【文章內(nèi)容簡介】 式中， R， L—— 電動機(jī)電樞回路的總電阻和總電感； E—— 電動機(jī)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(jī)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 25（ 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。 ****學(xué)院 PWM 控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 9 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(dāng)電動機(jī)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(fù)， VT2 截止。此時，電源電壓 5U 加到電動機(jī)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(jī)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 25（ b）所示，與圖 21 沒有 VT2 的情況完全一樣。 如果電動機(jī)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(fù)脈沖變寬，從而使電動機(jī)電樞兩端的平均電壓 dU 降低。但是由于慣性，電動機(jī)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(jī)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(fù)， 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(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電壓和電流波型圖 25（ c）。反向電流的制動作用使電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。 ****學(xué)院 PWM 控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 10 圖 25 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(jī)的輕載電動狀態(tài)中，負(fù)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 25（ 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 25（ 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(jī)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(jī)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 26所示，圖中（ a）為 T 型 PWM 變換器電路，（ b）為 H 型 PWM 變換器電路。 ****學(xué)院 PWM 控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 11 圖 26 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(jī)的可控電壓源；但是T 型電路需要正負(fù)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(jī)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(fù)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 27所示 。 ****學(xué)院 PWM 控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 12 圖 27 雙極式 PWM 變換器電壓和 電流波形 （ a）電動機(jī)負(fù)載較重時 （ b）電動機(jī)負(fù)載較輕時 如果電動機(jī)的負(fù)載較重，平均負(fù)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(fù)， 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 27（ b）），電動機(jī)處于電動狀態(tài)。在 Ttton ??時， 1bU 和 4bU 為負(fù)， 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(jī)仍處于電動狀態(tài)。有關(guān)參量波形圖示于圖 27（ a）。 如果電動機(jī)負(fù)載較輕，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，即當(dāng) 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(fù)的電源電壓（ 5U? ）和電動機(jī)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(jī)處于反接制動狀態(tài)。在 1ttT ?? （ 10 tt?? ）時， 2bU 和 3bU 變負(fù)， 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(jī)工作在制動狀態(tài)。當(dāng) 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 27（ 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(fù)載是輕還是重，加在電動機(jī)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(jī)制可逆運行，由正、負(fù)驅(qū)動電壓的脈沖寬窄而定。當(dāng)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(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)正脈沖較窄時， 2/Tton? ，平均電壓為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。如果正、負(fù)脈沖寬度相等，****學(xué)院 PWM 控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 13 2/Tton? ，平均電壓為零，電動機(jī)停止運轉(zhuǎn)。因為雙極式可逆 PWM 變換器電動機(jī)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 ? 即可調(diào)速， ? 的變化范圍為 11 ??? ? 。 ? 為正值，電動機(jī)正轉(zhuǎn)； ? 為負(fù)值，電動機(jī)反轉(zhuǎn)； 0?? ，電動機(jī)停止運轉(zhuǎn)。在 0?? 時，電動機(jī)雖然不動，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。 參數(shù)設(shè)計 IGBT 管的參數(shù) IGBT（ Insulated Gate Bipolor Transistor）叫做絕緣柵極雙極晶體管。這種器件具有MOS 門極的高速開關(guān)性能和雙極動作的高耐壓、大電流容量的兩種特點。其開關(guān)速度可達(dá) 1mS，額定電流密度 100A/cm2， 電壓驅(qū)動，自身損耗小。其符號和波形圖如圖 26所示。 設(shè)計中選的 IGBT 管的型號是 IRGPC50U,它的參數(shù)如下： 管子類型： NMOS 場效應(yīng)管 極限電壓 Vm： 600V 極限電流 Im： 27 A 耗散功率 P： 200 W 額定電壓 U： 220V 額定電流 I： 圖 28 IGBT 信號及波形圖 ****學(xué)院 PWM 控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 14 緩沖電路參數(shù) 如圖 23(b)所示， H 橋電路中采用了緩沖電路，由電阻和電容組成。 IGBT 的緩沖電路功能側(cè)重于開關(guān)過程中過電壓的吸收與抑制，這是由于 IGBT 的工作頻率可以高達(dá) 3050kHz；因此很小的電路電感就可能引起頗大的dtdiL c，從而產(chǎn)生過電壓，危及IGBT 的安全。逆變器中 IGBT 開通時出現(xiàn)尖峰電流，其原因是由于在剛導(dǎo)通的 IGBT負(fù)載電流上疊加了橋臂中互補管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流，所以在此二極管恢復(fù)阻斷前，剛導(dǎo)通的 IGBT 上形成逆變橋臂的瞬時貫穿短路，使 ci 出現(xiàn)尖峰，為此需要串入抑流電感，即串聯(lián)緩沖電路，或放大 IGBT 的容量。 緩沖電路參數(shù)：經(jīng)實驗得出緩沖電路電阻 R=10K? ；電容 ?? 。 泵升電路參數(shù) 如圖 26所示，泵升電路由一個電容量大的電解電容、一個電阻和一個 VT組成。 泵升電路中電解電容選取 C=2021 F? ；電壓 U=450V； VT選取 IRGPC50U 型號的 IGBT管； 電阻選取 R=20? 。 ****學(xué)院 PWM 控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 15 直流調(diào)速總圖 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 25 J un 200 7 S he e t of F i l e : C : \ D oc um e nt s a nd S e t t i ngs \ h p\ M y D oc um e n t s \ 實驗文件夾 \ 主電路 2021 年 5 月 9 日 . ddbD r a w n B y:ABC O MNBA2KST10KR26. 8KR3230R410KR710KR80. 01UC1100UC250R610UC410UC5脈沖變壓器 2脈沖變壓器 1V C C + 1 5 V100/