第2章第2讲直流PWM变换器-电动机系统

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。1PWM变换器的工作状态和波形；2直流PWM调速系统的机械特性；3PWM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)回顾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1PWM变换器的工作状态和波形；2直流PWM调速系统的机械特性；3PWM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1．PWM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-PulseWidthModulation）(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)。M++__VDVTUsa）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路M斩波电路三种控制方式输出平均电压：ssondUUTtU式中T—电力电子开关器件的开关周期；ton—开通时间；—占空比，=ton/T=tonf；其中f为开关频率。输出平均电压：ssondUUTtU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Us•主电路结构工作状态与波形U,iUdEidUsttonT0图2-10b电压和电流波形①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+UgCVTidM+__E（a）电路原理图M21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变换器中=U,iUdEidUsttonT0图2-10b电压和电流波形输出平均电压：ssondUUTtU①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id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①简单的不可逆PWM变换器M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1ECUs+MVT2Ug2VT1Ug1VT1主管VT2辅助管21ggUU大小相等极性相反•工作状态与波形Ⅰ一般电动状态VT1和VD2交替导通，VT2和VD1始终关断。M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E12CUs+MVT2Ug2VT1Ug1②有制动的不可逆PWM变换器电路Ⅱ制动状态M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E43CUs+MVT2Ug2VT1Ug11gU的正脉冲比负脉冲窄，,dUEdi始终为负。制动状态的电压、电流波形VT2和VD1交替导通，VT1和VD2始终关断。12（2）有制动的不可逆PWM变换器电路当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。M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1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EtiLRiUdddds（0≤tton）（2-17）EtiLRidd0dd（ton≤tT）（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Ud=Us。其平均值方程都可写成nCRIERIUeddsde0deesICRnICRCUn或用转矩表示，eme0emeesTCCRnTCCRCUn式中Cm=KmN—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。2直流脉宽调速系统的机械特性（3）PWM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），n0s＝Us/Ce2直流脉宽调速系统的机械特性UcUgUdPWM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基本一致。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sTKsUsUsWse)()()(scds其中Ks—PWM装置的放大系数；Ts—PWM装置的延迟时间，Ts≤T0。3.PWM控制与变换器的数学模型1)(ssssTKsW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///CAC~DC+-Us整流器斩波器CC+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达到数千微法。+-UsCRbVTb过电压信号UsRbVTbC+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。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则要求起、制动尽量平稳。minmaxnnD2.2.1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nmax和最低转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即1、调速范围nmax和nmin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。TNmaxnminn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ΔnN与理想空载转速n0之比0nnsN%1000nnsN式中nN=n0-nN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%1000nnsN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，则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NminNmin0Nnnnnns于是，最低转速为snsnsnnNNNmin)1(而调速范围为minNminmaxnnnnD)1(NNsnsnD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，ΔnN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。)1(snsnDNN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ΔnN=115r/min，当要求静差率s≤30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率s≤20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？解在要求s≤30%时，允许的调速范围为若要求s≤20%，则允许的调速范围只有若调速范围达到10，则静差率只能是3.5)3.01(1153.01430)1(snsnDNN1.3)2.01(1152.01430D%6.44446.011510143011510NNNnDnnDs2.2.2直流调速系统的机械特性开环调速系统，即无反馈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2－15开环调速系统的原理图UcUd0u~ACDCUd0Uc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，则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csdUKU0ed0dCRIUnedecsed0dCRICUKCRIUn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edecsed0dCRICUKCRIUn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=0.2V·min/r。如果要求调速范围D=20，静差率s≤5%，①采用开环调速能否满足？②若要满足这个要求，系统的额定速降ΔnN最多能有多少？例题2-2解题思路:先求出速度降落NnNNNNnsnn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