第2章+第4节+直流电动机斩波调速——脉宽直流调速系统.ppt

1,2.4直流电动机斩波调速脉宽直流调速系统,直流电源电压基本不变,通过电子开关的通断,改变施加到电机电枢绕组的直流电压脉冲宽度,调节输入到电机的平均电压值实现调速,外加恒幅直流电源供电,用分合频率固定，分合时间（脉冲宽度）可调的电子开关,控制电动机电枢两端的平均电压控制电动机的转速,直流斩波调速系统：,可逆与不可逆，有制动作用与无制动作用,2,2.4.1不可逆脉宽(斩波）调速系统,2.4.1.1无制动作用不可逆脉宽调速系统,1主电路VT功率管、VD续流二极管,2控制信号,功率管VT基极驱动信号Ub驱动电压Ub周期T脉冲宽度可调,当0tt1时，Ub为正当t1tT时，Ub为负,占空比t1/T可调电流流向,2,1,3,3工作原理,0tt1Ub（）VT导通t1tTUb（）VT关断VD续流,1）电枢电流连续（电机负载大电枢电感量大）,0tt1VT导通Ua=Us电枢电流iaia1,电枢回路的电势平衡方程为：,R1电流路径上的总电阻（电枢电阻、功率管导通电阻、电源内阻及电抗器电阻）,L1总电抗,Ea电枢反电动势,4,求解微分方程，得电流的表达式为：,忽略VD压降Ua=0,电枢的电势平衡方程为：,Ia10电流ia1初值,解得电流的表达式为：,t1tTVT截止关断电枢电流经VD续流电枢电流ia2,Ia20电流ia2初值,Ia10、Ia20根据电流的连续性确定,5,斩波器通断周期T导通时间t1ton关断时间Tt1toff,因为电枢电流连续有：,R1R2=RL1L2=L1=2=,6,电枢端电压平均值：,负载电压系数占空比,改变t1t1在0T变化则在01变化,若电感量足够大使电枢电流只有直流分量平均电流：,2）电枢电流断续,0tt1Ua=Us电枢电流ia1,电枢的电势平衡方程为：,7,t=0时，ia1=Ia10=0,t1tT,电枢电流经VD续流，在t2时电流衰减到0,t1tt2,Ua=0，电枢电流ia=ia2,电枢的电势平衡方程为：,解得电流的表达式为：,电流的初值为：,续流时间有多长？,8,续流时间的讨论,当t=t2时，ia2=0，令tt1=t2t1=ts，则,续流持续时间：,t2tT,电枢电流ia=0，Ua=Ea（端电压反电动势）,9,电枢平均电压,忽略电机内阻,电流断续时负载电压系数,电流断续时，电机端电压平均值升高。,在占空比一定时，负载减少，若电枢电流出现断续，则电机转速显著提高，电机机械特性变软,电流连续和断续的分界点？,10,交界点为tstoffTton，代入ts计算式，得：,讨论题:1、推导电流连续时Ia10，Ia20的表达式2、推导电流断续时续流持续时间ts的计算式3、推导电流连续和断续分界点条件的表达式4、求电流连续和断续的平均电流,11,2.4.1.2有制动作用不可逆脉宽调速系统,1主电路,2控制信号,功率管VT1、VT2基极驱动信号驱动脉冲电压Ub1、Ub2极性相反,当0tt1时，Ub1为正，Ub2为负当t1tT时，Ub1为负，Ub2为正,t1/T可调电路可能有4中工作状态,VT1主控管，VT2辅助管（能耗制动）VD1回馈制动，VD2续流二极管,1,2,3,4,12,3电路四种模态,13,4工作情况讨论,1）正常负载电流,0tt1,Ub1(+)，Ub2(-),VT1导通，VT2截止（关断），电路在模态I,Ua=Us，若UsEa，电枢电流流入电机电机为电动状态，电流ia1,t1tT,Ub1(-)，Ub2(+),VT1截止关断，切断电机电源电枢电流ia经VD2续流，电路工作在模态II,电枢电流方向未变，电机为电动状态，电流ia2。,电路方程,电路方程,0t1TTt1,14,正常负载电流，VT1关断时间很短,控制周期结束t=T时，电枢电流一直维持为正，VT2始终不通,VT1与VD2交替导通，电路在模态和间转换，电机运行在电动状态,2）负载电流较小,t1tT,Ub1(-)，Ub2(+)VT1截止，电枢电流先经VD2续流在t2时电流衰减到0,t1tt2,电枢电势Ea使VT2导通，电路模态III电枢电流ia反向，电机能耗制动，电流ia3,ia经VD2续流，电路工作在模态II电机为电动状态，电流ia2,t2tT,0t3t1t2Tt3t1,15,VT2截止，电枢电流经VD1续流电路工作在模态电机再生制动（回馈制动），电流ia4,TtT+t1（0tt1）,Ub1()，Ub2()VT2截止，电枢电流先经VD1续流在Tt3（t3）时电流衰减到0,0tt3,t3tt1,VT1导通，电路工作在模态I电机电动运行，电流ia1,可见，在VT1关断时间较长时，电路在模态、之间转换,电机运行在电动（、）、能耗制动（）及再生（回馈）制动状态（）,0t3t1t2Tt3t1,16,2.4.2可逆脉宽(斩波）调速系统,可逆斩波调速系统主电路的结构形式有两种,H型,T型,H型可逆斩波调速系统组成：,4个大功率晶体管VT1、VT2、VT3和VT4,4个续流二极管VD1、VD2、VD3和VD4,组成桥式电路,Us为直流电源电压,M为电机,H型可逆斩波调速系统调制方式：,单极性、双极性脉宽调制方式,17,2.4.2.1单极性脉宽调制方式,Uc0输出到电机的电压为B(+)，A(-)UcEa则电枢电流iaia1电机为电动状态,t1tTUb1(-)、Ub4(-)、Ub2(+)、Ub3(+),Ub1和Ub4为负VT1和VT4截止,电流经VD2和VD3续流VT2、VT3不能导通电路模态,电枢电压为Ua=Usia=ia2电机中电流方向未变仍为电动状态,23,*电流较大电流衰减到某一值下一个周期开始Ub1和Ub4为正VT1、VT4重新导通,*电机始终在电动状态下运行电流方向不变,*电路交替运行在模态和,2）电枢电流较小（电动机负载轻）,t1tTUb1(-)、Ub4(-)、Ub2(+)、Ub3(+)VT1和VT4截止关断电枢电流先经VD2和VD3续流在t2时电流衰减到0,24,t1tt2,ia经VD2和VD3续流衰减电路模态II电机为电动状态UaUs电流iaia2,t2tT,VT2和VT3导通电路模态IIIUa=Us电压与电势同方向电枢电流ia反方向ia=ia3电机反接制动,VT2和VT3截止电枢电流经VD1和VD4续流电路模态电机回馈制动UaUs电流iaia4,TtT+t1（0tt1）Ub1()、Ub4()、Ub2(-)、Ub3(-)VT2和VT3截止电流先经VD1和VD4续流在Tt3（t3）时电流衰减到0,0tt3,25,t3tt1,VT1、VT4导通电路模态I电机电动运行UaUs电流ia1,负载较小时电机交替运行在电动和制动状态电路工作在4个模态,3）注意问题,电机可逆运行的控制,电机的可逆运行驱动电压的正负脉冲宽度决定,t1T/2正脉冲较宽负脉冲较窄电机平均电压UA0电机正转,t1T/2正脉冲较窄负脉冲较宽电机平均电压UA0电机反转,t1T/2正、负脉冲宽度相等电机平均电压UA=0电机不转,26,负载电压系数,因为0tt1UaUs,t1tTUaUs,则：,负载电压系数,令：,的变化范围：,27,28,注意：,当电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；交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用,性能评价,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）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；（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。,29,2.4.3直流脉宽调速系统的机械特性,双极式控制方式的不足之处是：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；在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故；为防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。,采用脉宽调制，即使在稳态情况下，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）的关系按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式平均电流和转矩分别用Ia和T表示，平均转速n=Ea/Ce电枢电感压降的平均值Ldia/dt在稳态时应为零,30,或用转矩表示,n0=Us/Ce理想空载转速，与负载电压系数成正比。,n,31,2.4.4直流电动机双闭环脉宽调制调速系统,2.4.4.1双闭环调速系统原理框图,PWM主电路M电机TG测速装置,将控制电路的输出脉冲放大到足够激励功率管,DR驱动电路,ASR、ACR转速、电流调节器TA电流传感器,Ugn、Ufn转速给定与反馈Ugi、Ufi电流给定与反馈,32,PM脉宽调制器,电压脉宽调制电路,MG调制波发生器,产生标准调制信号Usa锯齿波或三角波,Usa与Uk比较得到调制输出电压Uout正负脉冲宽度可调,脉冲宽度和控制电压的大小成正比改变控制电压Uk的大小输出脉冲的宽度改变改变电动机转速,改变Uk的极性PWM输出电压的极性改变电机转向改变,标准调制信号Usa,控制电压Uk,基准信号Up,33,2.4.4.2一种脉宽调制电路原理框图,1、组成PWM波形发生器、驱动电路及功率器件等3部分,TL494脉宽调制器MG和PM组合调制信号为锯齿波,PWM波形发生器是一个固定频率的电压脉冲变换装置改变控制电压大小可改变输出脉冲占空比,锯齿波振荡器的频率由外接电容CT和电阻RT进行调节选定参数确定电路的锯齿波频率,34,驱动电路,EXB841混合IC能驱动高达400A、600V和300A、1200V的IGBT驱动电路信号延迟1s适于高约40kHz的开关操作,功率器件,IG