第1章 可控直流電源-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

—運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速式中

n——轉(zhuǎn)速（r/min）;U——電樞電壓（V）；

Id——電樞電流（A）；R——電樞回路總電阻(Ω）；φ——?jiǎng)?lì)磁磁通（Wb）；

Ke

——由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法

（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓；（2）減弱勵(lì)磁磁通；（3）改變電樞回路電阻。 自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。1.調(diào)壓調(diào)速工作條件：保持勵(lì)磁

=N

；保持電阻R=Ra調(diào)節(jié)過程：改變電壓UN

U

Un，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。U1n1U2n2U3n3nn0OI/TeILUNnN調(diào)壓調(diào)速特性曲線2.調(diào)阻調(diào)速工作條件：保持勵(lì)磁

=N

；保持電壓U=UN

；調(diào)節(jié)過程：增加電阻Ra

R

Rn，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。R1n1R2n2R3n3nn0OI/TeILRanN調(diào)阻調(diào)速特性曲線3.調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R=Ra

；調(diào)節(jié)過程：減小勵(lì)磁N

n，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。

1n1

2n2

3n3nn0OTeTL

NnN調(diào)壓調(diào)速特性曲線額定運(yùn)行條件下，電機(jī)磁路接近飽和，增大每極磁通是難以做到的，改變磁通，都是減少磁通。

三種調(diào)速方法的性能與比較

改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；

減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，在基速以上作小范圍的弱磁升速。

調(diào)壓調(diào)速能在較大的范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，電樞電流應(yīng)小于額定值IN，而電磁轉(zhuǎn)矩。在調(diào)壓調(diào)速范圍內(nèi)，勵(lì)磁磁通不變，容許的輸出轉(zhuǎn)矩也不變，稱作“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式”。不變不變不變恒功率調(diào)速方式 在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，磁通越弱，容許輸出轉(zhuǎn)矩減小，而容許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積則不變，即容許功率不變，為“恒功率調(diào)速方式”。電磁功率：電磁轉(zhuǎn)矩：越高越弱越弱越小兩種調(diào)速方式：TeNnNnmax變電壓調(diào)速弱磁調(diào)速UNUPPTeUnO兩種調(diào)速方式第1章

可控直流電源-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相控整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)1.1相控整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)圖1－4晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

V-M系統(tǒng)工作原理

晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc

來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud

，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。

V-M系統(tǒng)的特點(diǎn)晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制?？刂频目焖傩?，晶閘管整流器是毫秒級(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。晶閘管對(duì)過電壓、過電流和過高的du/dt與di/dt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。由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，造成“電力公害”。在理想情況下，Ud和Uc之間呈線性關(guān)系：

式中，Ud——平均整流電壓，

Uc——控制電壓，

Ks——晶閘管整流器放大系數(shù)。1.1.2相控整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的特殊問題實(shí)際V-M系統(tǒng)的幾個(gè)主要問題：（1）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)。（3）抑制電流脈動(dòng)的措施。1．觸發(fā)脈沖相位控制調(diào)節(jié)控制電壓Uc，

移動(dòng)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，改變可控整流器VT輸出瞬時(shí)電壓ud的波形，以及輸出平均電壓Ud的數(shù)值。調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)脈沖相位，可改變可控整流器輸出電壓的波形。整流器輸出電壓瞬時(shí)值ud

呈周期性變化。1．觸發(fā)脈沖相位控制ud0IdE

等效電路分析

把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分。

ud0為整流電壓理想空載瞬時(shí)值。圖1-7V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

式中

—電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)（V）；

—整流電流瞬時(shí)值（A）；

—主電路總電感（H）；

—主電路等效電阻（），

R=Rrec+Ra+RL。EidLR

瞬時(shí)電壓平衡方程(1-4)單相橋式全控整流電路2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u■帶阻感負(fù)載的工作情況

◆基本數(shù)量關(guān)系整流電壓平均值晶閘管承受的最大正反向電壓輸出電壓ud一周期脈動(dòng)2次三相半波可控整流電路L值很大整流電流id的波形基本是平直的udiaabcOwta

整流電壓平均值晶閘管承受的最大正反向電壓輸出電壓ud一周期脈動(dòng)3次三相橋式可控整流電路?整流電壓平均值晶閘管承受的最大正反向電壓輸出電壓ud一周期脈動(dòng)6次ud1a=30°ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥwtOwtOwtOidwt1uaubuc整流電壓的平均值計(jì)算

ud0在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為理想空載整流電壓平均值Ud0

。

—觸發(fā)脈沖控制角；Um—交流電源線電壓峰值（V）；m—交流電源一周內(nèi)整流電壓脈波數(shù)。整流與逆變狀態(tài)當(dāng)0<</2時(shí)，Ud0>0，整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；當(dāng)/2<<max

時(shí)，Ud0<0，有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。

整流電路單相全波三相半波三相橋式（全波）m236表2-1不同整流電路的整流電壓波峰值、脈沖數(shù)及平均整流電壓2．電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)在整流變壓器二次側(cè)額定相電壓u2的瞬時(shí)值大于反電動(dòng)勢(shì)E時(shí)，晶閘管才可能被觸發(fā)導(dǎo)通。導(dǎo)通后如果u2降低到E以下，靠電感作用可以維持電流id繼續(xù)流通。由于電壓波形的脈動(dòng)，造成了電流波形的脈動(dòng)。2．電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudidida）電感量大，且負(fù)載電流也足夠大時(shí)，電流連續(xù)b）電感量小或負(fù)載輕時(shí)，電流斷續(xù)帶負(fù)載單相全控橋式整流電路的輸出電壓和電流波形在Id上升階段，電感儲(chǔ)能；在Id下降階段，電感中的能量將釋放出來維持電流連續(xù)。圖1－5V-M系統(tǒng)的電流波形（b）電流斷續(xù)當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，電感中的儲(chǔ)能較少，等到Id下降到零時(shí)，造成電流波形斷續(xù)。電流脈動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，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：設(shè)置平波電抗器：

增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)。（三相橋式整流)——最小連續(xù)電流（A），一般取為電動(dòng)機(jī)額定電流的5％～10％。

抑制電流脈動(dòng)的措施（三相半波整流)（單相橋式整流)（2）多重化整流電路

如圖電路為由2個(gè)三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路M1.相控整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為

式中，Ce——電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)1.1.3相控整流器直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性及數(shù)學(xué)模型（1）電流連續(xù)情況改變控制角，得一族平行直線，這和直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的特性很相似，如圖1-3所示。圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時(shí)電流波形可能斷續(xù)，式（1-9）已經(jīng)不適用了。圖1-3電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性△n=Id

R/CenIdILO三相半波整流電路電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性

一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角，

2/3

阻抗角（2）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)械特性方程要復(fù)雜得多。圖1－16V-M系統(tǒng)機(jī)械特性在電流連續(xù)區(qū)，顯示出較硬的機(jī)械特性；在電流斷續(xù)區(qū)，機(jī)械特性很軟，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。電流斷續(xù)區(qū)與電流連續(xù)區(qū)的分界線是的曲線，當(dāng)時(shí)，電流便開始連續(xù)了。

——一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。2．晶閘管觸發(fā)電路和整流裝置的數(shù)學(xué)模型1.1.3相控整流器直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性及數(shù)學(xué)模型

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)中的一個(gè)環(huán)節(jié)來看待。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)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。2．晶閘管觸發(fā)電路和整流裝置的數(shù)學(xué)模型晶閘管觸發(fā)電路和整流電路的特性是非線性的。在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似地看成線性環(huán)節(jié)，得到了它的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)后，用線性控制理論分析整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)。1.1.3相控整流器直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性及數(shù)學(xué)模型放大系數(shù)的計(jì)算圖1-7晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性和Ks的測(cè)定晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量是ΔUc，輸出量是ΔUd，晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)Ks可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定

。如果沒有得到實(shí)測(cè)特性，也可根據(jù)裝置的參數(shù)估算。

如果不可能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如：設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為

Uc=0~10V

相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V

可取Ks

=220/10=22

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算失控時(shí)間和純滯后環(huán)節(jié)滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時(shí)間引起的。失控時(shí)間是個(gè)隨機(jī)值。最大失控時(shí)間是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，它與交流電源頻率和晶閘管整流器的類型有關(guān)。u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TsOOOO晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析最大失控時(shí)間平均失控時(shí)間式中，f——交流電源頻率(Hz)，

m——一周內(nèi)整流電壓的脈波數(shù)。失控時(shí)間是隨機(jī)的，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，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定整流電路形式最大失控時(shí)間

Tsmax(ms)平均失控時(shí)間

Ts(ms)單相半波單相橋式（全波）三相半波三相橋式20106.673.331053.331.67表2-2晶閘管整流器的失控時(shí)間（f=50Hz）在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值Ts

=Tsmax/2，并認(rèn)為是常數(shù)。也可按最嚴(yán)重的情況考慮，取Ts=Tsmax

。晶閘管觸發(fā)電路與整流裝置的傳遞函數(shù)滯后環(huán)節(jié)的輸入為階躍信號(hào)1(t)，輸出要隔一定時(shí)間后才出現(xiàn)響應(yīng)1(t-Ts)。輸入輸出關(guān)系為：

經(jīng)拉氏變換得傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)的近似處理按泰勒級(jí)數(shù)展開，可得

依據(jù)工程近似處理的原則，當(dāng)系統(tǒng)的截止頻率滿足可忽略高次項(xiàng)，把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的近似處理?xiàng)l件的推導(dǎo)如下

近似為一階慣性的條件是工程上一般將<<1量化為<<1/10傳遞函數(shù)的近似處理為系統(tǒng)閉環(huán)特性的帶寬。由于常用系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性討論系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，習(xí)慣采用截止頻率。但截止頻率小于相應(yīng)的閉環(huán)特性的帶寬，所以工程上將圖1－9晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖準(zhǔn)確的近似的1.2直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)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)制的高頻開關(guān)控制方式,形成了脈寬調(diào)制變換器-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)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了V-M系統(tǒng)。1．PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，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序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM變換器電路有多種形式，總體上可分為不可逆與可逆兩大類。1.不可逆PWM變換器（1）簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主電路原理圖如圖1-10所示，功率開關(guān)器件可以是任意一種全控型開關(guān)器件，這樣的電路又稱直流降壓斬波器。圖1-10簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

VDUs+UgCVTidM+__E（a）電路原理圖

M?主電路結(jié)構(gòu)21工作狀態(tài)與波形在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0≤

t<ton時(shí)，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端；當(dāng)ton

≤

t<T時(shí)，Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。U,iUdEidUsttonT0圖1-10b電壓和電流波形O直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓為

改變占空比，即可實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。令為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM變換器中

（2）有制動(dòng)的不可逆PWM變換器電路

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。需要制動(dòng)時(shí)，必須為反向電流提供通路，如圖1-11a所示的雙管交替開關(guān)電路。圖1-11a有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器

主電路結(jié)構(gòu)M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1當(dāng)VT1

導(dǎo)通時(shí)，流過正向電流+id，VT2

導(dǎo)通時(shí)，流過–id

。應(yīng)注意，這個(gè)電路還是不可逆的，只能工作在第一、二象限，因?yàn)槠骄妷篣d并沒有改變極性。一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形在一般電動(dòng)狀態(tài)中，id始終為正值（其正方向示于圖1-11(a)中）。在0≤t<ton期間，VT1導(dǎo)通，VT2關(guān)斷。電流id沿圖中的回路1流通。在ton≤t<T期間，VT1關(guān)斷，id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流。VT1和VD2交替導(dǎo)通，VT2和VD1始終關(guān)斷。

一般電動(dòng)狀態(tài)制動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形的正脈沖比負(fù)脈沖窄

，始終為負(fù)。制動(dòng)狀態(tài)制動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形在ton≤t<T期間，Vg2為正，VT2導(dǎo)通，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的作用下，反向電流沿回路3能耗制動(dòng)。在T≤t<T+ton（即下一周期的0≤t<ton）期間，Vg2為負(fù)，VT2關(guān)斷，-id沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋能量。VT2和VD1交替導(dǎo)通，VT1和VD2始終關(guān)斷。

制動(dòng)狀態(tài)工作狀態(tài)與波形輕載電動(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)流時(shí)，還沒有到達(dá)周期T，電流已經(jīng)衰減到零，此時(shí)，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)，產(chǎn)生局部時(shí)間的制動(dòng)作用。M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1

輕載電動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段：第1階段，VD1續(xù)流，電流–id

沿回路4流通；第2階段，VT1導(dǎo)通，電流id沿回路1流通；第3階段，VD2續(xù)流，電流id沿回路2流通；第4階段，VT2導(dǎo)通，電流–id沿回路3流通。

在1、4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)；在2、3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)。因此，在輕載時(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，其輸出波形見圖1-11d。有制動(dòng)電流通路的

不可逆PWM-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)圖1-11(a)所示電路之所以為不可逆是因?yàn)槠骄妷篣d始終大于零，電流雖然能夠反向，而電壓和轉(zhuǎn)速仍不能反向。如果要求轉(zhuǎn)速反向，需要再增加VT和VD，構(gòu)成可逆的PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。2.橋式可逆PWM變換器

可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖1-12所示。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)M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可逆PWM變換器。圖1-12橋式可逆PWM變換器H形主電路結(jié)構(gòu)+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4

雙極式控制方式（1）正向運(yùn)行：第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，Ug1、

Ug4為正，VT1

、VT4導(dǎo)通，Ug2、

Ug3為負(fù)，VT2

、VT3截止，電流id

沿回路1流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=+Us

；+UsM+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1UgVT1VT2VT4VT31ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4

雙極式控制方式（1）正向運(yùn)行：第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug1、

Ug4為負(fù)，VT1

、VT4截止，VD2

、VD3續(xù)流，并鉗位使VT2

、VT3保持截止，電流id沿回路2流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=–Us；+UsM+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1UgVT1VT2VT4VT312ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4

雙極式控制方式（2）反向運(yùn)行：第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，Ug2、

Ug3為負(fù)，VT2

、VT3截止，VD1

、VD4

續(xù)流，并鉗位使VT1

、VT4截止，電流–id

沿回路4流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=+Us

；+UsM+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1UgVT1VT2VT4VT3AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4

雙極式控制方式（1）反向運(yùn)行：第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug2、

Ug3為正，VT2

、VT3導(dǎo)通，Ug1、

Ug4為負(fù)，使VT1

、VT4保持截止，電流–id

沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=–Us

；+UsM+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1UgVT1VT2VT4VT33ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4

輸出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOb)正向電動(dòng)運(yùn)行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOc)反向電動(dòng)運(yùn)行波形

輸出平均電壓

雙極式控制可逆PWM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中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中

=2

–1

（1-20）注意：這里的計(jì)算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。

調(diào)速范圍

調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為0~1，–1<<+1。當(dāng)>0.5時(shí)，為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)<0.5時(shí)，為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)=0.5時(shí)，

=0，電機(jī)停止。注意：

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，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用。

性能評(píng)價(jià)

雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）電流一定連續(xù)；（2）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)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:20000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，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。

性能評(píng)價(jià)（續(xù)）

雙極式控制方式的不足之處是：

在工作過程中，4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)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。1.2.2．直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的電能回饋和泵升電壓PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電能不可能通過整流裝置送回交流電網(wǎng)，只能向?yàn)V波電容充電，形成直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)特有的電能回饋問題。對(duì)濾波電容充電的結(jié)果造成直流側(cè)電壓升高，稱作“泵升電壓”。系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)釋放的動(dòng)能將表現(xiàn)為電容儲(chǔ)能的增加，要適當(dāng)?shù)剡x擇電容的電容量，或采取其它措施，以保護(hù)電力電子開關(guān)器件不被泵升電壓擊穿。1.PWM控制器與變換器的數(shù)學(xué)模型圖1-14 PWM控制器與變換器框圖1.2.3.直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及機(jī)械特性1PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型

圖1-14繪出了PWM控制器和變換器的框圖，其驅(qū)動(dòng)電壓都由PWM控制器發(fā)出，PWM控制與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。按照上述對(duì)PWM變換器工作原理和波形的分析，不難看出，當(dāng)控制電壓改變時(shí)，PWM變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但當(dāng)控制電壓Uc改變時(shí)，PWM變換器的輸出電壓要到下一個(gè)開關(guān)周期才能改變，其響應(yīng)會(huì)有延遲，最大的時(shí)延是一個(gè)開關(guān)周期T。1.2.3.直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及機(jī)械特性

因此PWM控制與變換器（簡(jiǎn)稱PWM裝置）也可以看成是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成（1-22）其中Ks—PWM裝置的放大系數(shù)；

Ts—PWM裝置的延遲時(shí)間，Ts

≤

T0

。

當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時(shí)，T=0.1ms，在一般的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，因此,（1-23）與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。

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。2.直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機(jī)械特性也不一樣。對(duì)于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路和雙極式控制的可逆電路，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。

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)階段式中R、L—電樞電路的電阻和電感。

帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程（0≤t<ton）（1-24）（ton

≤t<T）（1-25）

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0改為–Us

，其他均不變。于是，電壓方程為(0≤

t<ton)(1-24)

雙極式可逆電路電壓方程(ton

≤

t<T)(1-25a)

機(jī)械特性方程

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。無論是上述哪一種情況，電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓都是Ud

=

Us，只是

與占空比

的關(guān)系不同。

平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用Id

和Te表示，平均轉(zhuǎn)速n=E/Ce，而電樞電感壓降的平均值Ldid

/dt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，其平均值方程都可寫成

(1-26)機(jī)械特性機(jī)械特性方程式為

或用轉(zhuǎn)矩表示，

式中，——電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；

——理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。圖2-12 直流PWM調(diào)速系統(tǒng)（電流連續(xù)）的機(jī)械特性圖中所示的機(jī)械曲線是電流連續(xù)時(shí)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。圖2-12 直流PWM調(diào)速系統(tǒng)（電流連續(xù)）的機(jī)械特性圖中僅繪出了第一、二象限的機(jī)械特性，它適用于帶制動(dòng)作用的不可逆電路，雙極式控制可逆電路的機(jī)械特性與此相仿，只是更擴(kuò)展到第三、四象限了。圖2-12 直流PWM調(diào)速系統(tǒng)（電流連續(xù)）的機(jī)械特性對(duì)于電機(jī)在同一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)電流不能反向的電路，輕載時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，把平均電壓抬高，在理想空載時(shí)，Id

=0，理想空載轉(zhuǎn)速會(huì)翹到n0s＝Us

/Ce

。1.3調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求：（1）調(diào)速——在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)；（3）加、減速——頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。1.3.1調(diào)速范圍和靜差率1、調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即

nmax和nmin是電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速來計(jì)算D。在設(shè)計(jì)調(diào)試系統(tǒng)時(shí)，通常視nmax為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nN2、靜差率s當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落ΔnN與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比： 用百分?jǐn)?shù)表示靜差率表示調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，和機(jī)械特性的硬度有關(guān)。特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度就越高。

圖1-16不同轉(zhuǎn)速下的靜差率特性a和b的硬度相同，特性a和b額定速降相同，特性a和b的靜差率不相同。靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調(diào)