專利名稱：混合式直流脈寬調(diào)制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及可逆變的直流脈寬調(diào)制無級變速技術(shù)(直流PWM技術(shù))。
七十年代后期，在直流伺服系統(tǒng)上開始使用脈寬調(diào)制技術(shù)。它是利用功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，使之按一個(gè)固定的頻率接通與斷開，并根據(jù)需要來改變一個(gè)周期內(nèi)接通與斷開的時(shí)間長短，改變加在直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓的占空比，使其電樞上平均電壓大小隨之變化，達(dá)到控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。由于直流PWM裝置功率可控元件少，調(diào)速范圍寬，快速性和線性度均較優(yōu)，同時(shí)其交流側(cè)功率因數(shù)高，對電網(wǎng)的干擾也小，因此它在數(shù)控機(jī)床，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置及精密速度驅(qū)動(dòng)，快速跟蹤和高精度伺服系統(tǒng)中均有廣泛應(yīng)用。隨著大功率晶體管的電壓，電流容量日益提高，PWM裝置的容量也愈來愈大，應(yīng)用范圍更加廣泛。
近年來，國外生產(chǎn)直流脈寬調(diào)速裝置的廠家很多，美國的GE，蓋梯司，英蘭德；日本的安川電機(jī)，三菱電機(jī)，東榮電機(jī)，F(xiàn)ANUC，TOSNUC；意大利的奧利維蒂；西德的西門子；瑞士的BBC；英國的LUCAS；法國的CEM等公司均有他們的系列產(chǎn)品，其中大部分用于機(jī)床數(shù)控伺服系統(tǒng)上。近年來其制造水平已達(dá)輸出電壓220V以上，輸出電流100A以上，調(diào)制頻率1－10KHZ，調(diào)速范圍110000。
國內(nèi)在七十年代末，某些高校、研究所相繼作了不少研究，達(dá)到工業(yè)推廣水平的有華中工學(xué)院，天津電氣傳動(dòng)研究所及武漢重型機(jī)床研究所等。1986年5月，在武漢召開了全國“直流PWM控制技術(shù)學(xué)術(shù)交流會”，進(jìn)一步促進(jìn)了我國PWM技術(shù)的發(fā)展。
綜上所述，在直流PWM調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域中，目前世界上最通用的直流PWM裝置的主電路如圖一所示，其工作原理是交流電源經(jīng)整流二極管D1－D6的全波整流后，提供固定方向和大小的直流電壓US，經(jīng)蓄能電容器后供給H型負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路，蓄能電容器C起穩(wěn)定電壓紋波的作用，在電動(dòng)機(jī)D加速時(shí)提供其儲存的電能；當(dāng)電動(dòng)機(jī)D制動(dòng)時(shí)，機(jī)械能量變成電能向電容器C中儲存。電容器C要有足夠大的容量才能使直流電壓US變化較小，并且電動(dòng)機(jī)容量愈大，其電容量也需愈大，這對直流PWM裝置結(jié)構(gòu)和成本均有不利影響。該裝置主電路中的T1－T4是四只同類型功率晶體管，它們與直流電動(dòng)機(jī)D組成H型供電回路；T5功率晶體管與大功率電阻片R組成電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)環(huán)節(jié)，并聯(lián)跨接在電容器C和H型回路兩端，并通過對T5基極電壓的控制，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)能量的釋放。該電路中由于不可控整流電路的單向?qū)щ娞匦?，決定了該裝置在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)不能向交流電網(wǎng)回饋電能。T1－T4各功率晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷順序，可由控制電路通過基極驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)，這種電路還需解決好H型電路橋臂上下兩管在關(guān)斷與導(dǎo)通切換時(shí)有相重導(dǎo)通而可能引起的電源直通短路事故。
1986年5月，天津電氣傳動(dòng)研究所高玉泉對目前通用直流PWM裝置的圖一主電路作了改進(jìn)，提出了M型主電路設(shè)想，如圖二所示該電路由T1－T6六只工作在開關(guān)狀態(tài)的功率晶體管組成，每兩只晶體管反向串聯(lián)后分別接向三相交流電源的A、B、C相，三組晶體管的另一端接在一起(象M字形狀)做為變流裝置的輸出端G，電動(dòng)機(jī)D跨接在輸出端G與三相電源零線O之間，有六只快速晶體二極管D1－D6分別與T1－T6各只功率晶體管反向并聯(lián)，用作續(xù)流及隔離相間電壓。該電路把變流技術(shù)與脈寬調(diào)制技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，省掉了通用電路中的整流環(huán)節(jié)和大容量濾波電容器C，并且具有逆變功能可以向交流電網(wǎng)回饋能量，但比通用電路增加了一只功率晶體管。
本實(shí)用型考慮到目前實(shí)用裝置中多采用H型直流PWM主電路，其不能向交流電網(wǎng)回饋能量；目前的功率晶體管還相當(dāng)昂貴，而采用M型主電路的裝置其功率晶體管較多(六只)，所以本實(shí)用新型的目的是采用一種混合式的改進(jìn)型直流PWM主電路，使其既有采用M型主電路裝置的功能和優(yōu)點(diǎn)，又可以進(jìn)一步簡化電路結(jié)構(gòu)，減少昂貴的功率晶體管數(shù)量，以及可省去電源主變壓器，以大幅度降低電路的制作成本。
本實(shí)用新型的主電路結(jié)構(gòu)如圖三所示，有三個(gè)雙向晶閘管TP1、TP2、TP3組成整流和逆變環(huán)節(jié)，它們分別與交流電源的A、B、C相聯(lián)接，三個(gè)晶閘管的另一端共同接于點(diǎn)H；有二只功率晶體管T1、T2相互反向串聯(lián)于點(diǎn)M，有二只快速晶體二極管D1、D2分別與T1、T2反向并聯(lián)共同組成斬波(PWM)環(huán)節(jié)，斬波環(huán)節(jié)的一端與整流和逆變環(huán)節(jié)相接于點(diǎn)H，另一端與直流電動(dòng)機(jī)D相連接于點(diǎn)G，而直流電動(dòng)機(jī)D的另一端則與三相交流電源的零線相連接于點(diǎn)O；直流電動(dòng)機(jī)D的兩端還有二只續(xù)流用小容量晶閘管TP4和TP5，它們分別與直流電動(dòng)機(jī)D作正向和反向并聯(lián)。
本實(shí)用新型的工作過程如下一、整流狀態(tài)1.正向工作時(shí)，交流電源經(jīng)晶閘管TP1、TP2、TP3整流，在H點(diǎn)輸出固定大小的正向直流電壓，其電壓波形如圖四(a)所示，該電壓經(jīng)過功率晶體管T1和二極管D2構(gòu)成的正向回路，并由T1進(jìn)行斬波(PWM)，以改變直流電動(dòng)機(jī)D兩端正向平均電壓的大小，達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，此時(shí)開啟TP4觸發(fā)電平。由TP4起正向續(xù)流作用。
2.反向工作時(shí)，其工作過程與正向時(shí)相似，此時(shí)H點(diǎn)輸出固定大小的反向直流電壓，該電壓經(jīng)過T2和D1構(gòu)成的反向回路，并由T2進(jìn)行斬波調(diào)速，此時(shí)開啟TP5觸發(fā)電平，由TP5起反向續(xù)流作用。
二、逆變狀態(tài)當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)或轉(zhuǎn)速急劇下降時(shí)，晶閘管TP1、TP2、TP3組成逆變線路，其脈沖觸發(fā)位置處于第三象限工作，此時(shí)功率晶體管T1關(guān)斷，G點(diǎn)的電動(dòng)勢(既電動(dòng)機(jī)的電感能量)反向通過T2＞D1＞TP1(TP2、TP3)回饋交流電網(wǎng)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電感能量釋放完畢時(shí)，檢測信號使TP1、TP2、TP3又恢復(fù)第一象限(既整流狀態(tài))工作。圖四(b)、(c)、(d)，分別是TP1、TP2、TP3第三象限工作狀態(tài)時(shí)觸發(fā)脈沖相位圖。圖四(e)即為本裝置主電路的逆變波型圖。
本裝置主電路中TP1、TP2、TP3三個(gè)雙向晶閘管還可以由三組單向晶閘管組代替，每個(gè)單向晶閘管組由二個(gè)單向晶閘管相互反向并聯(lián)組成，其效果完全相同。
結(jié)合實(shí)施例對本實(shí)用新型的主電路特點(diǎn)與通用H型主電路和M型主電路進(jìn)行比較。如圖五所示，為C620車床所用伺服驅(qū)動(dòng)裝置的主電路，如車床二軸均選用50A容量的驅(qū)動(dòng)裝置，則本實(shí)用新型具有如下明顯優(yōu)點(diǎn)1.本實(shí)用新型可以采用與其它直流PWM裝置相類似的控制方法，實(shí)現(xiàn)變流(斬波)和逆變，性能和功能完全與采用M型主電路裝置一樣，而比采用大容量電阻耗能制動(dòng)通用H型主電路有顯著的節(jié)能和減少系統(tǒng)發(fā)熱的效果，這對提高系統(tǒng)工作的可靠性是十分有利的。本實(shí)用新型中用作續(xù)流用的二只小容量晶閘管TP4、TP5其控制十分簡單，不需要觸發(fā)電路，只需固定開關(guān)電平就可實(shí)現(xiàn)續(xù)流作用。2.本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，元器件明顯減少，與采用M型主電路裝置相比，功率晶體管由M型主電路的二組共十二只減少到二組共四只；還可省去12KVA左右的主變壓器，共節(jié)約元器件價(jià)值約3000余元。占整個(gè)裝置成本的1／3以上。3由于本裝置的主電路器件大幅度減少，不僅可提高直流PWM裝置的可靠性，并對發(fā)展整體功率晶體管組件和促進(jìn)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)均提供了有利條件。4.本實(shí)用新型配合寬調(diào)速直流伺服電機(jī)能獲得很寬的調(diào)速范圍，并具有很好的動(dòng)態(tài)性能；對普通直流電動(dòng)機(jī)也有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，調(diào)試簡便，能獲得比晶閘管系統(tǒng)更加優(yōu)良的調(diào)速性能。
綜上所述，本實(shí)用新型采用了效果顯著的混合式直流PWM主電路結(jié)構(gòu)，明顯降低了的成本而獲得了與采用M型主電路裝置相似的較好的性能，適用于數(shù)控機(jī)床和一切需要精密調(diào)速、快速跟蹤和高精度的伺服系統(tǒng)中，對量大面廣的舊設(shè)備改造，更具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。
權(quán)利要求1.一種可逆變的由晶體管等組成的直流PWM裝置，本實(shí)用新型的特征是有三個(gè)雙向晶閘管TP1、TP2、TP3組成整流與逆變環(huán)節(jié)，它們分別與三相交流電源的A、B、C相連接，三個(gè)晶閘管的另一端共同接于點(diǎn)H；有二只功率晶體管T1、T2相互反向串聯(lián)于點(diǎn)M，并有二只快速晶體二極管D1、D2分別與T1、T2反向并聯(lián)共同組成斬波(PWM)環(huán)節(jié)，斬波環(huán)節(jié)的一端與H相接，另一端與直流電動(dòng)機(jī)D相連接于點(diǎn)G，而直流電動(dòng)機(jī)D的另一端則與三相交流電源的零線相連接于點(diǎn)O；直流電動(dòng)機(jī)D的兩端還有二只續(xù)流用小容量晶閘管TP4和TP5它們分別與直流電動(dòng)機(jī)D成正向和反向并聯(lián)。
2.一種可逆變的由晶體管等組成的直流PWM裝置，本實(shí)用新型的特征是有三個(gè)單向晶閘管組組成整流與逆變環(huán)節(jié)，每個(gè)單向晶閘管組分別由二個(gè)單向晶閘管反向并聯(lián)組成，每組的一端分別與三相交流電源的A、B、C相連接，每組的另一端共同接于點(diǎn)H；有二只功率晶體管T1、T2相互反向串聯(lián)于點(diǎn)M，并有二只快速晶體二極管D1、D2分別與T1、T2反向并聯(lián)共同組成斬波(PWM)環(huán)節(jié)，斬波環(huán)節(jié)的一端與H相連接，另一端與直流電動(dòng)機(jī)D相連接于點(diǎn)G，而直流電動(dòng)機(jī)D的另一端則與三相交流電源的零線相連接于點(diǎn)O；直流電動(dòng)機(jī)D的兩端還有二只續(xù)流用小容量晶閘管TP4和TP5，它們分別與直流電動(dòng)機(jī)D成正向和反向并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的直流PWM裝置，本實(shí)用新型的特征在于其斬波環(huán)節(jié)有二只功率晶體管T1、T2相互反向串聯(lián)于點(diǎn)M，並有二只快速晶體二極管D1、D2分別與T1、T2反向並聯(lián)共同組成，它們的一端與整流和逆變環(huán)節(jié)連接于點(diǎn)H，另一端與直流電動(dòng)機(jī)D相連接于點(diǎn)G。
專利摘要本實(shí)用新型屬于可逆變的由晶體管等組成的直流PWM裝置，它采用了雙向晶閘管或單向晶體管組作為整流和逆變環(huán)節(jié)；以二只功率晶體管和二只快速晶體二極管作為斬波環(huán)節(jié)，以其簡單的結(jié)構(gòu)和明顯降低了的成本獲得了與采用M型主電路裝置相似的較好性能，是一種效果顯著的改進(jìn)型混合式直流PWM裝置，適用于數(shù)控機(jī)床和精密伺服系統(tǒng)，對舊設(shè)備改造更具有明顯技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號H02P7/29GK2046291SQ8821170
公開日1989年10月18日 申請日期1988年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1988年4月27日
發(fā)明者陳廣來, 方江龍 申請人:陳廣來