可逆直流pwm系统

第3章 可逆直流PWM系统,可逆(reversible)的基本概念,不可逆：电动机只能单方向旋转（功率转换器只提供正直流电压）。可逆：电动机既能正转，又能反转。火炮瞄准射击雷达天线的搜索跟踪精密机床的进刀和退刀可逆功率转换器：提供正、负直流电压。晶闸管电动机系统：两组反并联线路。PWM直流伺服系统：单组可逆PWM功率转换器。可逆PWM功率转换器两种结构型式：T型和H型。三种工作模式：双极模式、单极模式和受限单极模式。,第3章 可逆直流PWM系统,晶闸管反并联相位控制可逆系统(reverse parallel),正向运行时由正组变流器供电反向运行时由反组变流器供电电动机可在四个象限内运行变流器的工作状态：整流或有源逆变反并联可逆电路的控制方案配合控制有环流可控环流逻辑控制无环流错位控制无环流,第3章 可逆直流PWM系统,晶闸管反并联相位控制可逆系统(reverse parallel),工作状态,第3章 可逆直流PWM系统,晶闸管反并联相位控制可逆系统(reverse parallel),机械特性,第3章 可逆直流PWM系统,3.1 双极模式可逆PWM系统,1. T型双极模式PMW控制原理(double polarity mode),Ua0，正转,3.1 双极模式可逆PWM系统,1. T型双极模式PMW控制原理(double polarity mode),Ua0正转运行,UaEg。电流路径：1电枢电感La储能，电机电动。,3.2 单极模式可逆PWM系统,正向电动运行（1）,1. H型单极模式同频可逆PMW控制,t1t T ： V1，V3 + ，V2，V4+；UaEg。电流路径：2电枢电感La放能，电机电动，V3不通。,3.2 单极模式可逆PWM系统,正向电动运行（2）,1. H型单极模式同频可逆PMW控制,在正转时，若信号电压突然降低，电机将制动减速0tt1期间：V1+，V3，V2，V4+；EgUa电流路径：4电动机工作状态：能量回馈制动。,3.2 单极模式可逆PWM系统,减速制动：回馈制动阶段,1. H型单极模式同频可逆PMW控制,在正转时，若信号电压突然降低，电机将制动减速t1tT 期间：V1，V3 +，V2，V4+；EgUa电流路径：3电动机工作状态：能耗制动。,3.2 单极模式可逆PWM系统,减速制动：能耗制动阶段,1. H型单极模式同频可逆PMW控制,3.2 单极模式可逆PWM系统,稳态运行：UaEg，经历全部4个阶段,1.电动，La储能,2.电动，La放能,3.能耗制动,4.回馈制动,2. H型单极模式倍频可逆PMW控制结构与控制,3.2 单极模式可逆PWM系统,2.电动，La放能,对同频可逆PWM控制的改进原理：双边缘调制出发点：降低开关损耗，降低电流脉动，改善波形系数和运行条件,v1和v3反相位开关控制，V2和v4反相位开关控制V1和V4控制相位相差T/2， V2和V3控制相位相差T/2电枢两端得到两倍于基本调制频率的脉冲电压倍频,2. H型单极模式倍频可逆PMW控制Ui0控制,3.2 单极模式可逆PWM系统,2.电动，La放能,同侧桥臂开关v1、v3和v2、v4互加相差180驱动，不存在同时导通条件位于对角线上的两组开关V1、V4和v2、v3相位错开，不具备同时导通的条件电枢电压和电枢电流都为0,2. H型单极模式倍频可逆PMW控制Ui0控制,3.2 单极模式可逆PWM系统,正向电动状态：UaEg,1,3,2,4,(+) (-),1 2 3 4 1,1 2 3 4 1,输出电压脉冲频率提高1倍,2. H型单极模式倍频可逆PMW控制Ui0控制,3.2 单极模式可逆PWM系统,正向制动状态： Eg Ua,1,3,2,4,(+) (-),1 2 3 4 1,1 2 3 4 1,1.受限单极模式可逆PMW系统的提出( Why? ),3.3 受限单极模式可逆PWM系统,认为开关管的导通和关断瞬时完成（理想开关）不合实际饱和管退出饱和区往往需要存储时间同侧管切换时，必须待导通管确实关断之后，另一管才能开通为了避免直通短路，必须引入开通延时，限制了开关频率寻求不需延时的控制方式受限单极模式可逆PWM控制同频受限单极模式PWM控制倍频受限单极模式PWM控制,2. 同频控制方式,3.3 受限单极模式可逆PWM系统,Ui0: v1工作在开关状态，v2、v3始终关断，v4连续导通Ui0: v2工作在开关状态， v1、v4始终关断，v2连续导通,2. 同频控制方式,3.3 受限单极模式可逆PWM系统,电动状态 Ua Eg,Ua Eg：在 0 t t1期间，v1 +，v4+, La储能，电动运行，电流路径: 1在 t1 t T期间，v1，v4+, La放能，电动运行，电流路径：2,1,2,2. 同频控制方式,3.3 受限单极模式可逆PWM系统,制动状态 Eg Ua,Eg Ua ： 制动电流应该沿红色回路流动，但由于v3一直处于截止状态，反方向的能耗制动电流通路受到了限制 “受限”由于能耗制动回路(v3vD4BA)因v3截止而受到限制，因而在电动机轻载工作时，在 t1 t T期间，自由续流衰减到零后，v3的截止使反电动势Eg不能建立反向电流，电枢电流断续。,电枢电流断续,3. 同频控制方式,3.3 受限单极模式可逆PWM系统,可以避免同侧对管直通短路现象，工作可靠性高受限单极模式系统在轻载时可能出现电流断续现象可通过提高开关频率等措施解决电流可能断续的问题适用范围使用环境恶劣平均无故障工作时间(MTBF)要求高大功率、大惯量且频繁起制动场合,4. 倍频控制方式,3.3 受限单极模式可逆PWM系统,同频受限单极模式优点：PWM功率转换电路控制切换可靠性高，不需延时。缺点：在开关频率较低时，电枢电流可能断续。倍频控制可以弥补同频控制的不足。,控制策略在0时，H桥臂上的所有开关均关断。电枢回路与电源断开，电动机不转。在0时，v1、v4工作在开关状态，V2、v3都处于关断状态电动机正转。在0时，v2、v3工作在开关状态，v1、v4处于关断状态，电动机反转。,4. 倍频控制方式,3.3 受限单极模式可逆PWM系统,0：电动机正转v1、v4工作在开关状态V2、v3都处于关断状态,倍频受限单极模式PWM波形,5. 倍频控制方式特点（specialties),3.4 受限单极模式可逆PWM系统,电动机两端获得倍频脉冲电压电流波形系数高电流始终连续功率等级较大适用于运行可靠性要求较高的场合,3.4 控制方案的对比(contrast),评价直流电动机驱动装置的主要指标(deliberated index) (1)可达到的额定角频率；system performance index (2)平均失控时间m（m/2），T为开关周期； (3)波形系数； (4)损耗P（包括电机损耗）； (5)效率； (6)价格、成本； (7)平均无故障工作时间 MTBP（可靠性）。,3.4 控制方案的对比(contrast),价格、成本可靠性,电流脉动量的大小间接地反映控制方案的好坏程度,开关频率,电流脉动,电路结构与控制模式,波形系数损耗效率,可达到的额定角频率平均失控时间,3.4 控制方案的对比(contrast),1.双极模式电流脉动量大，在控制信号为零时呈最大值。零位颤动特性有助于克服静摩擦，改善系统低速平稳性。在大功率系统中，零位颤动对电动机的发热和换向不利，有时不能接受。同侧对管瞬时切换易形成电源短路。附加延时、保护电路繁杂，限制了开关频率的提高。电磁脉冲干扰较严重，电路、元件的工艺布局要考究。对于500w以下的高精度快速响应的伺服系统，可优先选取双极模式。,3.4 控制方案的对比(contrast),2.单极模式比双极模式控制时电流脉动要减小一半(倍频单极模式要减小14)。波形系数近似1，有利于电动机换向和减小热损耗，适合大功率系统应用。在系统过零时，可能出现死区。桥路同侧对管存在直通短路电源的危险，延时电路必不可少。,3.4 控制方案的对比(contrast),3.受限单极模式运行可靠性高，不需附加延时，开关频率相对可以适当提高。频率在4kHz左右，对于一般情况是不会出现电流断续现象。倍频控制的电动机电枢两端可获得约10kHz的脉动电压，电流不会断续。尽管没有能耗制动能力但其快速性是不会受到太大影响的。波形系数近似为1，基本上相当于线性功率放大驱动，运行噪声极小。倍频控制方案在大功率系统的应用中将会受到人们的关注。,第3章 可逆直流PWM系统,可逆系统主电路总结,可逆直流PWM系统,双极