電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第3版)(陳伯時(shí))第2講

1、第二講第二講第1篇 直流拖動(dòng)控制系統(tǒng) 1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法 直流調(diào)速電源直流調(diào)速電源 直流調(diào)速控制直流調(diào)速控制根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程 eKIRUn1.1.1 直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法nUIRKe 轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速（r/min）；）； 電樞電壓（電樞電壓（V）；）； 電樞電流（電樞電流（A）；）； 電樞回路總電阻（電樞回路總電阻（ ）； 勵(lì)磁磁通（勵(lì)磁磁通（Wb）； 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。（1-1） 由式（由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)

2、速：動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速： （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； （2）減弱勵(lì)磁磁通）減弱勵(lì)磁磁通 ； （3）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻 R。（1）調(diào)壓調(diào)速）調(diào)壓調(diào)速 工作條件工作條件： 保持保持勵(lì)磁勵(lì)磁 = N ； 保持電阻保持電阻 R = Ra 調(diào)節(jié)過程調(diào)節(jié)過程： 改變電壓改變電壓 UN U U n ， n0 調(diào)速特性調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。曲線平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線（2）調(diào)阻調(diào)速）調(diào)阻調(diào)速 工作條件工作條件： 保持保持勵(lì)磁勵(lì)磁 = N ； 保持電壓保持電壓 U =UN ； 調(diào)節(jié)過程調(diào)節(jié)過

3、程： 增加電阻增加電阻 Ra R R n ，n0不變；不變； 調(diào)速特性調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線調(diào)阻調(diào)速特性曲線（3）調(diào)磁調(diào)速）調(diào)磁調(diào)速 工作條件工作條件： 保持電壓保持電壓 U =UN ； 保持電阻保持電阻 R = R a ； 調(diào)節(jié)過程調(diào)節(jié)過程： 減小減小勵(lì)磁勵(lì)磁 N n ， n0 調(diào)速特性調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線調(diào)磁調(diào)速特性曲線 三種調(diào)速方法的性能與比較三種調(diào)速方法的性能與

4、比較 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。的方式為最好。 改變電阻改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；只能有級(jí)調(diào)速； 減弱磁通減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)以調(diào)壓調(diào)速為主。速為主。1.1.2 常用的可控直流電源常用的可控直流電源 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(zhuǎn)變流機(jī)

5、組用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。 靜止式可控整流器靜止式可控整流器用靜止式的可控整流用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。器，以獲得可調(diào)的直流電壓。 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用恒定直用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。的平均電壓。(1) 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組圖圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）

6、系統(tǒng)） G-M系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理 由原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)、交流異步或同步電動(dòng)由原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)、交流異步或同步電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī) G 實(shí)現(xiàn)變流，由實(shí)現(xiàn)變流，由 G 給需給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī) M 供電，調(diào)節(jié)供電，調(diào)節(jié)G 的勵(lì)磁的勵(lì)磁電流電流 if 即可改變其輸出電壓即可改變其輸出電壓 U，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 。 這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱G-M系統(tǒng)，國際上通系統(tǒng)，國際上通稱稱Ward-Leonard系統(tǒng)。系統(tǒng)。 G-M系統(tǒng)特性系統(tǒng)特性n第第I象限象限第第IV象限象限OTeTL-TLn0n1n2第第II象限象限第第III

7、象限象限圖圖1-2 G-M系統(tǒng)機(jī)械特性系統(tǒng)機(jī)械特性(2) 靜止式可控整流器靜止式可控整流器圖圖1-3 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）系統(tǒng)） V-M系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理 晶閘管晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系系統(tǒng)），圖中統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓的控制電壓 Uc 來來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓壓Ud ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。

8、 V-M系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn) 與與G-M系統(tǒng)相比較系統(tǒng)相比較： 晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在管可控整流器的功率放大倍數(shù)在10 4 以上，其門極電以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。需要較大功率的放大器。 在控制作用的快速性上在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高

9、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 V-M系統(tǒng)的問題系統(tǒng)的問題 由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。 晶閘管對(duì)過電壓、過電流和過高的晶閘管對(duì)過電壓、過電流和過高的dV/dt與與di/dt 都十分敏感，若超過允許值會(huì)在很短都十分敏感，若超過允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。的時(shí)間內(nèi)損壞器件。 由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害電力公害”。(3) 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流

10、斬波器或脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機(jī)車車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵(lì)或等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過去用切換電樞回路電阻來控制電機(jī)的起去用切換電樞回路電阻來控制電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，在電阻中耗電很大動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，在電阻中耗電很大。a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路控制電路M 1). 直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)圖圖1-5 直流斬波器直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形電

11、動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形 2). 斬波器的基本控制原理斬波器的基本控制原理 在原理圖中，在原理圖中，VT 表示電力電子開關(guān)器件，表示電力電子開關(guān)器件，VD 表示續(xù)流二極管。當(dāng)表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT 導(dǎo)通時(shí)，直流電導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓源電壓 Us 加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT 關(guān)斷時(shí)，直流關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng)電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖如圖1-5b ，好像是電源電壓，好像是電源電壓Us在在ton 時(shí)間內(nèi)被時(shí)間內(nèi)被接上，又在接上，又在 T ton 時(shí)間內(nèi)被斬?cái)啵?/p>

12、故稱時(shí)間內(nèi)被斬?cái)啵史Q“斬?cái)夭úā?。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為 3). 輸出電壓計(jì)算輸出電壓計(jì)算ssondUUTtU(1-2)式中式中 T 晶閘管的開關(guān)周期；晶閘管的開關(guān)周期； ton 開通時(shí)間；開通時(shí)間； 占空比，占空比， = ton / T = ton f ；其中其中 f 為開關(guān)頻率。為開關(guān)頻率。 為了節(jié)能，并實(shí)行無觸點(diǎn)控制，為了節(jié)能，并實(shí)行無觸點(diǎn)控制，現(xiàn)在多用現(xiàn)在多用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管、電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等。等。 采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，稱作采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，稱作直流斬波直流斬波器器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度

13、調(diào)制，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，開關(guān)的電路，脈寬調(diào)制變換器（脈寬調(diào)制變換器（PWM-Pulse Width Modulation）。）。 4). 斬波電路三種控制方式斬波電路三種控制方式 根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式：而劃分，有三種控制方式： T 不變，變不變，變 ton 脈沖寬度調(diào)制（脈沖寬度調(diào)制（PWM）；）； ton不變，變不變，變 T 脈沖頻率調(diào)制（脈沖頻率調(diào)制（PFM）；）； ton和和 T 都可調(diào)，改變占空比都可調(diào)，改變占空比混合型?；旌闲汀?PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）主電路線路簡(jiǎn)單，需

14、用的功率器件少；）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；（2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)可達(dá)1: :10000左右；左右；（4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）（5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開

15、關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。率因數(shù)比相控整流器高。小小 結(jié)結(jié) 三種可控直流電源，三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在系統(tǒng)在上世紀(jì)上世紀(jì) 6070 年代得到廣泛應(yīng)用，目前年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。主要用于大容量系統(tǒng)。 直流直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。成為主要的直流調(diào)速方式。1.2 晶閘

16、管晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）系統(tǒng)）的主要問題的主要問題 本節(jié)討論本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個(gè)主要問題：系統(tǒng)的幾個(gè)主要問題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制；）觸發(fā)脈沖相位控制；（2）電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；）電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；（3）抑制電流脈動(dòng)的措施；）抑制電流脈動(dòng)的措施；（4）晶閘管晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性；（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 在可控整流電路在可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 輸出脈沖的相位，輸出脈沖的相位，即可很方便地改變即可很方便地改變可控整流器可控整流器 VT

17、 輸輸出瞬時(shí)電壓出瞬時(shí)電壓 ud 的的波形以及輸出平均波形以及輸出平均電壓電壓 Ud 的數(shù)值。的數(shù)值。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12 tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO1.2.1 觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制Ud0IdE 等效電路分析等效電路分析 如果把整流裝如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分，電路電阻的一部分，那么，整流電壓便那么，整流電壓便可以用其理想空載可以用其理想空載瞬時(shí)值瞬時(shí)值 ud0 和平均和平均值值 Ud0 來表示，相來表示，相當(dāng)于用圖示的等效當(dāng)于用圖示的等效

18、電路代替實(shí)際的整電路代替實(shí)際的整流電路。流電路。圖圖1-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖系統(tǒng)主電路的等效電路圖 式中式中 電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)；電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)； 整流電流瞬時(shí)值；整流電流瞬時(shí)值； 主電路總電感；主電路總電感； 主電路等效電阻；主電路等效電阻；且有且有 R = Rrec + Ra + RL； 對(duì)對(duì)Ud0進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓平均值平均值Ud0 。EidLR 瞬時(shí)電壓平衡方程瞬時(shí)電壓平衡方程tiLRiEuddddd0(1-3) 用觸發(fā)脈沖的相位角用觸發(fā)脈沖的相位角 控制整流電壓的平均值控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點(diǎn)。是晶閘管整流器的特

19、點(diǎn)。 Ud0與觸發(fā)脈沖相位角與觸發(fā)脈沖相位角 的關(guān)系因整流電路的形式的關(guān)系因整流電路的形式而異，對(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)而異，對(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)cossinmd0mUmU式中式中 從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角；從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角； Um = 0 時(shí)的整流電壓波形峰值；時(shí)的整流電壓波形峰值； m 交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)對(duì)于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表對(duì)于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表1-1所示。所示。表表1-1 不同整流電路的整流電壓值不同整流電路的整流電壓值* U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有

20、效值。是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。 整流與逆變狀態(tài)整流與逆變狀態(tài) 當(dāng)當(dāng) 0 0 ，晶閘管裝置處于，晶閘管裝置處于整流整流狀態(tài)狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)； 當(dāng)當(dāng) /2 max 時(shí)，時(shí)， Ud0 0 ，裝置處于，裝置處于有源逆有源逆變狀態(tài)變狀態(tài)，電功率反向傳送。電功率反向傳送。 為避免逆變顛覆，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制。為避免逆變顛覆，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制。相控整流器的電壓控制曲線如下圖相控整流器的電壓控制曲線如下圖 圖圖1-8 相控整流器的電壓控制曲線相控整流器的電壓控制曲線 O 逆變顛覆限制逆變顛覆限制 通過設(shè)置控制電壓限幅值，來限制最大觸發(fā)角。1.

21、2.2 電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù) 由于電流波形的脈動(dòng)，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)由于電流波形的脈動(dòng)，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這是兩種情況，這是V-M系統(tǒng)不同于系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的又一特點(diǎn)。系統(tǒng)的又一特點(diǎn)。 當(dāng)當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，且電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載也足夠大時(shí)，整流電流便具有連續(xù)的脈動(dòng)波形。的負(fù)載也足夠大時(shí)，整流電流便具有連續(xù)的脈動(dòng)波形。 當(dāng)電感量較小或負(fù)載較輕時(shí)，在某一相導(dǎo)通后電當(dāng)電感量較小或負(fù)載較輕時(shí)，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段，電感中的儲(chǔ)能較少；等到電流下降而流升高的階段，電感中的儲(chǔ)能較少；等到電流下降而

22、下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)的情況。便造成電流波形斷續(xù)的情況。V-M系統(tǒng)主電路系統(tǒng)主電路的輸出的輸出圖圖1-9 V-M系統(tǒng)的電流波形系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)）電流斷續(xù)OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid1.2.3 抑制電流脈動(dòng)的措施抑制電流脈動(dòng)的措施 在在V-M系統(tǒng)中，脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)系統(tǒng)中，脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利，同時(shí)也增加電的轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利，同時(shí)也增加電機(jī)的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須

23、機(jī)的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動(dòng)的措施，主要是：采用抑制電流脈動(dòng)的措施，主要是： 設(shè)置平波電抗器；設(shè)置平波電抗器； 增加整流電路相數(shù)；增加整流電路相數(shù)； 采用多重化技術(shù)。采用多重化技術(shù)。 （1）平波電抗器的設(shè)置與計(jì)算）平波電抗器的設(shè)置與計(jì)算 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 三相半波整流電路三相半波整流電路 三相橋式整流電路三相橋式整流電路 mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0IUL（1-6）（1-8）（1-7）（2）多重化整流電路）多重化整流電路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LP 如圖電路為由如圖電路為由2個(gè)三相橋

24、并聯(lián)而成的個(gè)三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流脈波整流電路，使用了平衡電抗器來平衡電路，使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流組整流器的電流。并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路脈波整流電路M1.2.4 晶閘管晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為 式中式中 Ce = Ke N 電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù))cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1-9）（1）電流連續(xù)情況）電流連續(xù)情況 改變控制角改變控制角 ，得一族平行直線，這得一族平行直線，這和和G-

25、M系統(tǒng)的特性很系統(tǒng)的特性很相似，如圖相似，如圖1-10所示。所示。 圖中電流較小的圖中電流較小的部分畫成虛線，表明部分畫成虛線，表明這時(shí)電流波形可能斷這時(shí)電流波形可能斷續(xù)，公式（續(xù)，公式（1-9）已經(jīng)）已經(jīng)不適用了。不適用了。圖圖1-10 電流連續(xù)時(shí)電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性系統(tǒng)的機(jī)械特性 n = Id R / CenIdILO 上述分析說明：只要電流連續(xù)，晶閘管上述分析說明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)可控整流器就可以看成是一個(gè)線性的可線性的可控電壓源?？仉妷涸础?2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1(e)6sin()6sin(cos2ctgect

26、g2CUnRLarctg（2）電流斷續(xù)情況）電流斷續(xù)情況 當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于非線性因素，機(jī)械特性當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于非線性因素，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的方程要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性須用下列方程組系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性須用下列方程組表示表示式中式中 ； 一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。(1-10)(1-11)（3）電流斷續(xù)機(jī)械特性計(jì)算）電流斷續(xù)機(jī)械特性計(jì)算 當(dāng)阻抗角當(dāng)阻抗角 值已知時(shí)，對(duì)于不同的值已知時(shí)，對(duì)于不同的控制角控制角 ，可用數(shù)值解法求出一族電流，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性。斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特

27、性。 對(duì)于每一條特性，求解過程都計(jì)算對(duì)于每一條特性，求解過程都計(jì)算到到 = 2 /3為止，因?yàn)闉橹梗驗(yàn)?角再大時(shí)，電角再大時(shí)，電流便連續(xù)了。對(duì)應(yīng)于流便連續(xù)了。對(duì)應(yīng)于 = 2 /3 的曲線是的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。圖圖1-11 完整的完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性系統(tǒng)機(jī)械特性（4）V-M 系統(tǒng)系統(tǒng) 機(jī)械機(jī)械 特性特性（5）V-M系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn)系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn) 圖圖1-11繪出了完整的繪出了完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見：由圖可見： 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬；當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較

28、硬； 斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。1.2.5 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)來看待。中的一個(gè)環(huán)節(jié)來看待。 應(yīng)用線性控制理論進(jìn)行直流調(diào)速系應(yīng)用線性控制理論進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設(shè)計(jì)時(shí)，須事先求出這個(gè)環(huán)節(jié)統(tǒng)分析或設(shè)計(jì)時(shí)，須事先求出這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。 實(shí)際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線實(shí)

29、際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。線性環(huán)節(jié)。 如有可能，最好先用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出該如有可能，最好先用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出該環(huán)節(jié)的輸入環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，即曲線，圖輸出特性，即曲線，圖1-13是采用鋸齒波觸發(fā)器移相時(shí)的特性。設(shè)計(jì)是采用鋸齒波觸發(fā)器移相時(shí)的特性。設(shè)計(jì)時(shí)，希望整個(gè)調(diào)速范圍的工作點(diǎn)都落在特時(shí)，希望整個(gè)調(diào)速范圍的工作點(diǎn)都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調(diào)節(jié)性的近似線性范圍之中，并有一定的調(diào)節(jié)余量余量。 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)算晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)算 晶閘管觸發(fā)和整晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大

30、系數(shù)可流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計(jì)算方法是率決定，計(jì)算方法是cdsUUK圖圖1-13 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入入-輸出特性和的測(cè)定輸出特性和的測(cè)定 (1-12) 如果不能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。如果不能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。 例如：例如： 設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為 Uc = 010V 相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是 Ud = 0220V 可取可取 Ks = 220/10 = 22 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)算

31、算 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù) 在動(dòng)態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與在動(dòng)態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。 眾所周知，晶閘管一旦導(dǎo)通后，控眾所周知，晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來到時(shí)才起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來到時(shí)才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。整流電壓滯后于控制電壓的狀況。u2udUc

32、tt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TsOOOO（1）晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析）晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析圖圖1-14 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間 顯然，失控制時(shí)間是隨機(jī)的，它的大小隨顯然，失控制時(shí)間是隨機(jī)的，它的大小隨發(fā)生變化的時(shí)刻而改變，最大可能的失控時(shí)間發(fā)生變化的時(shí)刻而改變，最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，與交流就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定 (1-13) （2）最大失控時(shí)間計(jì)算）最大失控時(shí)間計(jì)算式中式中 交流電流頻率；交流電流

33、頻率； 一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fmmfT1maxs （3）Ts 值的選取值的選取 相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來說，相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來說，Ts 是不大的，在是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值 Ts = Tsmax /2，并認(rèn)，并認(rèn)為是常數(shù)。也有人主張按最嚴(yán)重的情況考慮，取為是常數(shù)。也有人主張按最嚴(yán)重的情況考慮，取Ts = Tsmax 。表。表1-2列出了不同整流電路的失控時(shí)間。列出了不同整流電路的失控時(shí)間。表表1-2 各種整流電路的失控時(shí)間（各種整流電路的失控時(shí)間（f =50Hz） 用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整用單位

34、階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入流裝置的輸入-輸出關(guān)系為輸出關(guān)系為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為（1-14）（4）傳遞函數(shù)的求?。﹤鬟f函數(shù)的求取)( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds 由于式（由于式（1-14）中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)）中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計(jì)都比較麻煩。成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計(jì)都比較麻煩。為了簡(jiǎn)化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開，則為了簡(jiǎn)化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開，則式（式（1-14）變成）變成 （1-15） 33s22ssssss

35、! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT （5）近似傳遞函數(shù)）近似傳遞函數(shù) 考慮到考慮到 Ts 很小，可忽略高次項(xiàng)，則很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)一階慣性環(huán)節(jié)。（1-16）sTKsWsss1)( （6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)sTsseKUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)(a) 準(zhǔn)確的準(zhǔn)確的（b） 近似的近似的圖圖1-15 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖ssss1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題 自從全控型電力電子器件問世以后

36、，就出現(xiàn)了自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻開關(guān)控制方式）的高頻開關(guān)控制方式形成的脈寬調(diào)制變換器形成的脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)。 本節(jié)提要本節(jié)提要（1）PWM變換器的工作狀態(tài)和波形；變換器的工作狀態(tài)和波形；（2）直流）直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性；調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性；（3）PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型；控制與變換器的數(shù)學(xué)模型；（4）電能回饋與泵升電壓的限制。）電能回饋與泵升電壓的限制。1.3.1 PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電

37、流波形變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形 PWM變換器的作用是：用變換器的作用是：用PWM調(diào)制調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 PWM變換器電路有多種形式，主要變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與可逆兩大類，下面分別闡分為不可逆與可逆兩大類，下面分別闡述其工作原理。述其工作原理。1. 不可逆不可逆PWM變換器變換器（1）簡(jiǎn)單的不可逆）簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器變換器 簡(jiǎn)單的不可逆簡(jiǎn)單的不可逆PW

38、M變換器變換器-直流電直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主電路原理圖如圖動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主電路原理圖如圖1-16所示，所示，功率開關(guān)器件可以是任意一種全控型開功率開關(guān)器件可以是任意一種全控型開關(guān)器件，這樣的電路又稱關(guān)器件，這樣的電路又稱直流降壓斬波直流降壓斬波器器。 圖圖1-16 簡(jiǎn)單的不可逆簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) VDUs+UgCVTidM+_E（a）電路原理圖）電路原理圖 M 主電路結(jié)構(gòu)主電路結(jié)構(gòu)21圖中：圖中：Us 為直流電源電壓，為直流電源電壓， C 為濾波電容器，為濾波電容器， VT為功率開關(guān)器件，為功率開關(guān)器件， VD為續(xù)流二極管，為續(xù)流二極管， M 為直流電動(dòng)機(jī)，為直流

39、電動(dòng)機(jī)， VT 的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)。工作狀態(tài)與波形工作狀態(tài)與波形在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)， 當(dāng)當(dāng)0 t ton時(shí)，時(shí)，Ug為為正，正，VT導(dǎo)通，電源導(dǎo)通，電源電壓通過電壓通過VT加到電加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端；動(dòng)機(jī)電樞兩端； 當(dāng)當(dāng)ton t T 時(shí)，時(shí)， Ug為負(fù)，為負(fù)，VT關(guān)斷，電關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。續(xù)流。U, iUdEidUsttonT0圖圖1-16b 電壓和電流波形電壓和電流波形O電機(jī)兩端得到的平均電壓為電機(jī)兩端得到的平均電壓為(1-17)式中式中 = ton / T 為為 PWM 波形的占空比，波形的

40、占空比， ssondUUTtU輸出電壓方程 改變改變 （ 0 1 ）即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，）即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，若令若令 = Ud / Us為為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆電壓系數(shù)，則在不可逆 PWM 變換器變換器 = (1-18)（2）有制動(dòng)的不可逆）有制動(dòng)的不可逆PWM變換器電路變換器電路 在簡(jiǎn)單的不可逆電路中電流不能反向，因在簡(jiǎn)單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動(dòng)能力，只能作單象限運(yùn)行。而沒有制動(dòng)能力，只能作單象限運(yùn)行。 需要制動(dòng)時(shí)，必須為反向電流提供通路，需要制動(dòng)時(shí)，必須為反向電流提供通路，如圖如圖1-17a所示的雙管交替開關(guān)電路。當(dāng)所示的雙管交替開關(guān)電路。當(dāng)VT1 導(dǎo)導(dǎo)通時(shí)，流過正

41、向電流通時(shí)，流過正向電流 + id ，VT2 導(dǎo)通時(shí)，流過導(dǎo)通時(shí)，流過 id 。 應(yīng)注意，這個(gè)電路還是不可逆的，只能工應(yīng)注意，這個(gè)電路還是不可逆的，只能工作在第一、二象限，作在第一、二象限， 因?yàn)槠骄妷阂驗(yàn)槠骄妷?Ud 并沒有并沒有改變極性改變極性。圖圖1-17a 有制動(dòng)電流通路的不可逆有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器變換器 主電路結(jié)構(gòu)主電路結(jié)構(gòu)M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1 工作狀態(tài)與波形工作狀態(tài)與波形 一般電動(dòng)狀態(tài)一般電動(dòng)狀態(tài) 在一般電動(dòng)狀態(tài)中，始終為正值（其在一般電動(dòng)狀態(tài)中，始終為正值（其正方向示于圖正方向示于圖1-17a中）

42、。設(shè)中）。設(shè)ton為為VT1的的導(dǎo)通時(shí)間，則一個(gè)工作周期有兩個(gè)工作導(dǎo)通時(shí)間，則一個(gè)工作周期有兩個(gè)工作階段：階段： 在在0 t ton期間，期間， Ug1為正，為正，VT1導(dǎo)通，導(dǎo)通， Ug2為為負(fù)，負(fù)，VT2關(guān)斷。此時(shí)，電源電壓關(guān)斷。此時(shí)，電源電壓Us加到電樞加到電樞兩端，電流兩端，電流 id 沿圖中的回路沿圖中的回路1流通。流通。一般電動(dòng)狀態(tài)（續(xù)）一般電動(dòng)狀態(tài)（續(xù)） 在在 ton t T 期間，期間， Ug1和和Ug2都改變極性，都改變極性，VT1關(guān)斷，但關(guān)斷，但VT2卻不能立即導(dǎo)通，因?yàn)閰s不能立即導(dǎo)通，因?yàn)閕d沿沿回路回路2經(jīng)二極管經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的兩端產(chǎn)生的壓

43、降給壓降給VT2施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。 因此，實(shí)際上是由因此，實(shí)際上是由VT1和和VD2交替導(dǎo)交替導(dǎo)通，雖然電路中多了一個(gè)功率開關(guān)器件，通，雖然電路中多了一個(gè)功率開關(guān)器件，但并沒有被用上。但并沒有被用上。U, iUdEidUsttonT0O 輸出波形：輸出波形： 一般電動(dòng)狀態(tài)一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流的電壓、電流波形與簡(jiǎn)單的波形與簡(jiǎn)單的不可逆電路波不可逆電路波形（圖形（圖1-16b）完全一樣。完全一樣。b）一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形）一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形工作狀態(tài)與波形（續(xù)）工作狀態(tài)與波形（續(xù)） 制動(dòng)狀態(tài)制動(dòng)狀態(tài) 在制動(dòng)狀態(tài)中，在制動(dòng)狀態(tài)中， id為

44、負(fù)值，為負(fù)值，VT2就發(fā)揮作就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動(dòng)運(yùn)行過程中需要降用了。這種情況發(fā)生在電動(dòng)運(yùn)行過程中需要降速的時(shí)候。這時(shí)，先減小控制電壓，使速的時(shí)候。這時(shí)，先減小控制電壓，使 Ug1 的的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使平均電樞電正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使平均電樞電壓壓Ud降低。但是，由于機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速和反電降低。但是，由于機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)動(dòng)勢(shì)E還來不及變化，因而造成還來不及變化，因而造成 E Ud 的局的局面，很快使電流面，很快使電流id反向，反向，VD2截止，截止， VT2開始導(dǎo)開始導(dǎo)通通。 制動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)周期分為兩個(gè)工作階段：制動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)周期分為兩個(gè)工作階段： 在在

45、 0 t ton 期間，期間，VT2 關(guān)斷，關(guān)斷，id 沿回路沿回路 4 經(jīng)經(jīng) VD1 續(xù)流，向電源回饋制動(dòng)，與此同時(shí)，續(xù)流，向電源回饋制動(dòng)，與此同時(shí)， VD1 兩端壓降鉗住兩端壓降鉗住 VT1 使它不能導(dǎo)通。使它不能導(dǎo)通。 在在 ton t T期間，期間， Ug2 變正，于是變正，于是VT2導(dǎo)通，反導(dǎo)通，反向電流向電流 id 沿回路沿回路 3 流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)作用。流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)作用。 因此，在制動(dòng)狀態(tài)中，因此，在制動(dòng)狀態(tài)中， VT2和和VD1輪流導(dǎo)通，而輪流導(dǎo)通，而VT1始終是關(guān)斷的，此時(shí)的電壓和電流波形示于圖始終是關(guān)斷的，此時(shí)的電壓和電流波形示于圖1-17c。 U, iUdEidU

46、sttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOn 輸出波形輸出波形c）制動(dòng)狀態(tài)的電壓）制動(dòng)狀態(tài)的電壓電流波形電流波形工作狀態(tài)與波形（續(xù)）工作狀態(tài)與波形（續(xù)） 輕載電動(dòng)狀態(tài)輕載電動(dòng)狀態(tài) 有一種特殊情況，即輕載電動(dòng)狀態(tài)，有一種特殊情況，即輕載電動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)平均電流較小，以致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)這時(shí)平均電流較小，以致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時(shí)，還沒有到達(dá)周期流時(shí)，還沒有到達(dá)周期 T ，電流已經(jīng)，電流已經(jīng)衰減到零，此時(shí)衰減到零，此時(shí)，因而兩端電壓也降為因而兩端電壓也降為零，便提前導(dǎo)通了，使電流方向變動(dòng)，零，便提前導(dǎo)通了，使電流方向變動(dòng)，產(chǎn)生局部時(shí)間的制動(dòng)作用。產(chǎn)生局部時(shí)間的制動(dòng)作用。 輕

47、載電動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段：輕載電動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段： 第第1階段，階段，VD1續(xù)流，電流續(xù)流，電流 id 沿回路沿回路4流通流通. 第第2階段，階段，VT1導(dǎo)通，電流導(dǎo)通，電流 id 沿回路沿回路1流通流通. 第第3階段，階段，VD2續(xù)流，電流續(xù)流，電流 id 沿回路沿回路2流通流通. 第第4階段，階段，VT2導(dǎo)通，電流導(dǎo)通，電流 id 沿回路沿回路3流通流通. 在在1、4階段，電動(dòng)機(jī)流過負(fù)方向電階段，電動(dòng)機(jī)流過負(fù)方向電流，電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)；流，電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)； 在在2、3階段，電動(dòng)機(jī)流過正方向電階段，電動(dòng)機(jī)流過正方向電流，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。流，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。

48、因此，在因此，在輕載時(shí)，電流可在正負(fù)方輕載時(shí)，電流可在正負(fù)方向之間脈動(dòng)，平均電流等于負(fù)載電流，向之間脈動(dòng)，平均電流等于負(fù)載電流，其輸出波形見圖其輸出波形見圖1-17d。n 輸出波形輸出波形d）輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形）輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形4123Tton0U, iUdEidUsttonT041 23O小小 結(jié)結(jié)表表1-3 二象限不可逆二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài)變換器的不同工作狀態(tài)2. 橋式可逆橋式可逆PWM變換器變換器 可逆可逆PWM變換器主電路有多種形式，變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖形）電路，如圖1-20所示。所示。 這時(shí)，電動(dòng)

49、機(jī)這時(shí)，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓極性的變化而改變，其控器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆可逆PWM變換器。變換器。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖圖1-18 橋式可逆橋式可逆PWM變換器變換器n H形主電路結(jié)構(gòu)形主電路結(jié)構(gòu)n 雙極式控制方式雙極式控制方式（1）正向運(yùn)行：）正向運(yùn)行：

50、第第1階段，在階段，在 0 t ton 期間，期間， Ug1 、 Ug4為正，為正， VT1 、 VT4導(dǎo)通，導(dǎo)通， Ug2 、 Ug3為負(fù)，為負(fù)，VT2 、 VT3截止，電流截止，電流 id 沿回路沿回路1流通，電動(dòng)機(jī)流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電兩端電壓壓UAB = +Us ； 第第2階段，在階段，在ton t T期間，期間， Ug1 、 Ug4為負(fù)，為負(fù)， VT1 、 VT4截止，截止， VD2 、 VD3續(xù)流，續(xù)流， 并鉗位使并鉗位使VT2 、 VT3保持截止，電流保持截止，電流 id 沿回路沿回路2流通，流通，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)M兩端電壓兩端電壓UAB = Us ；n 雙極式控制方式（續(xù)）雙極式控制

51、方式（續(xù)）（2）反向運(yùn)行：）反向運(yùn)行： 第第1階段，在階段，在 0 t ton 期間，期間， Ug2 、 Ug3為負(fù)，為負(fù)，VT2 、 VT3截止，截止， VD1 、 VD4 續(xù)流，并鉗續(xù)流，并鉗位使位使 VT1 、 VT4截止，電流截止，電流 id 沿回路沿回路4流流通，電動(dòng)機(jī)通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓兩端電壓UAB = +Us ； 第第2階段，在階段，在ton t T 期間，期間， Ug2 、 Ug3 為正，為正， VT2 、 VT3導(dǎo)通，導(dǎo)通， Ug1 、 Ug4為負(fù)，使為負(fù)，使VT1 、 VT4保持截止，電流保持截止，電流 id 沿回路沿回路3流通，電流通，電動(dòng)機(jī)動(dòng)機(jī)M兩端電壓兩端電壓UAB

52、 = Us ；n 輸出波形輸出波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOb) 正向電動(dòng)運(yùn)行波形正向電動(dòng)運(yùn)行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOc) 反向電動(dòng)運(yùn)行波形反向電動(dòng)運(yùn)行波形n 輸出平均電壓輸出平均電壓 雙極式控制可逆雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為變換器的輸出平均電壓為（1-19） 如果占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器如果占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中 = 2 1 （1-20）注意：注意：這里這里 的計(jì)算公式與的計(jì)算公式與不可逆變換器中的公不可逆變換器中的公式就不一樣了。式就不

53、一樣了。sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtUn 調(diào)速范圍調(diào)速范圍 調(diào)速時(shí)，調(diào)速時(shí)， 的可調(diào)范圍為的可調(diào)范圍為01， 1 0.5時(shí)，時(shí)， 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng)當(dāng) 0.5時(shí)，時(shí)， 為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 當(dāng)當(dāng) = 0.5時(shí)，時(shí)， = 0 ，電機(jī)停止。，電機(jī)停止。注注 意：意： 當(dāng)電機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，當(dāng)電機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機(jī)的為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機(jī)的損耗

54、，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，好處，在電機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂著所謂“動(dòng)力潤滑動(dòng)力潤滑”的的作用作用。n 性能評(píng)價(jià)性能評(píng)價(jià) 雙極式控制的橋式可逆雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）電流一定連續(xù)；）電流一定連續(xù)；（2）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)

55、速范圍可達(dá)1: :20000左右；左右；（5）低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有）低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 n 性能評(píng)價(jià)（續(xù)）性能評(píng)價(jià)（續(xù)） 雙極式控制方式的不足之處是：雙極式控制方式的不足之處是： 在工作過程中，在工作過程中，4個(gè)開關(guān)器件可能都個(gè)開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。1.3.2 直流脈

56、寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 由于采用脈寬調(diào)制，嚴(yán)格地說，即由于采用脈寬調(diào)制，嚴(yán)格地說，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩使在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是脈動(dòng)的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指和轉(zhuǎn)速也都是脈動(dòng)的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)的狀態(tài)，機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。矩（電流）的關(guān)系。 采用不同形式的采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)變換器，系統(tǒng)的機(jī)械特性也不一樣。對(duì)于帶制動(dòng)電流的機(jī)械特性也不一樣。對(duì)于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路和雙極式控制的可逆通路的不可逆電路和雙極

57、式控制的可逆電路，電流的方向是可逆的，無論是重電路，電流的方向是可逆的，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，因載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡(jiǎn)單，現(xiàn)在就分而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡(jiǎn)單，現(xiàn)在就分析這種情況析這種情況。 對(duì)于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路，對(duì)于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路，電壓平衡方程式分兩個(gè)階段電壓平衡方程式分兩個(gè)階段 式中式中 R、L 電樞電路的電阻和電感。電樞電路的電阻和電感。 n 帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程EtiLRiUdddd s（0 t ton） （1-21）EtiLRidd0dd（ton t T） （1-22） 對(duì)于雙極式控

58、制的可逆電路，只在第二個(gè)方對(duì)于雙極式控制的可逆電路，只在第二個(gè)方程中電源電壓由程中電源電壓由 0 改為改為 Us ，其他均不變。于是，其他均不變。于是，電壓方程為電壓方程為EtiLRiUdddds( 0 t ton ) (1-23) n 雙極式可逆電路電壓方程雙極式可逆電路電壓方程EtiLRiUdddds(ton t T ) (1-24) n 機(jī)械特性方程機(jī)械特性方程 按電壓方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值，按電壓方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式。無論是上述即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式。無論是上述哪一種情況，電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的哪一種情況，電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓都是平均電壓都是 U

59、d = Us，只是，只是 與占空與占空比比 的關(guān)系不同，分別為式（的關(guān)系不同，分別為式（1-18）和）和式（式（1-20）。）。 平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用 Id 和和 Te 表示，表示，平均轉(zhuǎn)速平均轉(zhuǎn)速 n = E/Ce，而電樞電感壓降的平，而電樞電感壓降的平均值均值 Ldid / dt 在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。 于是，無論是上述哪一組電壓方程，于是，無論是上述哪一組電壓方程，其平均值方程都可寫成其平均值方程都可寫成 (1-25)nCRIERIUedds (1-26)或用轉(zhuǎn)矩表示，或用轉(zhuǎn)矩表示， (1-27)式中式中 Cm = Km N 電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；電機(jī)

60、在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)； n0 = Us / Ce 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。正比。de0deesICRnICRCUnn 機(jī)械特性方程機(jī)械特性方程eme0emeesTCCRnTCCRCUnnId , TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId , Teav = 1 = 0.75 = 0.5 = 0.25n PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性圖圖1-20 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線（電流連續(xù)），（電流連續(xù)），n0sUs /Cen 說說 明明 圖中所示的機(jī)械曲線是電流連續(xù)時(shí)脈寬調(diào)圖中所示的機(jī)械曲線是電流連續(xù)時(shí)脈寬調(diào)速系