现代电力电子技术第2章(Problem 4h)

1、哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所第第2 2章章 现代电力电子技术主要问题现代电力电子技术主要问题2.2 直流脉宽调速系统（直流脉宽调速系统（PWMPWM）主要问题）主要问题2.1 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M）主要问题）主要问题n 电流脉动及抑制脉动措施电流脉动及抑制脉动措施n 晶闸管晶闸管- -电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性n 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数n 直流直流PWMPWM调速系统机械特性调速系统机械特性n PWMPWM控制与变换器数学模型控制与变换器数学模型n 电能回馈与泵升电压的限制电

2、能回馈与泵升电压的限制哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数2.1 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M）主要问题）主要问题1 1触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制电流脉动及其波形的连续与断续电流脉动及其波形的连续与断续抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措施晶闸管晶闸管- -电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性2 23 34 45 5哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所 在可控整流电路中，在可控整流电路中，调节触发装置调节触发装置 GT GT 输出输出脉冲的相位，即可很方脉冲的

3、相位，即可很方便地改变可控整流器便地改变可控整流器 VT VT 输出瞬时电压输出瞬时电压 u ud d 的波形，以及输出平均的波形，以及输出平均电压电压 U Ud d 的数值。的数值。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制 图图1.1.触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制1哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 等效电路分析等效电路分析 如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可以用其理想空载瞬时值 ud0 和平均值 Ud0 来

4、表示，相当于用图示等效电路代替实际整流电路。Ud0IdE 图图2.V-M2.V-M系统主电路等效电路图系统主电路等效电路图 哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所 式中，式中， 电动机反电动势（电动机反电动势（V V）；）； 整流电流瞬时值（整流电流瞬时值（A A）；）； 主电路总电感（主电路总电感（H H）；）； 主电路等效电阻（主电路等效电阻（ ），）， R R = = R Rrec rec + + R Ra a + + R RL L。E Ei id dL LR Rn 瞬时电压平衡方程瞬时电压平衡方程tiLRiEuddddd0(2-1)(2-1)哈工大（威海）自动化研究所哈工

5、大（威海）自动化研究所式中， 从自然换相点算起的触发脉冲控制角； = 0 时的整流电压波形峰值（V）； 交流电源一周内的整流电压脉波数。 对于不同的整流电路，它们的数值见表1。Ummcossinmd0mUmU(2-2)n 整流电压的平均值计算整流电压的平均值计算对ud0进行积分，得理想空载整流电压平均值Ud0 。哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所表表1 不同整流电路的整流电压波形峰值、脉波数及平均整流电压不同整流电路的整流电压波形峰值、脉波数及平均整流电压* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。n 整流电压的平均值计算整流电压的平

6、均值计算哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 整流与逆变状态整流与逆变状态n 当00 ，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧； n 当/2max时， Ud0 0 ，装置处于有源逆变状态，电功率反向传送；n 为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。相控整流器的电压控制曲线如图3所示。 哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 逆变颠覆限制 图图3. 3. 相控整流器的电压控制曲线相控整流器的电压控制曲线 通过设置控制电压限幅值，来限制最大触发角。哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所电流脉动及其波形的连续与断续电流脉动及其波形的连续与断

7、续 由于电流脉动，可能出现电流连续和断续两种情况，这是V-M系统不同于G-M系统的又一个特点。当V-M系统主电路有足够大电感，或电动机负载足够大时，整流电流具有连续脉动波形。当电感量较小或负载较轻时，在某一相导通后电流升高时电感中储能较少；等到电流下降且下一相尚未被触发以前，电流已衰减到零，造成电流波形断续现象。2哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n V-MV-M系统主电路系统主电路的输出的输出 图图4.4.V-MV-M系统的电流波形系统的电流波形a）电流连续）电流连续b）电流断续）电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEU

8、dudttudidid哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措施n 设置平波电抗器；设置平波电抗器；n 增加整流电路相数；增加整流电路相数；n 采用多重化技术。采用多重化技术。3在在V-M系统中，脉动电流会产生脉动转矩，对生产机械不系统中，脉动电流会产生脉动转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为避免或减轻这种影响，采利，同时也增加电机的发热。为避免或减轻这种影响，采用抑制电流脉动措施：用抑制电流脉动措施：哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 平波电抗器的设置与计算平波电抗器的设置与计算n 单相桥式全控整流电路 n 三相半波

9、整流电路 n 三相桥式整流电路 mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0IUL（2-3）（2-5）（2-4）哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 多重化整流电路多重化整流电路 如图如图5所示，电路为由所示，电路为由2个三相桥并联而成个三相桥并联而成12脉波整流电脉波整流电路，路，使用平波电抗器来平衡使用平波电抗器来平衡2组整流器的电流。组整流器的电流。图图5.5.并联多重联结的并联多重联结的1212脉波整流电路脉波整流电路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LPM哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所晶闸管晶闸管- -电动

10、机系统的机械特性电动机系统的机械特性 当电流连续时，当电流连续时，V-MV-M系统的机械特性方程式为系统的机械特性方程式为 式中，式中，C Ce e电机在额定磁通下电动势系数电机在额定磁通下电动势系数, , C Ce e = = K Ke e N N 。)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（2-6）4哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 改变控制角，得一族平行直线，图6所示。n 图中电流较小部分画成虚线，电流波形断续，式（2-6）不适用。n 只要电流连续，晶闸只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以管可控整流器就可以看成是一个看成是一个线性可控电压源。n

11、电流连续情况电流连续情况 图图6.6.电流连续时电流连续时V-MV-M系统的机械特性系统的机械特性 n = Id R / CenIdILO哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所 电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂。电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂。以三相半波整流电路构成以三相半波整流电路构成V-MV-M系统为例，电流断续时机械特系统为例，电流断续时机械特性用下列方程组表示：性用下列方程组表示： (2-7) (2-7) (2-8)(2-8)式中，式中， ； 一个电流脉波的导通角。一个电流脉波的导通角。2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e

12、1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctgn 电流断续情况电流断续情况哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 电流断续机械特性计算电流断续机械特性计算n 当阻抗角当阻抗角 值已知时，对于不同控制角值已知时，对于不同控制角 ，可用数值解，可用数值解法求出一族电流断续时机械特性；法求出一族电流断续时机械特性；n 对于每条特性，求解过程都计算对于每条特性，求解过程都计算 = 2 /3为止，因为为止，因为 角角再大时，电流便连续了。对应于再大时，电流便连续了。对应于 = 2 /3 的曲线是电流的曲线是电流断续区与连续区的分界线。断续区与连续区的分界线

13、。哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n V-M V-M系统机械特性系统机械特性 图图7.7.完整的完整的V-MV-M系统机械特性系统机械特性哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n V-M系统机械特性特点系统机械特性特点 上图绘出完整的上图绘出完整的V-MV-M系统机械特性，分为电流连续区和电系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。由图流断续区。由图7 7可见：可见：n当电流连续时，特性还比较硬；当电流连续时，特性还比较硬；n断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。转速翘得很高。哈工大（威海）自

14、动化研究所哈工大（威海）自动化研究所触发和整流装置放大系数和传递函数触发和整流装置放大系数和传递函数n 进行调速系统分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流进行调速系统分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中一个环节来看待；装置当作系统中一个环节来看待；n 应用线性控制理论进行直流调速系统分析或设计时，需应用线性控制理论进行直流调速系统分析或设计时，需事先求出这个环节的放大系数和传递函数；事先求出这个环节的放大系数和传递函数；n 实际触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定工实际触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定工作范围内近似看成线性环节；作范围内近似看成线性环节；n 先用实验

15、方法测出该环节输入先用实验方法测出该环节输入- -输出特性，设计时，希输出特性，设计时，希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中，并有一定调节余量。中，并有一定调节余量。5哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算图图8.8.晶闸管触发与整流装置晶闸管触发与整流装置I/OI/O特性特性 晶闸管触发和晶闸管触发和整流装置放大系数整流装置放大系数可由工作范围内的可由工作范围内的特性率决定，计算特性率决定，计算方法：方法：cdsUUK(2-9)哈工大（威海

16、）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所如果不能实测特性，可根据装置参数估算。如果不能实测特性，可根据装置参数估算。如，设触发电路控制电压的调节范围为：如，设触发电路控制电压的调节范围为： U Uc c = 010V = 010V 相对应的整流电压的变化范围是：相对应的整流电压的变化范围是： U Ud d = 0220V = 0220V 可取，可取， K Ks s = 220/10 = 22= 220/10 = 22n 晶闸管触发和整流装置的放大系数估算晶闸管触发和整流装置的放大系数估算哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 晶闸管触发和整流装置的传递函数晶闸管触发和整流装置的

17、传递函数n 动态过程，把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞动态过程，把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应由晶闸管失控时间引起后环节，其滞后效应由晶闸管失控时间引起;n 晶闸管一旦导通，控制电压的变化在该器件关断以前晶闸管一旦导通，控制电压的变化在该器件关断以前不起作用，直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整不起作用，直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，造成整流电压滞后控制电压状况。流电压发生变化，造成整流电压滞后控制电压状况。哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 晶闸管触发与整流失控时间分析晶闸管触发与整流失控时间分析u2udUctt10Uc1

18、Uc21tt00022Ud01Ud02TSOOOO 图图9.9.晶闸管触发与整流装置的失控时间晶闸管触发与整流装置的失控时间哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所 显然，失控制时间是随机的，它的大小随发生变化的显然，失控制时间是随机的，它的大小随发生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换时刻而改变，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定：由下式确定： (2-10)(2-10)n 最大失控时间计算最大失控时间计算式中，式中， 交流电流频率（交流电流频率（Hz）

19、；）； 一周内整流电压的脉冲波数。一周内整流电压的脉冲波数。fmmfT1maxs哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n T Ts s 值的选取值的选取 对于整个系统的响应时间来说，对于整个系统的响应时间来说，T Ts s 不大，一般情况，取不大，一般情况，取统计平均值统计平均值 T Ts s = = T Tsmax smax /2/2，并认为是常数。有人按最严，并认为是常数。有人按最严重情况考虑，取重情况考虑，取T Ts s = = T Tsmaxsmax 。表。表2 2列出不同整流电路的失列出不同整流电路的失控时间。控时间。表表2 2 各种整流电路的失控时间（各种整流电路的失

20、控时间（f f =50Hz=50Hz）整流电路形式整流电路形式 最大失控时间最大失控时间 Tsmax（ms） 平均失控时间平均失控时间 Ts（ms） 单相半波单相半波 单相桥式（全波）单相桥式（全波） 三相半波三相半波 三相桥式、六相半波三相桥式、六相半波 20 10 6.67 3.33 10 5 3.33 1.67 哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入- -输出关系为输出关系为: :按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为：按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为：

21、（2-112-11）n 传递函数的求取传递函数的求取)( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所 由于式（由于式（2-11）中包含指数函数，它使系统成为非最小）中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则式（指数函数按台劳级数展开，则式（2-11）变成：）变成： n 传递函数的求取传递函数的求取33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT（2-12）哈工大（威海）自动

22、化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 近似传递函数近似传递函数 考虑到考虑到 T Ts s 很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节。一阶惯性环节。（2-132-13）sTKsWsss1)(哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 晶闸管触发与整流装置动态结构晶闸管触发与整流装置动态结构sTssKeUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)a) a) 准确的准确的b b）近似的）近似的图图10.10.晶闸管触发与整流装置动态结构框图晶闸管触发与整流装置动态结构框图ssss哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研

23、究所n 直流脉宽调速系统（直流脉宽调速系统（PWM） 全控型电力电子器件问世后，出现采用脉冲宽度调全控型电力电子器件问世后，出现采用脉冲宽度调制（制（PWM）的高频开关控制方式，形成的脉宽调制）的高频开关控制方式，形成的脉宽调制变换器变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统。统。2.2 直流脉宽调速系统（直流脉宽调速系统（PWMPWM）主要问题）主要问题哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所2.2 直流脉宽调速系统（直流脉宽调速系统（PWMPWM）主要问题）主要问题1 12 23 34 4n 主要问题表现在：主要问题表现在：PWM变换

24、器电压、电流波形变换器电压、电流波形直流直流PWM调速系统机械特性调速系统机械特性 PWM控制与变换器数学模型控制与变换器数学模型电能回馈与泵升电压的限制电能回馈与泵升电压的限制哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所PWMPWM变换器电压、电流波形变换器电压、电流波形n PWMPWM变换器的作用是：用变换器的作用是：用PWMPWM调制的方法，把恒定的直流调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。n PWMPW

25、M变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面分别阐述其工作原理。类，下面分别阐述其工作原理。1哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所(1) (1) 不可逆不可逆PWMPWM变换器变换器 1 1）简单的不可逆）简单的不可逆PWMPWM变换器变换器 简单的不可逆简单的不可逆PWMPWM变换器变换器- -直流电动机系统主电路原理图直流电动机系统主电路原理图如图如图1111所示，功率开关器件可以是任意一种全控型开关所示，功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又称器件，这样的电路又称直流降压斩波器。直流降压斩波器。 哈

26、工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所图中：图中：Us 直流电源电压直流电源电压； C 滤波电容器滤波电容器；M 直流电动机直流电动机； VD 续流二极管续流二极管； VT 功率开关器件功率开关器件； VT 栅极由脉宽可调的脉冲电压系列栅极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。驱动。图图11. 11. 简单不可逆简单不可逆PWMPWM变换器变换器- -直流电动机系统直流电动机系统 n 主电路结构主电路结构VDUs+UgCVTidM+_EM21UdOtUg哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 工作状态与波形工作状态与波形在一个开关周期内：在一个开关周期内：n 当当0 0

27、 t t t tonon时，时，U Ug g为正，为正，VTVT导通，导通，电源电压通过电源电压通过VTVT加加到电动机电枢两端；到电动机电枢两端；n 当当t tonon t t T T 时，时， U Ug g为负，为负，VTVT关断，关断，电枢失去电源，经电枢失去电源，经VDVD续流。续流。U, iUdEidUsttonT0图图12.12.电压和电流波形电压和电流波形O哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所电机两端得到平均电压为：电机两端得到平均电压为：式中，式中， = = t tonon / /T T 为为PWMPWM波形的占空比。波形的占空比。 ssondUUTtUn 输出

28、电压方程输出电压方程 改变改变 （0 0 1 1）即可调节电机的转速，若令）即可调节电机的转速，若令 = =U Ud d/ /U Us s为为PWMPWM电压系数，则在不可逆电压系数，则在不可逆PWM PWM 变换器中变换器中： = = ( (2 2-1-14 4) )哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所2）有制动的不可逆）有制动的不可逆PWM变换器电路变换器电路n 简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能作单象限运行；只能作单象限运行；n 需要制动时，必须为反向电流提供通路，如图需要制动时，必须为反向电流提供通路

29、，如图1313所示的所示的双管交替开关电路。当双管交替开关电路。当VTVT1 1导通时，流过正向电流导通时，流过正向电流+ +i id d ，VTVT2 2导通时，流过导通时，流过i id d；n 应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、二应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、二象限，象限， 因为平均电压因为平均电压 U Ud d 并没有改变极性。并没有改变极性。哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 主电路结构主电路结构图图13.13.有制动电流通路的不可逆有制动电流通路的不可逆PWMPWM变换器变换器M+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+M

30、VT2Ug2VT1Ug1哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 工作状态与波形工作状态与波形一般电动状态一般电动状态：始终为正值（其正方向示于图始终为正值（其正方向示于图1313中中）。设）。设t tonon为为VTVT1 1导导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：通时间，则一个工作周期有两个工作阶段： 在在0 0 t t t tonon期间，期间， U Ug1g1为正，为正，VTVT1 1导通，导通， U Ug2g2为负，为负，VTVT2 2关断。关断。此时，电源电压此时，电源电压U Us s加到电枢两端，电流加到电枢两端，电流 i id d 沿图中的回路沿图中的回路1 1

31、流通流通； 在在 t tonon t t T T 期间，期间， U Ug1g1和和U Ug2g2都改变极性，都改变极性，VTVT1 1关断，但关断，但VTVT2 2却却不能立即导通，因为不能立即导通，因为i id d沿回路沿回路2 2经二极管经二极管VDVD2 2续流，在续流，在VDVD2 2两端产生两端产生的压降给的压降给VTVT2 2施加反压，使它失去导通可能施加反压，使它失去导通可能； 实际上是由实际上是由VTVT1 1和和VDVD2 2交替导通，交替导通，虽然电路中多一个功率开关器件，虽然电路中多一个功率开关器件，但没有用上。但没有用上。哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研

32、究所输出波形：输出波形： 一般电动状态电压、电流波形与简单不可逆电路波形一样。一般电动状态电压、电流波形与简单不可逆电路波形一样。U, iUdEidUsttonT0O 图图14. 14. 一般电动状态的电压、电流波形一般电动状态的电压、电流波形n 工作状态与波形（续）工作状态与波形（续）哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 工作状态与波形（续）工作状态与波形（续） 制动状态：制动状态： 制动状态，制动状态，i id d为负值，为负值，VTVT2 2就发挥作用。这种情况就发挥作用。这种情况发生在电动运行过程中降速的时候。先减小控制电压，发生在电动运行过程中降速的时候。先减小控制

33、电压，使使 U Ug1 g1 正脉冲变窄，负脉冲变宽，使平均电枢电压正脉冲变窄，负脉冲变宽，使平均电枢电压U Ud d降降低。但因机电惯性，转速和反电动势低。但因机电惯性，转速和反电动势E E还来不及变化，还来不及变化，造成造成 E E U Ud d 局面，很快使电流局面，很快使电流i id d反向，反向，VDVD2 2截止，截止， VTVT2 2开始导通。开始导通。哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所 制动状态一个周期分为两个工作阶段：制动状态一个周期分为两个工作阶段：n在在 0 0 t t t tonon 期间，期间，VTVT2 2 关断，关断，i id d 沿回沿回路路

34、4 4 经经 VD VD1 1 续流，向电源回馈制动，与此同时，续流，向电源回馈制动，与此同时， VDVD1 1 两端压降钳住两端压降钳住 VT VT1 1 使它不能导通使它不能导通；n在在 t tonon t t T T 期间，期间， U Ug2 g2 变正，变正，VTVT2 2导通，反导通，反向电流向电流 i id d 沿回路沿回路 3 3 流通，产生流通，产生能耗制动作能耗制动作用用；n在制动状态中，在制动状态中， VT VT2 2和和VDVD1 1轮流导通，轮流导通，VTVT1 1始终关断，始终关断，此时电压和电流波如图此时电压和电流波如图1515所示。所示。 n 工作状态与波形（续）

35、工作状态与波形（续）哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 输出波形输出波形图图15.15.制动状态的电压、电流波形制动状态的电压、电流波形U, iUdE-idUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOO哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n工作状态与波形（续）工作状态与波形（续） 轻载电动状态轻载电动状态 有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均电流有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有到达周期较小，以致在关断后经续流时，还没有到达周期 T T ，电流已衰减到零，此时电流已衰减到零，

36、此时，因两端电压也降为零，便提前因两端电压也降为零，便提前导通，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。导通，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所 轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：n 第第1 1阶段，阶段，VDVD1 1续流，电流续流，电流i id d沿回路沿回路4 4流通流通；n 第第2 2阶段，阶段，VTVT1 1导通，电流导通，电流 i id d 沿回路沿回路1 1流通流通；n 第第3 3阶段，阶段，VDVD2 2续流，电流续流，电流 i id d 沿回路沿回路2 2流通流通；n 第第4 4阶

37、段，阶段，VTVT2 2导通，电流导通，电流i id d沿回路沿回路3 3流通流通。n 工作状态与波形（续）工作状态与波形（续）哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 在在1 1、4 4阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态；状态；n 在在2 2、3 3阶段，电动机流过正方向电流，电机工作在电动阶段，电动机流过正方向电流，电机工作在电动状态。状态。n 轻载时，电流可在正负方向间脉动，平均电流等于负载轻载时，电流可在正负方向间脉动，平均电流等于负载电流，其输出波形见图电流，其输出波形见图1616所示。所示。n 工作状态与波形（续）

38、工作状态与波形（续）哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 输出波形输出波形图图16.16.轻载电动状态的电流波形轻载电动状态的电流波形4123TtonU, iUdEidUsttonT041 23OidtOt4t2哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 工作状态电流方向工作状态电流方向0 ton ton T 期间 工作状态 0 t4 t4 ton ton t2 t2 T 一般电动 状态 导通器件 电流回路 电流方向 VT1 1 + VD2 2 + 制动状态 导通器件 电流回路 电流方向 VD1 4 VT2 3 轻载电动 状态 导通器件 电流回路 电流方向 VD1

39、 4 VT1 1 + VD2 2 + VT2 3 表表3 3 二象限不可逆二象限不可逆PWMPWM变换器不同状态导通器件和电流方向变换器不同状态导通器件和电流方向哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所（2 2）桥式可逆）桥式可逆PWMPWM变换器变换器n 可逆可逆PWMPWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称称H H形）电路，如图形）电路，如图1717所示。所示。n 电动机电动机M M两端电压极性随开关器件栅极驱动电压极性变化两端电压极性随开关器件栅极驱动电压极性变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等而改变，其控制

40、方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只分析双极式控制的可逆多种，这里只分析双极式控制的可逆PWMPWM变换器。变换器。哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图图17.17. 桥式可逆桥式可逆PWMPWM变换器变换器n H H形主电路结构形主电路结构哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 双极式控制方式双极式控制方式（1 1）正向运行）正向运行n第第1 1阶段，在阶段，在 0 0 t t t tonon 期间，期间

41、， U Ug1 g1 、 U Ug4g4为正，为正， VTVT1 1 、 VT VT4 4导通，导通， U Ug2 g2 、 U Ug3g3为负，为负，VTVT2 2 、 VT VT3 3截止，截止，电流电流 i id d 沿回路沿回路1 1流通，电动机流通，电动机M M两端电压两端电压U UABAB = + = +U Us s ；n第第2 2阶段，在阶段，在t tonon t t T T期间，期间， U Ug1 g1 、 U Ug4g4为负，为负， VTVT1 1 、 VT VT4 4截止，截止， VD VD2 2 、 VD VD3 3续流，续流， 并钳位使并钳位使VTVT2 2 、 VTV

42、T3 3保持截止，电流保持截止，电流 i id d 沿回路沿回路2 2流通，电动机流通，电动机M M两端电两端电压压U UABAB = = U Us s ；哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 双极式控制方式（续）双极式控制方式（续）（2 2）反向运行）反向运行n第第1 1阶段，在阶段，在 0 0t t t tonon 期间，期间， U Ug2 g2 、 U Ug3g3为负，为负，VTVT2 2 、 VT VT3 3截止，截止， VD VD1 1 、 VD VD4 4 续流，并钳位使续流，并钳位使 VTVT1 1 、 VT VT4 4截止，电流截止，电流 i id d 沿回路

43、沿回路4 4流通，电动机流通，电动机M M两端电压两端电压U UABAB = + = +U Us s ；n第第2 2阶段，在阶段，在t tonon t tT T 期间，期间， U Ug2 g2 、 U Ug3 g3 为正，为正， VTVT2 2 、 VT VT3 3导通，导通， U Ug1 g1 、 U Ug4g4为负，使为负，使VTVT1 1 、 VT VT4 4保保持截止，电流持截止，电流 i id d 沿回路沿回路3 3流通，电动机流通，电动机M M两端电两端电压压U UABAB = = U Us s ；哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 输出波形输出波形U, iUd

44、Eid+UsttonT0-UsO 1) 正向电动运行波形正向电动运行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsO 2) 反向电动运行波形反向电动运行波形图图18.18.桥式可逆桥式可逆PWMPWM变换器变换器哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 输出平均电压输出平均电压 双极式控制可逆双极式控制可逆PWMPWM变换器的输出平均电压为变换器的输出平均电压为: : 如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中则在双极式控制的可逆变换器中 = 2= 2 1 1 （2-16） 注意：这里注意：这里 与

45、与不可逆变换器中公式不一样。不可逆变换器中公式不一样。sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtU（2-15）哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 调速范围调速范围 调速时，调速时， 的可调范围为的可调范围为0-10-1， 11 +1 0.50.5时，时， 为正，电机正转；为正，电机正转；n当当 0.50.5时，时， 为负，电机反转；为负，电机反转；n当当 = 0.5= 0.5时，时， = 0 = 0 ，电机停止。，电机停止。哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 注意注意 电机停止时，电枢电压不等于零，而是正负脉宽相等的电机停止时，电枢电压不等于零，

46、而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流交变。其平均值为零，不产生交变脉冲电压，因而电流交变。其平均值为零，不产生平均转矩，增大电机损耗，这是双极式控制的缺点。但平均转矩，增大电机损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除正、反向时静摩擦死区，除正、反向时静摩擦死区，起起“动力润滑动力润滑”作用。作用。哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 性能评价性能评价 双极式控制的桥式可逆双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：变换器有下列优点： 1）电流一定连续；）电流一定连续； 2）可使电机在四

47、象限运行；）可使电机在四象限运行； 3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区； 4）低速平稳性好，系统调速范围达）低速平稳性好，系统调速范围达1:20000左右；左右； 5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利 于保证器件的可靠导通。于保证器件的可靠导通。 哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 性能评价（续）性能评价（续）双极式控制方式的不足之处是：双极式控制方式的不足之处是： 工作过程中，工作过程中，4 4个开关器件可能都处于开关状态，开关损个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大

48、，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通事故，为耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通事故，为防止直通，上、下桥臂驱动脉冲应设置逻辑延时。防止直通，上、下桥臂驱动脉冲应设置逻辑延时。哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所直流脉宽调速系统机械特性直流脉宽调速系统机械特性n 由于采用脉宽调制，即使在稳态情况，脉宽调速系统转由于采用脉宽调制，即使在稳态情况，脉宽调速系统转矩和转速也是脉动的，所谓稳态，是指电机平均电磁转矩和转速也是脉动的，所谓稳态，是指电机平均电磁转矩与负载转矩相平衡状态，机械特性是平均转速与平均矩与负载转矩相平衡状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）关系转矩（电流）

49、关系；n 采用不同采用不同PWMPWM变换器，系统机械特性不一样。对于带制动变换器，系统机械特性不一样。对于带制动电流通路不可逆电路和双极式控制可逆电路，电流方向电流通路不可逆电路和双极式控制可逆电路，电流方向可逆，无论是重载还是轻载，电流波形都连续，因而机可逆，无论是重载还是轻载，电流波形都连续，因而机械特性关系式比较简单。械特性关系式比较简单。2哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所带制动电流通路不可逆电路，电压平衡方程式分两阶段：带制动电流通路不可逆电路，电压平衡方程式分两阶段： 式中，式中， R R、L L 分别为电枢电路的电阻和电感。分别为电枢电路的电阻和电感。 n 带

50、制动不可逆电路电压方程带制动不可逆电路电压方程EtiLRiUdddd s（0 0 t t t ton on ） （2-172-17）EtiLRidd0dd（t tonon t t T T ） （2-182-18）哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所 双极式控制可逆电路，只在第二个方程中电源电压由双极式控制可逆电路，只在第二个方程中电源电压由0 0改改为为U Us s ，其他均不变，电压方程为：，其他均不变，电压方程为：n 双极式可逆电路电压方程双极式可逆电路电压方程EtiLRiUdddds( 0 ( 0 t t t ton on ) (2-19) (2-19) EtiLRiUd

51、ddds( (t tonon t t T T ) (2-20) ) (2-20) 哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 机械特性方程机械特性方程 按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式。无论是上述哪一种情况，电枢两端在一个性方程式。无论是上述哪一种情况，电枢两端在一个周期内的平均电压都是周期内的平均电压都是 U Ud d = = U Us s，只是，只是 与占空比与占空比 的关系不同，分别为式（的关系不同，分别为式（2 2-1-14 4）和式（）和式（2 2- -1616）。）。 哈工大（威海）自动化研究所哈工大（

52、威海）自动化研究所n 平均电流和转矩分别用平均电流和转矩分别用I Id d和和T Te e表示，平均转速表示，平均转速n n = = E E/ /C Ce e，而电枢电感压降的平均值而电枢电感压降的平均值 L Ld di id d/d/dt t 在稳态时应为零；在稳态时应为零；n 无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成：无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成：n 机械特性方程机械特性方程nCRIERIUedds(2-21)哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 机械特性方程机械特性方程 (2-22)(2-22)或用转矩表示：或用转矩表示： (2-23)(2-23

53、)式中，式中，C Cm m 电机在额定磁通下的转矩系数，电机在额定磁通下的转矩系数，C Cm m= =K Km m N N ； n n0 0 理想空载转速，与电压系数成正比理想空载转速，与电压系数成正比n n0 0= = U Us s/ /C Ce e 。de0deesICRnICRCUneme0emeesTCCRnTCCRCUn哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n PWM PWM调速系统机械特性调速系统机械特性nId , TeOn0ss0.5n0s0.25n0sId , Te =1 = 0.75 = 0.5 = 0.25图图19.19.脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续）

54、脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续）哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 说明说明n 图中机械曲线是电流连续时脉宽调速系统稳态性能；图中机械曲线是电流连续时脉宽调速系统稳态性能；n 图中仅绘出第一、二象限机械特性，它适用带制动作用图中仅绘出第一、二象限机械特性，它适用带制动作用 不可逆电路，双极式控制可逆电路机械特性与此相仿，不可逆电路，双极式控制可逆电路机械特性与此相仿， 只是扩展到第三、四象限；只是扩展到第三、四象限；n 对电机在同一方向旋转时电流不能反向的电路，轻载时对电机在同一方向旋转时电流不能反向的电路，轻载时 会出现电流断续现象，把平均电压抬高，理想空载时，会出

55、现电流断续现象，把平均电压抬高，理想空载时， I Id=0 d=0 ，理想空载转速会翘到，理想空载转速会翘到 n n0 0s sU Us/s/C Ce e ；n 中小容量脉宽调速系统，开关频率在中小容量脉宽调速系统，开关频率在30kHz30kHz左右，最大左右，最大 电流脉动量在额定电流电流脉动量在额定电流5%5%以下，转速脉动量不到额定空以下，转速脉动量不到额定空 载转速万分之一载转速万分之一，可忽略不计。，可忽略不计。哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所PWM控制与变换器的数学模型控制与变换器的数学模型n 图图2020绘出绘出PWMPWM控制器和变换器框图，其驱动电压由控制

56、器和变换器框图，其驱动电压由 PWM PWM 控制器发出，控制器发出，PWMPWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致；管触发与整流装置基本一致；n 按照按照PWMPWM变换器工作原理和波形分析，不难看出，当控变换器工作原理和波形分析，不难看出，当控制电压改变时，制电压改变时，PWMPWM变换器输出平均电压按线性规律变变换器输出平均电压按线性规律变化，但响应会有延迟，最大时延是一个开关周期化，但响应会有延迟，最大时延是一个开关周期T T。3哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所UcUgUdPWM控制器控制器PWM变换器变换器图图20.PWM20.PWM控制与变换器的框图控制与变换器的框图 n PWMPWM控制与变换器的数学模型控制与变换器的数学模型哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所 PWM控制与变换器（简称控制与变换器（简称PWM装置）也可以看成是装置）也可以