電力拖動自動控制系統(tǒng)(第3)(陳伯時)第2講

第1篇直流拖動控制系統(tǒng)

1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流調(diào)速方法直流調(diào)速電源直流調(diào)速控制當(dāng)前第1頁\共有104頁\編于星期三\5點根據(jù)直流電機轉(zhuǎn)速方程

1.1.1直流調(diào)速方法nUIRKe

—轉(zhuǎn)速（r/min）；

—電樞電壓（V）；

—電樞電流（A）；

—電樞回路總電阻（

）；

—勵磁磁通（Wb）；

—由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。（1-1）當(dāng)前第2頁\共有104頁\編于星期三\5點

由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速：

（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；（2）減弱勵磁磁通；（3）改變電樞回路電阻R。當(dāng)前第3頁\共有104頁\編于星期三\5點（1）調(diào)壓調(diào)速工作條件：

保持勵磁

=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，機械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線當(dāng)前第4頁\共有104頁\編于星期三\5點（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：

保持勵磁

=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，機械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線當(dāng)前第5頁\共有104頁\編于星期三\5點（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：

減小勵磁

N

n，n0調(diào)速特性：

轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線當(dāng)前第6頁\共有104頁\編于星期三\5點

三種調(diào)速方法的性能與比較對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。

改變電阻只能有級調(diào)速；

減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。當(dāng)前第7頁\共有104頁\編于星期三\5點1.1.2常用的可控直流電源旋轉(zhuǎn)變流機組——用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。靜止式可控整流器——用靜止式的可控整流器，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——用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。當(dāng)前第8頁\共有104頁\編于星期三\5點(1)旋轉(zhuǎn)變流機組圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）

當(dāng)前第9頁\共有104頁\編于星期三\5點

G-M系統(tǒng)工作原理

由原動機（柴油機、交流異步或同步電動機）拖動直流發(fā)電機G實現(xiàn)變流，由G給需要調(diào)速的直流電動機M供電，調(diào)節(jié)G的勵磁電流if即可改變其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速n。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱G-M系統(tǒng)，國際上通稱Ward-Leonard系統(tǒng)。當(dāng)前第10頁\共有104頁\編于星期三\5點

G-M系統(tǒng)特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限圖1-2G-M系統(tǒng)機械特性當(dāng)前第11頁\共有104頁\編于星期三\5點(2)靜止式可控整流器圖1-3晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

當(dāng)前第12頁\共有104頁\編于星期三\5點V-M系統(tǒng)工作原理晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard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

來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。當(dāng)前第13頁\共有104頁\編于星期三\5點V-M系統(tǒng)的特點

與G-M系統(tǒng)相比較：晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟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，不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。當(dāng)前第14頁\共有104頁\編于星期三\5點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)的可逆運行造成困難。晶閘管對過電壓、過電流和過高的dV/dt與di/dt都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。當(dāng)前第15頁\共有104頁\編于星期三\5點(3)直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器

在干線鐵道電力機車、工礦電力機車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵或復(fù)勵電動機，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的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。當(dāng)前第16頁\共有104頁\編于星期三\5點a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路M

1).直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)圖1-5直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形

當(dāng)前第17頁\共有104頁\編于星期三\5點

2).斬波器的基本控制原理

在原理圖中，VT表示電力電子開關(guān)器件，VD表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT導(dǎo)通時，直流電源電壓Us加到電動機上；當(dāng)VT關(guān)斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖1-5b，好像是電源電壓Us在ton時間內(nèi)被接上，又在T–ton時間內(nèi)被斬斷，故稱“斬波”。當(dāng)前第18頁\共有104頁\編于星期三\5點這樣，電動機得到的平均電壓為3).輸出電壓計算(1-2)式中T—晶閘管的開關(guān)周期；ton

—開通時間；

—占空比，=ton/T=tonf；其中f為開關(guān)頻率。當(dāng)前第19頁\共有104頁\編于星期三\5點

為了節(jié)能，并實行無觸點控制，現(xiàn)在多用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等。采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，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，脈寬調(diào)制變換器（PWM-PulseWidthModulation）。當(dāng)前第20頁\共有104頁\編于星期三\5點

4).斬波電路三種控制方式根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式：T不變，變ton—脈沖寬度調(diào)制（PWM）；ton不變，變T—脈沖頻率調(diào)制（PFM）；ton和T都可調(diào)，改變占空比—混合型。當(dāng)前第21頁\共有104頁\編于星期三\5點

PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（1）主電路線路簡單，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，電機損耗及發(fā)熱都較??；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:10000左右；（4）若與快速響應(yīng)的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；當(dāng)前第22頁\共有104頁\編于星期三\5點PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（續(xù)）（5）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，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。當(dāng)前第23頁\共有104頁\編于星期三\5點小結(jié)

三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀60~70年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。直流PWM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，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。當(dāng)前第24頁\共有104頁\編于星期三\5點1.2晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

的主要問題

本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個主要問題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制；（2）電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；（3）抑制電流脈動的措施；（4）晶閘管--電動機系統(tǒng)的機械特性；（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)當(dāng)前第25頁\共有104頁\編于星期三\5點

在可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器VT輸出瞬時電壓ud

的波形以及輸出平均電壓Ud

的數(shù)值。OOOOO1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制當(dāng)前第26頁\共有104頁\編于星期三\5點Ud0IdE

等效電路分析

如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時值ud0和平均值Ud0來表示，相當(dāng)于用圖示的等效電路代替實際的整流電路。圖1-7V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

當(dāng)前第27頁\共有104頁\編于星期三\5點

式中

—電動機反電動勢；—整流電流瞬時值；—主電路總電感；—主電路等效電阻；且有R=Rrec+Ra+RL；對Ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0。EidLR

瞬時電壓平衡方程(1-3)當(dāng)前第28頁\共有104頁\編于星期三\5點用觸發(fā)脈沖的相位角

控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點。

Ud0與觸發(fā)脈沖相位角

的關(guān)系因整流電路的形式而異，對于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時式中—從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角；Um—

=0時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)對于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表1-1所示。當(dāng)前第29頁\共有104頁\編于星期三\5點表1-1不同整流電路的整流電壓值*U2

是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。當(dāng)前第30頁\共有104頁\編于星期三\5點

整流與逆變狀態(tài)當(dāng)0<</2時，Ud0>0，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；當(dāng)/2<<max

時，Ud0<0，裝置處于有源逆變狀態(tài)，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。相控整流器的電壓控制曲線如下圖

當(dāng)前第31頁\共有104頁\編于星期三\5點圖1-8相控整流器的電壓控制曲線

O

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。當(dāng)前第32頁\共有104頁\編于星期三\5點1.2.2電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)

由于電流波形的脈動，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這是V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的又一特點。當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，且電動機的負載也足夠大時，整流電流便具有連續(xù)的脈動波形。當(dāng)電感量較小或負載較輕時，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段，電感中的儲能較少；等到電流下降而下一相尚未被觸發(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。當(dāng)前第33頁\共有104頁\編于星期三\5點V-M系統(tǒng)主電路的輸出圖1-9V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudidid當(dāng)前第34頁\共有104頁\編于星期三\5點1.2.3抑制電流脈動的措施

在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會產(chǎn)生脈動的轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利，同時也增加電機的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，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)。當(dāng)前第35頁\共有104頁\編于星期三\5點

（1）平波電抗器的設(shè)置與計算單相橋式全控整流電路三相半波整流電路三相橋式整流電路

（1-6）（1-8）（1-7）當(dāng)前第36頁\共有104頁\編于星期三\5點（2）多重化整流電路

如圖電路為由2個三相橋并聯(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M當(dāng)前第37頁\共有104頁\編于星期三\5點1.2.4晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性

當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為

式中Ce=KeN—電機在額定磁通下的電動勢系數(shù)（1-9）當(dāng)前第38頁\共有104頁\編于星期三\5點（1）電流連續(xù)情況

改變控制角，得一族平行直線，這和G-M系統(tǒng)的特性很相似，如圖1-10所示。圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續(xù)，公式（1-9）已經(jīng)不適用了。圖1-10電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性

△n=Id

R/CenIdILO當(dāng)前第39頁\共有104頁\編于星期三\5點上述分析說明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。當(dāng)前第40頁\共有104頁\編于星期三\5點

（2）電流斷續(xù)情況當(dāng)電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復(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)時機械特性須用下列方程組表示式中；—一個電流脈波的導(dǎo)通角。(1-10)(1-11)當(dāng)前第41頁\共有104頁\編于星期三\5點（3）電流斷續(xù)機械特性計算

當(dāng)阻抗角值已知時，對于不同的控制角，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時的機械特性。對于每一條特性，求解過程都計算到=2/3為止，因為角再大時，電流便連續(xù)了。對應(yīng)于=2/3的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。當(dāng)前第42頁\共有104頁\編于星期三\5點圖1-11完整的V-M系統(tǒng)機械特性（4）V-M

系統(tǒng)

機械

特性當(dāng)前第43頁\共有104頁\編于星期三\5點（5）V-M系統(tǒng)機械特性的特點

圖1-11繪出了完整的V-M系統(tǒng)機械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見：當(dāng)電流連續(xù)時，特性還比較硬；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。當(dāng)前第44頁\共有104頁\編于星期三\5點1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和

傳遞函數(shù)在進行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計時，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。應(yīng)用線性控制理論進行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設(shè)計時，須事先求出這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。當(dāng)前第45頁\共有104頁\編于星期三\5點

實際的觸發(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)近似看成線性環(huán)節(jié)。如有可能，最好先用實驗方法測出該環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，即曲線，圖1-13是采用鋸齒波觸發(fā)器移相時的特性。設(shè)計時，希望整個調(diào)速范圍的工作點都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調(diào)節(jié)余量。當(dāng)前第46頁\共有104頁\編于星期三\5點

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計算

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計算方法是

圖1-13晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測定

(1-12)當(dāng)前第47頁\共有104頁\編于星期三\5點如果不能實測特性，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)的計算當(dāng)前第48頁\共有104頁\編于星期三\5點

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)

在動態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時間引起的。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)斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來到時才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。當(dāng)前第49頁\共有104頁\編于星期三\5點u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TsOOOO（1）晶閘管觸發(fā)與整流失控時間分析圖1-14晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間當(dāng)前第50頁\共有104頁\編于星期三\5點

顯然，失控制時間是隨機的，它的大小隨發(fā)生變化的時刻而改變，最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定

(1-13)

（2）最大失控時間計算式中

—交流電流頻率；—一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fm當(dāng)前第51頁\共有104頁\編于星期三\5點

（3）Ts

值的選取

相對于整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間來說，Ts是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計平均值Ts

=Tsmax/2，并認為是常數(shù)。也有人主張按最嚴重的情況考慮，取Ts=Tsmax。表1-2列出了不同整流電路的失控時間。表1-2各種整流電路的失控時間（f=50Hz）當(dāng)前第52頁\共有104頁\編于星期三\5點用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-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

（1-14）（4）傳遞函數(shù)的求取當(dāng)前第53頁\共有104頁\編于星期三\5點

由于式（1-14）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)計都比較麻煩。為了簡化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺勞級數(shù)展開，則式（1-14）變成

（1-15）

當(dāng)前第54頁\共有104頁\編于星期三\5點

（5）近似傳遞函數(shù)

考慮到Ts

很小，可忽略高次項，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。

（1-16）當(dāng)前第55頁\共有104頁\編于星期三\5點

（6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)(a)準(zhǔn)確的（b）近似的圖1-15晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖ssss當(dāng)前第56頁\共有104頁\編于星期三\5點1.3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，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻開關(guān)控制方式形成的脈寬調(diào)制變換器-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。

本節(jié)提要（1）PWM變換器的工作狀態(tài)和波形；（2）直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性；（3）PWM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。當(dāng)前第57頁\共有104頁\編于星期三\5點1.3.1PWM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PWM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系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。PWM變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與可逆兩大類，下面分別闡述其工作原理。當(dāng)前第58頁\共有104頁\編于星期三\5點1.不可逆PWM變換器（1）簡單的不可逆PWM變換器

簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)主電路原理圖如圖1-16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。

當(dāng)前第59頁\共有104頁\編于星期三\5點圖1-16簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)

VDUs+UgCVTidM+__E（a）電路原理圖

M?主電路結(jié)構(gòu)21當(dāng)前第60頁\共有104頁\編于星期三\5點圖中：Us為直流電源電壓，

C為濾波電容器，

VT為功率開關(guān)器件，VD為續(xù)流二極管，M為直流電動機，VT的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動。當(dāng)前第61頁\共有104頁\編于星期三\5點工作狀態(tài)與波形在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0≤

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

≤

t<T時，Ug為負，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。U,iUdEidUsttonT0圖1-16b電壓和電流波形O當(dāng)前第62頁\共有104頁\編于星期三\5點電機兩端得到的平均電壓為

(1-17)式中=ton

/T為PWM波形的占空比，

輸出電壓方程改變（0≤

<1）即可調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，若令=Ud/Us為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM變換器

=

(1-18)當(dāng)前第63頁\共有104頁\編于星期三\5點（2）有制動的不可逆PWM變換器電路

在簡單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動能力，只能作單象限運行。需要制動時，必須為反向電流提供通路，如圖1-17a所示的雙管交替開關(guān)電路。當(dāng)VT1

導(dǎo)通時，流過正向電流+id，VT2

導(dǎo)通時，流過–id。應(yīng)注意，這個電路還是不可逆的，只能工作在第一、二象限，因為平均電壓Ud并沒有改變極性。當(dāng)前第64頁\共有104頁\編于星期三\5點圖1-17a有制動電流通路的不可逆PWM變換器主電路結(jié)構(gòu)M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1當(dāng)前第65頁\共有104頁\編于星期三\5點工作狀態(tài)與波形一般電動狀態(tài)在一般電動狀態(tài)中，始終為正值（其正方向示于圖1-17a中）。設(shè)ton為VT1的導(dǎo)通時間，則一個工作周期有兩個工作階段：在0≤

t≤

ton期間，Ug1為正，VT1導(dǎo)通，Ug2為負，VT2關(guān)斷。此時，電源電壓Us加到電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通。當(dāng)前第66頁\共有104頁\編于星期三\5點一般電動狀態(tài)（續(xù)）在ton

≤

t≤T期間，Ug1和Ug2都改變極性，VT1關(guān)斷，但VT2卻不能立即導(dǎo)通，因為id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。

因此，實際上是由VT1和VD2交替導(dǎo)通，雖然電路中多了一個功率開關(guān)器件，但并沒有被用上。當(dāng)前第67頁\共有104頁\編于星期三\5點U,iUdEidUsttonT0O輸出波形：一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形與簡單的不可逆電路波形（圖1-16b）完全一樣。b）一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形當(dāng)前第68頁\共有104頁\編于星期三\5點工作狀態(tài)與波形（續(xù)）制動狀態(tài)

在制動狀態(tài)中，id為負值，VT2就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動運行過程中需要降速的時候。這時，先減小控制電壓，使Ug1的正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而使平均電樞電壓Ud降低。但是，由于機電慣性，轉(zhuǎn)速和反電動勢E還來不及變化，因而造成EUd

的局面，很快使電流id反向，VD2截止，VT2開始導(dǎo)通。當(dāng)前第69頁\共有104頁\編于星期三\5點

制動狀態(tài)的一個周期分為兩個工作階段：在0≤

t≤

ton

期間，VT2關(guān)斷，－id

沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋制動，與此同時，VD1兩端壓降鉗住VT1使它不能導(dǎo)通。在ton

≤

t≤

T期間，Ug2變正，于是VT2導(dǎo)通，反向電流id

沿回路3流通，產(chǎn)生能耗制動作用。

因此，在制動狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導(dǎo)通，而VT1始終是關(guān)斷的，此時的電壓和電流波形示于圖1-17c。

當(dāng)前第70頁\共有104頁\編于星期三\5點U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO

輸出波形c）制動狀態(tài)的電壓﹑電流波形當(dāng)前第71頁\共有104頁\編于星期三\5點工作狀態(tài)與波形（續(xù)）輕載電動狀態(tài)有一種特殊情況，即輕載電動狀態(tài)，這時平均電流較小，以致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時，還沒有到達周期T，電流已經(jīng)衰減到零，此時，因而兩端電壓也降為零，便提前導(dǎo)通了，使電流方向變動，產(chǎn)生局部時間的制動作用。當(dāng)前第72頁\共有104頁\編于星期三\5點

輕載電動狀態(tài)，一個周期分成四個階段：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.當(dāng)前第73頁\共有104頁\編于星期三\5點

在1、4階段，電動機流過負方向電流，電機工作在制動狀態(tài)；在2、3階段，電動機流過正方向電流，電機工作在電動狀態(tài)。因此，在輕載時，電流可在正負方向之間脈動，平均電流等于負載電流，其輸出波形見圖1-17d。當(dāng)前第74頁\共有104頁\編于星期三\5點

輸出波形d）輕載電動狀態(tài)的電流波形4123Tton0U,iUdEidUsttonT04123O當(dāng)前第75頁\共有104頁\編于星期三\5點小結(jié)表1-3二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài)當(dāng)前第76頁\共有104頁\編于星期三\5點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1-20所示。這時，電動機M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動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。當(dāng)前第77頁\共有104頁\編于星期三\5點+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-18橋式可逆PWM變換器

H形主電路結(jié)構(gòu)當(dāng)前第78頁\共有104頁\編于星期三\5點

雙極式控制方式（1）正向運行：第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，Ug1、

Ug4為正，VT1、VT4導(dǎo)通，Ug2、

Ug3為負，VT2

、

VT3截止，電流id

沿回路1流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug1、

Ug4為負，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，電動機M兩端電壓UAB=–Us

；當(dāng)前第79頁\共有104頁\編于星期三\5點

雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運行：第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，Ug2、

Ug3為負，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，電動機M兩端電壓UAB=+Us

；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug2、

Ug3為正，VT2、VT3導(dǎo)通，Ug1、

Ug4為負，使VT1、VT4保持截止，電流–id

沿回路3流通，電動機M兩端電壓UAB=–Us；當(dāng)前第80頁\共有104頁\編于星期三\5點

輸出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOb)正向電動運行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOc)反向電動運行波形當(dāng)前第81頁\共有104頁\編于星期三\5點輸出平均電壓

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：這里的計算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。當(dāng)前第82頁\共有104頁\編于星期三\5點調(diào)速范圍

調(diào)速時，的可調(diào)范圍為0~1，–1<<+1。當(dāng)>0.5時，為正，電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)<0.5時，為負，電機反轉(zhuǎn)；當(dāng)=0.5時，=0，電機停止。當(dāng)前第83頁\共有104頁\編于星期三\5點注意：

當(dāng)電機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機的損耗，這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。當(dāng)前第84頁\共有104頁\編于星期三\5點

性能評價

雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機在四象限運行；（3）電機停止時有微振電流，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1:20000左右；（5）低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。

當(dāng)前第85頁\共有104頁\編于星期三\5點

性能評價（續(xù)）

雙極式控制方式的不足之處是：

在工作過程中，4個開關(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)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。當(dāng)前第86頁\共有104頁\編于星期三\5點1.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性

由于采用脈寬調(diào)制，嚴格地說，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)速也都是脈動的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。當(dāng)前第87頁\共有104頁\編于星期三\5點

采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機械特性也不一樣。對于帶制動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，因而機械特性關(guān)系式比較簡單，現(xiàn)在就分析這種情況。當(dāng)前第88頁\共有104頁\編于星期三\5點

對于帶制動電流通路的不可逆電路，電壓平衡方程式分兩個階段

式中R、L—電樞電路的電阻和電感。

帶制動的不可逆電路電壓方程（0≤t<ton）（1-21）（ton

≤t<T）（1-22）當(dāng)前第89頁\共有104頁\編于星期三\5點

對于雙極式控制的可逆電路，只在第二個方程中電源電壓由0改為–Us

，其他均不變。于是，電壓方程為(0≤

t<ton)(1-23)

雙極式可逆電路電壓方程(ton

≤

t<T)(1-24)

當(dāng)前第90頁\共有104頁\編于星期三\5點

機械特性方程

按電壓方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機械特性方程式。無論是上述哪一種情況，電樞兩端在一個周期內(nèi)的平均電壓都是Ud

=

Us，只是與占空比的關(guān)系不同，分別為式（1-18）和式（1-20）。

當(dāng)前第91頁\共有104頁\編于星期三\5點

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

(1-25)當(dāng)前第92頁\共有104頁\編于星期三\5點

(1-26)或用轉(zhuǎn)矩表示，

(1-27)式中Cm=KmN—電機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；

n0=Us

/Ce

—理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。

機械特性方程當(dāng)前第93頁\