第2章第2讲直流PWM变换器电动机系统课件.ppt

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1、直流直流调速调速系统系统用的用的可控可控直流直流电源电源晶闸管整晶闸管整流器流器-电电动机系统动机系统直流直流PWM变换器变换器-电电动机系统动机系统（V-M系统）系统）1触发脉冲相位控制。触发脉冲相位控制。2电流脉动及其波形的连续与断续。电流脉动及其波形的连续与断续。3晶闸管晶闸管-电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性。4晶闸管晶闸管触发和整流装置的放大系数触发和整流装置的放大系数 和传递函数。和传递函数。5晶闸管晶闸管整流器运行中存在的问题。整流器运行中存在的问题。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 P

2、WM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。（PWM系统系统)回顾回顾1PPT课件2.1.2 直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统n全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉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冲宽度调制的高频开关控制方式,形成了形成了脉宽调脉宽调制变换器制变换器-直流电动机直流电动机调速系统，简称调速系统，简称直流脉宽调直流脉宽调速系统速系统，或，或直流直流PWM调速系统调速系统。n与与V-M系统相比，系统相比，PWM调速系统在很多方面有调速系统在很多方面有较大的优越

3、性。较大的优越性。n直流直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别在调速系统的应用日益广泛，特别在中、中、小容量小容量的高动态性能系统中，已经的高动态性能系统中，已经完全取代完全取代了了V-M系统。系统。2PPT课件主要研究问题主要研究问题n1 PWM变换器的工作状态和波形；变换器的工作状态和波形；n2 直流直流PWM调速系统的机械特性；调速系统的机械特性；n3 PWM控制与变换器的数学模型；控制与变换器的数学模型；n4 电能回馈与泵升电压的限制。电能回馈与泵升电压的限制。2.1.2 直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统3PPT课件1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形变换器的工作状

4、态和电压、电流波形n脉宽调制脉宽调制(PWM)变换器的作用是：用变换器的作用是：用脉冲宽度调脉冲宽度调制制的方法，把的方法，把恒定的直流电源电压恒定的直流电源电压调制成调制成频率一频率一定、宽度可变定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以的脉冲电压序列，从而可以改变平改变平均输出电压均输出电压的大小，以调节电动机转速。的大小，以调节电动机转速。nPWM变换器电路有多种形式，总体上可分为变换器电路有多种形式，总体上可分为不不可逆与可逆可逆与可逆两大类。两大类。脉宽调制（脉宽调制（PWM-Pulse Width Modulation）4PPT课件(1).不可逆不可逆PWM变换器变换器简单的不可逆简单的

5、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-直流电动机系统直流电动机系统主电路原理图如下图所示，功率开关器件主电路原理图如下图所示，功率开关器件VT可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(buck变换器变换器)。5PPT课件a）原理图）原理图b）电压波形图）电压波形图tOuUsUdTton控制电路控制电路M斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式输出平均电压：输出平均电压：式中式中 T 电力电子开关器件的开关周期；电力电子开关器件的开关周期；ton 开通时间；开通时间；占空比，占空比，=to

6、n/T=ton f ；其中其中 f 为开关频率。为开关频率。6PPT课件输出平均电压：输出平均电压：n根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，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：有三种控制方式：nT 不变，不变，变变 ton 脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）；）；nton不变，变不变，变 T 脉冲频率调制（脉冲频率调制（PFM）；）；nton和和 T 都可调，改变占空比都可调，改变占空比混合型。混合型。斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式7PPT课件Us 主电路结构工作状态与波形主电路结构工作状态与波形U,iUdEidUsttonT0图图2-10b 电压

7、和电流波形电压和电流波形简单的不可逆简单的不可逆PWM变换器变换器图图2-10 简单的不可逆简单的不可逆PWM变换变换器器-直流电动机系统直流电动机系统 VD+UgCVTidM+_E（a）电路原理图）电路原理图 M218PPT课件改变改变 （0 1）即可调节电机的转速，）即可调节电机的转速，若令若令 =Ud/Us为为PWM电压系数电压系数，则在不可逆，则在不可逆 PWM 变换器中变换器中 =U,iUdEidUsttonT0图图2-10b 电压和电流波形电压和电流波形输出平均电压：输出平均电压：简单的不可逆简单的不可逆PWM变换器变换器9PPT课件n不可逆不可逆PWM变换器变换器-直流电动机系统

8、直流电动机系统不允许电流反向不允许电流反向n续流二极管续流二极管VD的作用只是为的作用只是为id提供一个提供一个续流续流的通道。的通道。n如果要实现电动机的如果要实现电动机的制动制动，必须为其提供，必须为其提供反向电流反向电流通通道道。单管电路单管电路简单的不可逆简单的不可逆PWM变换器变换器10PPT课件M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1ECUs+MVT2Ug2VT1Ug1VT1 主管主管VT2 辅助管辅助管大小相等极性相反大小相等极性相反11PPT课件 工作状态与波形工作状态与波形一般电动状态一般电动状态VT1和和VD2交替导通，交替导通，VT2和和VD1始终关断。始终关断。M+-

9、VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E12CUs+MVT2Ug2VT1Ug1有制动有制动的的不可逆不可逆PWM变换器电路变换器电路12PPT课件制动状态制动状态M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E43CUs+MVT2Ug2VT1Ug1的正脉冲比负脉冲的正脉冲比负脉冲窄窄，,始终为负。始终为负。制动状态的电压、电流波形制动状态的电压、电流波形 vVT2和和VD1交替导通，交替导通，VT1和和VD2始终关断。始终关断。1213PPT课件（2）有制动有制动的的不可逆不可逆PWM变换器电路变换器电路 当当VT1 导通时，流过正向电流导通时，流过正向电流+id，VT2 导通时，流过导通时，流过

10、id 。应注意，这个电路还是。应注意，这个电路还是不可逆不可逆的，只能工作在的，只能工作在第一、二象限，第一、二象限，因为因为平均电压平均电压 Ud 并没有改变极性并没有改变极性。M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1图图2-11有制动电流通路的不可逆有制动电流通路的不可逆PWM变换器变换器双管电路双管电路14PPT课件2 直流脉宽调速系统的机械特性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，速系统的转矩和转速也都是脉动的，所谓

11、稳态，是指电机的平均所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，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机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。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。（1）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）15PPT课件（2）机械特性方程）机械特性方程电枢两端在一个周期内的电枢两端在一个周期内的平均电压平均电压都是

12、都是 Ud=Us。其平均值方程都可写成其平均值方程都可写成 或用转矩表示，或用转矩表示，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，与电压系数成正比。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直流脉宽调速系统的机械特性16PPT课件（3）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（电流连续），脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0sUs/Ce2 直流脉宽调速系统的机械特性直流脉宽调速系统的机械特性17PPT课件UcUgUdPWM控制器PWM变换器图图 PWM控制与

13、变换器框图控制与变换器框图 3.PWM控制与变换器的数学模型控制与变换器的数学模型 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控制控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置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。基本一致。PWM控制器和变换器的框图控制器和变换器的框图18PPT课件 因此因此PWM控制与变换器（简称控制与变换器（简称PWM装置）也装置）也可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成其中其中 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。3.

14、PWM控制与变换器的数学模型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。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：可近似看成是一个一阶惯性环节：开关周开关周期期19PPT课件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 PWMPWM变换器的直流电源通常由交流电网经变换器的直流电源通常由交流电网经不可不可控的二极管整流器产生控的二极管整流器产生，并采用大电容，并采用大电容C C 滤波，以滤波，以获得恒定的直流电压，电容获得恒定的直流电压，电容C C 同时对感性负载的无同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。功功率起储能缓冲作用。20PPT课件n 泵升电压

15、产生的原因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，称作使电容两端电压升高，称作“泵升电压泵升电压”。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n 泵升电压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达到数千统所需的电容量达到数千微法微法。21PPT课件过电压信号过电压信号UsRb

16、VTbC+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，可以采用下图中的制泵升电压，这时，可以采用下图中的镇流电阻镇流电阻 Rb 来消耗掉来消耗掉部部分动能分动能。分流电路靠开关器件。分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到允许数值时在泵升电压达到允许数值时接通。接通。n 泵升电压限制泵升电压限制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泵升电压限制电路泵升电压限制电路22PPT课件 对于更大容量的系统，为了提高效率，可以在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

17、量逆变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。后回馈电网。当然，这样一来，系统就更复杂了。n 泵升电压限制泵升电压限制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23PPT课件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

18、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。返回目录返回目录24PPT课件2.2 稳态调速性能指标和稳态调速性能指标和 直流调速系统的机械特性直流调速系统的机械特性n对于调速系统转速控制的要求：对于调速系统转速控制的要求：（1）调速）调速在一定的最高转速和最低转速范围在一定的最高转速和最低转速范围内调节转速；内调节转速；（2）稳速）稳速以一定的精

19、度在所需转速上稳定运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；行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动；（3）加、减速）加、减速频繁起、制动的设备要求加、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则要减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。求起、制动尽量平稳。25PPT课件2.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标转速控制的要求和稳态调速性能指标n生产机械要求电动机提供的最高转速生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转和最低转速速nmin之比称为调速范围，用字母之比称为调速范围，用字母D表示，即表示，即1、调速范围、

20、调速范围vnmax和和nmin是电动机在是电动机在额定额定负载时负载时的最高和最低转速，的最高和最低转速，v对于少数负载很轻的机械，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用例如精密磨床，也可用实际实际负载时的最高和最低转速。负载时的最高和最低转速。TN26PPT课件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所对应的转速降落nN与理想空载转速与理想空载转速n0之比之比式中式中 nN=n0-nN n静差率是用来衡量调速系统在负载变化时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转速的稳定度的。n调速范围调速范围

21、和和静差率静差率两个指标合称调速系统的两个指标合称调速系统的稳态性能指标稳态性能指标。用百分数表示用百分数表示2、静差率、静差率s27PPT课件图图2-14 不同转速下的静差率不同转速下的静差率特性特性a和和b的硬度相同，的硬度相同，特性特性a和和b额定速降相同，额定速降相同，特性特性a和和b的静差率不相同。的静差率不相同。2、静差率、静差率sn机械特性越硬，静差率就机械特性越硬，静差率就越小，转速的稳定度越高。越小，转速的稳定度越高。v对于同样硬度的特性，理对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定率越大，转速的相对稳定度也就越差度也就越差28P

22、PT课件3.调速范围、静差率和额定速降之间的关系调速范围、静差率和额定速降之间的关系 设：电机额定转速设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为为最高转速，转速降落为 nN，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是是最低速时的静差率最低速时的静差率，即，即于是，最低转速为于是，最低转速为 而调速范围为而调速范围为 29PPT课件3.调速范围、静差率和额定速降之间的关系调速范围、静差率和额定速降之间的关系n对于同一个调速系统，对于同一个调速系统，nN值是定值。值是定值。n要求要求s值越小时，系统能够允许的调速范围值越小时，系统能够允许的调速范围D也越小。

23、也越小。n一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还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。能满足所需静差率的转速可调范围。30PPT课件例题例题2-1某直流调速系统电动机额定转速某直流调速系统电动机额定转速nN=1430r/min，额定速降额定速降nN=115r/min，当要求静差率，当要求静差率s30%时，允许时，允许多大的调速范围？如果要求静差率多大的调速范围？如果要求静差率s 20%，则调速范围，则调速范围是多少？是多少？如果希望调速范围达到如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多，所能满足的静差率是多少？少？解解 在要求在要求s 30%时，允许的调

24、速范围为时，允许的调速范围为 若要求若要求s 20%，则允许的调速范围只有，则允许的调速范围只有 若调速范围达到若调速范围达到10，则静差率只能是，则静差率只能是31PPT课件2.2.2 直流调速系统的机械特性直流调速系统的机械特性n开环调速系统，即无反馈控制的直流调速系统。开环调速系统，即无反馈控制的直流调速系统。n调节控制电压调节控制电压Uc就可以改变电动机的转速。就可以改变电动机的转速。n晶闸管整流器和晶闸管整流器和PWM变换器都是可控的直流电源，变换器都是可控的直流电源，用用UPE来统一表示可控直流电源来统一表示可控直流电源图图215 开环调速系统的原理图开环调速系统的原理图32PPT

25、课件UcUd0uACDCUd0Ucn UPE的组成的组成 图中，图中，UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组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（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，目前，组成组成UPE的电力电子器件有如下几种选择方案：的电力电子器件有如下几种选择方案：n对于中、小容量系统，多采用由对于中、小容量系统，多采用由IGBT或或P-MOSFET组成组成的的PWM变换器；变换器；n对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGC

26、T等；等；n对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置。对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置。33PPT课件n开环调速系统中各环节的稳态关系如下：开环调速系统中各环节的稳态关系如下：电力电子变换器电力电子变换器直流电动机直流电动机 n开环调速系统的机械特性为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直流调速系统的机械特性图图2-16 开环调速系统稳态结构图开环调速系统稳态结构图34PPT课件图图2-17 开环直流调速系统的机械特性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直流调速系统的机械特性35PPT课件 某某龙龙门门刨刨床床工工作作台台拖拖

27、动动采采用用直直流流电电动动机机，其其额额定定数数据据如如下下：60kW，220V，305A，1000r/min，采采用用V-M系系统统，主主电电路路总总电电阻阻R=0.18 ,电电动动机机电电动动势势系系数数Ce=0.2Vmin/r。如如果果要要求求调调速速范范围围 D=20，静静差差率率s 5%，n采用开环调速能否满足？采用开环调速能否满足？n若若要要满满足足这这个个要要求求，系系统统的的额额定定速速降降nN 最最多多能能有有多少？多少？例题例题2-2解题思路解题思路:先求出速度降落先求出速度降落求在最高转速时的静差率求在最高转速时的静差率s再根据再根据36PPT课件解解 当电流连续时，当

28、电流连续时，V-M系统的额定速降为系统的额定速降为开环系统机械特性连续段在开环系统机械特性连续段在额定转速时额定转速时的静差率为的静差率为 这已大大超过了这已大大超过了5%的要求，更不必谈调到最低速。的要求，更不必谈调到最低速。如果要求如果要求D=20，s 5%37PPT课件 开环调速已不能满足要求，原因所在：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。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如何控制转速量的变化呢？呢？解决思路：解决思路：引入反馈控制思想（提出

29、闭环的必要性）引入反馈控制思想（提出闭环的必要性）反馈的手段反馈的手段2.2.2 直流调速系统的机械特性直流调速系统的机械特性38PPT课件 根据自动控制原理，反馈控制的闭环系根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只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要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。偏差的作用。调速系统的转速降落正是调速系统的转速降落正是由负载引起的由负载引起的转速偏差转速偏差，显然，引入转速闭环调速系统，显然，引入转速闭环调速系统应该能够大大减少转速降落。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的设计思路39PPT课件闭环系统结构框图闭环系统结构框图闭环系统的设计思路闭环系统的设计思路开环系统结构框图开环系统结构框图FLASH40PPT课件作业作业P56 思考题思考题 2-8P57 习题习题 2-4 2-541PPT课件