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    电动消防车直流电动机的逆脉宽调制调速

      发表时间2019-04-21 14:18  点击次数:【】


    在电动消防车直流电动机的调速系统中,除了前面所述的利用相控整流方式的调压调速以外,脉宽调 制(PWM )方式的调压调速也得到相当广泛的应用。由于相控整流中电网端输入电流的功率 因数与移相触发角a直接有关,在电动机低速运行整流桥输出电压较低吋,移相触发角a很大, 致使电网输入电流功率因数低,谐波含量很大,对电网有十分不利影响。采用脉宽调制调速吋, 电源侧一般采用二极管不控整流,这对改善电网功率因数和减小谐波对电网的污染都是有利
    的。对于像城市电车、地铁、电动汽车和电瓶车等采用公共直流电网或由蓄电池供电的直流电 机而言,那更是非用脉宽调制调速不可。
    电动消防车脉宽调制调速又称斩波调速,是在直流电源电压基本不变的情况下通过电子开关的通断, 改变施加到电机电枢端的直流电压脉冲宽度(即所谓占空比),以调节输人电机的电枢电压平 均值的调速方式。
    早期常采用晶闸管作为直流脉宽调制调速装置的电力电子幵关元件,但晶闸管没有自关 断能力,用于极性恒定的直流电源条件下为了确保关断需要有一个专门的换流电路,比较复 杂,而且开关频率也受到限制,通常在300Hz以下。由于调制频率低,电枢电流和转矩波动大, 容易出现电流不连续,控制精度差,响应速度比较慢。近年来随着具有自关断能力的第二代电 力电子器件的出现,在大功率斩波调速装置中已较多采用门极可关断晶闸管GTO,而在中小 功率的调速系统中已普遍采用了大功率晶体管GTR,特别是目前第三代电压控制型自关断器 件绝缘栅极双极型晶体管IGBT也已广泛应用。采用大功率晶体管以后,幵关频率一般可以提 高到1?3kHz,比晶闸管的幵关频率提高了一个数量级;而IGBT的幵关频率更可高达10? 20kHz,因而脉宽调速系统的响应速度和稳速精度等性能指标均得以明显提高。
    电动消防车直流电动机的逆脉宽调制调速
    直流电动机脉宽调制调速可按是否有四象限运行能力划分为不可逆脉宽调制调速系统和 可逆脉宽调制调速系统两大类。
    一、不可逆脉宽调制调速系统
    (一)电动消防车动能力不可泛脉觉调制调速糸螝
    在不要求可逆运行也不要求制动的情况下,最简单的脉宽调制调速系统如图1. 21(a)所 示。在开关管V导通时,电源电压K直接加在直流电动机电枢的两端;而在V关断时,电枢电 流经二极管VD续流。如直流电动机的负载电流和电枢回路的电感足够大,而关断的时间又比 较短时,电流将连续,电机的电枢电压为零,此吋直流电动机端电压的波形如图1. 21 (b)所示。 端电压的平均值为
    式中p^负载电压系数,在这里:/〇= 也就是
    电压脉冲宽度的占空比};
    如若电机负载电流比较小,或者电枢回路的电感量不 够大,调制频率比较低,则在V关断期间经续流二极管VD 流通的电枢电流可能出现断续。例如当F 时,电枢电流 下降到零,则电机两端的电压将等于电机的反电势凡,如 图1. 21(c)所示。此时直流电机端电压的平均值仏将升 高,其值为
    因此求得电流断续时的负载电压系数为〆= (r/fc V。由于r> &,故一般〆> …即在电枢电流出现 断续时电机端的平均电压w将升高,随之电动机的转 速也将上升。所以,在脉宽占空比y—定的情况下,随着 负载的减小电枢电流可能出现断续,电机转速会显著增 加,使电动机的机械特性显著变软,如图1. 22所示,这与 相控整流电路▲电下电流出现断续时的情况相似。
    (二)有制动能力不可連麻觉傅制调速糸坑
    如果电动机有制动要求,可在图1.21的最简单电路I 上加一开关管V2与续流二极管VD2并联,以作动态制 动之用;而在主幵关W旁边并联一个二极管VD:,以解 决再生制动问题,此时的电路构成如图1. 23所示。其丁.作 原理如下:设开关管Vi、V2的基极驱电压.和〖九2是两 个极性相反的互补脉冲电压。在〇<£< ft期间为正、 —为负,则V!导通而V2关断,电源电压仏经V!加到电 动机的电枢上。在电源电压K大于电枢电势S的情况 下,电枢电流L由A点流向B点,其方向与反电势E•相 反,故电机下作在电动状态。接着在&〈 CT期间…变 负、队2为正,则Vi关断切断电动机的电源,但由于电枢 回路电感的作用^将经二极管VD2续流,因电流方向不 变,电机仍丁作在电动状态。此时V2的驱动电压队2虽已 变正,但由于VD2导通,其正向压降以反向电压的形式加 在V2两端,使V2不能导通。若V:的关断时间比较短,直
    到一个控制周期结束,即r时电枢电流一直维持不断,那么v2始终不通,电机就不能进人 制动状态。如果w关断时间比较长,在&时刻电枢电流i衰减到零,那么在电机反电势凡 的作用下V2将导通,电枢电流L将沿着相反的方向从B点流到A点,其方向与反电势£•相 同,于是电机就进人能耗制动状态。这样,通过控制Vi关断的时间间隔就可以控制电机的制动 转矩。这里需要指出:在V:重新导通之前必须先关断v2,让电枢电流经过VDi续流,电机短时 进入再生制动状态,然后才能使Vi导通,否则在V2还没有完全关断之前就让Vi导通,电源可 能经过V2、W直接短路,损坏开关元件。
    电动机在位能负载驱使下高速运行或者通过对电机加强励磁吋,会使电机反电势E•高于 电源电压K,如此时开关V2关断,则电流将经过二极管VDi和电枢(从B点流向A点)流向电 源,使电机进入再生制动状态,而若V2导通,则电机就进人能耗制动。
    直流电动机晶体管可逆脉宽调制调速系 统结构如图1. 24所示,它是由四个大功率晶 体管和四个与之反并联的二 极管VD^VD^VD^VDi组成的桥式电路。 桥路的一个对角线接电源电压〖/«,另一个对 角线接直流电动机M。根据各晶体管控制方 法的不同,这种H型桥式可逆调速电路可以 分为单极性脉宽调制(斩波)和双极性脉宽调 制渐波)两种控制方式,其中单极性脉宽调 制还可派生出受限单极性脉宽调制方式。
    (一)电动消防车单权性脉觉调釗方式i
    单极性脉宽调制时,系统输出电压仏的
    极性是通过一个称之为控制电压的开关量a来改变的。当控制电压队为正时,晶体管Vi和 V2交替导通,而Vi —直导通、W —直关断,VT!?VTi的驱动信号—?队如图1. 25所示。 这时输入到电动机的电压总是B端为(+),A端为(一),呈现出一种单方向的极性。而当控制电 压认的极性变负吋,则晶体管的基极电压仙与…对换,?九2与⑸对换,变成V3、V.i交替导 通,而V2 —直导通、V! —直关断,H桥的输出电压也将随之而改变极性,变成A端为(+)、而B 端为(_)的单一4及性。
    以队> 0为例,并首先设CA >凡。在0 < £< ft期间,驱动电压心> 〇、— < 0,晶体 管Vi导通、V2关断。在(K _凡)>0作用下经Vi、V4构成电流路径①,电流i从B端流向 A端,与反电势反向,直流电机吸收能量作电动运行。在ft < 期间,变负、—为正, V!关断电机供电电源,但依靠电枢回路的自感电势^ = Lch:/ck使电流将经Vi、VD2续流。 VD2导通产生的管压降构成V2反向偏置使之无法导通,此时电流〖沿路径②流通,仍与E•反 向使电机运行于电动状态,但由^维持的电流将很快衰减至零。若在<£< r期间的时刻
    电枢电流衰减为零,V2反偏消失但驱动电压> 0仍 存在,则fc < £< r期间在反电势凡作用下将使V2导 通,电枢电流反向,经V2、VDi从A端流向B端,形成电 流路径③,L与扣同向,电机进入能耗制动状态。
    若fi > fA,则在V2关断期间在(凡一fA )> 0作用 下,电枢电流经VDi、VDi输回电源,形成电流路径④,心 与£同方向,电机作再生(发电)制动运行。而在V2导通 期间,电流流经V2、VD!形成电流路径③,电机作能耗制 动,其过程与不可逆脉宽调制调速的情况相似。
    单极性脉宽调制吋的电压、电流波形如图1. 26所示,图 中分别示出了 G < £及fA?三种情况下的电
    流狐
    在单极性调制方式中,当控制电压K > 0时只输出 正脉冲电压,当K < 〇时只输出负脉冲电压。这种脉宽 调制方式中H桥输出的负载电压系数彳;仍可按式(1.15) 计算,但1?+ 1,其绝对值与占空比7相等,即
    1^1= /= h /T (1.18)
    在以上可逆脉宽调制电路幵关过程分析中,都是将 晶体管当作理想开关处理,导通和关断均瞬时完成。事实 上真实开关器件都需有幵通与关断时间,这样同桥臂上、 下元件互补通、断控制时必须要确保导通管有效关断后 才能开通另一关断管,以防两管同时导通造成电源对地
    短路(直通)。为此,必须引入幵通延时,但这一方面会破坏理想的输出电压波形,也限制了开关 频率,为此提出了一种无需延时的单极性控制方式——受限单极性脉宽调制控制。
    (二)爰限单权性麻觉调剎控制
    图1. 27为受限单极性脉宽调制电路队> 0时的开关驱动信号及相应电路路径。可以看出 当仏> 0时,V:工作在幵关状态,V2、V3始终处于关断状态,Vi始终为导通状态。
    若>凡,在0< £< ft期间,> 0使Vi导通,fAi > 0使Vi恒导通,在(tA —凡)> 〇作用下,电枢电流L经Vi、Vi从B端流向A端,形成电流路径①,且与凡反向,直流电机作 电动运行。在ft < £< r期间,<〇,¥:关断,在电枢自感电势eL = LcU /心作用下沿恒导 通的V.U VD2续流,形成电流路径②,其电枢电压t/a义0 (两个管压降)。电机电压、电流波形如 图 1. 28 所7K。
    当K > E*时,常规单极性控制的制动电流应沿图1_ 25中的电流路径③流通,但在受限 单极控制吋,V2的一直截止使能耗制动电流回路受到限制,由此得受限单极性之名。这样在轻 载运行吋,ft <£< r期间电枢电流L沿路径②续流过程中会在某时刻因6L不够大而断流,
    电枢电流出现纖现象,如图1. 28(d )所示。
    可以看出,受限单极性控制轻载时虽会出现电流断续现象,但可有效避免同桥臂上、下元 件的直通,大大提高了系统的运行可靠性,在高要求、大功率、频繁起制动的直流脉宽调制调速 系统中得到广泛应用,而电流可能断续的同有缺点可通过提高器件开关频率、改进电路来 克服。
    (三)双权性脉觉调制方式
    在双极性脉宽调制方式中四个晶体管分为两组:一组为V!和Vl,另一组为V2和%。同组 中两个晶体管同时通断,而两组晶体管的通断互补交替,图1. 29给出了双极性调制时电压、电 流及电机运行状态,图1. 30则示出了双极性调制时各阶段的电流路径。
    设在〇< ft期间,fAi和—为正,认2和…
    为负,晶体管V!和V4导通,V2和V3关断。这时施 加于电机两端的电压为正,即B端为(+)、A端为 (―)。如fA > £L,电枢电流L经过Vi和Vi从B端 流向A端,形成电流路径①,电枢电流L与反电势 凡反向,电机工作在电动状态。
    在< (< r期间,仏1和—变为负,而—和 —变为正,则Vi和Vi关断。在电枢回路自感的电 势a = [dL /ck作用下,原电流将通过VD2和VD3 续流,形成电流路径②,电流方向不变,电机仍处在 电动状态。但这时电机端电压已改变了极性,变成 A端为(+)、B端为(一),它将使电枢电流快速衰减。 如果电机的负载电流比较大,调制频率比较高,直 到一个调制周期结束即r时,电枢电流还没有 衰减到零,那末电机就始终丁作在电动机状态。假 若电流不够大,在某一 £ = &时刻电流i衰减到了 零,那末在以后的< £< r期间,晶体管V2和V3 在电源电压和电机反电势的共同作用下导 通,电枢电流将沿相反的方向从A端流向B端,形 成电流路径③,在K E作用下形成很大电流冲 击,且^与E,同向,电机进人反接制动状态。直到下
    一个调制周期开始后,即在r<〖< (r+ )期间, V2、V3关断,反向的电枢电流经二极管VDi和VDi 续流,在自感电势eL与反电势凡共同作用下,形成 电流路径④,电机将电能反馈回电源,电机进人再 生制动状态。到了 时,反向电流衰减到零,Vi
    和V.1幵始导通,又开始了一个新的工作周期。
    可以看出在双极性调制方式中,无论电机丁作在 什么状态,在0< £< ^!期间电枢端电压仏总等于+ ;而在< (< r期间队总等于一t/H,所以电枢电 压平均值…等于正脉冲电压平均值f/A1和负脉冲电 压平均值队2之差,即
    CA =队1 — C/A2 = f f/H
    (T-u)
    T
    U,
    =(2X-^-l)U, (1.19)
    因此,双极性脉宽调制方式的负载电压系数为
    ^=-^- = 2X^-1 (1.20)
    这里,p的变化范围也是+1?〇?一1。值得特别指出
    的是:当ft = 7V2时,,=0,电机的输人电压平均值为零,电机当然就静止不动了。但由于& = r/2时,实际电机两端加有正负脉冲宽度相等的交变电压,电枢中可能出现一个交变的电流 “这个电流虽然增加了电机的损耗,但它产生了正、反两个方向的瞬时转矩,虽转子因机械惯 性来不及运动,却能使电机产生高频的微振,从而减少了静摩擦,起到动力润滑的作用。
    双极性直流脉宽调制调速系统可实现正、反转,电、制动的四象限运行,如图L 31所示。
    双权性调喇和羊杈性调制方式的比敕
    双极性脉宽调制方式与单极性脉宽调制方式相比具有以下特点:
    (1) 双极性调制方式控制简单,只要改变ft位置就能将输出电压从+仏变到一。而在单 极性调制方式中需要改变晶体管的工作方式。
    (2) 双极性脉宽调制输出电压比较小时,每个晶体管的驱动电压脉冲认仍然比较宽,能 保证开关器件的可靠导通和电动机低速运转的平稳性。而单极性调制方式在输出电压比较小
    时晶体管的驱动电压脉冲W变窄,窄到一定程度往往就不能保证晶体管的可靠导通,从而影 响电动机低速运转的平稳性。因此用单极性调制方式时电机的低速运行性能不如采用双极性 调制方式时好。
    (3)电动消防车双极性调制方式输出平均电压等于零时,电枢回路中存在的交变电流虽增加了电机 的损耗,但它所产生的高频微振能起到动力润滑的作用,有利于克服机械静摩擦。而单极性调 制方式在输出电压平均值为零时电枢回路中没有电流,不产生损耗,也没有动力润滑作用,存 在较大静摩擦,负载条件下可能较难起动。
    (4) 双极性调制方式四个晶体管都处在幵关状态,开关损耗比较大,而单极性调制方式中 只有两个晶体管工作在连续的幵关状态,幵关损耗要小些。

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