《直流电》-模块四　直流脉宽调速系统

项目一脉宽调制原理任务一ＰＷＭ变换器原理真流调速系统中调节电压是应用最广泛的一种调速方法，为了获得可调的直流电压，还可以利用其他电力电子器件的可控性能，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成极性可变、大小可调的直流电压，用以实现直流电动机电枢端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统。下一页返回项目一脉宽调制原理近年来采用门极可关断晶闸管ＧＴＯ、全控电力晶体管ＧＴＲ、Ｐ－ＭＯＳＦＥＴ等全控式电力电子器件组成的直流脉冲宽度调制（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＰＷＭ）型的调速系统已日益成熟，用途越来越广，与Ｖ－Ｍ系统相比，在许多方面具有较大的优越性：①主电路简单，需用的功率器件少；②开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；③低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；④系统频带宽，快速响应性能好，动态性能好，动态抗扰能力强；⑤组电路器件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；⑥直流电源采用不控三相整流时，电网功率因数高。上一页下一页返回项目一脉宽调制原理当采用全控电力晶体管作为可控电子器件时，称为晶体管直流脉宽调速系统，简写为直流调速系统（ＧＴＲ－ＰＷＭ）。随着超大功率晶体管电压和电流等级的日益提高，制造ＧＴＲ－ＰＷＭ系统的容量也越来越大，在一定功率范围内取代晶闸管调速装置已成为明显的趋势。直流电动机的ＰＷＭ控制原理如下所述。脉宽调制调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称为ＰＷＭ变换器。图４－１（ａ）是脉宽调制型调速系统的原理图。虚线框内的开关Ｓ表示脉宽调制器，调速系统的外加电源电压Ｕｓ为固定的直流电压，当开关Ｓ闭合时，直流电流过Ｓ给电动机Ｍ供电；开关Ｓ断开时，直流电源给Ｍ的电流被切断，Ｍ的储能经二极管ＶＤ续流，电枢两端电压接近零。上一页下一页返回项目一脉宽调制原理如果开关Ｓ按照固定频率开闭而改变周期内的接通时间时，控制脉冲宽度会相应地改变，从而改变电动机两端的平均电压，达到调速的目的。脉冲波形见图４－１（ｂ），其平均电压为脉宽调制变换器就是一种直流斩波调速，最早是用在直流供电的电动车辆和机车中，用以取代变电阻调速，可以获得显著的节能效果。但在一般工业应用中，由于器件容量的限制，目前直流ＰＷＭ调速还只限于中、小功率的系统，随着器件制造技术的发展，它的应用领域必然会日益扩大。例如，现在门极可关断晶闸管的生产水平已经达到４５００Ｖ、２５００Ａ，组成的ＰＷＭ变换器可以用来驱动上千千瓦的电动机。上一页下一页返回项目一脉宽调制原理任务二不可逆ＰＷＭ变换器不可逆脉宽调制变换器又可分为有制动作用和无制动作用两种。图４－２（ａ）所示是简单的不可逆ＰＷＭ变换器的主电路原理图，不难看出，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，以代替必须进行强迫断开的晶闸管，开关频率可达１～４ｋＨｚ，比晶闸管几乎提高了一个数量级。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ＶＴ关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。上一页下一页返回项目一脉宽调制原理图４－２所示的简单不可逆电路中电流ｉｄ不能反向，因此不能产生制动作用，只能做单象限运行。需要制动时必须具有方向电流ｉｄ的通路，因此应该设置控制反向通路的第二个电力晶体管，形成两个晶体管ＶＴ１和ＶＴ２交替开关的电路，如果４－３（ａ）所示。这种电路组成的ＰＷＭ调速系统可在第Ⅰ、第Ⅱ两个象限中运行。上一页返回项目二可逆ＰＷＭ变换器任务一双极式可逆ＰＷＭ变换器图４－４重绘出了双极式Ｈ型可逆ＰＷＭ变换器的电路原理。４个电力晶体管的基极驱动电压分为两组。ＶＴ１和ＶＴ４同时导通和关断，其驱动电压Ｕｂｉ＝Ｕｂ４；ＶＴ２和ＶＴ３同时动作，其驱动电压Ｕｂ２＝Ｕｂ３＝－Ｕｂ１。它们的波形示于图４－５中。下一页返回项目二可逆ＰＷＭ变换器在一个开关周期内，当０≤ｔ＜ｔｏｎ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。当ｔｏｎ≤ｔ＜Ｔ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，因为在电枢电感释放储能的作用下，ｉｄ沿回路２经ＶＤ２、ＶＤ３续流，在ＶＤ２、ＶＤ３上的压降使ＶＴ２和ＶＴ３的ｃ－ｅ端承受着反压，这时ＵＡＢ＝－Ｕｓ，ＵＡＢ在一个周期内正负相间，这是双极式ＰＷＭ变换器的特征，其电压、电流波形示于图４－５中。上一页下一页返回项目二可逆ＰＷＭ变换器双极式可逆ＰＷＭ变换器的优点：①电流一定连续；②可使电动机在４个象限中运行；③电动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，有利于保证晶体管的可靠导通；⑤低速平稳性好，调速范围可达２００００左右。双极式可逆ＰＷＭ变换器的缺点：在工作过程中４个电力晶体管都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两管直通（即同时导通）的事故，降低了装置的可靠性。为了防止上、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。上一页下一页返回项目二可逆ＰＷＭ变换器任务二单极式ＰＷＭ变换器为了克服双极式可逆变换器的上述缺点，对于静、动态性能要求低一些的系统，可采用电极式可逆ＰＷＭ变换器。其电路图仍和双极式的一样，如图４－４所示，不同之处仅在于驱动脉冲信号。在单极式可逆ＰＷＭ变换器中，左边两个管子的驱动脉冲Ｕｂ１＝－Ｕｂ２，具有和双极式一样的正负交替的脉冲波形，使ＶＴ１和ＶＴ２交替导通。右边两管ＶＴ３和ＶＴ４的驱动信号就不同了，改成因电动机的转向而施加不同的直流控制信号。当电动机正转时，使Ｕｂ３恒为负，Ｕｂ４恒为正，则ＶＴ３截止而ＶＴ４常通。希望电动机反转时，则Ｕｂ３恒为正而Ｕｂ４恒为负，使ＶＴ３导通而ＶＴ４截止。上一页下一页返回项目二可逆ＰＷＭ变换器这种驱动信号的变化显然会使不同阶段电流方向连续不变时，各管的开关情况和电枢电压的状况列于表４－１中，同时列出了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，这时各管导通和截止的变化还要多些，读者可以自行分析。任务三受限单极式可逆ＰＷＭ变换器单极式变换器在减少开关损耗和提高可靠性方面要比双极式变换器好，但是仍然存在有一对晶体管ＶＴ１和ＶＴ２交替导通和关断时电源直通的危险。再研究一下表４－１中各晶体管的开关状况可以发现，当电动机正转时，在０≤ｔ≤ｔｏｎ期间，ＶＴ２是截止的；在ｔｏｎ≤ｔ＜Ｔ期间；由于经过ＶＤ２续流，ＶＴ２也不通。既然如此，不如让Ｕｂ２恒为负，使ＶＴ２一直截止。上一页下一页返回项目二可逆ＰＷＭ变换器受限单极式可逆变换器在电动机正转时Ｕｂ２恒为负，ＶＴ２一直截止，在电动机反转时，Ｕｂ１恒为负，ＶＴ１一直截止，其他驱动信号都和一般单极式变换器相同。如果负载较重，电流ｉｄ在一个方向内连续变化，所有的电压、电流波形都和一般单极式变换器一样。但是，当负载较轻时，由于有两个晶体管一直处于截止状态，不可能导通，因而不会出现电流变向的情况，在续流期间电流衰减到零时（ｔ＝ｔｄ），波形便中断了，这时电驱两端电压跳变到ＵＡＢ＝Ｅ，如图４－６所示。这种轻载电流断续的现象将使变换器的外特性变软，和Ｖ－Ｍ系统中的情况十分相似。它使ＰＷＭ调速系统的静、动态性能变差，换来的好处则是可靠性的提高。上一页下一页返回项目二可逆ＰＷＭ变换器任务四脉宽调速系统的开环机械特性前面分析表明，不管是带制动回路的不可逆ＰＷＭ电路，还是双极式和单极式的不