第2讲直流PWM变换器-电动机系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,直流调速系统用的,可控直流电源,晶闸管整流器-电动机系统,直流PWM变换器-电动机系统,V-M系统,1触发脉冲相位控制。,2电流脉动及其波形的连续与断续。,3,晶闸管-电动机系统的机械特性。,4晶闸管触发和整流装置的放大系数 和传递函数。,5晶闸管整流器运行中存在的问题。,1 PWM变换器的工作状态和波形；,2 直流PWM调速系统的机械特性；,3 PWM控制与变换器的数学模型；,4 电能回馈与泵升电压的限制。,PWM系统),回忆,2.1.2 直流PWM变换器-电动机系统,全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式, 形成了,脉宽调制变换器-直流电动机,调速系统，简称,直流脉宽调速系统,，或,直流PWM调速系统,。,与V-M系统相比，PWM调速系统在很多方面有较大的优越性。,直流PWM调速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,完全取代,了V-M系统。,主要研究问题,1 PWM变换器的工作状态和波形；,2 直流PWM调速系统的机械特性；,3 PWM控制与变换器的数学模型；,4 电能回馈与泵升电压的限制。,2.1.2 直流PWM变换器,-,电动机系统,1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,脉宽调制(PWM)变换器的作用是：用,脉冲宽度调制,的方法，把,恒定的直流电源电压,调制成,频率一定、宽度可变,的脉冲电压序列，从而可以,改变平均输出电压,的大小，以调节电动机转速。,PWM变换器电路有多种形式，总体上可分为,不可逆与可逆,两大类。,脉宽调制PWM-Pulse Width Modulation,(1). 不可逆PWM变换器,简单的不可逆PWM变换器,简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图如以下图所示，功率开关器件VT可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又称直流降压斩波器(buck变换器)。,a）原理图,b）电压波形图,t,O,u,U,s,U,d,T,t,on,控制电路,M,斩波电路三种控制方式,输出平均电压：,式中,T,电力电子开关器件的开关周期；,t,on, 开通时间；, 占空比，,=,t,on,/,T = t,on,f,；,其中,f,为开关频率。,输出平均电压：,根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：,T 不变，变 ton 脉冲宽度调制PWM；,ton不变，变 T 脉冲频率调制PFM；,ton和 T 都可调，改变占空比混合型。,斩波电路三种控制方式,U,s, 主电路结构工作状态与波形,U,i,U,d,E,i,d,U,s,t,t,on,T,0,图2-10b 电压和电流波形,简单的不可逆PWM变换器,图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,VD,+,U,g,C,VT,i,d,M,+,_,_,E,a电路原理图,M,2,1,改变 0 1 即可调节电机的转速，,假设令 = Ud / Us为PWM电压系数，那么在不可逆 PWM 变换器中, = ,U,i,U,d,E,i,d,U,s,t,t,on,T,0,图2-10b 电压和电流波形,输出平均电压：,简单的不可逆PWM变换器,不可逆PWM变换器-直流电动机系统,不允许电流反向,续流二极管,VD,的作用只是为,i,d,提供一个,续流,的通道。,如果要实现电动机的,制动,，必须为其提供,反向电流,通道 。,单管电路,简单的不可逆PWM变换器,M,+,-,VD,2,U,g2,U,g1,VT,2,VT,1,VD,1,E,C,U,s,+,M,VT,2,U,g2,VT,1,U,g1,VT,1,主管,VT,2,辅助管,大小相等极性相反,工作状态与波形,一般电动状态,VT,1,和,VD,2,交替导通，,VT,2,和,VD,1,始终关断。,M,+,-,VD,2,U,g2,U,g1,VT,2,VT,1,VD,1,E,1,2,C,U,s,+,M,VT,2,U,g2,VT,1,U,g1,有制动,的,不可逆,PWM变换器电路,制动状态,M,+,-,VD,2,U,g2,U,g1,VT,2,VT,1,VD,1,E,4,3,C,U,s,+,M,VT,2,U,g2,VT,1,U,g1,的正脉冲比负脉冲,窄,， ,始终为负。,制动状态的电压、电流波形,VT2,和,VD1,交替导通，,VT,1,和,VD,2,始终关断。,1,2,2有制动的不可逆PWM变换器电路,当VT,1,导通时，流过正向电流 +,i,d,，VT,2,导通时，流过 ,i,d,。应注意，这个电路还是,不可逆,的，只能工作在第一、二象限， 因为,平均电压,U,d,并没有改变极性,。,M,+,-,VD,2,U,g2,U,g1,VT,2,VT,1,VD,1,E,4,1,2,3,C,U,s,+,M,VT,2,U,g2,VT,1,U,g1,图2-11有制动电流通路的不可逆PWM变换器,双管电路,2 直流脉宽调速系统的机械特性,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的，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平均转矩电流的关系。,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,式中,R,、,L,电枢电路的电阻和电感。,1 带制动的不可逆电路电压方程,（0,t,t,on,） （2-17）,（,t,on,t,T,） （2-18）,2机械特性方程,电枢两端在一个周期内的,平均电压,都是,U,d,=,U,s,。,其平均值方程都可写成,或用转矩表示，,式中,C,m,=,K,m,N,电机在额定磁通下的转矩系数；,n,0,=,U,s,/,C,e,理想空载转速，与电压系数成正比。,2 直流脉宽调速系统的机械特性,3PWM调速系统机械特性,图2-12 脉宽调速系统的机械特性曲线电流连续，n0sUs /Ce,2 直流脉宽调速系统的机械特性,U,c,U,g,U,d,PWM,控制器,PWM,变换器,图 PWM控制与变换器框图,3.,PWM控制与变换器的数学模型,其驱动电压都由 PWM 控制器发出，PWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置根本一致。,PWM控制器和变换器的框图,因此PWM控制与变换器简称PWM装置也可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成,其中,K,s,PWM,装置的放大系数；,T,s,PWM,装置的延迟时间，,T,s,T,0,。,3.,PWM控制与变换器的数学模型,与晶闸管装置传递函数完全一致。,可近似看成是一个一阶惯性环节：,开关周期,C,C,+,4. 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,不可控的二极管整流器产生,，并采用大电容,C,滤波，以获得恒定的直流电压，电容,C,同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。,泵升电压产生的原因,由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压。,4. 电能回馈与泵升电压的限制,泵升电压限制,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，一般几千瓦的调速系统所需的电容量到达数千微法。,过电压信号,U,s,R,b,VT,b,C,+,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，可以采用以下图中的镇流电阻 Rb 来消耗掉局部动能。分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压到达允许数值时接通。,泵升电压限制,4. 电能回馈与泵升电压的限制,泵升电压限制电路,对于更大容量的系统，为了提高效率，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回馈电网。当然，这样一来，系统就更复杂了。,泵升电压限制,4. 电能回馈与泵升电压的限制,PWM系统的优越性,主电路线路简单，需用的功率器件少；,开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；,低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；,系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；,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，因而装置效率较高；,直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。,返回目录,2.2 稳态调速性能指标和 直流调速系统的机械特性,对于调速系统转速控制的要求：,1调速在一定的最高转速和最低转速范围内调节转速；,2稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动；,3加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化的机械那么要求起、制动尽量平稳。,转速控制的要求和稳态调速性能指标,生产机械要求电动机提供的最高转速,n,max,和最低转速,n,min,之比称为调速范围，用字母,D,表示，即,1、调速范围,n,max,和,n,min,是电动机在,额定负载时,的最高和最低转速，,对于少数负载很轻的机械，例如,精密磨床，,也可用,实际,负载时的最高和最低转速。,T,N,当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落,n,N,与理想空载转速,n,0,之比,式中,n,N,=,n,0,-,n,N,静差率是用来衡量调速系统在负载变化时,转速的稳定度的,。,调速范围,和,静差率,两个指标合称调速系统的,稳态性能指标,。,用百分数表示,2、静差率,s,图2-14 不同转速下的静差率,特性,a,和,b,的硬度相同，,特性,a,和,b,额定速降相同，,特性,a,和,b,的静差率不相同。,2、静差率,s,机械特性越硬，静差率就越小，转速的稳定度越高。,对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差,3. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系,设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN，那么按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即,于是，最低转速为,而调速范围为,3. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系,对于同一个调速系统，,n,N,值是定值。,要求,s,值越小时，系统能够允许的调速范围,D,也越小。,一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。,例题2-1某直流调速系统电动机额定转速nN=1430r/min，额定速降nN=115r/min，当要求静差率s30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率s 20%，那么调速范围是多少？,如果希望调速范围到达10，所能满足的静差率是多少？,解 在要求s 30%时，允许的调速范围为,假设要求s 20%，那么允许的调速范围只有,假设调速范围到达10，那么静差率只能是,2.2.2 直流调速系统的机械特性,开环调速系统，即无反响控制的直流调速系统。,调节控制电压Uc就可以改变电动机的转速。,晶闸管整流器和PWM变换器都是可控的直流电源，用UPE来统一表示可控直流电源,图215 开环调速系统的原理图,U,c,U,d,0,u,AC,DC,U,d0,U,c,UPE,的组成,图中，UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组或单相交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。,目前，组成UPE的电力电子器件有如下几种选择方案：,对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P-MOSFET组成的PWM变换器；,对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGCT等；,对于特大容量的系统，那么常用晶闸管触发与整流装置。,开环调速系统中各环节的稳态关系如下：,电力电子变换器,直流电动机,开环调速系统的机械特性为,2.2.2 直流调速系统的机械特性,图2-16 开环调速系统稳态结构图,图2-17 开环直流调速系统的机械特性,2.2.2 直流调速系统的机械特性,某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻R=0.18 ,电动机电动势系数Ce=0.2Vmin/r。如果要求调速范围 D = 20，静差率s 5%，,采用开环调速能否满足？,假设要满足这个要求，系统的额定速降nN 最多能有多少？,例题2-2,解题思路:,先求出速度降落,求在最高转速时的静差率,s,再根据,解 当电流连续时，V-M系统的额定速降为,开环系统机械特性连续段在,额定转速时,的静差率为,这已大大超过了5%的要求，更不必谈调到最低速。,如果要求,D,= 20，,s,5%,开环调速已不能满足要求，原因所在：,负载电流在回路电阻上的压降太大，电流的稍微变化将引起很大的电压变化，从而转速改变。,如何控制转速量的变化,呢？,解决思路：,引入反响控制思想提出闭环的必要性,反响的手段,2.2.2 直流调速系统的机械特性,根据自动控制原理，反响控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。,调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环调速系统应该能够大大减少转速降落。,闭环系统的设计思路,闭环系统结构框图,闭环系统的设计思路,开环系统结构框图,FLASH,作业,P56 思考题 2-8,P57 习题 2-4 2-5,