电力拖动自动控制系统第四章优质PPT.ppt
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设备投入大,体积增加,同时电感大又限制了系统的快速性。
当系统在较低速运行时,晶闸管的导通角很小,使系统的功率因素很低,并产生较大的谐波电流,引起电网电压波形畸变殃及附近的用电设备,也限制了调速范围。
对过电压、过电流敏感,要注意保护。
第四章直流脉宽调速系统,直流PWM调速系统优点:
主电路简单,不用电抗器,用电机本身的电感,从而获得脉动很小的直流电流;
开关频率高,电枢电流容易连续,无电流断续问题;
系统的低速运行平稳,调速范围较宽;
频带宽,响应快;
功率因素高。
电流和电压永远相同,无无功功率问题。
PWM调速系统和V-M调速系统主要区别在主电路和PWM控制电路。
闭环控制系统以及静、动态分析和设计基本一样。
PWM脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制变换器。
第四章直流脉宽调速系统,4-1脉宽调制变换器本节提要不可逆PWM变换器可逆PWM变换器,4-1脉宽调制变换器,一、不可逆PWM变换器,
(一)简单的不可逆PWM变换器(直流降压斩波器)1.组成,2,1,Us:
由二极管整流电路提供;
电容C:
大容量,滤波;
二极管VD:
在晶体管VT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路;
功率开关器件VT由脉宽可调的脉冲电压Ug驱动。
4-1脉宽调制变换器,2.基本原理由二极管整流桥完成:
交直Us恒定,控制VT在一个周期内导通的长短,即脉冲宽度,来改变电枢平均电压Ud可控。
t,t,t,us,Us,Us,US,ud,ud,Ud1,Ud2,f,2f,ton,ton,ton,ton,T,T,2T,2T,在一个开关周期T内,当0tton时,Ug为正,VT饱和导通,ud=us。
当tontT时,Ug为负VT截止,ud=0,M经VD续流。
系统Uct小,Ug的导通时间ton短;
Uct大,Ug的导通时间ton长。
显然,Ud2Ud1。
4-1脉宽调制变换器,电压和电流波形,O,4-1脉宽调制变换器,电机两端得到的平均电压为,式中=ton/T为PWM波形的占空比,改变(01)即可调节电机的转速。
PWM脉宽调速系统如上述介绍有许多优点,但也存在缺点:
过压能力低,需保护;
VT单向导电性,不可逆,无制动。
需要制动时,必须具有反向电流-id的通路,因此应再设置一个电力晶体管。
4-1脉宽调制变换器,
(二)有制动的不可逆PWM变换器电路1.主电路结构,有制动电流通路的不可逆PWM变换器,M,+,-,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,4,1,2,3,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,|Ug1|=|Ug2|极性相反,4-1脉宽调制变换器,2.工作状态与波形M是电动状态a)在0tton期间,Ug1为正,VT1导通,Ug2为负,VT2关断。
此时,电源电压Us加到电枢两端,电流id沿图中的回路1流通。
b)在tontT期间,Ug1和Ug2都改变极性,VT1关断,但VT2也不能导通,因为id沿回路2经二极管VD2续流,在VD2两端产生的压降给VT2施加反压,使它失去导通的可能。
因此,电动状态是由VT1和VD2交替导通,VT2始终不通。
4-1脉宽调制变换器,输出波形:
电动状态的电压、电流波形与简单的不可逆电路波形完全一样。
M为电动状态的电压、电流波形,4-1脉宽调制变换器,制动状态(减速)减速时,减小Uct,使Ug1的正脉冲变窄,负脉冲变宽,从而使平均电枢电压Ud降低(Ud1Ud2)。
由于机电惯性,转速n和反电动势E还来不及变化,因而造成EUd的局,ud,ud,ton,ton,T,T,Ud1,Ud2,E,E,面,由Ud0=E+IdR可知,很快使电流id反向,这时希望VT2发挥作用。
4-1脉宽调制变换器,制动状态的一个周期分为两个工作阶段,先分析tonT阶段。
a)在tontT期间,Ug2变正,于是VT2导通,EUd使电流id反向,沿回路3流通,M:
处于能耗制动。
b)在TtT+ton(下一周期的0tton)期间,VT2关断,-id沿回路4经VD1续流,向电源回馈制动,同时在VD1两端上的压降使VT1不能导通。
制动状态电流流向如下图。
4-1脉宽调制变换器,制动状态电流流向:
M,+,-,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,4,3,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,4-1脉宽调制变换器,在整个制动状态中,VT2和VD1轮流导通,而VT1始终是关断的。
此时的电压和电流波形如下图:
制动状态的电压电流波形,4-1脉宽调制变换器,由于制动作用使电动机转速下降(n、E),直到新的稳态,(UdE)又回到VT1和VD2轮流导通,M重新回到电动状态。
注意:
当US(直流电源)采用半导体整流装置时,其单向导电性,在回馈制动阶段电能不可能通过它送回电网,只能向滤波电容C充电,从而造成瞬间电压升高,称作“泵升电压”。
它的值太高时,对电力晶体管和整流二极管都不利,限制的措施书中有介绍。
4-1脉宽调制变换器,轻载电动状态有一种特殊情况,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,还没有到达周期T,电流已经衰减到零,此时,VT2两端电压也降为零,便提前导通了,使电流方向变动,产生局部时间的制动作用。
轻载电动状态,一个周期分成四个阶段:
第1阶段,VD1续流,电流id沿回路4流通;
第2阶段,VT1导通,电流id沿回路1流通;
第3阶段,VD2续流,电流id沿回路2流通;
第4阶段,VT2导通,电流id沿回路3流通。
4-1脉宽调制变换器,在1、4阶段,电动机流过负方向电流,电机工作在制动状态;
在2、3阶段,电动机流过正方向电流,电机工作在电动状态。
因此,在轻载时,电流可在正负方向之间脉动,平均电流等于负载电流,其输出波形见下图:
轻载电动状态的电流波形,4-1脉宽调制变换器,小结,不可逆PWM变换器的不同工作状态,4-1脉宽调制变换器,二、可逆PWM变换器,可逆PWM变换器主电路有H型、T型多种形式,最常用的是桥式(亦称H型)电路,如下图所示。
这时,电动机M两端电压的极性随开关器件基极驱动电压极性的变化而改变,其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种,这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。
4-1脉宽调制变换器,
(一)双极式可逆PWM变换器,+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,A,B,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,桥式可逆PWM变换器,1.主电路结构,4个大功率晶体管VT(开关管)VT1,VT4一组;
VT2,VT3一组,4个续流二极管VD1VD4,驱动电压:
Ug1=Ug4;
Ug2=Ug3=-Ug1,4-1脉宽调制变换器,2.工作状态与波形正向运行:
在0tton期间,Ug1=Ug4为正,VT1、VT4导通,Ug2=Ug3为负,VT2、VT3截止,电流id沿回路1流通,电动机M两端电压UAB=+Us;
在tontT期间,Ug1=Ug4为负,VT1、VT4截止;
由于电感储存很大能量,放电,维持电流方向不变,这时通过VD2、VD3续流,并钳位使VT2、VT3保持截止,电流id沿回路2流通,电动机M两端电压UAB=Us。
4-1脉宽调制变换器,正向运行电流流向:
+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,1,2,A,B,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,桥式可逆PWM变换器,Ug1=Ug4=+,Ug1=Ug4=-,4-1脉宽调制变换器,反向运行:
先分析tonT阶段在tontT期间,Ug2=Ug3为正,VT2、VT3导通,Ug1=Ug4为负,使VT1、VT4截止,电流id沿回路3流通,电动机M两端电压UAB=Us;
在TtT+ton(下一周期的0tton)期间,Ug2=Ug3为负,VT2、VT3截止,VD1、VD4续流,并钳位使VT1、VT4截止,电流id沿回路4流通,电动机M两端电压UAB=+Us。
4-1脉宽调制变换器,反向运行电流流向:
+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,3,A,B,4,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,桥式可逆PWM变换器,Ug2=Ug3=+,Ug2=Ug3=-,4-1脉宽调制变换器,输出波形,4-1脉宽调制变换器,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,为占空比,当0时,tonT/2,Ud=+,电机正转;
当0时,tonT/2,Ud=-,电机反转;
当=0时,ton=T/2,电机停止。
4-1脉宽调制变换器,注意:
当电机停止时电枢电压并不等于零,而是正负脉宽相等的交变脉冲电压,因而电流也是交变的。
这个交变电流的平均值为零,不产生平均转矩,徒然增大电机的损耗,这是双极式控制的缺点。
但它也有好处,在电机停止时仍有高频微振电流,从而消除了正、反向时的静摩擦死区,起着所谓“动力润滑”的作用。
双极式可逆PWM制动时情况比较复杂,根据VT3、VT2的通断情况,电机可能处在能耗制动、再生发电或反接制动,产生制动时一定具备上述其中一个制动过程。
4-1脉宽调制变换器,性能评价双极式可逆PWM变换器的优点:
a)电流一定连续;
b)可使电机在四象限运行;
c)电机停止时有微振电流,能消除静摩擦死区;
d)低速平稳性好,系统的调速范围可达1:
20000左右;
e)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。
4-1脉宽调制变换器,双极式可逆PWM变换器的缺点:
a)在工作过程中,4个大功率晶体管可能都处于开关状态,开关损耗大;
b)在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故,为了防止上述情况,在上、下桥臂的驱动脉冲之间,应设置逻辑延时。
(二)单极式可逆PWM变换器为克服双极式变换器的上述缺点,可采用单极式PWM变换器。
电路图与双极式的一样,如下图所示。
4-1脉宽调制变换器,1.单极式可逆PWM变换器主电路结构,+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,A,B,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,桥式可逆PWM变换器,驱动电压:
Ug1=-Ug2,VT1与VT2交替导通,VT3与VT4由转向决定常通正转时,VT4直通,VT3截止反转时,VT3直通,VT4截止,4-1脉宽调制变换器,2.工作状态与波形正向运行:
在0tton期间,Ug1、Ug4为正,VT1、VT4导通,Ug2、Ug3为负,VT2、VT3截止,电流id沿回路1流通,电动机M两端电压UAB=+Us;
在tontT期间,Ug4为正VT4继续导通Ug1、Ug3为负VT1、VT3截止;
由于电感储存很大能量,放电,维持电流方向不变,这时虽然Ug2为正,但电流通过VT4