H桥驱动直流电机分析

1/4H桥驱动直流电机分析1.Ｈ桥ＰＷＭ变换器驱动电机运行过程如图1所示，电动机M两端电压UAB的极性随开关器件驱动电压的变化而变化，这里分析双极式控制的可逆PWM变换器。四个驱动电压波形如图2所示，它们的关系是1423ggggUUUU.在一个开关周期内，当0ontt时，1VT和4VT导通，2VT和3VT关断，ABsUU，电枢电流di沿回路1流动；当onttT时，1VT和4VT关断，2VT和3VT由于2VD和3VD的钳制作用不能马上导通，di沿回路2流经二极管续流，ABsUU.当电机需要降速制动时，先改变控制脉冲的占空比，使驱动电压的平均值dU减小，但是由于机械惯性，转速和反电势还来不及变化，因而造成dEU，很快使电流反向，在0ontt时，反向电流沿回路4向电源充电，实现再生制动，而1VT和4VT被钳制不能导通；在onttT时，2VT和3VT被打开，负向电流通过2VT和3VT，实现能耗制动。图1H桥可逆PWM变换器图2驱动电压2/4当电机反向转动时，各器件的导通情况与上述情形相反。图3绘出了双极式控制时电机正转时的输出电压和电流波形。电动机的正反转则体现在驱动电压正负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，2onTt，则ABU的平均值为正，电动机正转，反之则反转；如果正负脉冲相等，2onTt，平均电压为零，则电动机停止。但电动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，平均值为零，不产生转矩，电动机损耗陡然增大，但是此时消除了正反向时的静摩擦死区，起“动态润滑”的作用。另外，图3所示的2di为轻载状态下的输出电流变化情况。2.直流电机启动和降速过程电动机在未启动之前，转速0n，反电势0E，而电枢电阻aR很小，所以将电动机加上额定电压时，启动电流/stnaIUR将很大，可能烧坏整流子。所以在电机启动时都采用限制电流的方法，下面讨论常用的电枢回路串接电阻的方法。图4串接电阻启动图3输出电压和电流3/4如图4所示，当在电枢回路串接电阻stR时，电动机启动电流将变成NstastUIRR随着电动机转速的提高，反电动势E增大，再逐步切除外加电阻直到电机达到所要求的转速。图4（b）所示为外接1级电阻启动特性。当外接电阻被切除后，工作点将从曲线1变到曲线2，由于在切除外接电阻瞬间，机械惯性的作用使电动机的转速不能突变，在此瞬间转速n维持不变，即工作点从点a切换到点b，此时冲击电流仍然很大，为了避免这种情况，通常采用多级外接电阻启动方法（如图5所示）。图5外接多级电阻启动当电动机采用降压调速减速时，运行原理如图6所示。假设电动机以NU运行在g点，电压突然降到1U，此时由于机械惯性作用，电动机转速n保持不变，故电动机反电势也保持不变，所以电枢电流将从NbgaUEIR变到LbaUEIR，电机转矩也随之减小，电动机运行于点b，此时电机转矩小于负载转矩，电动机将沿着1U曲线减速，直到电机转矩等于负载转矩。3.泵升电压图7所示为桥式可逆直流脉宽调制系统主电路的原理图，PWM变换器的直流电源通常图6降压调速4/4由交变电网经过不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的电压。处滤波作用外，电容C还有在电动机制动时吸收系统动能的作用。由于是二极管整流电路供电，所以不能回馈电能，电动机制动时只能对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，因此电容量不可能很小，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，这时采用图7中的镇流电阻bR来消耗部分电能。对于更大容量的系统，为了提高效率，可以再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，当然这增加了系统的复杂性。图7桥式可逆直流脉宽调制系统主电路原理图