闭环控制直流调速系统3月8日.pptx

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1、1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形 PWM变换器的作用是：用PWM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系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面分别阐述其工作原理。第2页/共50页第1页/共50页1.不可逆PWM变换器（1）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图1-16所示，功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又称直流降压斩波器。第3页/共50页第2页/共50页图1-16 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 VD

2、Us+UgCVTidM+_E（a）电路原理图 M 主电路结构21第4页/共50页第3页/共50页工作状态与波形在一个开关周期内，当0 t ton时，Ug为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；当ton t T 时，Ug为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流。U,iUdEidUsttonT0图1-16b 电压和电流波形O第5页/共50页第4页/共50页电机两端得到的平均电压为(1-17)式中 =ton/T 为 PWM 波形的占空比，输出电压方程 改变 （0 1）即可调节电机的转速，若令=Ud/Us为PWM电压系数，则在不可逆 PWM 变换器 =(1-18)第6页/共50页第5页/共

3、50页（2）有制动的不可逆PWM变换器电路 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。需要制动时，必须为反向电流提供通路，如图1-17a所示的双管交替开关电路。当VT1 导通时，流过正向电流+id，VT2 导通时，流过 id 。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 Ud 并没有改变极性。第7页/共50页第6页/共50页图1-17a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器 主电路结构M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1第8页/共50页第7页/共50页U,iUdEidUsttonT0O输出波形：

4、一般电动状态的电压、电流波形与简单的不可逆电路波形（图1-16b）完全一样。b）一般电动状态的电压、电流波形第9页/共50页第8页/共50页工作状态与波形（续）制动状态 在制动状态中，id为负值，VT2就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时，先减小控制电压，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。但是，由于机电惯性，转速和反电动势E还来不及变化，因而造成 E Ud 的局面，很快使电流id反向，VD2截止，VT2开始导通。第10页/共50页第9页/共50页 制动状态的一个周期分为两个工作阶段：在 0 t ton 期间，VT2 关断，id 沿回路

5、4 经 VD1 续流，向电源回馈制动，与此同时，VD1 两端压降钳住 VT1 使它不能导通。在 ton t T期间，Ug2 变正，于是VT2导通，反向电流 id 沿回路 3 流通，产生能耗制动作用。因此，在制动状态中，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示于图1-17c。第11页/共50页第10页/共50页U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOn 输出波形c）制动状态的电压电流波形第12页/共50页第11页/共50页工作状态与波形（续）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

6、断后经续流时，还没有到达周期 T，电流已经衰减到零，此时，因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。第13页/共50页第12页/共50页 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。第14页/共50页第13页/共50页 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

7、等于负载电流，其输出波形见图1-17d。第15页/共50页第14页/共50页n 输出波形d）轻载电动状态的电流波形4123Tton0U,iUdEidUsttonT041 23O第16页/共50页第15页/共50页小 结表1-3 二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态第17页/共50页第16页/共50页2.桥式可逆PWM变换器 可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图1-20所示。这时，电动机M两端电压的极性随开关器件栅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。第18页/共50页第1

8、7页/共50页+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图1-18 桥式可逆PWM变换器n H形主电路结构第19页/共50页第18页/共50页n 双极式控制方式（1）正向运行：第1阶段，在 0 t ton 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；第2阶段，在ton t T期间，Ug1、Ug4为负，VT1、VT4截止，VD2、VD3续流，并钳位使VT2、VT3保持截止，电流 id 沿回路2流

9、通，电动机M两端电压UAB=Us；第20页/共50页第19页/共50页n 双极式控制方式（续）（2）反向运行：第1阶段，在 0 t ton 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；第2阶段，在ton t T 期间，Ug2、Ug3 为正，VT2、VT3导通，Ug1、Ug4为负，使VT1、VT4保持截止，电流 id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB=Us；第21页/共50页第20页/共50页n 输出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOb)正向电动运行波形U,iUdEid

10、+UsttonT0-UsOc)反向电动运行波形第22页/共50页第21页/共50页n 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（1-19）如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中 =2 1 （1-20）注意：这里 的计算公式与不可逆变换器中的公式就不一样了。第23页/共50页第22页/共50页n 调速范围 调速时，的可调范围为01，1 0.5时，为正，电机正转；当 0.5时，为负，电机反转；当=0.5时，=0，电机停止。第24页/共50页第23页/共50页注 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

11、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。第25页/共50页第24页/共50页n 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。第26页/共50页第25页/共50页n 性能评价（续）双极式控制方式的不足之处是：在工作过

12、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。第27页/共50页第26页/共50页1.3.2 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。第28页/共50页第27页/共50页 采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波

13、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。第29页/共50页第28页/共50页 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。n 带制动的不可逆电路电压方程（0 t ton）（1-21）（ton t T）（1-22）第30页/共50页第29页/共50页 对于双极式控制的可逆电路，只在第二个方程中电源电压由 0 改为 Us，其他均不变。于是，电压方程为(0 t ton)(1-23)n 双极式可逆电路电压方程(ton t T)(1-24)第31页/共50页第30页/共50页n 机械特性方程 按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出

14、机械特性方程式。无论是上述哪一种情况，电枢两端在一个周期内的平均电压都是 Ud=Us，只是 与占空比 的关系不同，分别为式（1-18）和式（1-20）。第32页/共50页第31页/共50页 平均电流和转矩分别用 Id 和 Te 表示，平均转速 n=E/Ce，而电枢电感压降的平均值 Ldid/dt 在稳态时应为零。于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成 (1-25)第33页/共50页第32页/共50页 (1-26)或用转矩表示，(1-27)式中 Cm=KmN 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。n 机械特性方程第34页/共50页第33页/共

15、50页nId,TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId,Teav=1=0.75=0.5=0.25n PWM调速系统机械特性图1-20 脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0sUs/Ce第35页/共50页第34页/共50页n 说 明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。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，双极式控制可逆电路的机械特性与此相仿，只是更扩展到第三、四象限了。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，把平均电压抬高，在理想空载时，Id =0，理想空载转速会翘到 n0sUs/Ce。第36

16、页/共50页第35页/共50页 目前，在中、小容量的脉宽调速系统中，由于IGBT已经得到普遍的应用，其开关频率一般在10kHz左右，这时，最大电流脉动量在额定电流的5%以下，转速脉动量不到额定空载转速的万分之一，可以忽略不计。第37页/共50页第36页/共50页1.3.3 PWM控制与变换器的数学模型 图1-21绘出了PWM控制器和变换器的框图，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基本一致。按照上述对PWM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，PWM变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周

17、期 T。第38页/共50页第37页/共50页UcUgUdPWM控制器PWM变换器图1-21 PWM控制与变换器框图 第39页/共50页第38页/共50页 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（1-28）其中 Ks PWM装置的放大系数；Ts PWM装置的延迟时间，Ts T0。第40页/共50页第39页/共50页 当开关频率为10kHz时，T=0.1ms，在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一阶惯性环节，因此,（1-29）与晶闸管装置传递函数完全一致。第41页/共50页第40页/共50页C C+1.3.4 电能

18、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。第42页/共50页第41页/共50页n 泵升电压产生的原因 对于PWM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”。第43页/共50页第42页/共50页 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达到数千微法。在大容量或负载

19、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，可以采用下图中的镇流电阻 Rb 来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到允许数值时接通。n 泵升电压限制第44页/共50页第43页/共50页n 泵升电压限制电路过电压信号UsRbVTbC+第45页/共50页第44页/共50页n 泵升电压限制（续）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。第46页/共50页第45页/共50页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

20、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。返回目录第47页/共50页第46页/共50页1.11.3教学要点复习常用的可控直流电源G-M、V-M、PWM系统的工作原理和机械特性V-M系统的主要问题斩波电路三种控制方式PWM系统的优点当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路的PWM系统的机械特性直流脉宽控制与变换器的数学模型（传递函数）什

21、么是泵升电压第48页/共50页第47页/共50页课题测验-问答题1.请写出直流调速系统的开环机械特性方程2.请写出调节直流电机转速的三种方法3.常用的可控直流电源有哪些？4.斩波电路三种控制方式是什么？5.请写出晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数（精确的和近似的）6.请写出直流脉宽控制与变换器的数学模型第49页/共50页第48页/共50页课堂测验判断对错1.直流电机调压调速，转速下降，机械特性曲线平行下移。2.直流电机调阻调速，转速下降，机械特性曲线变软。3.直流电机调磁调速，转速上升，机械特性曲线变软。4.一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。5.反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。第50页/共50页第49页/共50页谢谢您的观看！第50页/共50页