交直流调速控制系统-第4章课件.ppt

1、直流脉宽调速控制系统直流脉宽调速控制系统第 4 章4.1 概述概述 采用全控型开关器件很容易实现脉冲宽度调制，采用全控型开关器件很容易实现脉冲宽度调制，与半控型开关器件晶闸管变流器相比，与半控型开关器件晶闸管变流器相比，体积可缩小体积可缩小30%以上，且装置效率高，功率因数高。以上，且装置效率高，功率因数高。与与VM伺服控制系统相比，电流容易连续，谐波少，电动伺服控制系统相比，电流容易连续，谐波少，电动机损耗和发热都较小，低速性能好，稳速精度高，机损耗和发热都较小，低速性能好，稳速精度高，系统通频带宽，系统通频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强。快速响应性能好，动态抗扰能力强。自从全控型电力

2、电子器件问世以后，就出现了自从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（采用脉冲宽度调制（PWM-Pulse Width Modulation）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器-直流直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流直流PWM调速系统。调速系统。4.1.1 直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器 在干线铁道电力机车、工矿电力机在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或等电力牵引设备上

3、，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，复励电动机，由恒压直流电网供电，过过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。动、制动和调速，在电阻中耗电很大。a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路控制电路M 1.直流斩波器的基本结构直流斩波器的基本结构图4.1.1 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形 2.斩波器的基本控制原理斩波器的基本控制原理 在原理图中，在原理图中，VT 表示电力电子开关器表示电力电子开关器件，件，VD 表示续流二极管。当表示续流二极管。当VT 导通时，导通时，直流电源电压直流电源电压 U

4、s 加到电动机上；当加到电动机上；当VT 关关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图复，电枢端电压波形如图4.1.1b，好像是好像是电源电压电源电压Us在在ton 时间内被接上，又在时间内被接上，又在 T ton 时间内被斩断，故称时间内被斩断，故称“斩波斩波”。这样，电动机得到的平均电压为这样，电动机得到的平均电压为 3.输出电压计算输出电压计算ssondUUTtU(4.1.1)式中式中 T 晶闸管的开关周期；晶闸管的开关周期；ton 开通时间；开通时间；占空比，占

5、空比，=ton/T=ton f ；其中其中 f 为开关频率。为开关频率。为了节能，并实行无触点控制，为了节能，并实行无触点控制，现现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、管、GTO、IGBT等。等。采用简单的单管控制时，称作采用简单的单管控制时，称作直流直流斩波器斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。4.斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式n根据对输出电压平均值进行调制的方式不同根据对输出电压平均值进行调制的

6、方式不同而划分，有三种控制方式：而划分，有三种控制方式：nT 不变，变不变，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。PWM系统的优点系统的优点（1）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；（2）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；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；

7、左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；态响应快，动态抗扰能力强；（5）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，因而装置当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；效率较高；（6）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。4.1.2 不可逆不可逆PWM变换器变换器 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

8、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，主要分为分为不可逆与可逆不可逆与可逆两大类，下面分别阐两大类，下面分别阐述其工作原理。述其工作原理。（1）简单的不可逆）简单的不可逆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-直流电动机直流电动机系统主电路原理图如图系统主电路原理图如图4.1.2所示，功率所示，功率开关器件可以是任意一种全控型开关器开关器件可以是任意一种全控型开关器件，这样的

9、电路又称件，这样的电路又称直流降压斩波器直流降压斩波器。图4.1.2 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 VDUs+UgCVTidM+_E（a）电路原理图 M 主电路结构主电路结构21图4.1.2 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 VDUs+UgCVTidM+_E（a）电路原理图 M21图中：图中：Us为直流电源电压，为直流电源电压，C为滤波电容器，为滤波电容器，VT为为功率开关器件，功率开关器件，VD为续流二极管，为续流二极管，M 为直流电动为直流电动机，机，VT 的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。驱动。工作状态与波形工作状态与波形在一个开关

10、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4.1.2b 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式中式中 =ton/T 为为 PWM 波形的占空比，波形的占空比，ssondUUTtU输出电压方程 改变 （0 0时，时，电机正转；电机正转；n当当 0时，时，电机反转；电机反转；n当当 =0时，时，电机停止。电机停止。（4.

11、1.10）注 意：当当电机停止电机停止时电枢电压并不等于零，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。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、反向时的静微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓摩擦死区，起着所谓“动力润滑动力润滑”的的作作用。用。n 性能评价性能评价 双极式控制的桥式

12、可逆双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：变换器有下列优点：（1）电流一定连续；）电流一定连续；（2）可使电机在四象限运行；）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；）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）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；左右；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有）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。利于保证器件的可靠导通。n 性能评价（续）性能评价（续）双极式控制方式的不足之处是：双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，在工作过程中，4个开关

13、器件可能都个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，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，应设置逻辑延时冲之间，应设置逻辑延时。4.1.4 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，况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的，所谓所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡

14、的状态，机械特性是平均转速与平均转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。（电流）的关系。采用不同形式的采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性变换器，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，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，电流波形都是连续的，因无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，现在就分析这种情而机械特性关系式比较简单，现在就分析这种情况况。对于带制动电流通路的不可逆电路，电压对于带制动电流通路的不可逆电路，电

15、压平衡方程式分两个阶段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EtiLRiUdddd s（0 t ton）EtiLRidd0dd（ton t T）（4.1.11）对于双极式控制的可逆电路，只在第二个方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程中电源电压由 0 改为改为 Us，其他均不变。于其他均不变。于是，电压方程为是，电压方程为EtiLRiUdddds(0 t ton)n 双极式可逆电路电压方程EtiLRiUdddds(ton t T)(4.1.12)n 机械特性方程机械特性方程 按电压方程求一个周期内的平均值，按电压方程求一个周期

16、内的平均值，即可导出机械特性方程式。无论是上述即可导出机械特性方程式。无论是上述哪一种情况，电枢两端在一个周期内的哪一种情况，电枢两端在一个周期内的平均电压都是平均电压都是 Ud=Us，只是只是 与与ton和和T 的关系不同，分别为式（的关系不同，分别为式（4.1.9）和）和式式（4.1.10）。）。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，平均转矩平均转矩 Te=CT Id，而电枢电感压降而电枢电感压降的平均值的平均值 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，其于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成平均值方程

17、都可写成 (4.1.13)sddeURIERIKn (4.1.14)或用转矩表示，或用转矩表示，式中式中n0=Us/Ce 理想空载转速，与电压系理想空载转速，与电压系数成正比。数成正比。sd0deeeURIRnnIKKKn 机械特性方程机械特性方程se0e22eememURRnTnTKK KK K(4.1.15)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4.1.4 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

18、示的机械曲线是电流连续时脉宽调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。速系统的稳态性能。n图中仅绘出了第一、二象限的机械特性，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。是更扩展到第三、四象限了。n对于电机在同一方向旋转时电流不能反向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，平均电压抬高，在理想空载时，Id =0，理理想空载转速

19、会翘到想空载转速会翘到 n0sUs/Ce。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，其开关频率一般频率一般在在10kHz左右，这时，最大电左右，这时，最大电流脉动量在额定电流的流脉动量在额定电流的5%以下，转速脉以下，转速脉动量不到额定空载转速的万分之一，可动量不到额定空载转速的万分之一，可以忽略不计。以忽略不计。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。