【文章內(nèi)容簡介】 高，體積仍然很大，維護麻煩，尤其是水銀如果泄漏，將會污染環(huán)境，嚴重危害身體健康。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機調速系統(tǒng)（即晶閘管－電動機調速系統(tǒng)，簡稱VM系統(tǒng)，又稱靜止WardLeonard系統(tǒng)）已經(jīng)成為直流調速系統(tǒng)的主要形式。但是，晶閘管整流器也有它的缺點，主要表現(xiàn)在以下方面：（1）晶閘管一般是單向導電元件，晶閘管整流器的電流是不允許反向的，這給電動機實現(xiàn)可逆運行造成困難。必須實現(xiàn)四象限可逆運行時，只好采用開關切換或正、反兩組全控型整流電路，構成VM可逆調速系統(tǒng)，后者所用變流設備要增多一倍。（2）晶閘管元件對于過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任意指標超過允許值都可能在很短時間內(nèi)元件損壞，因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應保留足夠的余量，以保證晶閘管裝置的可靠運行。（3）晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，因此，晶閘管可控制整流器對交流電源來說相當于一個感性負載，吸取滯后的無功電流，因此功率因素低，特別是在深調速狀態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運行時，晶閘管的導通角很小，使得系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的高次諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設備。如果采用晶閘管整流裝置的調速系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占容量比重較大，將造成所謂的“電力公害”。為此，應采取相應的無功補償、濾波和高次諧波的抑制措施。（4）晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，而且脈波數(shù)總是有限的。如果主電路電感不是非常大，則輸出電流總存在連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，因而機械特性也有連續(xù)和斷續(xù)兩段，連續(xù)段特性比較硬，基本上還是直線；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈現(xiàn)出顯著的非線性。由于以上種種原因，所以選擇了脈寬調制變換器進行改變電樞電壓的直流調速系統(tǒng)。 選擇PWM控制系統(tǒng)的理由脈寬調制器UPW采用美國硅通用公司（Silicon General）的第二代產(chǎn)品SG3525，這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強的單片集成PWM控制器。由于它簡單、可靠及使用方便靈活，大大簡化了脈寬調制器的設計及調試，故獲得廣泛使用。PWM系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性 ：1）PWM調速系統(tǒng)主電路線路簡單，需用的功率器件少。2）開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小。3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍廣，可達到1：10000左右。4）如果可以與快速響應的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強。5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高。 6）直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 變頻調速很快為廣大電動機用戶所接受，成為了一種最受歡迎的調速方法，在一些中小容量的動態(tài)高性能系統(tǒng)中更是已經(jīng)完全取代了其他調速方式。由此可見，變頻調速是非常值得自動化工作者去研究的。在變頻調速方式中，PWM調速方式尤為大家所重視，這是我們選取它作為研究對象的重要原因。 選擇IGBT的H橋型主電路的理由IGBT的優(yōu)點：1） IGBT的開關速度高，開關損耗小。2） 在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。3） IGBT的通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。4） IGBT的輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。5） 與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時可保持開關頻率高的特點。在眾多PWM變換器實現(xiàn)方法中，又以H型PWM變換器更為多見。這種電路具備電流連續(xù)、電動機四象限運行、無摩擦死區(qū)、低速平穩(wěn)性好等優(yōu)點。本次設計以H型PWM直流控制器為主要研究對象。 采用轉速電流雙閉環(huán)的理由同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。單閉環(huán)速度反饋調速系統(tǒng)，采用PI控制器時，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來控制動態(tài)過程的電流或轉矩。另外，單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)抗干擾性較差，當電網(wǎng)電壓波動時，必須待轉速發(fā)生變化后，調節(jié)作用才能產(chǎn)生，因此動態(tài)誤差較大。在要求較高的調速系統(tǒng)中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制動；二是能夠快速克服負載、電網(wǎng)等干擾。通過分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動，必須使直流電動機在起動過程中輸出最大的恒定允許電磁轉矩，即最大的恒定允許電樞電流，當電樞電流保持最大允許值時，電動機以恒加速度升速至給定轉速，然后電樞電流立即降至負載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對電樞電流進行調節(jié)。以上兩點都涉及電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。 第2章 PWM控制直流調速系統(tǒng)主電路設計 主電路結構設計 PWM變換器介紹脈寬調速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調制式變換器，簡稱PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。下面分別對各種形式的PWM變換器做一下簡單的介紹和分析。不可逆PWM變換器分為無制動作用和有制動作用兩種。圖21（a）所示為無制動作用的簡單不可逆PWM變換器主電路原理圖，其開關器件采用全控型的電力電子器件。電源電壓一般由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控整流電路提供。電容C的作用是濾波，二極管VD在電力晶體管VT關斷時為電動機電樞回路提供釋放電儲能的續(xù)流回路。圖21 簡單的不可逆PWM變換器電路（a）原理圖 （b）電壓和電流波型電力晶體管VT的基極由頻率為f，其脈沖寬度可調的脈沖電壓驅動。在一個開關周期T內(nèi)，當Error! No bookmark name ，為正，VT飽和導通，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端；當時，為負，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流。電動機電樞兩端的平均電壓為 式中，——PWM電壓的占空比，又稱負載電壓系數(shù)。的變化范圍在0～1之間，改變，即可以實現(xiàn)對電動機轉速的調節(jié)。 圖21（b）繪出了穩(wěn)態(tài)時電動機電樞的脈沖端電壓、平均電壓和電樞電流的波型。由圖可見，電流是脈動的，其平均值等于負載電流（——負載轉矩， ——直流電動機在額定磁通下的轉矩電流比）。由于VT在一個周期內(nèi)具有開關兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即在期間 在期間 式中，R，L——電動機電樞回路的總電阻和總電感；E——電動機的反電動勢。PWM調速系統(tǒng)的開關頻率都較高，至少是1～4kHz，因此電流的脈動幅值不會很大，再影響到轉速n和反電動勢E的波動就更小，在分析時可以忽略不計，視n和E為恒值。這種簡單不可逆PWM電路中電動機的電樞電流不能反向，因此系統(tǒng)沒有制動作用，只能做單向限運行，這種電路又稱為“受限式”不可逆PWM電路。這種PWM調速系統(tǒng)，空載或輕載下可能出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能均差。圖22（a）所示為具有制動作用的不可逆PWM變換電路，該電路設置了兩個電力晶體管VT1和VT2，形成兩者交替開關的電路，提供了反向電流的通路。這種電路組成的PWM調速系統(tǒng)可在第I、II兩個象限中運行。VT1和VT2的基極驅動信號電壓大小相等，極性相反，即。當電動機工作在電動狀態(tài)時，在一個周期內(nèi)平均電流就為正值，電流分為兩段變化。在期間，為正，VT1飽和導通；為負，VT2截止。此時，電源電壓加到電動機電樞兩端，電流沿圖中的回路１流通。在期間，和改變極性，VT1截止，原方向的電流沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使VT2不可能導通。因此，電動機工作在電動狀態(tài)時，一般情況下實際上是電力晶體管VT1和續(xù)流二極管VD2交替導通，而VT2則始終不導通，其電壓、電流波型如圖22（b）所示，與圖21沒有VT2的情況完全一樣。如果電動機在電動運行中要降低轉速，可將控制電壓減小，使的正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而使電動機電樞兩端的平均電壓降低。但是由于慣性，電動機的轉速n和反電動勢E來不及立刻變化，因而出現(xiàn)的情況。這時電力晶體管VT2能在電動機制動中起作用。在期間，VT2在正的和反電動勢E的作用下飽和導通，由E－產(chǎn)生的反向電流沿回路3通過VT2流通，產(chǎn)生能耗制動，一部分能量消耗在回路電阻上，一部分轉化為磁場能存儲在回路電感中，直到t=T為止。在（也就是）期間，因變負，VT2截止，只能沿回路4經(jīng)二極管VD1續(xù)流，對電源回饋制動，同時在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承受反壓而不能導通。在整個制動狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導通，VT1始終截止，此時電動機處于發(fā)電狀態(tài)，電壓和電流波型圖22（c）。反向電流的制動作用使電動機轉速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。圖22 具有制動作用的不可逆PWM變換電路這種電路構成的調速系統(tǒng)還存在一種特殊情況，即在電動機的輕載電動狀態(tài)中，負載電流很小，在VT1關斷后（即期間）沿回路2徑VD2的續(xù)流電流很快衰減到零，如在圖22（d）中的期間的時刻。這時VD2兩端的壓降也降為零，而此時由于為正，使VT2得以導通，反電動勢E經(jīng)VT2沿回路3流過反向電流，產(chǎn)生局部時間的能耗制動作用。到了期間，VT2關斷，又沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，到時衰減到零，VT1在作用下因不存在而反壓而導通，電樞電流再次改變方向為沿回路１經(jīng)VT1流通。在一個開關周期內(nèi)，VTVDVTVD1四個電力電子開關器件輪流導通，其電流波形示圖22（d）。綜上所述，具有制動作用的不可逆PWM變換器構成的調速系統(tǒng)，電動機電樞回路中的電流始終是連續(xù)的；而且，由于電流可以反向，系統(tǒng)可以實現(xiàn)二象限運行，有較好的靜、動態(tài)性能。由具有制動作用的不可逆PWM變換器構成的直流調速系統(tǒng)，電動機有兩種運行狀態(tài)，在電動狀態(tài)下，依靠電力晶體管VT1的開和關兩種狀態(tài)，在發(fā)電制動狀態(tài)下則依靠VT2的開和關兩種狀態(tài)。兩種工作狀態(tài)下電路電壓平衡方程式都分為兩個階段，情況同簡單的不可逆的PWM變換器電路相同，即在期間為式，在期間為式　，只不過兩種狀態(tài)下電流的方向相反，即在制動狀態(tài)時為?？赡鍼WM變換器主電路的結構形式有T型和H型兩種，其基本電路如圖23所示，圖中（a）為T型PWM變換器電路，（b）為H型PWM變換器電路。 圖23 可逆PWM變換器電路 （a）T型　　 （b）H型 T型電路由兩個可控電力電子器件和與兩個續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡單，構成系統(tǒng)時便于引出反饋，適用于作為電壓低于50V的電動機的可控電壓源；但是T型電路需要正負對稱的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓，在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為H型電路的一半。H型電路是實際上廣泛應用的可逆PWM變換器電路，它由四個可控電力電子器件（以下以電力晶體管為例）和四個續(xù)流二極管組成的橋式電路，這種電路只需要單極性電源，所需電力電子器件的耐壓相對較低，但是構成調速系統(tǒng)的電動機電樞兩端浮地。H型變換器電路在控制方式上分為雙極式、單極式和受限單極式三種。（1）雙極式可逆PWM變換器：雙極式可逆PWM變換器的主電路如圖23（b）所示。四個電力晶體管分為兩組，VT1和VT4為一組，VT2和VT3為一組。同一組中兩個電力晶體管的基極驅動電壓波形相同，即，VT1和VT4同時導通和關斷；，VT2和VT3同時導通和關斷。而且，和，相位相反，在一個開關周期內(nèi)VT1，VT4和VT2，VT3兩組晶體管交替地導通和關斷，變換器輸出電壓在一個周期內(nèi)有正負極性變化，這是雙極式PWM變換器的特征，也是“雙極性”名稱的由來。由于電壓極性的變化，使得電樞回路電流的變化存在兩種情況，其電壓、電流波形如圖24所示。圖24 雙極式PWM變換器電壓和電流波形 （a）電動機負載較重時 （b）電動機負載較輕時如果電動機的負載較重，平均負載電流較大，在時，和為正，VT1和VT4飽和導通；而和為負，VT2和VT3截止。這時，加在電樞AB兩端，電樞電流沿回路１流通（見圖24（b）），電動機處于電動狀態(tài)。在時，和為負，VT1和VT4截止；和為正，在電樞電感釋放儲能的作用下，電樞電流經(jīng)二極管VD2和VD3續(xù)流，在VD2和VD3上的正向壓降使VT2和VT3的ce極承受反壓而不能導通，電樞電流沿回路2流通，電動機仍處于電動狀態(tài)。有關參量波形圖示于圖24（a）。如果電動機負載較輕，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，即當時。于是在時，VT2和VT3的ce極兩端失去反壓，并在負的電源電壓（）和電動機反電動勢E的共同作用下導通，電樞電流反向，沿回路3流通，電動機處于反接制動狀態(tài)。在（）時，和變負