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运动控制系统第四章直流脉宽调速系统.ppt


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文档列表 文档介绍
第4章直流脉宽调速系统
概述
直流电动机的PWM调速原理
脉宽调制变换器
直流脉宽调速系统的机械特性
PWM控制与变换器的传递函数
PWM调速系统的控制电路
PWM直流调速系统的特殊问题
PWM直流调速系统的MATLAB仿真
本章小结 概述 随着电力电子技术的发展,出现了自关断电力电子器件——全控式器件,如电力晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管(GTO)、电力电子场效应管(Power MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(MCT)等。采用全控型开关器件很容易实现脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM),构成直流脉宽控制调速系统。与半控型开关器件晶闸管变流器相比,全控型开关器件体积可以缩小30%以上,而且装置效率高,功率因数高。
直流脉宽调速系统利用电力电子器件的可控性,采用脉宽调制(PWM)技术,直接将恒定的直流电压调制成可改变大小和极性的直流电压,以此作为直流电动机的电枢端电压,实现调速系统的平滑调速。它广泛应用在中小功率的调速系统中。与V-M直流调速系统相比较,直流脉宽调速系统优越的性能主要表现在以下几个方面: (1) 主电路简单,所使用的功率元件少,功率元件导通损耗小,装置效率高。 (2) 由于开关频率高,因此电枢电流容易连续,谐波分量少,电网功率因数高,而且损耗减小,电机发热也较少。
(3) 低速性能好,稳速精度高,调速范围宽,可达 1∶10 000左右。 (4) 若与快速响应的电机配合,则控制系统的频带宽,动态响应快,动态抗扰能力强。 (5) 功率开关器件工作在开关状态,导通损耗小,当开关频率适当时,开关损耗也不大,因而装置效率较高。 (6) 直流电源采用不可控三相整流时,电网功率因数比相控整流器高。
(7) 如果采用新的拓扑结构,将脉宽调制的拓扑结构与谐振型拓扑结构组合在一起,性能将更加优越。首先,利用脉宽调制提供方波电压、电流,对于同样的电流而言,它可比谐振的正弦波传输更多的功率,并且可以保持低的正向导通损耗; 其次,谐振开关意味着开关损耗的降低,可以利用零电压、零电流谐振技术在开关管上电压或电流到达零后再进行转换,所以直流脉宽调速控制系统将有更广阔的市场前景。
各种全控型器件构成的直流脉宽调速控制系统的原理是一样的,只是不同器件具有各自不同的驱动、保护及其他器件使用的问题。PWM直流调速系统的结构组成与V-M直流调速系统的结构基本一致,主要区别在于PWM调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器。随着超大功率晶体管电压和电流等级的日益提高,晶体管PWM调速系统的容量也越来越大,在一定功率范围内取代晶闸管直流调速装置已成为趋势。本章在简要分析PWM变换器基本原理的基础上,重点分析PWM变换器的主电路和控制电路。
直流电动机的PWM调速原理 许多工业传动系统都是由公共直流电源或蓄电池供电的。在多数情况下,都要求把固定的直流电源电压变换为不同的电压等级,例如地铁列车、无轨电车或由蓄电池供电的机动车辆等,它们都有调速要求,需要把固定电压的直流电源变换为直流电动机电枢用的可变电压的直流电源。 由脉冲宽度调制变换器向直流电动机供电的系统称为脉冲宽度调制调速控制系统,其主电路采用脉宽调制式变换器,简称PWM变换器(即直流斩波器)。脉宽调制型调速控制系统的原理图及其输出电压波形如图4-1所示。
图4-1 脉宽调制型调速控制系统的原理图及其输出电压波形
图4-1中晶闸管VT表示电力电子开关器件(即脉宽调制器),VD 表示续流二极管, Us为调速系统的外加电源电压,是一固定的直流电压; M是直流电动机。当开关VT闭合时,直流电源电压Us经过VT加到电动机上; 当开关VT断开时,直流电源供给电动机的电流被切断,电动机的储能经过二极管VD续流,电枢两端电压接近于零。当开关VT按照某一固定频率开闭而改变周期内的接通时间ton时,控制脉冲宽度相应改变,从而改变了电动机两端的平均电压,达到调速的目的。
如此周而复始,则电枢端电压波形如图4-1(b)中所示,好像是电源电压Us在ton时间内被接上,又在T-ton时间内被斩断,故称“斩波”。电动机电枢端电压Ud为其平均值: (4-1) 上式中,T是脉冲周期; ton是接通时间; ρ是一个周期T中晶闸管VT导通时间的比率,称为负载率或占空比, ,0≤ρ≤1,f是开关频率。使用下面三种方法中的任何一种,都可以改变占空比ρ的值,从而达到调压的目的,实现电动机的平滑调速。

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  • 文件大小1.45 MB
  • 时间2018-04-23