第五章直流脉宽调速系统

第五章直流脉宽调速系统第一节脉宽调制电路的工作原理【教学目标】1．知识目标：掌握脉宽调制电路的工作原理，了解脉宽调速系统的开环机械特性。2．能力目标：学会分析问题查资料。3．情感目标：激发学生浓厚的学习兴趣，培养学生严谨的科学态度，锻炼实际分析能力。【教学重点】脉宽调制电路的工作原理【教学难点】PWM变换器的原理【教学方法】读书指导法、分析法、演示法、练习法。【教学过程】脉冲宽度调制（PWM）是通过功率管的开关作用，将恒定直流电压转换成频率一定，宽度可调的方波脉冲电压，通过调节脉冲电压的宽度而改变输出电压平均值的一种功率变换技术。由脉宽调制器向电机供电的系统称为脉宽调速系统，简称PWM-M调速系统图示其原理，它实际上就是直流斩波器，只是采用了全控式的电力晶体管，以代替必须进行强行关断的晶闸管。电源电压Us一般由不可控整流电源提供，采用大电容C滤波，二极管VD在晶体管关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。PWM变换器分：不可逆和可逆两类。可逆变换器分：双极式、单极式和受限单极式多种一.不可逆PWM变换器1、无制动作用的PWM变换器（1）电路组成图3-2所示为变换器的主电路原理图。采用全控型的GTR代替半控型的晶闸管，电源电压Us为不可控整流电源，采用大电容C滤波，VD在VT关断时为电枢提供续流回路。（2）工作原理VT的基极由脉宽可调的电压Ub驱动。在一个周期内，当0≤tt0n时，Ub为正，VT饱和导通，Us通过VT加到电枢端。t0n≤tT时，Ub为负，VT截止，电枢失去电源，经VD续流。电机得到的平均端电压为：二.可逆PWM变换器其主电路结构有H型，T型等，常用H型变换器，它由4个电力晶体管和4个续流二极管组成桥式电路。在控制方式上分双极式、单极式和受限单极式三种。着重分析双极式H型PWM变换器，然后再简要说明其它方式的特点。1、双极式可逆PWM变换器（1）构成特点4个VT的基极驱动分两组。VTl和VT4同时导通和关断，驱动电压Ub1=Ub4；VT2和VT3同时动作，驱动电压Ub2=Ub3=-Ub1。波形于图3-5。（2）工作原理①当0≤tton时，Ub1和Ub4为正，晶体管VT1和VT4饱和导通，而Ub2和Ub3为负，VT2和VT3截止。这时+Us加在电枢AB两端，UAB=US，电枢电流id沿回路1流通。②当ton≤tT时，Ub1和Ub4变负，VT1和VT4截止；Ub2、Ub3变正，但VT2、VT3并不能立即导通，因在电枢电感释放储能的作用下，id沿回路2经VD2，VD3续流，VD2、VD3上的压降使VT2和VT3的c-e端承受反压，这时UAB=-US。UAB在一个周期内正负相间，双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形示于图3-5。③UAB的正、负变化，使电流存在两种情况，如图3-5中的id1和id2。id1相当于负载较重情况，平均电流大，在续流阶段电流仍维持正方向，电机始终工作在电动状态。id2相当于负载很轻的情况，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是VT2和VT3的c-e两端失去反压，在(-Us)和电枢反电势的合成作用下导通，电枢电流反向，沿回路3流通，电机处于制动状态。同理，在0≤tton期间，负载轻时，电流也有一次倒向。④结论：双极式可逆PWM变换器的电流波形和不可逆但有制动电流通路的PWM变换器差不多。怎样才能反映出“可逆”的作用呢？这要视正、负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲较宽时，tonT／2，则电枢两端的平均电压为正，电机正转。b1Ub2U1VT2VT1VD2VD12AB4VD3VDb3Ub4U4VT3VTsU+图3-4双极式H型PWM变换器电路M00tABUsUsUdid1itd2i123412341121214b1Ub2U1VT2VDb4U004VT3VDontTt1VT2VD4VT3VDb3Ut图3-5双极式PWM变换器电压和电流波形当正脉冲较窄时，tonT／2，平均电压为负，电机反转。当正、负脉冲宽度相等，ton=T／2，平均电压为零，电动机停止。图3-5所示的电压、电流波形都是在电动机正转时的情况双极式PWM变换器的优点如下：(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)低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通。(5)低速平稳性好，调速范围可达20000左右。双极式PWM变换器的缺点：在工作过程中4个晶体管都处于开关状态，损耗大，易发生上、下两管直通事故。为防止上、下两管直通，在一管关断和另一管导通的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时2、单极式可逆PWM变换器为克服双极式变换器的缺点，可采用单极式PWM变换器。其电路和双极式同，不同之处在于驱动脉冲信号。在单极式PWM中，左边两个管子的驱动脉冲Ub1=-Ub2，有和双极式一样的正负交替脉冲，使VT1和VT2交替导通。右边两管VT3和VT4的驱动信号则不同，改成因电机的转向而施加不同的直流控制信号。当电机正转时，使Ub3恒为负，Ub4恒为正，则VT3截止而VT4常通。电机反转时，则Ub3恒为正而Ub4恒为负，使VT3常通而VT4截止。负载较重时各管的开关情况和电枢电压的状况列于表3-1中，同时列出双极式变换器的情况以资比较。负载较轻时，电流在一个周期内也会来回变向，各管导通和截止的变化还要多些【课后反思】第二节脉宽调速系统的控制电路【教学目标】1．知识目标：脉宽调速系统的组成及各部分功能。2．能力目标：学会分析问题查资料。3．情感目标：激发学生浓厚的学习兴趣，培养学生严谨的科学态度，锻炼实际分析能力。【教学重点】脉宽调速系统的各部分功能【教学难点】脉宽调速系统的各部分功能【教学方法】读书指导法、分析法、演示法、练习法。【教学过程】一、PWM-M直流调速系统的控制电路PWM变换器是调速系统的主电路，是对已有的PWM波形的电压信号Ub1~Ub4进行功放，并不改变信号的PWM波性质。而PWM电压波形的产生、分配则是PWM变换器控制电路的功能。为此，由GTR构成的脉宽调速系统还必须具备相应的控制电路。图3-7为双闭环脉宽调速控制系统的原理框图。其中属于脉宽调速系统特有的环节有脉宽调制器UPW、调制波发生器GM、逻辑延时环节DLD和电力晶体管的基极驱动器GD。（一）锯齿波脉宽调制器（UPW-GM）脉宽调制器是一个电压-脉冲变换装置，由ACR的输出电压Uc控制，将输入的直流控制信号转换成与之成比例的方波脉冲电压信号，对电力晶体管进行控制，从而得到希望的方波输出电压。常用的脉宽调制器有下列几种：（1）用锯齿波作调制信号的脉宽调制器；（2）用三角波作调制信号的脉宽调制器；（3）用多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调制器；（4）数字式脉宽调制器。（二）逻辑延时环节（DLD）在可逆PWM变换器中，跨接在电源两端的上、下两晶体管交替工作，由于晶体管存在关断时间，如果在这段时间内一个晶体管未完全关断，此时另一个晶体管已导通，则将造成上下两管直通，使电源短路。为避免发生此情况，应设置一逻辑延时环节，保证在对一个管子发出关闭脉冲后（图3-10中的Ub1），延时t1d再发出对另一管的开通脉冲（如Ub2），避免两管同时导通。ASRACRMTGnUnU-iUiU+-+UPWGMDLDGDcUPWM泵制升电限路~FATA图3-7双闭环控制的脉宽调速系统原理框图（三）限流保护环节（FA）在逻辑延时环节中还可引入保护信号，例如瞬时动作的限流保护信号(见图3-7中的FA)，一旦桥臂电流超过允许最大电流时，使VT1、VT4(或VT2、VT3)两管同时封锁，以保护电力晶体管。（四）脉冲分配电路它根据电力晶体管PWM的导通次序，对经延时后的脉宽调制信号进行适当的逻辑变换，分配给基极驱动电路，以满足功率转换电路工作所要求的“通”、“断”时序的脉冲电压，使晶体管能按照指定的顺序“通”、“断”，保证系统正常工作。（五）基极驱动电路基极驱动电路的作用是对脉冲分配电路提供的脉冲号进行功率放大，以驱动主电路的电力晶体管，每个晶体管应有独立的基极驱动电路。为了确保晶体管在开通时能迅速达到饱和导通，关断时能迅速截止，正确设计基极驱动电路是非常重要的。首先，由于各驱动电路是独立的，但控制电路共用，因此必须使控制电路与驱动电路互相隔离，常用光电耦合器实现这一隔离作用。其次，正确的GTR驱动电流波形如图3-11所示，每一开关过程包含三个阶段，即开通、饱和导通和关断。二、PWM-M直流调速系统图3-12为双极式PWM-M双闭环可逆调速系统原理图（补充）（课后学生查资料分析原理）【课后反思】