第4章 第1讲直流pwm可逆直流调速系统

第4章,可逆控制和弱磁控制的直流调速系统,电力拖动自动控制系统 运动控制系统,内 容 提 要,直流PWM可逆直流调速系统 V-M可逆直流调速系统 弱磁控制的直流调速系统,问题的提出,有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。,直流电动机的转速方向如何改变？,改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向,当电机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。,电动机除电动转矩外还须产生制动转矩，实现生产机械快速的减速、停车与正反向运行等功能。在转速和电磁转矩的坐标系上，就是四象限运行的功能，这样的调速系统需要正反转，故称可逆调速系统。,图4-1 调速系统的四象限运行,问题的提出,4.1直流PWM可逆调速系统,PWM变换器电路有多种形式，可分为不可逆与可逆两大类，还有一种带制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统，其电流能够反向。之所以不可逆是因为平均电压始终大于零，因而转速不能反向。如果要求转速反向，需要改变PWM变换器输出电压的正负极性，使得直流电动机可以在四象限中运行，由此构成了可逆的PWM变换器-直流电动机系统。,降压斩波电路 ，单极型工作方式输出电压Ud和电流Id都是单方向的，因此该电路只能工作于第象限。当电枢电流Id充分小时，id波形仍然会断续。但是由于载波频率很高，使得电流断续的范围很小，以至可以忽略。,PWM变换电源电路结构与工作原理,二象限PWM变换电路(a)工作于单极型方式。只能输出正向电压Ud0，使直流电动机正向运转。但是由于电流id可以正反两个方向流动(b)，使得工作于第和第象限两个象限(c)。在轻载，甚至空载(Id=0)时也不会发生电流断续。因此不会出现输出特性非线性(d)。使得PWM变换器的控制特性和数学模型比相控整流电路更为理想。相应的有、象限PWM变电路,PWM变换电源电路结构与工作原理,+Us,Ug4,M,+,-,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,1,3,2,A,B,4,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,桥式可逆PWM变换器,注意：在变流中，为了避免同一桥臂上、下两个电力电子器件同时导通而引起直流电源短路，在由 VT1、VT4 导通切换到 VT2、VT3 导通或反向切换时，必须留有死区时间。对于功率晶体管，死区时间约需30s；对于IGBT，死区时间约需5s或更小些。,+,-,图4-3 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形,在一个开关周期内，当0tton时，UAB=US，电枢电流id沿回路1流通；当tontT时，驱动电压反号， id沿回路2经二极管续流， UAB=-US 。 , UAB的平均值为正，电动机正转；反之则反转。 ,平均输出电压为零，电动机停止。, = 2 1,-n*max 0 +n*max,在 0 1, = 1 0 +1,4.1直流PWM可逆调速系统,双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：（1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象限运行；（3）电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围大；（5）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。,双极式控制方式的不足之处是： 在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，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。,4.1直流PWM可逆调速系统,PWM变换器的控制一般采用锯齿波同步的自然采样调制法，或者规则采样法。图(b)是单极型PWM调制原理，占空比和控制电压Uc的关系为图(c)是双极型PWM调制原理，占空比和控制电压的关系为,PWM变换电源控制特性与数学模型,PWM-M系统的机械特性由PWM变换电源供电的直流电动机调速系统简称为PWM-M系统。其机械特性，一般不考虑电流断续的情况。PWM-M系统的四象限机械特性如图所示。,PWM变换电源,4.1.2 直流PWM可逆直流调速系统转速反向的过渡过程,a点过渡到b点，Id从正向IdL降低为零。 b点过渡到c点 ， Id从零反向上升到允许的制动电流-Idm 。c点过渡到d点 ，回馈制动状态，转速将减速到0 。d点过渡到e点 ，反向起动状态 ,转速要超调，转速环退饱和 。在f点稳定工作，电枢电流与负载电流-IdL相等。,图4-4 在坐标系上表示的电动机反向轨迹,右图是正向起动、正向制动和反向起动过程中的时域波形示意图。这个过程分阶段分析如下：在t=0时刻，正向起动转速给定指令阶跃上升到Un*,即Un*=UnN, 与正向额定转速相对应.由于电枢的惯性使得误差电压DUn阶跃上升.很大的DUn很快使转速调节器ASR输出饱和，即Ui*=Uim .此后电流调节器ACR快速调节使电枢电流Id 跟随Ui*维持在最大电枢电流Idm.这个电枢电流产生一个恒定的加速转矩,使转速n恒速上升.,4.1.2 直流PWM可逆直流调速系统转速反向的过渡过程,随着n的上升电枢反电势Ea线性上升。为了维持电枢电流恒为Idm，在ACR的调节下，控制电压Uc不断上升，调节PWM变换电源的占空比，使输出直流电压Ud 不断上升以抵消电枢电压Ea上升对Id的影响。转速误差电压不断减小。在t1时刻，及之后正向运行（a点）n上升到nN,Un和Un*相等,DUn0 。此后，ASR快速退出饱和进入线性调节状态，其输出维持在一个与负载电流 IL相平衡的值上，转速稳定在nN上，进入恒速运行状态。,4.1.2 直流PWM可逆直流调速系统转速反向的过渡过程,在t2时刻，开始正向制动（abc）给定信号Un*从UnN阶跃下降到“-UnN”，对应于反向额定转速“-nN”。由于电枢惯性，使得转速误差信号DUn突然下降到“-2UnN”，ASR快速反向饱和，Ui*-Uim。此后在ACR的快速调节下使电枢电流Id 跟随“Ui*”维持在最大反向电枢电流“-Idm”，转速n下降（cd）反向电枢电流“-Idm”产生一个恒定的制动转矩，使转速n恒速下降，直流电动机进入正向制动状态。电枢反电势Ea 也线性下降，ACR实时调节直流电源电压Ud下降使Ud 保持比Ea 低一个恒定的差值以维持恒定的反向电枢电流“-Idm” 。,4.1.2 直流PWM可逆直流调速系统转速反向的过渡过程,反向起动（de）此后Ud平滑地过零变负，使转速n也过零变负进入反向起动状态。直到t3时刻，转速n反向上升到“-nN”，再次与Un*相等，DUn0，反向起动结束。t3时刻之后，（ef）ASR退出反向饱和，进入线性调节状态，其输出维持在一个与反向负载电流相平衡的值上，转速稳定在“-nN”上，进入反向恒速运行状态。,4.1.2 直流PWM可逆直流调速系统转速反向的过渡过程,4.1.3 直流PWM功率变换器的能量回馈,图4-5桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图,整流器,H型桥式PWM变换器,放电电阻,滤波大电容,当可逆系统进入制动状态时，直流PWM功率变换器把机械能变为电能回馈到直流侧，由于二极管整流器导电的单向性，电能不可能通过整流器送回交流电网，只能向滤波电容充电，使电容两端电压升高，称作泵升电压。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，当PWM控制器检测到泵升电压高于规定值时，开关器件VTb导通，使制动过程中多余的动能以铜耗的形式消耗在放电电阻中。,放电电阻,如果在大容量的调速系统中希望实现电能回馈到交流电网，以取得更好的制动效果并且节能，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的电能逆变后回馈电网。在突加交流电源时，大电容量滤波电容C相当于短路，会产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管。为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串入限流电阻。合上电源后，经过延时或当直流电压达到一定值时，闭合接触器触点K把电阻短路，以免在运行中造成附加损耗。,限流电阻,4.1.4 单片微机控制的PWM可逆直流 调速系统,三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，转速检测用数字测速。微机控制具备故障检测功能，对电压、电流、温度等信号进行实时监测和报警。一般选用专为电机控制设计的单片微机，配以显示、键盘等外围电路，通过通信接口与上位机或其他外设交换数据。,系统组成,图4-1 PWM可逆直流调速系统原理图,整流器,桥式可逆电力电子变换器,驱动电路模块，内部含有光电隔离电路和开关放大电路,PWM波生成环节，其算法包含在单片微机软件中,测速发电机,霍尔电流传感器,图4-6 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图,控制软件一般采用转速、电流双闭环控制，电流环为内环，转速