

(6)直流電源采用不可控三相整流時(shí)，功率因數(shù)高。全控型器件構(gòu)成的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理是一樣的，只是不同器件具有各自不同的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)及器件的使用問(wèn)題。

PWM-M系統(tǒng)和V-M系統(tǒng)的主要區(qū)別在主電路和PWM控制電路。閉環(huán)控制系統(tǒng)以及靜、動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)基本相同。本章以GTR為例介紹直流脈寬調(diào)制的主電路和它的控制電路（如果是其它全控型器件，其分析方法是類似的）。1第二節(jié)PWM變換器和PWM-M系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性一、脈寬調(diào)制原理脈沖寬度調(diào)制（PWM）是通過(guò)功率管的開(kāi)關(guān)作用，將恒定直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率一定，寬度可調(diào)的方波脈沖電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖電壓的寬度而改變輸出電壓平均值的一種功率變換技術(shù)。由脈寬調(diào)制器向電機(jī)供電的系統(tǒng)稱為脈寬調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱PWM-M調(diào)速系統(tǒng)。圖3-1PWM-M調(diào)速系統(tǒng)(a)系統(tǒng)原理圖

(b)輸出電壓波形2假定VT先導(dǎo)通ton，這期間電源電壓全部加到電樞上，然后關(guān)斷toff，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。如此周而復(fù)始，則電樞端電壓波形如圖3-1(b)所示。電機(jī)電樞端電壓的平均值為：為PWM的占空比。改變的值可調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。改變占空比的方法3

二、脈寬調(diào)制變換器

PWM變換器分：不可逆和可逆兩類。可逆變換器分：雙極式、單極式和受限單極式多種。

（一）不可逆PWM變換器

1、無(wú)制動(dòng)作用的PWM變換器（1）電路組成圖3-2所示為變換器的主電路原理圖。采用全控型的GTR代替半控型的晶閘管，電源電壓Us為不可控整流電源，采用大電容C濾波，VD在VT關(guān)斷時(shí)為電樞提供續(xù)流回路。4

改變（0≤（2）工作原理VT的基極由脈寬可調(diào)的電壓Ub驅(qū)動(dòng)。在一個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)0≤t<t0n時(shí)，Ub為正，VT飽和導(dǎo)通，Us通過(guò)VT加到電樞端。t0n≤t<T時(shí)，Ub為負(fù)，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。電機(jī)得到的平均端電壓為：

(a)原理圖(b)電壓和電流波形5

圖3-2（b）中繪出了電樞的脈沖端電壓ud、平均電壓Ud和電樞電流id的波形。id

是脈動(dòng)的。因開(kāi)關(guān)頻率較高，電流脈動(dòng)幅值不會(huì)很大，影響到轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E的波動(dòng)就更小了。電壓平衡方程機(jī)械特性方程

調(diào)速系統(tǒng)的空載轉(zhuǎn)速，與占空比成正比；

負(fù)載電流造成的轉(zhuǎn)速降。62、有制動(dòng)作用的PWM變換器（1）電路組成不可逆電路不能產(chǎn)生制動(dòng)。需制動(dòng)時(shí)須有反向電流-id的通路，應(yīng)設(shè)置控制反向的第二個(gè)電力晶體管，形成VT1和VT2交替開(kāi)關(guān)的電路，如圖（a）所示。電路由VT1和VT2，VD1和VD2組成。VT1是主管，起控制作用；VT2是輔助管，構(gòu)成電機(jī)的制動(dòng)電路。7（2）工作原理VT1和VT2的驅(qū)動(dòng)電壓Ub1=-Ub2，電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，正脈沖比負(fù)脈沖寬，平均電流為正值，一個(gè)周期內(nèi)分兩段變化。在0≤t<ton期間，Ub1

為正，VT1飽和導(dǎo)通；Ub2為負(fù)，VT2截止。Us加到電樞兩端，電流id

沿圖中的回路1流通。有在ton≤t<T期間，Ub1和Ub2都變極性，VT1截止，但VT2卻不能導(dǎo)通，因id沿回路2經(jīng)VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加了反壓。實(shí)際上是VT1、VD2交替導(dǎo)通，而VT2始終不通，其電壓和電流波形如圖3-3（b）所示。此時(shí)，有8如在電動(dòng)運(yùn)行中要降低轉(zhuǎn)速，則應(yīng)使Ub1的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使Ud降低，由于慣性作用，轉(zhuǎn)速和反電勢(shì)還來(lái)不及變化，造成E>Ud。這時(shí)希望VT2能發(fā)揮作用。制動(dòng)過(guò)程分析：①在ton≤t<T階段。由于Ub2變正，VT2導(dǎo)通，E-Ud產(chǎn)生反向電流-id沿回路3通過(guò)VT2流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)，直到t=T止。②在T≤t<T+ton階段。VT2截止，-id沿回路4通過(guò)VD1續(xù)流，對(duì)電源回饋制動(dòng)，同時(shí)在VD1上的壓降使VT1不能導(dǎo)通。③結(jié)論：在整個(gè)制動(dòng)狀態(tài)中，VT2、VD1輪流導(dǎo)通，而VT1始終截止，電壓和電流波形示于圖3-3（c）。反向電流的制動(dòng)作用使電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。9（二）可逆PWM變換器其主電路結(jié)構(gòu)有H型，T型等，常用H型變換器，它由4個(gè)電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成橋式電路。在控制方式上分雙極式、單極式和受限單極式三種。著重分析雙極式H型PWM變換器，然后再簡(jiǎn)要說(shuō)明其它方式的特點(diǎn)。1、雙極式可逆PWM變換器（1）構(gòu)成特點(diǎn)4個(gè)VT的基極驅(qū)動(dòng)分兩組。VTl和VT4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)電壓Ub1=Ub4；VT2和VT3同時(shí)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)電壓Ub2=Ub3=-Ub1。波形于圖3-5。10（2）工作原理①當(dāng)0≤t<ton時(shí)，Ub1和Ub4為正，晶體管VT1和VT4飽和導(dǎo)通，而Ub2和Ub3為負(fù)，VT2和VT3截止。這時(shí)+Us加在電樞AB兩端，UAB=US，電樞電流id沿回路1流通。②當(dāng)ton≤t<T

時(shí)，Ub1和Ub4變負(fù)，VT1和VT4截止；Ub2、Ub3變正，但VT2、VT3并不能立即導(dǎo)通，因在電樞電感釋放儲(chǔ)能的作用下，id沿回路2經(jīng)VD2，VD3續(xù)流，VD2、VD3上的壓降使VT2和VT3的c-e端承受反壓，這時(shí)UAB=-US。UAB在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形示于圖3-5。1112③UAB的正、負(fù)變化，使電流存在兩種情況，如圖3-5中的id1和id2。id1相當(dāng)于負(fù)載較重情況，平均電流大，在續(xù)流階段電流仍維持正方向，電機(jī)始終工作在電動(dòng)狀態(tài)。id2相當(dāng)于負(fù)載很輕的情況，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，于是VT2和VT3的c-e兩端失去反壓，在(-Us)和電樞反電勢(shì)的合成作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，沿回路3流通，電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。同理，在0≤t<ton期間，負(fù)載輕時(shí)，電流也有一次倒向。13④結(jié)論：雙極式可逆PWM變換器的電流波形和不可逆但有制動(dòng)電流通路的PWM變換器差不多。怎樣才能反映出“可逆”的作用呢？這要視正、負(fù)脈沖電壓的寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，ton>T／2，則電樞兩端的平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，ton<T／2，平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)正、負(fù)脈沖寬度相等，ton=T／2，平均電壓為零，電動(dòng)機(jī)停止。圖3-5所示的電壓、電流波形都是在電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的情況。1415

雙極式PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)電流一定連續(xù)；

(2)可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；

(3)電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；

(4)低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通。

(5)低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達(dá)20000左右。雙極式PWM變換器的缺點(diǎn)：在工作過(guò)程中4個(gè)晶體管都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，損耗大，易發(fā)生上、下兩管直通事故。為防止上、下兩管直通，在一管關(guān)斷和另一管導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。16

2、單極式可逆PWM變換器

為克服雙極式變換器的缺點(diǎn)，可采用單極式PWM變換器。其電路和雙極式同，不同之處在于驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。在單極式PWM中，左邊兩個(gè)管子的驅(qū)動(dòng)脈沖Ub1=-Ub2，有和雙極式一樣的正負(fù)交替脈沖，使VT1和VT2交替導(dǎo)通。右邊兩管VT3和VT4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)則不同，改成因電機(jī)的轉(zhuǎn)向而施加不同的直流控制信號(hào)。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，使Ub3恒為負(fù)，Ub4恒為正，則VT3截止而VT4常通。電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，則Ub3恒為正而Ub4恒為負(fù)，使VT3常通而VT4截止。負(fù)載較重時(shí)各管的開(kāi)關(guān)情況和電樞電壓的狀況列于表3-1中，同時(shí)列出雙極式變換器的情況以資比較。負(fù)載較輕時(shí)，電流在一個(gè)周期內(nèi)也會(huì)來(lái)回變向，各管導(dǎo)通和截止的變化還要多些。17表3-1雙極式、單極式和受限單極可逆PWM變換器比較（當(dāng)負(fù)載較重時(shí)）控制方式電機(jī)轉(zhuǎn)向0≤t≤tonton≤t≤T占空比調(diào)節(jié)范圍開(kāi)關(guān)狀況UAB開(kāi)關(guān)狀況UAB雙極式正轉(zhuǎn)VT1、VT4導(dǎo)通VT2、VT3截止+USVT1、VT4截止VD2、VD3續(xù)流-US0≤ρ≤1反轉(zhuǎn)VD1、VD4續(xù)流VT2、VT3截止+USVT1、VT4截止VT2、VT3導(dǎo)通-US-1≤ρ≤0單極式正轉(zhuǎn)VT1、VT4導(dǎo)通VT2、VT3截止+USVT4導(dǎo)通、VD2續(xù)流VT1、VT3截止、VT2不通00≤ρ≤1反轉(zhuǎn)VT3導(dǎo)通、VD1續(xù)流VT2、VT4截止，VT1不通0VT2、VT3導(dǎo)通VT1、VT4截止-US-1≤ρ≤0受限單極式正轉(zhuǎn)VT1、VT4導(dǎo)通VT2、VT3截止+USVT4導(dǎo)通、VD2續(xù)流VT1、VT2、VT3截止00≤ρ≤1反轉(zhuǎn)VT2、VT3導(dǎo)通VT1、VT4截止-USVT3導(dǎo)通、VD1續(xù)流VT1、VT2、VT4截止0-1≤ρ≤018表3-1中，單極式變換器的UAB表明，在電機(jī)朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，PWM變換器只在一個(gè)階段中輸出某一極性的脈沖電壓，在另一階段中UAB=0，故稱作“單極式”變換器。為此，其輸出電壓波形與不可逆PWM變換器一樣，見(jiàn)圖3-3（b）和式(3-1)。由于單極式變換器的VT3和VT4二者中總有一個(gè)常通，一個(gè)常截止，運(yùn)行中無(wú)須頻繁交替導(dǎo)通。和雙極式變換器相比開(kāi)關(guān)損耗可減少，裝置的可靠性提高。

單極式變換器開(kāi)關(guān)損耗和可靠性比雙極式好，但仍存在VT1和VT2交替導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)電源直通的危險(xiǎn)。研究一下表3-1中各晶體管的狀況，可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，在0≤t<ton

期間，VT2截止，在ton≤t<T期間由于VD2續(xù)流，VT2也不通。19受限單極式變換器在電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，Ub2恒為負(fù)，VT2一直截止；在電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，Ub1恒為負(fù)，VTl一直截止，其它驅(qū)動(dòng)信號(hào)和一般單極式相同。如果負(fù)載較重，電流id在一個(gè)方向內(nèi)連續(xù)變化，所有的電壓、電流波形都和一般單極式變換器一樣。當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，由于有兩個(gè)晶體管一直處于截止?fàn)顟B(tài)，不會(huì)出現(xiàn)電流變向，在續(xù)流期間電流衰減到零時(shí)(t=td)，波形中斷，電樞兩端電壓跳變到UAB=E，如圖3-6所示。其電流斷續(xù)現(xiàn)象使變換器的外特性變軟。使PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能變差，但不會(huì)產(chǎn)生VT1、VT2直通的故障。系統(tǒng)的可靠性提高。20電流斷續(xù)時(shí)，電樞電壓的提高把平均電壓抬高，成為令E≈Ud，則新的負(fù)載電壓系數(shù)21有制動(dòng)能力的不可逆電路和單極式可逆電路，電壓方程式為雙極式可逆電路，將第二個(gè)方程中的電源改為，其余不變。22第三節(jié)

PWM-M直流調(diào)速系統(tǒng)一、PWM-M直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路PWM變換器是調(diào)速系統(tǒng)的主電路，是對(duì)已有的PWM波形的電壓信號(hào)Ub1~Ub4進(jìn)行功放，并不改變信號(hào)的PWM波性質(zhì)。而PWM電壓波形的產(chǎn)生、分配則是PWM變換器控制電路的功能。為此，由GTR構(gòu)成的脈寬調(diào)速系統(tǒng)還必須具備相應(yīng)的控制電路。圖3-7為雙閉環(huán)脈寬調(diào)速控制系統(tǒng)的原理框圖。其中屬于脈寬調(diào)速系統(tǒng)特有的環(huán)節(jié)有脈寬調(diào)制器UPW、調(diào)制波發(fā)生器GM、邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)DLD和電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)器GD。23UPW-脈寬調(diào)制器GM-調(diào)制波發(fā)生器DLD-邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)

GD-基極驅(qū)動(dòng)電路FA-瞬時(shí)動(dòng)作的限流保護(hù)24（一）鋸齒波脈寬調(diào)制器（UPW-GM）脈寬調(diào)制器是一個(gè)電壓-脈沖變換裝置，由ACR的輸出電壓Uc控制，將輸入的直流控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成比例的方波脈沖電壓信號(hào)，對(duì)電力晶體管進(jìn)行控制，從而得到希望的方波輸出電壓。常用的脈寬調(diào)制器有下列幾種：（1）用鋸齒波作調(diào)制信號(hào)的脈寬調(diào)制器；（2）用三角波作調(diào)制信號(hào)的脈寬調(diào)制器；（3）用多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的脈寬調(diào)制器；（4）數(shù)字式脈寬調(diào)制器。25（二）邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)（DLD）在可逆PWM變換器中，跨接在電源兩端的上、下兩晶體管交替工作，由于晶體管存在關(guān)斷時(shí)間，如果在這段時(shí)間內(nèi)一個(gè)晶體管未完全關(guān)斷，此時(shí)另一個(gè)晶體管已導(dǎo)通，則將造成上下兩管直通，使電源短路。為避免發(fā)生此情況，應(yīng)設(shè)置一邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)，保證在對(duì)一個(gè)管子發(fā)出關(guān)閉脈沖后（圖3-10中的Ub1），延時(shí)t1d再發(fā)出對(duì)另一管的開(kāi)通脈沖（如Ub2），避免兩管同時(shí)導(dǎo)通。26（三）限流保護(hù)環(huán)節(jié)（FA）在邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)中還可引入保護(hù)信號(hào)，例如瞬時(shí)動(dòng)作的限流保護(hù)信號(hào)(見(jiàn)圖3-7中的FA)，一旦橋臂電流超過(guò)允許最大電流時(shí)，使VT1、VT4(或VT2、VT3)兩管同時(shí)封鎖，以保護(hù)電力晶體管。（四）脈沖分配電路它根據(jù)電力晶體管PWM的導(dǎo)通次序，對(duì)經(jīng)延時(shí)后的脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪壿嬜儞Q，分配給基極驅(qū)動(dòng)電路，以滿足功率轉(zhuǎn)換電路工作所要求的“通”、“斷”時(shí)序的脈沖電壓，使晶體管能按照指定的順序“通”、“斷”，保證系統(tǒng)正常工作。27（五）基極驅(qū)動(dòng)電路基極驅(qū)動(dòng)電路的作用是對(duì)脈沖分配電路