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[科普中国]-斩波控制直流调速

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斩波控制直流调速(speed control of chopper-controlled DC;motor)是指控制一系列脉冲电压的导通比来调节直流电动机电枢端电压,实现直流电动机调速的技术,又称脉冲控制直流调速。一般常采用调节电动机电枢端电压以实现调速。自20世纪60~70年代斩波控制直流凋速问世以来,该项调速技术用的主要设备斩波器以采用半导体晶体管为主。但强迫关断晶闸管的换流电路很复杂,技术难度大,限制了这项技术的使用。到70年代后期至80年代,随着自关断功率半导体器件(即可关断晶闸管GTO,大功率晶体管BJT、场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT等开关器件)的相继出现和实用化,以及电力电子技术的发展,使得斩波控制直流调速得到更加广泛的应用。

简介斩波控制直流调速(speed control of chopper-controlled DC;motor)是指控制一系列脉冲电压的导通比来调节直流电动机电枢端电压,实现直流电动机调速的技术,又称脉冲控制直流调速。一般常采用调节电动机电枢端电压以实现调速1。

斩波直流调速的原理斩波直流调速的原理电路见图(a),其等效电路如图(b)所示。控制一系列脉动电压导通比的装置称斩波器。图中用理想的快速开关S代表斩波器,接于直流电源U与直流电动机M之间,在S断开时二极管V为电动机的电枢电流提供续流通道。若S快速通断甲且通断的周期T(称斩波周期)很短,大大小于电动机M的机电时间常数,这样得到的电机端电压将为一系列脉冲电压,如图(c)所示。设理想快速开关闭合时间为ton,关断时间为toff,输出的系列脉冲电压的平均值与闭合时间及通断周期T(T=ton+toff)的比(即导通比a)有关。改变导通比就可改变电机端电压的平均值,从而达到调速的目的。

控制导通比a有三种方式:

(1) PWM脉冲宽度调制:保持斩波通断周期T不变,即斩波频率f(f=1/T)不变,只改变斩波器的导通时间t的脉冲宽度调制。

(2) PFM脉冲频率调制:保持导通时间ton不变(或关断时间toff不变),改变斩波通断周期T,即改变斩波频率f的脉冲频率调制。

(3) PTM脉冲时间调制:导通时间ton与斩波周期T(或频率f)协同调节的脉冲时间调制2。

PWM方式的特点及其应用这几种调制方式中,PWM方式对解决斩波频率与机械固有频率、滤波频率等的谐振,以及对信号、无线电等的干扰问题比较容易。并且这种调速方法具有能使电动机在四象限运行和实现再生制动、节约能源、改善电源环境、调速平滑、调速范围宽、响应快等优点,广泛应用于元轨电车、地下铁道、电动车组,工矿电机车、蓄电池车、潜艇、数控机床等方面。

自20世纪60~70年代斩波控制直流凋速问世以来,该项调速技术用的主要设备斩波器以采用半导体晶体管为主。但强迫关断晶闸管的换流电路很复杂,技术难度大,限制了这项技术的使用。到70年代后期至80年代,随着自关断功率半导体器件(即可关断晶闸管GTO,大功率晶体管BJT、场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT等开关器件)的相继出现和实用化,以及电力电子技术的发展,使得斩波控制直流调速得到更加广泛的应用。由于斩波控制直流调速的开关颜率可在数千赫至数百千赫,使系统即使在电枢同路电感很小的情况下,电流也不会断续,从而可在很低转速时也能平稳运行,所以它与晶闸管相控变流技术比较,具有动态响应更快、调速范围更宽等优点。在某些场合有以斩波控制直流调速取代相位控制直流调速的趋势3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学