交直流调速系统与MATLAB仿真 第3章-直流脉宽调速系统

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1、第三章直流脉宽调速系统及其仿真第一节直流脉宽调速系统概述脉宽调制——将恒定的直流电压调制成极性可变、大小可调的脉冲电压，实现直流电机电枢端电压的平滑调节。PWM（PulseWidthModulation）由GTO、GTR、IGBT、P-MOSFET等全控型器件组成的脉冲宽度调制器。与V-M系统相比，PWM-M的优越性：(1)主电路线路简单，需用的功率元件少；(2)开关频率高，电流易连续，谐波少，电机损耗和发热较小；(3)低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；(4)系统快速响应性能好，动态抗扰能力强

2、；1(5)主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；(6)直流电源采用不可控三相整流时，功率因数高。全控型器件构成的直流脉宽调速系统的原理是一样的，只是不同器件具有各自不同的驱动、保护及器件的使用问题。PWM-M系统和V-M系统的主要区别在主电路和PWM控制电路。闭环控制系统以及静、动态分析和设计基本相同。本章以GTR为例介绍直流脉宽调制的主电路和它的控制电路（如果是其它全控型器件，其分析方法是类似的）。2第二节PWM变换器和PWM-M系统开环机械特性一、脉宽调制原理脉冲宽度调制（PW

3、M）是通过功率管的开关作用，将恒定直流电压转换成频率一定，宽度可调的方波脉冲电压，通过调节脉冲电压的宽度而改变输出电压平均值的一种功率变换技术。由脉宽调制器向电机供电的系统称为脉宽调速系统，简称PWM-M调速系统。图3-1PWM-M调速系统(a)系统原理图(b)输出电压波形3假定VT先导通ton，这期间电源电压全部加到电枢上，然后关断toff，电枢失去电源，经VD续流。如此周而复始，则电枢端电压波形如图3-1(b)所示。电机电枢端电压的平均值为：为PWM的占空比。改变的值可调压，实现电机调速。改

4、变占空比的方法4二、脉宽调制变换器PWM变换器分：不可逆和可逆两类。可逆变换器分：双极式、单极式和受限单极式多种。（一）不可逆PWM变换器1、无制动作用的PWM变换器（1）电路组成图3-2所示为变换器的主电路原理图。采用全控型的GTR代替半控型的晶闸管，电源电压Us为不可控整流电源，采用大电容C滤波，VD在VT关断时为电枢提供续流回路。5改变（0≤（2）工作原理VT的基极由脉宽可调的电压Ub驱动。在一个周期内，当0≤t

5、Ub为负，VT截止，电枢失去电源，经VD续流。电机得到的平均端电压为：(a)原理图(b)电压和电流波形6图3-2（b）中绘出了电枢的脉冲端电压ud、平均电压Ud和电枢电流id的波形。id是脉动的。因开关频率较高，电流脉动幅值不会很大，影响到转速n和反电动势E的波动就更小了。电压平衡方程机械特性方程调速系统的空载转速，与占空比成正比；负载电流造成的转速降。72、有制动作用的PWM变换器（1）电路组成不可逆电路不能产生制动。需制动时须有反向电流-id的通路，应设置控制反向的第二个电力晶体管，形成VT

6、1和VT2交替开关的电路，如图（a）所示。电路由VT1和VT2，VD1和VD2组成。VT1是主管，起控制作用；VT2是辅助管，构成电机的制动电路。8（2）工作原理VT1和VT2的驱动电压Ub1=-Ub2，电动运行时，正脉冲比负脉冲宽，平均电流为正值，一个周期内分两段变化。在0≤t

7、在VD2两端产生的压降给VT2施加了反压。实际上是VT1、VD2交替导通，而VT2始终不通，其电压和电流波形如图3-3（b）所示。此时，有9如在电动运行中要降低转速，则应使Ub1的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使Ud降低，由于惯性作用，转速和反电势还来不及变化，造成E>Ud。这时希望VT2能发挥作用。制动过程分析：①在ton≤t

8、过VD1续流，对电源回馈制动，同时在VD1上的压降使VT1不能导通。③结论：在整个制动状态中，VT2、VD1轮流导通，而VT1始终截止，电压和电流波形示于图3-3（c）。反向电流的制动作用使电机转速下降，直到新的稳态。10（二）可逆PWM变换器其主电路结构有H型，T型等，常用H型变换器，它由4个电力晶体管和4个续流二极管组成桥式电路。在控制方式上分双极式、单极式和受限单极式三种。着重分析双极式H型PWM变换器，然后再简要说明其它方式的特点。1、双极式可逆PWM变换器（1）构成特点4个VT的基极驱