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1、脉宽调速系统 学习目标1 理解脉宽调速的概念 2 掌握不可逆脉宽功率放大器和H型可逆脉宽功率放大器的工作原理 3 了解脉宽调整系统的构成及原理 4 能利用实验设备完成脉宽调速系统的构建及调试 1 5 1脉宽调速基本概念 1 V M调整系统的应用 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的直流调速系统 晶闸管可控整流输出直流电压波形中含有大量的高次谐波 会引起电网品质因数下降 是造成电网污染的主要因素之一 同可控整流相比 二极管整流波形中含有的高次谐波分量大大减少 因此 用不可控整流代替可控整流 可减轻对电网的污染 一 脉宽调速系统产生的背景 2 V M调整系统的
2、缺点 2 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的直流电压 再利用高频直流斩波电路将直流电压变成宽度可调的脉冲电压 加在电动机电枢上 通过改变脉冲的宽度来改变电枢平均电压的大小 从而改变电动机的转速 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 控制技术的发展而产生 要求电力电子开关元件的容量大 开关频率高 目前还只限于在中 小功率的系统中应用 三 脉宽调速的优点 1 脉冲电压的开关频率高 电流容易连续 2 高次谐波分量少 需要的滤波装置小 4 调速控制动态响应快 3 电动机的损耗较小 发热较少 效率高 3 思考题 2 脉宽调速系统有什么
3、优点 1 什么是脉宽调速系统 4 脉宽调速系统的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的脉冲电压 5 2PWM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 5 5 2 1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的单向旋转控制 根据电动机停车时是否需要制动作用 其电路有两种形式 即无制动作用的和有制动作用的 一 无制动作用的PW
4、M功率放大器 1 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 6 一 无制动作用的PWM功率放大器 2 电路的工作过程分析 晶体管VT工作在开关状态 只有饱和导通和关断两种状态 控制电压Ub是周期性的脉冲电压 周期不变 正 负脉冲的宽度可调 只分析一个周内的工作情况 根据周期性推知电路的整体工作情况 VT饱和导通 电流id呈增大趋势 VT关断 VD续流 电流id呈减小趋势 结合周期性 uAB波形如右图示 5 2 1不可逆PWM功率放大器 7 一 无制动作用的PWM功率放大器 3 电压 电流波形 瞬时电压uAB的波形与控制电压Ub的正半波相同 只是幅值
5、不同 平均端电压大小 称为调制波的占空比 改变占空比即可改变电动机转速 平均电压对应的直线低于Us的高度 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 实际上电流是非常平稳的 5 2 1不可逆PWM功率放大器 8 一 无制动作用的PWM功率放大器 4 电路的电压平衡方程 1 VT导通期间 2 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的开关频率很高 电流变化是不明显的 5 2 1不可逆PWM功率放大器 9 二 有制动作用的PWM功率放大器 晶体管VT1和二极管VD2提供正向工作电流通路 晶体管VT2和二极管VD1为电动机提供反向
6、制动电流通路 1 电路组成 VT1称为主管 VT2称为辅管 二者基极都加脉冲电压且 电路分析时 只给出Ub1的波形 2 电机电动运行分析 0 ton时段 Ub1 0 VT1导通 uAB Us 电流沿回路1流通 呈增大趋势 Ton T时段 Ub1 0 VD2续流 uAB 0 电流沿回路2流通 呈减小趋势 波形及Ud与无制动情况相同 5 2 1不可逆PWM功率放大器 10 二 有制动作用的PWM功率放大器 3 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 减速控制是通过减小控制脉冲的占空比来实现的 占空比突然减小时 电机上的平均电压同时减小 但由于惯性电机的转速和电枢电势E
7、不能马上减小 将出现E Ud的现象 将由E提供反向id 经回路3和回路4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 Ub2 0 VT2导通 uAB 0 电流沿回路3流通 呈增大趋势 0 ton时段 Ub2 0 VD1续流 uAB Us 电流沿回路4流通 呈减小趋势 5 2 1不可逆PWM功率放大器 11 3 制动过程分析 二 有制动作用的PWM功率放大器 随着制动过程的进行 电机转速和电枢电势E减小 但电枢两端的平面电压未变 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 达到降速后的稳定运行状态 制动过程中电压平衡方程 ton T时段 0
8、ton时段 电流逆着Us流通 呈减小趋势 VT2导通 提供电流回路 回馈制动的能量对电容C充电 这将引起电容电压的短时间升高 称作 泵升电压 如果泵升电压太高 将危及电力晶体管和整流二极管的安全 须采取措施加以抑制 5 2 1不可逆PWM功率放大器 12 4 轻载运行分析 二 有制动作用的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 VD2续流期间 在t2时刻电流减小到零 二极管VD2关断 VT2集电极和发射极之间的反向偏置电压消失 而此时VT2基极电压为正 所以在电势E的作用下VT2导通 电枢电流反向 产生局部能耗制动 到t T时 Ub2变负 VT2关断 反向电流经VD1续流
9、这样 4个管子都有轮流导通的机会 主要讨论负载电流较重 续流期间电流不会减小至零的情况 13 不可逆PWM功率放大器小结 1 电机两端的瞬时电压 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Ub1正半波的复制 Ub1 0 uAB Us Ub1 0 uAB 0 2 电机两端的平均电压 改变占空比即可改变电机转速 3 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 5 2 1不可逆PWM功率放大器 14 1 试根据无制动作用的不可逆PWM功率放大器电路图 分析电路的工作情况 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 3 什么
10、是占空比 从哪些波形图上能看出占空比的大小 2 PWM功率放大器是如何实现对直流电动机转速控制的 思考题 15 5 2 2可逆PWM功率放大器 可逆PWM功率放大器的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 1 双极式 2 单极式 3 受限单极式 16 5 2 2可逆PWM功率放大器 双极式控制 四个电力晶体管的基极都加脉冲信号 且 一 双极式控制 1 控制方式 即VT1与VT4同时通断 VT2与VT3同时通断 2 工作过程分析 重载 ton T时段 Ub1 0 VD2 VD3续流 电流id A B 呈增大趋势 0 ton时段
11、Ub1 0 VT1 VT4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 Ub1波形如右图示 uAB Us uAB Us 17 5 2 2可逆PWM功率放大器 一 双极式控制 4 电机两端的平均电压 称为双极式控制的占空比 显然 3 电路电压平衡方程 ton T时段 0 ton时段 右图所示 电机正转 18 5 2 2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VT1 VT4参与导通 VD2 VD3起续流作用 5 电机的转向判别 电机反转时 电流id方向从B A 应VT2 VT3参与导通 VD1 VD4起续流作用 19 5 2 2
12、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Ub1的波形如下图示 试分析管子的导通情况 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 Ub1 0 VD2 VD3续流 电流id A B 呈增大趋势 0 ton时段 Ub1 0 VT1 VT4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 Us uAB Us 错 由图知Ud 0 电机反转 电流应B A 应该VT2 VT3参与导通 VD1 VD4续流 错在何处 20 5 2 2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VT1 V
13、T4参与导通 VD2 VD3起续流作用 电机的转向判别 电机反转时 电流id方向从B A 应VT2 VT3参与导通 VD1 VD4起续流作用 从Ub1波形易看出 占空比小于0 电机反转 所以应从VT2 VT3导通开始入手分析 21 5 2 2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Ub1的波形如下图示 试分析管子的导通情况 画出电机电压 电流波形图 解 则Ub1波形知 Ud 0 电机反转VT2 VT3参与导通 VD1VD4续流 T T ton时段 Ub1 0 VD1 VD4续流 电流id B A 呈增大趋势 ton T时段 Ub1 0 VT2 VT3导通
14、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 Us uAB Us 22 6 双极式控制电路的分析方法 1 首先观察控制电压Ub1的波形 判断平均电压的正负和电机转向 2 若电机正转 则VT1 VT4参与导通 VD2 VD3续流 id A B 应从0 ton时段入手分析 3 若电机反转 则VT2 VT3参与导通 VD1 VD4续流 id B A 应从ton T时段入手分析 4 写出各时段导通的管子 uAB的大小 电流的方向及变化趋势 5 画出电压 电流波形图 5 2 2可逆PWM功率放大器 一 双极式控制 23 7 双极式控制的优缺点 1 电流一定是连续的 2
15、 可使电机在四象限运行 4 低速性能好 调速范围宽 1 开关损耗大 2 同一桥臂两个晶体管容易出现上下直通 造成短路 5 2 2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的驱动脉冲较宽 能保证晶体管可靠导通 3 电机停车时有微振电流 能消除正 反向起动时的静磨擦死区 缺点 四个电力晶体管的基极都加脉冲信号 均处于开关状态 24 1 VT1 VT2基极加控制脉冲 且 2 电机正转时 Ub4恒为正 Ub3恒为负 5 2 2可逆PWM功率放大器 二 单极式控制 1 单极式控制方法 单极式控制是针对双极式控制提出的一种改进型控制方案 电机反转时 Ub3恒为正 Ub4恒为负 可见
16、单极式控制处于交替开关状态的管子数量减少了一半 开关损耗也减小一半 且右桥臂2个晶体管不会出现上下直通 安全性提高了 25 5 2 2可逆PWM功率放大器 二 单极式控制 2 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的管子如右下图所示 请试着加以分析 注意正转和反转时控制电压的加法 观察电机瞬时电压波形 说一说双极式控制 单极式控制名称的由来 26 5 2 2可逆PWM功率放大器 二 单极式控制 3 平均电压 1 电机正转控制时 与不可逆PWM功率放器相同 2 电机反转控制时 双极式控制根据Ub1的波形就能看出电机的正 反转 单极式可以吗 27 1 VT1 VT2基极加控制脉冲 且 2 电机正转时 Ub4恒为正 Ub3恒为负 5 2 2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 Ub3恒为正 Ub4恒为负 不难发现 从减少管子开关损耗和减少桥臂上下直通机率的角度看 单极式控制仍然有进一步改进的潜力 电动机正转时VT2一般没有导通机会 不防让Ub2恒为负 同样电动机反转时VT1没有导通机会 可让Ub1恒为负 这样VT1和VT2也不会出现上下直
