直流脉宽调制电路的工作原理

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PWM直流脉宽调速系统
图 8－1 脉冲宽度调制器结构原理图
第八章 PWM直流脉宽调速系统
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PWM直流脉宽调速系统
与晶闸管相控式整流直流调速系统相比，直流脉宽调制系统有以下优点： 1）需用的功率元件少，线路简单，控制方便； 2）由于晶体管的开关频率高，仅靠电枢电感的滤波作用，就可获得脉动很小 的直流电流，电流连续容易，同时电动机的损耗和发热均较小； 3）系统频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强； 4）低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽； 5）直流电源采用三相不可控整流，功率因数较高，对电网影响小； 6）主电路元件工作在开关状态，损耗小，装置效率高。
双极式PWM变换器的缺点是：在工作过程中，四个大功率晶体管都处 于开关状态，开关损耗大，且容易发生上下两管同时导通的事故，降低了 系统的可靠性。
为了防止双极式PWM变换器的上、下两管同时导通，可在一管关断和 另一管导通的驱动脉冲之间，设置逻辑延时环节。
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
第1八章自动PW控M制直的流基本脉概宽念调速系统
系统框图
8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
8.2 脉宽调速系统的控制电路
8.3 PWM直流调速装置的系统分析 8.4 由PWM集成芯片组成的直流 脉宽调速系统实例
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PWM直流脉宽调速系统
以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统， 近年来在直流传动中的应用逐渐成为主流。
晶体管脉宽调制是利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成较 高频率的方波电压，加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制， 改变电动机电枢电压的平均值，从而调节电动机的转速。直流脉宽调制电路 简称为PWM（Pulse Width Modulation）电路。其结构原理见图 8－1。
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图8－6 双极式PWM变换器电压电流波形图
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
8.1.3 可逆PWM变换器
双极式PWM变换器的优点是：电流连续，可使电动机在四个象限中运 行，电动机停止时，有微振电流，能消除静摩擦死区，低速时每个晶体管 的驱动脉冲仍较宽，有利于晶体管的可靠导通，平稳性好，调速范围大。
图 8－4 有制动能力的PWM系统 a）原理图 b）电流大于零时电压电流波形 c）电流小于零时电压电流波形 d）电流较小时电压电流波形
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8.1.3 可逆Leabharlann BaiduWM变换器
为了克服不可逆变换器的缺点，提高调速范围，使电动机在四个象限 中运行，可采用可逆PWM变换器。可逆PWM变换器在控制方式上可分双 极式、单极式和受限单极式三种。 1 双极式PWM变换器
图8—3所示为稳态时电动机电枢的脉冲端电压ud 、电枢电压平均值Ud、电动机 反电势E和电枢电流id的波形。
图8－3 电压和电流波形图
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
8.1.2 不可逆、有制动力PWM变换器
需要制动时，必须具有反向电流一id的通路。因此应该设置控制反向 通路的第二个功率晶体管，如图8－4(a)所示。
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8.2 脉宽调速系统的控制电路
8.2.1 直流脉宽调制器
在直流脉宽调速系统中，晶体管基极的驱动信号是脉冲宽度可调的电 压信号。脉宽调制器实际上是一种电压一脉冲变换器。常用的脉宽调制器 有以下几种：
①用锯齿波作调制信号的锯齿波脉宽调制器； ②用三角波作调制信号的三角波脉宽调制器； ③用多谐振荡器和单稳态触发电路组成的脉宽调制器； ④数字脉宽调制器。
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
8.1.1 不可逆、无制动力PWM变换器
不可逆PWM变换器就是直流斩波器，其原理如图8—2所示。直流电 压US由不可控整流电源提供，采用大电容滤波，二极管VD在晶体管VT 关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。
图8-2 不可逆PWM变换器电路原理图
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
8.1.3 可逆PWM变换器
3 受限单极式PWM变换器 在单极式PWM变换器电路中有一对晶体管开关元件VT1 和VT2 交替导通， 仍有上下管直通的危险。如果将控制方式进行适当的改进，当电动机正转时， 让ub2 恒为负，使VT2 一直截止，VT1 则处于开关工作状态；当电动机反转时， 让ub1 恒为负，使VT1 一直截止，VT2 处于开关工作状态，其它晶体管的驱动 信号与单极式电路相同，这样就不会产生上下管直通的故障了，这种控制方式 称为受限单极式。 受限单极式PWM变换器在负载较重时，电流单方向连续变化，因而电压、 电流波形与单极式电路一样。
8.1.3 可逆PWM变换器
2 单极式PWM变换器 单极式PWM变换器的电路和双极式PWM变换器的电路一样，只是驱动
脉冲信号不一样。电动机正转时的电压电流波形如图8－7所示。 由于单极式PWM变换器的VT3、
VT4 二者中总有一个常通，而另一个截 止，这一对开关元件无须频繁交替导通， 因而减少了开关损耗和上下管同时导通 的几率，可靠性得到提高。但此电路无 高频微振，启动较慢，其低速性能不如 图8－7 单极式PWM变换器电压电流波形图 双极性的好。
如图8—5所示，双极式H型 PWM变换器由四个晶体管和四个 二极管组成，其连接形状如同字 母H，因此称为“H型”PWM变换 器。
图8－5 双极式H型PWM变换器原理图
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8.1.3 可逆PWM变换器
在图8—5所示的电路中，四个晶体管的基极驱动电压分为两组，它们 的波形如图8－6所示。
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
8.1.1 不可逆、无制动力PWM变换器
电动机电枢两端得到的电压UAB
为脉冲波，其平均电压为 Ud
ton T
U
S
U S
。
式中, ρ＝ton /T为一个周期T中，大功率晶体管导通时间的比率，称为负载
电压系数或占空比, ρ的变化范围在0~1之间。这种调节方法也称为定频调宽法。