第五章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

1、第五章 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)第一節(jié)脈寬調(diào)制電路的工作原理【教學(xué)目標(biāo)】1知識(shí)目標(biāo)：掌握脈寬調(diào)制電路的工作原理，了解脈寬調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性。2能力目標(biāo)：學(xué)會(huì)分析問題 查資料。3情感目標(biāo)：激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，鍛煉實(shí)際分析能力?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】脈寬調(diào)制電路的工作原理【教學(xué)難點(diǎn)】pwm變換器的原理【教學(xué)方法】 讀書指導(dǎo)法、分析法、演示法、練習(xí)法?！窘虒W(xué)過程】脈沖寬度調(diào)制（pwm）是通過功率管的開關(guān)作用，將恒定直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率一定，寬度可調(diào)的方波脈沖電壓，通過調(diào)節(jié)脈沖電壓的寬度而改變輸出電壓平均值的一種功率變換技術(shù)。由脈寬調(diào)制器向電機(jī)供電的系統(tǒng)稱為脈寬調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱pwm-m調(diào)速

2、系統(tǒng)圖示其原理，它實(shí)際上就是直流斬波器，只是采用了全控式的電力晶體管，以代替必須進(jìn)行強(qiáng)行關(guān)斷的晶閘管。電源電壓us一般由不可控整流電源提供，采用大電容c濾波，二極管vd在晶體管關(guān)斷時(shí)為電樞回路提供釋放電感儲(chǔ)能的續(xù)流回路。 pwm變換器分：不可逆和可逆兩類。 可逆變換器分：雙極式、單極式和受限單極式多種一.不可逆pwm變換器 1、無制動(dòng)作用的pwm變換器 （1）電路組成 圖3-2所示為變換器的主電路原理圖。采用全控型的gtr代替半控型的晶閘管，電源電壓us為不可控整流電源，采用大電容c濾波，vd在vt關(guān)斷時(shí)為電樞提供續(xù)流回路。（2）工作原理vt的基極由脈寬可調(diào)的電壓ub驅(qū)動(dòng)。在一個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)0t

3、<t0n時(shí)，ub為正，vt飽和導(dǎo)通，us通過vt加到電樞端。t0nt<t時(shí)，ub為負(fù)，vt截止，電樞失去電源，經(jīng)vd續(xù)流。電機(jī)得到的平均端電壓為： 二.可逆pwm變換器 其主電路結(jié)構(gòu)有h型，t型等，常用h型變換器，它由4個(gè)電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成橋式電路。在控制方式上分雙極式、單極式和受限單極式三種。著重分析雙極式h型pwm變換器，然后再簡(jiǎn)要說明其它方式的特點(diǎn)。1、雙極式可逆pwm變換器 （1）構(gòu)成特點(diǎn)4個(gè)vt的基極驅(qū)動(dòng)分兩組。vtl和vt4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)電壓ub1=ub4；vt2和vt3同時(shí)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)電壓u b2=ub3=-ub1。波形于圖3-5。（2）工作原理當(dāng)0t

4、<ton時(shí)，ub1和ub4為正，晶體管vt1和vt4飽和導(dǎo)通，而ub2和ub3為負(fù)，vt2和vt3截止。這時(shí)+us加在電樞ab兩端，uab=us，電樞電流id沿回路1流通。當(dāng)tont<t 時(shí)，ub1和ub4變負(fù)，vt1和vt4截止；ub2、ub3變正，但vt2、vt3并不能立即導(dǎo)通，因在電樞電感釋放儲(chǔ)能的作用下，id沿回路2經(jīng)vd2，vd3續(xù)流，vd2、vd3上的壓降使vt2和vt3的 c-e端承受反壓，這時(shí)uab=-us。uab在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，雙極式pwm變換器的特征，其電壓、電流波形示于圖3-5。uab的正、負(fù)變化，使電流存在兩種情況，如圖3-5中的id1和id2。id1

5、相當(dāng)于負(fù)載較重情況，平均電流大，在續(xù)流階段電流仍維持正方向，電機(jī)始終工作在電動(dòng)狀態(tài)。id2相當(dāng)于負(fù)載很輕的情況，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，于是vt2和vt3的c-e兩端失去反壓，在(-us)和電樞反電勢(shì)的合成作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，沿回路3流通，電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。同理，在0t<ton期間，負(fù)載輕時(shí)，電流也有一次倒向。結(jié)論：雙極式可逆pwm變換器的電流波形和不可逆但有制動(dòng)電流通路的pwm變換器差不多。 怎樣才能反映出“可逆”的作用呢？這要視正、負(fù)脈沖電壓的寬窄而定。 當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，ton>t2，則電樞兩端的平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)。 當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，ton<t2

6、，平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。 當(dāng)正、負(fù)脈沖寬度相等，ton=t2，平均電壓為零，電動(dòng)機(jī)停止。 圖3-5所示的電壓、電流波形都是在電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的情況雙極式pwm變換器的優(yōu)點(diǎn)如下： (1)電流一定連續(xù)； (2)可使電機(jī)在四象限運(yùn)行； (3)電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)； (4)低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通。 (5)低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達(dá)20000左右。 雙極式pwm變換器的缺點(diǎn)： 在工作過程中4個(gè)晶體管都處于開關(guān)狀態(tài)，損耗大，易發(fā)生上、下兩管直通事故。為防止上、下兩管直通，在一管關(guān)斷和另一管導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)2、單極式可逆pwm變換器 為

7、克服雙極式變換器的缺點(diǎn)，可采用單極式pwm變換器。其電路和雙極式同，不同之處在于驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。 在單極式pwm中，左邊兩個(gè)管子的驅(qū)動(dòng)脈沖ub1=-ub2，有和雙極式一樣的正負(fù)交替脈沖，使vt1和vt2交替導(dǎo)通。右邊兩管vt3和vt4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)則不同，改成因電機(jī)的轉(zhuǎn)向而施加不同的直流控制信號(hào)。 當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，使ub3恒為負(fù)，ub4恒為正，則vt3截止而vt4常通。電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，則ub3恒為正而ub4恒為負(fù)，使vt3常通而vt4截止。負(fù)載較重時(shí)各管的開關(guān)情況和電樞電壓的狀況列于表3-1中，同時(shí)列出雙極式變換器的情況以資比較。負(fù)載較輕時(shí)，電流在一個(gè)周期內(nèi)也會(huì)來回變向，各管導(dǎo)通和截止的變化還要多些【課后

8、反思】第二節(jié) 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制電路【教學(xué)目標(biāo)】1知識(shí)目標(biāo)：脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成及各部分功能。2能力目標(biāo)：學(xué)會(huì)分析問題 查資料。3情感目標(biāo)：激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，鍛煉實(shí)際分析能力。【教學(xué)重點(diǎn)】脈寬調(diào)速系統(tǒng)的各部分功能【教學(xué)難點(diǎn)】脈寬調(diào)速系統(tǒng)的各部分功能【教學(xué)方法】 讀書指導(dǎo)法、分析法、演示法、練習(xí)法?！窘虒W(xué)過程】一、pwm-m直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路pwm變換器是調(diào)速系統(tǒng)的主電路，是對(duì)已有的pwm波形的電壓信號(hào)ub1ub4進(jìn)行功放，并不改變信號(hào)的pwm波性質(zhì)。而pwm電壓波形的產(chǎn)生、分配則是pwm變換器控制電路的功能。為此，由gtr構(gòu)成的脈寬調(diào)速系統(tǒng)還必須具備相應(yīng)的控制電

9、路。圖3-7為雙閉環(huán)脈寬調(diào)速控制系統(tǒng)的原理框圖。其中屬于脈寬調(diào)速系統(tǒng)特有的環(huán)節(jié)有脈寬調(diào)制器upw、調(diào)制波發(fā)生器gm、邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)dld和電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)器gd。（一）鋸齒波脈寬調(diào)制器（upw-gm） 脈寬調(diào)制器是一個(gè)電壓-脈沖變換裝置，由acr的輸出電壓uc控制，將輸入的直流控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成比例的方波脈沖電壓信號(hào)，對(duì)電力晶體管進(jìn)行控制，從而得到希望的方波輸出電壓。常用的脈寬調(diào)制器有下列幾種：（1）用鋸齒波作調(diào)制信號(hào)的脈寬調(diào)制器；（2）用三角波作調(diào)制信號(hào)的脈寬調(diào)制器；（3）用多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的脈寬調(diào)制器；（4）數(shù)字式脈寬調(diào)制器。（二）邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)（dld）在可逆pwm變換器中

10、，跨接在電源兩端的上、下兩晶體管交替工作，由于晶體管存在關(guān)斷時(shí)間，如果在這段時(shí)間內(nèi)一個(gè)晶體管未完全關(guān)斷，此時(shí)另一個(gè)晶體管已導(dǎo)通，則將造成上下兩管直通，使電源短路。為避免發(fā)生此情況，應(yīng)設(shè)置一邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)，保證在對(duì)一個(gè)管子發(fā)出關(guān)閉脈沖后（圖3-10中的ub1），延時(shí)t1d再發(fā)出對(duì)另一管的開通脈沖（如ub2），避免兩管同時(shí)導(dǎo)通。（三）限流保護(hù)環(huán)節(jié)（fa） 在邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)中還可引入保護(hù)信號(hào)，例如瞬時(shí)動(dòng)作的限流保護(hù)信號(hào) (見圖3-7中的 fa)，一旦橋臂電流超過允許最大電流時(shí)，使vt1、vt4(或vt2、vt3)兩管同時(shí)封鎖，以保護(hù)電力晶體管。 （四）脈沖分配電路 它根據(jù)電力晶體管pwm的導(dǎo)通次序，對(duì)經(jīng)延時(shí)后的脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪壿嬜儞Q，分配給基極驅(qū)動(dòng)電路，以滿足功率轉(zhuǎn)換電路工作所要求的“通”、“斷”時(shí)序的脈沖電壓，使晶體管能按照指定的順序“通”、“斷”，保證系統(tǒng)正常工作。（五）基極驅(qū)動(dòng)電路 基極驅(qū)動(dòng)電路的作用是對(duì)脈沖分配電路提供的脈沖號(hào)進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)主電路的電力晶體管，每個(gè)晶體管應(yīng)有獨(dú)立的基極驅(qū)動(dòng)電路。為了確保晶體管在開通時(shí)能迅速達(dá)到飽和導(dǎo)通，關(guān)斷時(shí)能迅速截止，正確設(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)電路是非常重要的。首先