【文章內(nèi)容簡介】 1所示 第1階段，在0≤tton期間，ub2 、ub3為負(fù)，VT2和VT3截止，VD1， VD4續(xù)流，并鉗位使VT1和VT4截止。電樞電流id沿回路4(經(jīng)VD4和VD1)流通，電動機(jī)兩端電壓UAB = +US。 第2階段，在ton≤ t T期間，ub2 、 ub3為正，VT2和VT3導(dǎo)通，ubl 、ub4為負(fù)，使VTl和VT4保持截止。電樞電流id沿回路3(經(jīng)VT2和VT3)流通，電動機(jī)兩端電壓UAB = +US 圖 210 正向電動運行時電壓、電流波形 圖 211 反向電動運行時電壓、電流波形 雙極式控制方式是指在一個PWM周期里，電機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。因此其平均電壓Ud計算公式為：式中a一ton/T為PWM波形的占空比；由上式可知，電樞繞組所受的平均電壓取決于占空比α的大小，當(dāng)α=0時，Ud=Us，電動機(jī)反行，且速度最大；當(dāng)α=1時，Ud=Us，電動機(jī)正行，且速度最大。當(dāng)a=1/2時，Ud = 0，電動機(jī)不動。但電樞兩端的瞬時電壓和流過電樞的瞬時電流都不為零，而是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增加了電動機(jī)的損耗，當(dāng)然是不利的。但是這個交變電流使電動機(jī)產(chǎn)生高頻微振，可以消除電動機(jī)正、反向切換時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用，有利于快速切換。 雙極式可逆PWM變換器的優(yōu)點是:電流一定連續(xù)，可以使電動機(jī)實現(xiàn)四象限動行。電動機(jī)停止時的微振交變電流可以消除靜摩擦死區(qū)。低速時由于每個電力電子器件的驅(qū)動脈沖仍較寬而有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。低速平穩(wěn)性好，可達(dá)到很寬的調(diào)速范圍。雙極式可逆PWM變換器存在如下缺點:在工作過程中，四個電力電子器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且容易發(fā)生上、下兩只電力電子器件直通的事故，為了防止直通，在上下橋臂的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。 PWM調(diào)速系統(tǒng)的主要參數(shù) 采用電力晶體管的PWM調(diào)速系統(tǒng)不同于其它直流調(diào)速系統(tǒng)的特殊問題主要有：；；；，開關(guān)損耗及最佳開關(guān)頻率；。針對上面的問題就涉及到以下的參數(shù)[2]。1. 對不可逆和單極式可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)在電流連續(xù)情況下的電流脈動與轉(zhuǎn)速脈動進(jìn)行分析，得到 (22) （23）當(dāng)ρ=，脈動量達(dá)最大 (24) (25) 對雙極式可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)在電流連續(xù)情況下的電流脈動與轉(zhuǎn)速脈動進(jìn)行分析，得到 (26) (27) (28)2. 脈寬調(diào)制器和PWM變換器合起來可以看成是一個滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)在滿足時，可近似為 (29)求出脈寬調(diào)制變換器的傳遞函數(shù)后，便可畫出雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖[8]。如圖212所示。 圖 212 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ，并對各種負(fù)載下的開關(guān)損耗進(jìn)行計算，從而得出總損耗最小的最佳開關(guān)頻率。對單級式變換器有 (29)對雙極式有 (210)兩式中 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)一般地, 靜態(tài)性能較好的調(diào)速系統(tǒng)都采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案, 脈寬調(diào)速系統(tǒng)也不例外。脈寬調(diào)制變換器直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)，PWM在很多方面有較大優(yōu)越性[1][3]：（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少。（2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小。（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：10000左右。（4）若與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗繞能力強。（5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高。（6）直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。 電流、轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)根據(jù)自動控制原理，轉(zhuǎn)速反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。轉(zhuǎn)速降落整是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，因此，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該減少轉(zhuǎn)速降落[1][3][7]。直流電動機(jī)全電壓啟動時，如果沒有限流措施，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對電動機(jī)不利，對過載能力低的電力電子器件來說也不利。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上負(fù)載電壓時，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零。而且有些生產(chǎn)機(jī)械的電動機(jī)可能會出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況，由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過載就跳閘，也會給工作帶來不便。所以系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪個物理量基本保持不變，就應(yīng)該引入哪個物理量的負(fù)反饋。所以引入電流負(fù)反饋就能保持電流基本不變，使它不超過允許值。但是這種作用只應(yīng)在上述的啟動和堵轉(zhuǎn)時存在，在正常運行是取消，讓電流自由地隨著負(fù)載增減，這種當(dāng)電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋，叫做電流截止負(fù)反饋，簡稱截流反饋。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，應(yīng)該在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，二者之間實行嵌套（或串級）聯(lián)接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制脈寬調(diào)速器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，稱作外環(huán)[1]。綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可分別歸納如下[1]：1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)試系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓Un*變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。2）對負(fù)載變化起抗擾作用。3）其輸出限幅值決定電動機(jī)允許的最大電流。1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓Ui*(即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量)變化。2) 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。3）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。4）當(dāng)電動機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。 設(shè)計中的調(diào)節(jié)器計算（一）電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計[2][9]1. 確定時間常數(shù)（1）脈寬調(diào)制器和PWM變換器的滯后時間常數(shù)Tpwm與傳遞函數(shù)的計算。 晶體管放大區(qū)的時間常數(shù)為 電流上升時間的計算公式為 式中晶體管導(dǎo)通時的過飽和驅(qū)動系數(shù)，一般取，本例中取2，則 電流下降時間的計算公式為 式中 ——晶體管截止時的負(fù)向過驅(qū)動系數(shù)，一般取。本實例中取2，則 最佳開關(guān)頻率為開關(guān)頻率選為，此開關(guān)頻率已能滿足電流連續(xù)的要求。于是開關(guān)周期。脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)為 于是可得脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)為 （2）電流濾波時間常數(shù)取。（3）電流環(huán)小時間常數(shù)。2．選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，%≤5%，而且，因此可按典1型系統(tǒng)設(shè)計。電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為 3．選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 要求%≤5%時，應(yīng)取因此 于是 [1] (1) 要求＜,現(xiàn)＞(2) 要求,現(xiàn)＜(3) 要求,現(xiàn)=＞.可見均滿足要求。5．計算ACR的電阻和電容取，則 取 取 取按照上述參數(shù),電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)反指標(biāo)為％=％＜5％,故滿足設(shè)計要求。（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計[2][9] 1. 確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為。（2）取轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。（3）。2．ASR結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)穩(wěn)態(tài)無靜差及其他動態(tài)指標(biāo)要求，按典2型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)，ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 3．選擇ASR參數(shù)取，則 則 4．校驗近似條件 （1） 要求，現(xiàn)＞。（2） 要求，現(xiàn)＞。 可見均能滿足要求。5．計算ASR電阻和電容取，則 取430 取 取6．校驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量[1][2][9] ％當(dāng)時，％，而，因此 ％％％＜10％可見轉(zhuǎn)速超調(diào)量滿足要求。7．校驗過渡過程時間空載起動到額定轉(zhuǎn)速的過渡過程時間 可見能滿足設(shè)計要求。 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的起動過程 圖 213 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Un*由靜止?fàn)顟B(tài)啟動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)啟動過程如圖213所示。由于在起動過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、Ⅱ、Ⅲ三個階段。第I階段是電流上升階段。第Ⅱ階段是恒流升速階段。第Ⅲ階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段[1][3][4]。第I階段（0～t1）是電流上升階段。突