优化直流PWM调速系统的方法

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：图8-8比例-积分调节电路3.应用说明与V-M调速系统相比，PWM-M调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就足以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1∶1000左右。同时应该指出的是，受到器件容量的限制，直流PWM-M调速系统目前只用于中、小功率的系统。

1.PWM-M调速系统

本节介绍的PWM-M调速系统结构框图如图8-4所示，系统为带电流截止环节的单闭环电压反馈调速系统。主电路由IGBT和缓冲电路组成，控制部分由给定积分器、PI调节器、PWM产生环节、IGBT驱动电路、过流保护环节、电压反馈环节及电流截止环节组成。其中PWM波由UC3637芯片产生，IGBT驱动电路采用EXB840组件，采用受限单极式控制方式。

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图8-4　PWM-M调速系统框图

1）主电路

主电路电力电子器件采用绝缘栅双极晶体管，简称IGBT，是由MOSFET和晶体管技术结合而成的复合型器件，是20世纪80年代出现的新型复合器件，在电动机控制、中频和开关电源，以及要求快速、低损耗的领域备受青睐。目前IGBT的研制水平已走向第三代，其特征是进一步降低通态压降和提高工作速度，产品已基本上模块化。IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。门极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。在门极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。

将IGBT用于变换器时，应采取保护措施以防损坏器件，常用的保护措施有：

（1）通过检出的过流信号切断门极控制信号，实现过流保护；

（2）利用缓冲电路抑制过电压并限制过量的d u/d t；

（3）利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时主电路跳闸，实现过流保护。

2）驱动电路

驱动电路采用EXB系列芯片，EXB系列包括普通型和高速型，能驱动150 A/600 V的IGBT单管或集成模块；驱动信号延迟≤1μs，适用于频率高达50 k Hz的开关电路，输入电流为10 m A。EXB840芯片由放大电路、过流保护部分及5 V电压基准部分等部分组成。

3）控制电路

H型受限单极式PWM变换器与上述非受限单极式PWM变换器电路相同，差别也只是四只开关管的通断情况不同，如图8-5所示。当负载较重时，其控制方法是：当控制电压UC＞0时，ug1正负交替，VT1处于开、关状态，VT4连续饱和导通，VT2、VT3始终关断，电动机正转；UC＜0时，ug1与ug2对换，ug3与ug4对换（或ug1与ug3对换，ug2与ug4对换），电动机反转。UC减小时，驱动脉冲Ug的正半波宽度随之减小，电动机减速直到电动机停止。

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图8-5　H型受限单极式PWM变换器电路图

2.系统实现

1）三角波的产生

在正电源+VS和负电源-VS之间串接R1、R2、R3三个电阻，两个分压分别接+VTH和-VTH，作为阈值电压。分别接电容C和电阻R，电容和电阻另一端都接地。+VTH还通过内部的缓冲电路与R作用产生给电容充电的恒流IS。当C以恒流线性充电，电压达到+VTH时，比较器CP触发SR1，使Q为高电平，关闭开关S1。负电流为2IS，两恒流之差是IS，C以IS线性放电，到-VTH时，比较器CN触发SR1的复位端R，引起电容的重新充电过程。产生的三角波电压信号峰值为±VTH，其频率决定于±VTH、C和R。输出的三角波如图8-6所示。

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图8-6　三角波

2）给定积分电路

给定积分电路如图8-7所示，给定积分电路由三个运算放大器U1A、U2A、U3A及阻容网络构成。

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图8-7　给定积分电路

图中运算放大器U1A近似于开环状态，它的放大系数K1很大，只要ua大于它的限幅的1/100，其输出u1便会达到限幅值。运算放大器U2A构成反相器，以使整个积分器能够形成负反馈闭环。U3A和C1组成积分环节，它把ua的阶跃信号变为某一斜率的信号。

3）PI调节器及反馈

PI调节器是无静差调速系统的重要组成部分，也是实现无静差调速的根本所在。PI调节器是用集成运算放大器组成的比例-积分调节电路，如图8-8所示。

PI调节器的输出电压Uex由比例和积分两个部分相加而成。在突加输入信号时，由于电容两端电压不能突变，相当于一个放大系数为Kp的比例调节器，在输出端立即呈现电压KpUin，加快了系统的调节过程，发挥了比例控制的长处。此后，随着电容C1被充电，输出电压Uex开始积分，其数值不断增长，直到稳态。稳态时，C1两端电压等于Uex，C1停止充电，R1已不起作用，又和积分调节器一样了，这时又能发挥积分控制的长处，即调节器处于开环状态，具有很高的放大倍数，实现了稳态无静差。

图8-8中的场效应管的作用是当负载出现过流时，场效应管导通，给C1提供放电回路，使输入电压迅速降为0，无输入信号，起到保护作用。

此外，电路还设置了死区滞环及互锁逻辑控制和过电流控制环节。

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图8-8　比例-积分调节电路

3.应用说明

与V-M调速系统相比，PWM-M调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就足以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1∶1000左右。又由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流即相同的输出转矩下，电动机的损耗和发热都较小；同样由于开关频率高，若与快速响应的电动机配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强；由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。

同时应该指出的是，受到器件容量的限制，直流PWM-M调速系统目前只用于中、小功率的系统。

优化直流PWM调速系统的方法

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