【文章內(nèi)容簡介】 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(diào)速范圍廣，可達到 1： 10000 左右 。 4） 如果可以與快速響應(yīng)的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強 。 5） 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)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(diào)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(diào)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(diào)速方式。由此可見，變頻調(diào)速是非常值得自動化工作者去研究的。在變頻調(diào)速方式中， PWM 調(diào)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(guān)速度高，開關(guān)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(guān)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(shè)計以 H 型PWM 直流控制器為主要研究對象。 采用轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)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(diào)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(zhuǎn)矩。另外，單閉環(huán)調(diào)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(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)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(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 第 2 章 PWM 控制直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計 PWM 變換器介紹 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)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(guān)器件采用全控型的電力電子器件。電源電壓 sU 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(guān)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(diào)的脈沖電壓 bU 驅(qū)動。在一個開關(guān)周期 T內(nèi)，當 錯誤 !未指定書簽。 ontt??0 時， bU 為正， VT 飽和導(dǎo)通，電源電壓通過 VT 加到電動機電樞兩端；當 Ttton ?? 時， bU 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ssond UUTtU ??? 式中 ，TtUU ond ?? 5?—— 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(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 圖 21（ b）繪出了穩(wěn)態(tài)時電動機電樞的脈沖端電壓 du 、平均電壓 du 和電樞電流 di 的波型。由圖可見，電流是 di 脈動的，其平均值等于負載電流 mLdl CTI /? （ LT —— 負載轉(zhuǎn)矩， mC —— 直流電動機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比）。 由于 VT 在一個周期內(nèi)具有開關(guān)兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即 在 ontt??0 期間 EdtdiLRiU dd ???5 在 Ttton ?? 期間 EdtdiLRi dd ???0 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(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)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(zhuǎn)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 Di 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(diào)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(shè)置了兩個電力晶體管 VT1 和 VT2，形成兩者交替開關(guān)的電路，提供了反向電流的 di? 通路。這種電路組成的 PWM 調(diào)速系統(tǒng)可在第 I、 II 兩個象限中運行。 VT1 和 VT2 的基極驅(qū)動信號電壓大小相等，極性相反，即 2bb UU ?? 。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 di 分為兩段變化。 在 ontt??0 期間， 1bU 為正， VT1 飽和導(dǎo)通； 2bU 為負， VT2 截止。此時，電源電壓 5U 加到電動機電樞兩端，電流 di 沿圖中的回路１流通。在 Ttton ?? 期間， 1bU 和 2bU 改變極性， VT1 截止，原方向的電流 di 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(dǎo)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(dǎo)通，而 VT2 則始終不導(dǎo)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(zhuǎn)速，可將控制電壓減小，使 1bU 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 dU 降低。但是由于慣性，電動機 的轉(zhuǎn)速 n 和反電動勢 E 來不及立刻變化，因而出現(xiàn) EUd? 的情況。這時電力晶體管 VT2能在電動機制動中起作用。在 Ttton ?? 期間， VT2 在正的 2bU 和反電動勢 E的作用下飽和導(dǎo)通，由 E－ dU 產(chǎn)生的反向電流 di? 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(zhuǎn)化為磁場能存儲在回路電感中，直到 t=T 為止。在onttT ?? （也就是 ontt??0 ）期間，因 2bU 變負， VT2 截止， di? 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(dǎo)通。在整個制動狀態(tài)中， VT2 和 VD1 輪流導(dǎo)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(zhuǎn)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(gòu)成的調(diào)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(guān)斷后（即 Ttton ?? 期間）沿回路 2 徑 VD2 的續(xù)流電流 di 很快衰減到零，如在圖 22（ d）中的 Tton~ 期間的 2t 時刻。這時 VD2 兩端的壓降 也降為零，而此時由于 2bU 為正，使 VT2 得以導(dǎo)通，反電動勢 E 經(jīng) VT2 沿回路 3 流過反向電流 di? ，產(chǎn)生局部時間的能耗制動作用。到了 ontt??0 期間， VT2 關(guān)斷， di? 又沿回路 4經(jīng) VD1 續(xù)流，到 4tt? 時 di? 衰減到零， VT1 在 1bU 作用下因不 存在而反壓而導(dǎo)通，電樞電流再次改變方向為 di 沿回路１經(jīng) VT1 流通。在一個開關(guān)周期內(nèi)， VT VD VT VD1四個電力電子開關(guān)器件輪流導(dǎo)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(gòu)成的調(diào)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(gòu)成的直流調(diào)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(guān)兩種狀態(tài)，在發(fā)電制動狀態(tài)下則依靠 VT2 的開和關(guān)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 ontt??0 期間為式EdtdiLRiU dd ???5 ，在 Ttton ?? 期間為式 EdtdiLRi dd ???0 ，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 di? 。 可逆 PWM 變換器主電路的結(jié)構(gòu)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(gòu)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(yīng)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(gòu)成調(diào)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(qū)動電壓波 形相同，即 41 bb UU ? ， VT1 和 VT4 同時導(dǎo)通和關(guān)斷； 32 bb UU ? ， VT2 和 VT3 同時導(dǎo)通和關(guān)斷。而且 1bU ， 4bU 和 2bU ， 3bU 相位相反，在一個開關(guān)周期內(nèi) VT1， VT4 和VT2， VT3 兩組晶體管交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，變換器輸出電壓 ABU 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 ABU 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 ontt??0 時， 1bU 和 4bU 為正， VT1和 VT4 飽和導(dǎo)通；而 2bU 和 3bU 為負， VT2 和 VT3 截止。這時， 5U 加在電樞 AB 兩端， 5UUAB? ，電樞電流沿 di 回路１流通（見圖 24（ b）），電動機處于電動狀態(tài)。在 Ttton ??時， 1bU 和 4bU 為負， VT1 和 VT4 截止； 2bU 和 3bU 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(dǎo)通， 5UUAB ?? ，電樞電流 di 沿回路 2 流通，電動機仍處于電動狀態(tài)。有關(guān)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 2tt?時， 0?di 。于是在 Ttt ??2 時， VT2 和 VT3 的 ce極兩端失去反壓，并在負的電源電壓（ 5U? ）和電動機反電動勢 E的共同作用下導(dǎo)通，電樞電流 di 反向，沿回路 3 流通，電動機處于反接制動狀態(tài)。在 1ttT ?? （ 10 tt?? ）時， 2bU 和 3bU 變負， VT2 和 VT3截止，因電樞電感的作用，電流經(jīng) VD1 和 VD4 續(xù)流，使 VT1 和 VT4 的 ce極承受反壓，雖然 1bU 和 2bU 為正， VT1 和 VT4 也不能導(dǎo)通，電流沿回路 4流通，電動機工作在制動狀態(tài)。當 onttt ??1 時， VT1 和 VT4 才導(dǎo)通，電流又沿回路 1流通。有關(guān)參量的波形示于圖 24（ b）。 這樣看來，雙極式 可逆 PWM 變換器與具有制動作用的不可逆 PWM 變換器的電流波形差不多，主要區(qū)別在于電壓波形；前者，無論負載是輕還是重，加在電動機電樞兩端的電壓都在 5U? 和 5U? 之間變換；后者的電壓只在 5U? 和 0 之間變換。這里并未反映出 “ 可逆 ” 的作用。實現(xiàn)電動機制可逆運行，由正、負驅(qū)動電壓的脈沖寬窄而定。當正脈沖較寬時， 2/Tton? ，電樞兩端的平均電壓為正，在電動運行時電動 機正轉(zhuǎn)；當正脈沖較窄時， 2/Tton? ，平均電壓為負，電動機反轉(zhuǎn)。如果正、負脈沖寬度相等，2/Tton? ，平均電壓為零，電動機停止運轉(zhuǎn)。因為雙極式可逆 PWM 變換器電動機電樞兩端的平均電壓為 555 )12(])([1 UTtUtTUtTU ononond ????? 若仍以 5/UUd?? 來定義 PWM 電壓的占空比，則雙極式 PWM 變換器的電壓占空比為 125 ??? TtUU ond? 。 改變