运动控制系统直流脉宽调速系统.pptx

2.1.2 直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统自从全控型电力电子器件问世以后，由自从全控型电力电子器件问世以后，由他们组成的功率变换装置也随之发展，他们组成的功率变换装置也随之发展，就出现了采用脉冲宽度调制（就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即调速系统，即直流直流PWM调速系统调速系统。PWM系统的优越性系统的优越性n主电路线路简单，需用的功率器件少；主电路线路简单，需用的功率器件少；n开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；耗及发热都较小；n低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；n系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；n功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；置效率较高；n直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。控整流器高。n由于具有上述优点，直流由于具有上述优点，直流PWM调速调速系统的应用日益广泛，特别在中、小系统的应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全容量的高动态性能系统中，已经完全取代了取代了V-M系统。系统。PWM系统的优越性系统的优越性本节提要本节提要（1）PWM变换器的工作状态和波形；变换器的工作状态和波形；（2）直流）直流PWM调速系统的机械特性；调速系统的机械特性；（3）PWM控制与变换器的数学模型；控制与变换器的数学模型；（4）电能回馈与泵升电压的限制。）电能回馈与泵升电压的限制。本节提要本节提要（1）PWM变换器的工作状态和波形变换器的工作状态和波形；（2）直流）直流PWM调速系统的机械特性；调速系统的机械特性；（3）PWM控制与变换器的数学模型；控制与变换器的数学模型；（4）电能回馈与泵升电压的限制。）电能回馈与泵升电压的限制。1 PWM变换器的工作状态和波形变换器的工作状态和波形 PWM变换器的作用是：用变换器的作用是：用PWM调制调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。调节电机转速。PWM变换器电路有多种形式，主要变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面着重阐分为不可逆与可逆两大类，下面着重阐述不可逆述不可逆PWM变换器的工作原理。变换器的工作原理。一、不可逆一、不可逆PWM变换器变换器 1、简单的不可逆、简单的不可逆PWM变换器变换器 2、有制动电流通路的不可逆有制动电流通路的不可逆PWM变换器变换器PWM分类分类:二、可逆二、可逆PWM变换器变换器 1、双极式、双极式H型型PWM变换器变换器 2、单极式、单极式H型型PWM变换器变换器 3、受限单极式、受限单极式H型型PWM变换器变换器不可逆不可逆PWM变换器变换器 简单的不可逆简单的不可逆PWM变换器变换器-直流电动机系统主直流电动机系统主电路原理图如图电路原理图如图2-10a所示，功率开关器件可所示，功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又称称直流降压斩波器直流降压斩波器（1）简单的不可逆）简单的不可逆PWM变换器变换器Us 直流电源电压 C滤波电容器VT电力电子开关器件VD续流二极管M直流电动机 Ug为正，晶体管为正，晶体管导通，电机加电压导通，电机加电压Us，Ud=Us；Ug为负，晶体为负，晶体管截止，电机通过管截止，电机通过二极管释放电枢电二极管释放电枢电感储能感储能,Ud=0。工作状态与波形工作状态与波形在一个开关周期内，在一个开关周期内，n当当0 t ton时，时，Ug为为正，正，VT导通，电源导通，电源电压通过电压通过VT加到电加到电动机电枢两端；动机电枢两端；n当当ton t T 时，时，Ug为负，为负，VT关断，电关断，电枢失去电源，经枢失去电源，经VD续流。续流。U,iUdEidUsttonT0图2-10b 电压和电流波形O电机两端得到的平均电压为电机两端得到的平均电压为(2-15)式中式中 =ton/T 为为 PWM 波形的占空比，波形的占空比，输出电压方程输出电压方程 改变改变 （0 1）即可调节电机的转速，若）即可调节电机的转速，若令令 =Ud/Us为为PWM电压系数，则在不可逆电压系数，则在不可逆 PWM 变换器变换器 =(2-16)问题：问题：id不能反向，不能产生制动作用。不能反向，不能产生制动作用。解决办法：解决办法：设置反方向的的电力晶体管。设置反方向的的电力晶体管。（2）有制动的不可逆）有制动的不可逆PWM变换器电路变换器电路 在简单的不可逆电路中电流不能反向，在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能作单象限运行。因而没有制动能力，只能作单象限运行。需要需要2-11a所示的双管交替开关电路。当所示的双管交替开关电路。当VT1 导通时，流过正向电流导通时，流过正向电流+id，VT2 导导通时，流过通时，流过 id 。应注意，这个电路还。应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、二象限，是不可逆的，只能工作在第一、二象限，因为平均电压因为平均电压 Ud 并没有改变极性。并没有改变极性。图2-11a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器主电路结构主电路结构M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1两个电力晶体管交替开关电路，两个电力晶体管交替开关电路，调速系统可在一、二象限运行调速系统可在一、二象限运行。工作状态与波形工作状态与波形n一般电动状态一般电动状态 在一般电动状态中，电流始终为正值（其在一般电动状态中，电流始终为正值（其正方向示于图正方向示于图2-11a中）。设中）。设ton为为VT1的导的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：n在在0 t ton期间，期间，Ug1为正，为正，VT1导通，导通，Ug2为负，为负，VT2关断。此时，电源电压关断。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流加到电枢两端，电流 id 沿图中的回路沿图中的回路1流通。流通。一般电动状态（续）一般电动状态（续）n在在 ton t T 期间，期间，Ug1和和Ug2都改变极性，都改变极性，VT1关断，但关断，但VT2却不能立即导通，因为却不能立即导通，因为id沿沿回路回路2经二极管经二极管VD2续流（电机上无电压），续流（电机上无电压），在在VD2两端产生的压降给两端产生的压降给VT2施加反压，使它施加反压，使它失去导通的可能。失去导通的可能。因此，实际上是因此，实际上是由由VT1和和VD2交替导通交替导通，虽虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没有然电路中多了一个功率开关器件，但并没有被用上。被用上。U,iUdEidUsttonT0On输出波形：输出波形：一般电动状态的一般电动状态的电压、电流波形电压、电流波形与简单的不可逆与简单的不可逆电路波形（图电路波形（图2-10b）完全一样。）完全一样。b）一般电动状态的电压、电流波形）一般电动状态的电压、电流波形一般电动状态（续）一般电动状态（续）工作状态与波形（续）工作状态与波形（续）n在制动状态中，在制动状态中，id为负值，为负值，VT2就发挥作就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时，先减小控制电需要降速的时候。这时，先减小控制电压，使压，使 Ug1 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压从而使平均电枢电压Ud降低。但是，由降低。但是，由于机电惯性，转速和反电动势于机电惯性，转速和反电动势E还来不及还来不及变化，因而造成变化，因而造成 E Ud 的局面，很快使的局面，很快使电流电流id反向，反向，VD2截止，截止，VT2开始导通。开始导通。n制动状态制动状态制动状态（续）制动状态（续）制动状态的一个周期分为两个工作阶段：制动状态的一个周期分为两个工作阶段：n在在 0 t ton 期间，期间，VT2 关断，关断，id 沿回路沿回路 4 经经 VD1 续流，向电源回馈制动，与此同时，续流，向电源回馈制动，与此同时，VD1 两端压降两端压降钳住钳住 VT1 使它不能导通。使它不能导通。n在在 ton t T期间，期间，Ug2 变正，于是变正，于是VT2导通，反向电导通，反向电流流 id 沿回路沿回路 3 流通，产生能耗制动作用。流通，产生能耗制动作用。因此，因此，在制动状态中，在制动状态中，VT2和和VD1轮流导通，而轮流导通，而VT1 始终是关断的始终是关断的，此时的电压和电流波形示于图，此时的电压和电流波形示于图2-11c。U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO输出波形输出波形图图2-11c 制动状态的电压制动状态的电压电流波形电流波形工作状态与波形（续）工作状态与波形（续）有一种特殊情况，即轻载电动状态，这有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有到达周期时，还没有到达周期 T，电流已经衰减，电流已经衰减到零，此时到零，此时，因而两端电压也降为零，因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。局部时间的制动作用。n轻载电动状态轻载电动状态轻载电动状态（续）轻载电动状态（续）n第第1阶段，阶段，VD1续流，电流续流，电流 id 沿回路沿回路4流通；流通；n第第2阶段，阶段，VT1导通，电流导通，电流 id 沿回路沿回路1流通；流通；n第第3阶段，阶段，VD2续流，电流续流，电流 id 沿回路沿回路2流通；流通；n第第4阶段，阶段，VT2导通，电流导通，电流 id 沿回路沿回路3流通流通。轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：在在1、4阶段，电动机流过阶段，电动机流过负方向电流负方向电流，电机工作在制动状态；，电机工作在制动状态；在在2、3阶段，电动机流过阶段，电动机流过正方向电流正方向电流，电机工作在电动状态。，电机工作在电动状态。因此，因此，在在轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流负载电流，其输出波形见下图，其输出波形见下图输出波形输出波形d）轻载电动状态的电流波形）轻载电动状态的电流波形4123Tton0U,iUdEidUsttonT041 23O负载较重负载较重,平均电流大平均电流大,电机始终电机始终电动电动（一象限）（一象限）.负载较小负载较小,平均电流小平均电流小,电机可能处于电机可能处于制动。制动。（一、二象限）（一、二象限）.小小 结结表表2-3 二象限不可逆二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态变换器的不同工作状态本节提要本节提要（1）PWM变换器的工作状态和波形；变换器的工作状态和波形；（2）直流）直流PWM调速系统的机械特性；调速系统的机械特性；（3）PWM控制与变换器的数学模型；控制与变换器的数学模型；（4）电能回馈与泵升电压的限制。）电能回馈与泵升电压的限制。由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的，的，所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。平均转矩（电流）的关系。采用不同形式的采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特变换器，系统的机械特性也不一样。对于性也不一样。对于带制动电流通路的不可逆电带制动电流通路的不可逆电路路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，现在就分析这种情况。式比较简单，现在就分析这种情况。2 直流直流PWM调速系统的机械特性调速系统的机械特性 目前，在中、小容量的脉宽调速系统中，目前，在中、小容量的脉宽调速系统中，由于由于IGBT已经得到普遍的应用，其开关已经得到普遍的应用，其开关频率一般在频率一般在10kHz左右，这时，最大电流左右，这时，最大电流脉动量在额定电流的脉动量在额定电流的5%以下，转速脉动以下，转速脉动量不到额定空载转速的万分之一，可以量不到额定空载转速的万分之一，可以忽略不计。忽略不计。对于带制动电流通路的不可逆电路，电压平衡对于带制动电流通路的不可逆电路，电压平衡方程式分两个阶段方程式分两个阶段 式中式中 R、L 电枢电路的电阻和电感。电枢电路的电阻和电感。n 带制动的不可逆电路电压方程带制动的不可逆电路电压方程（0 t ton）（2-17）（ton t T）（2-18）平均电流和转矩分别用平均电流和转矩分别用 Id 和和 Te 表示，表示，平均转速平均转速 n=E/Ce，而电枢电感压降的，而电枢电感压降的平均值平均值 Ldid/dt 在稳态时应为零。在稳态时应为零。于是，无论是上述哪一组电压方程，于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成其平均值方程都可写成 (2-19)(2-20)或用转矩表示，或用转矩表示，(2-21)式中式中 Cm=Km N 电机在额定磁通下的转矩系数；电机在额定磁通下的转矩系数；n0=Us/Ce 理想空载转速，与电压系数成理想空载转速，与电压系数成正比。正比。n 机械特性方程机械特性方程nId,TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId,Teav=1=0.75=0.5=0.25n PWM调速系统机械特性调速系统机械特性图图2-12 脉宽调速系统的机械特性曲线脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），（电流连续），n0sUs/Cen 说说 明明n图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能。系统的稳态性能。n图中仅绘出了第一、二象限的机械特性，它图中仅绘出了第一、二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路。适用于带制动作用的不可逆电路。n对于电机在同一方向旋转时电流不能反向的对于电机在同一方向旋转时电流不能反向的电路，轻载时会出现电流断续现象，把平均电路，轻载时会出现电流断续现象，把平均电压抬高，在理想空载时，电压抬高，在理想空载时，Id =0，理想空，理想空载转速会翘到载转速会翘到 n0sUs/Ce。本节提要本节提要（1）PWM变换器的工作状态和波形；变换器的工作状态和波形；（2）直流）直流PWM调速系统的机械特性；调速系统的机械特性；（3）PWM控制与变换器的数学模型；控制与变换器的数学模型；（4）电能回馈与泵升电压的限制。）电能回馈与泵升电压的限制。3 PWM控制与变换器的数学模型控制与变换器的数学模型 图图2-13绘出了绘出了PWM控制器和变换器的框控制器和变换器的框图，图，其驱动电压都由其驱动电压都由 PWM 控制器发出，控制器发出，PWM控制与变换器的动态数学模型和晶控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。闸管触发与整流装置基本一致。按照上述对按照上述对PWM变换器工作原理和波形变换器工作原理和波形的分析，不难看出，当控制电压改变时，的分析，不难看出，当控制电压改变时，PWM变换器输出平均电压按线性规律变变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期一个开关周期 T。UcUgUdPWM控制器PWM变换器图图2-13 PWM控制与变换器框图控制与变换器框图 因此因此PWM控制与变换器（简称控制与变换器（简称PWM装装置）也可以看成是一个滞后环节，其传置）也可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成递函数可以写成（2-22）其中其中 Ks PWM装置的放大系数；装置的放大系数；Ts PWM装置的延迟时间，装置的延迟时间，Ts T0。当开关频率为当开关频率为10kHz时，时，T=0.1ms，在，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，因此一阶惯性环节，因此,（2-23）与晶闸管装置传递函数完全一致。与晶闸管装置传递函数完全一致。本节提要本节提要（1）PWM变换器的工作状态和波形；变换器的工作状态和波形；（2）直流）直流PWM调速系统的机械特性；调速系统的机械特性；（3）PWM控制与变换器的数学模型；控制与变换器的数学模型；（4）电能回馈与泵升电压的限制。）电能回馈与泵升电压的限制。C C+4 电能回馈与泵升电压的限制电能回馈与泵升电压的限制 PWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，滤波，以获得恒定的直流电压，电容以获得恒定的直流电压，电容C同时对感性负载同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。的无功功率起储能缓冲作用。n 泵升电压产生的原因泵升电压产生的原因 对于对于PWM变换器中的滤波电容，其作用变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作容两端电压升高，称作“泵升电压泵升电压”。（1）电力电子器件的耐压限制着最高泵升电电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，因此电容量就不可能很小，一般几压，因此电容量就不可能很小，一般几千瓦千瓦的的调速系统所需的电容量达到数千调速系统所需的电容量达到数千微法微法。（2）在大容量或负载有较大惯量的系统中，）在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采用下图中的镇流电阻以采用下图中的镇流电阻 Rb 来消耗掉部分动来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件能。分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到在泵升电压达到允许数值时接通。允许数值时接通。n 泵升电压限制泵升电压限制