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16第十六讲(PWM直流调速系统)


第十六讲
PWM直流调速系统





? 一、PWM直流调速系统组成原理 ? 二、可逆PWM变换器及其

?

工作原理

? 三、脉宽调制器及其工作原理


?



一、掌握可逆PWM变换器的结构、

?

特点及其工作原理

?

二、掌握脉宽调制器工作原理的分析

?

方法

第四章 脉宽调制式(PWM) 直流调速系统
采用电力晶体管等全控式电力电子器件 构成的PWM直流调速系统具有线路简单、 调速范围宽、动态性能好、功耗低、效率 高和功率因数高等优点而得到越来越广泛 的应用。 ? 闭环PWM调速的静、动态分析和已学 的相控式调速系统基本相同,只需对有所 不同的主电路、PWM控制电路以及一些特 殊问题进行讨论。
?

实现可控整流的两种控制方式
?
?

1、相控整流:通过改变晶闸管的触发
角来改变其输出电压。

?
?

2、脉宽调制式整流:通过改变脉冲宽度
以改变全控式电力电子器件(如GTO、

?
?

MOSFET、IGBT等)的通断时间来达到
改变其输出电压的目的。

4.1 PWM直流调速系统的组成原理
?

PWM直流调速系统是一种在V—M系统 的基础上以脉宽调制式可调直流电源取 代晶闸管相控整流电源后构成的直流电 动机转速调节系统。 ? 由于它采用全控型电力电子器件作为功 率开关元件,并按脉宽调制方式实现电 枢电压的调节,因此其主电路简单、性 能优越,是新设计100KW以下直流调速 系统的首选方案。

PWM直流调速系统原理图
GM

ASR

ACR

UPW

DLD 延迟环节

GD 驱动器

PWM功率 变换器

M

FA

TG

单片微机控制的PWM可逆直流调速系统

中、小功率的可逆直流调速系统多 采用由电力电子功率开关器件组成的 桥式可逆PWM变换器(H形PWM变换 器)。其中功率开关器件采用IGBT , 在小容量系统中则可用将IGBT、续 流二极管、驱动电路以及过流、欠压 保护等封装在一起的智能功率模块 IPM。

? 系统组成

PWM可逆直流调速系统原理图

系统组成(续)
图中
? ?

UR—整流器;
UPEM—桥式可逆电力电子变换器,须要 注意的是,直流变换器必须是可逆的; GD—驱动电路模块,内部含有光电隔离电 路和开关放大电路;

?

系统组成(续)
?

UPW—PWM波生成环节,其算法包含在 单片微机软件中; TG—为测速发电机,当调速精度要求较高 时可采用数字测速码盘; TA—霍尔电流传感器; 给定量 n*,I*d 和反馈量 n,Id 都已经是数 字量。

?

? ?

微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图

?系

统控制

控制系统一般采用转速、电流双闭环控制, 电流环为内环,转速环为外环,内环的采 样周期小于外环的采样周期。无论是电流 采样值还是转速采样值都有交流分量,常 采用阻容电路滤波,但阻容值太大时会延 缓动态响应,为此可采用硬件滤波与软件 滤波相结合的办法。

系统控制(续)
当转速给定信号在-n*max ~ 0 ~ +n*max 之间 变化并达到稳态后,由微机输出的PWM信 号占空比ρ在 0 ~ ? ~ 0 的范围内变化,使 UPEM的输出平均电压系数?的变化范围为 –1 ~ 0 ~ +1

实现双极式可逆控制。

4.2 PWM变换器(PWM主电路) 及其工作原理
?

PWM变换器:采用脉冲宽度调制的直

?
?

流斩波器。

? 双极式可逆PWM变换器

可逆PWM变换器
1、常用的H形结构可逆PWM变换器
+Us
VT1 VD1 Ug1 VD3 M Ug3 VT3 +

A
VT2

B VT4

VD2 Ug2

VD4 Ug4

桥式可逆PWM变换器

双极式工作制 正转电动运行重载时
+Us
VT1 VD1 Ug1 2 VD3 M VT3 Ug3

A
VT2

+

B VT4

VD2 Ug2

VD4 1

Ug4

桥式可逆PWM变换器

桥式可逆PWM变换器

+Us VT1 VD1 Ug1 A + M

2 VD3
B

VT3

UUg3 g3
VT4

VT2
VD2

Ug2

VD4 1

Ug4

U, i Ug1,4 -Ug2,
3 +Us

Ud E id

O t 0 on U, i +Us
Ud E id -Us

T

t

O t 0 on
-Us

T

t

(1) 正向电动重载运行波形

双极式工作制 正转电动运行重载时

双极式工作制 正转电动运行轻载时
+Us
VT1 Ug1 4 VD1 2 VD3 M VT3 Ug3

A
VT2

+

B VT4

VD2 Ug2 3

VD4 1

Ug4

桥式可逆PWM变换器

U, i Ug1,4 -Ug2, 3 +Us
Ud E id

O t 0 on U, i +Us
Ud E id id T t -Us

T

t

O t 0 on
-Us

(2) 正向电动轻载运行波形

双极式工作制 正转电动运行轻载时

?

输出平均电压

双极式控制可逆PWM变换器的输出平均 电压为
ton T ? ton 2ton Ud ? Us ? Us ? ( ? 1)U s T T T

U, i

U, i +Us
Ud E id 0

+Us

ton

T

t

O t 0 on
-Us

T

t -Us (2) 反向电动运行波形

id E Ud

(1) 正向电动运行波形

?

性能评价

双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点:

1)电流一定连续。
2)可使电机在四象限运行。 3)电机停止时有微振电流,能消除静摩擦死区。 4)低速平稳性好,系统的调速范围可达1:20000 左右。

5)低速时,每个开关器件的驱动脉冲仍较宽,
有利于保证器件的可靠导通。

?

性能评价(续)

双极式控制方式的不足之处是:

在工作过程中,4个开关器件可能都 处于开关状态,开关损耗大,而且在切 换时可能发生上、下桥臂直通的事故, 为了防止直通,在上、下桥臂的驱动脉 冲之间,应设置逻辑延时。

泵升电压的产生和消除

4.4 脉宽调制器及其工作原理
Ua Ub Uc R0 R0 R0

A

U PW

+
Rb 脉宽调制器

图中Ua可以是三角波或锯齿波, ? Ub =- Uamax /2, ? Uc为电流控制器的输出控制电压 ? 改变Uc就可改变脉宽调制器输出脉冲的 宽度,从而改变电机的端电压。
?

?

当Δ U=Ua+Ub+Uc>0时,Upw 为负的最大 值;当Δ U=Ua+Ub+Uc<0时,Upw 为正的 最大值。Uc =0时,Δ U=Ua+Ub ,Upw 的 平均值为零;Uc<0时, Upw的正脉冲宽、 负脉冲窄,输出电压平均值大于零;

Uc>0时, Upw的负脉冲宽、正脉冲窄,输
出电压平均值小于零。

Uc =0

Uc =0

Uc <0

Uc >0


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