变流技术与运动控制--第 3 课

1、（三）（三） 桥式可逆桥式可逆PWMPWM变换器变换器 控制用变换器：控制用变换器： 改变直流电动机两端改变直流电动机两端电压极性电压极性，需要可逆变换器。即，需要可逆变换器。即通过改变开关器件通过改变开关器件栅极驱动电压极性栅极驱动电压极性来改变直流电动机两来改变直流电动机两端的极性。端的极性。 控制方式有控制方式有多种多种： （1 1）双极式双极式 （2 2）单极式单极式 （3 3）受限单极式受限单极式 这里只着重分析最常用的这里只着重分析最常用的双极式控制双极式控制的可逆的可逆PWMPWM变换变换器器，即，即 H H形桥式可逆形桥式可逆PWMPWM变换器工作原理变换器工作原理。 直流直流

2、电动机电动机正转反转控制方法：正转反转控制方法： 改变直流电动机改变直流电动机两端两端电压的极性电压的极性，即可改变直流电动，即可改变直流电动机旋转方向。机旋转方向。+UsUg4M+Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABM图图1-18 1-18 桥式可逆桥式可逆PWMPWM变换器变换器1 1、H H形形桥式可逆桥式可逆PWMPWM变换器变换器主电路结构主电路结构2 2、双极式控制方式双极式控制方式（1 1）正向运行：）正向运行：第第1 1阶段，在阶段，在 0 0 t t t tonon 期间，期间， U Ug1 g1 、 U Ug4g4为正为正- VT VT1

3、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 id 沿回路沿回路1 1流通流通 （ABAB） 电动机电动机 M M 两端电压两端电压U UABAB = + = +U Us s 电动机电动机正转正转 +n+UsUg4M+Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABM1U, iUdEid+UsttonT0-Us+Us第第2 2阶段，在阶段，在t tonont tT T期间，期间， U Ug1 g1 、 U Ug4g4为负为负-VT1 VT1 、 VT4 VT4截止截止 VD2

4、VD2 、 VD3 VD3续流续流-并钳位使并钳位使VT2 VT2 、 VT3VT3保持截止保持截止 电流电流 id 沿回路沿回路2 2流通流通 （ABAB） 电动机电动机 M M 两端电压两端电压U UABAB = = U Us s 电动机电动机正转正转 +nU, iUdEid+UsttonT0-Us+UsUg4M+Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABM2+Us1第第1 1阶段，在阶段，在t tonon t t T 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 Ug4g

5、4为负为负-使使VTVT1 1、VTVT4 4保持截止保持截止 电流电流 id 沿回路沿回路3 3流通流通 （BABA） 电动机电动机M M两端电压：两端电压：U UABAB = = U Us s 电动机电动机反转反转 -n+UsUg4M+Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMU, iUdEid+UsttonT0-Us(2)(2)反向运行：反向运行：3+Us 第第2 2阶段，在阶段，在 T T t t T + T + t tonon 期间期间 U Ug2 g2 、 U Ug3g3为负为负-VTVT2 2、VTVT3 3截止截止 U Ug1 g1 、 U Ug4

6、g4为负为负-VTVT1 1、VTVT4 4应导通，应导通，由由VDVD1 1、VDVD4 4 续流使其钳位而截止续流使其钳位而截止 电流电流 id 沿回路沿回路4 4流通流通 （BABA） 电动机电动机 M M 两端电压两端电压U UABAB = + = +U Us s ； 电动机电动机反转反转 -n+UsUg4M+Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMU, iUdEid+UsttonT0-Us4+Us33 3、输出波形输出波形U, iUdEid+UsttonT0-Usb) b) 正向电动运行波形正向电动运行波形U, iUdEid+UsttonT0-Usc)

7、 c) 反向电动运行波形反向电动运行波形4、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变换器的输出平均电压为压为: : 如果占空比和电压系数的定义与不可逆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变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中器中:sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtU(1-19) = 2 = 2 1 1 (1-20)(1-20) 注意：注意：这里这里 的计算公式与的计算公式与不可逆变换不可逆变换器中的公式就不一样了。器中的公式就不一样了。5 5、调速范围调速范围 调速时调速时 占空比占空比 的

8、可调范围的可调范围：0 01 1 电压系数变化范围：电压系数变化范围：1 1 +1 0.50.5时，时， 为正，电机正转；为正，电机正转； （2 2）当当 0.50.5时，时， 为负，电机反转；为负，电机反转； （3 3）当当 = 0.5= 0.5时，时， = 0 = 0 ，电机停止，电机停止。 当电机停止时当电机停止时n = =0 0 , ,电电枢电压枢电压Ud000，而是正负脉，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因宽相等的交变脉冲电压，因而电流而电流 id 也是交变的。也是交变的。注注 意：意： 这个交变这个交变电流的平均值为零电流的平均值为零，不产生，不产生平均转矩平均转矩，徒然，徒然增大

9、电机的增大电机的损耗损耗，这是双极式控制的，这是双极式控制的缺点缺点。 但它也有但它也有好处好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的而消除了正、反向时的静摩擦死区静摩擦死区，起着所谓，起着所谓“动力润滑动力润滑”的作用。的作用。6 6、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PWMPWM变换器变换器优点优点： （1 1）电流一定连续；）电流一定连续； （2 2）可使电机在四象限运行；）可使电机在四象限运行； （3 3）电机停止时有微振电流，能消除静）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；摩擦死区； （4 4）低速平稳性好，

10、系统的调速范围可）低速平稳性好，系统的调速范围可达达1:200001:20000左右；左右； （5 5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲）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。仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。 双极式控制方式的双极式控制方式的不足之处不足之处是：是： （1 1）在工作过程中，）在工作过程中，4 4个开个开关器件可能都处于开关状态，关器件可能都处于开关状态，开开关损耗大关损耗大； （2 2）在切换时可能发生上、在切换时可能发生上、下桥臂下桥臂直通的事故直通的事故。 为了防止为了防止直通直通，在上、下，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置桥臂的驱动脉冲之间，

11、应设置逻辑延时逻辑延时。1.2.2 1.2.2 直流脉宽调速系统的机械特性直流脉宽调速系统的机械特性 由于采用由于采用脉宽调制脉宽调制，严格地说，即使在，严格地说，即使在稳态情况下，脉宽调速系统的稳态情况下，脉宽调速系统的转矩转矩和和转速转速也也都都是脉动的是脉动的。 所谓稳态所谓稳态： 是指电机的是指电机的平均电磁转矩平均电磁转矩与与负载转矩负载转矩相相平衡平衡的状态，的状态， 机械特性：机械特性： 是是平均转速平均转速与与平均转矩（电流）平均转矩（电流）的关系。的关系。 采用不同形式的采用不同形式的PWMPWM变换器变换器，系统的，系统的机械特性也不一样。机械特性也不一样。 对于对于带制动

12、电流通路的带制动电流通路的不可逆电路不可逆电路和和双极式控制的双极式控制的可逆电路可逆电路： （1 1）电流的方向电流的方向是是可逆的可逆的， （2 2）电流的波形电流的波形都是都是连续的连续的，无论，无论是重载还是轻载。是重载还是轻载。 因而机械特性关系式比较简单，现因而机械特性关系式比较简单，现在就分析这种情况：在就分析这种情况： 对于带制动电路通路的不可逆电路，电对于带制动电路通路的不可逆电路，电压平衡方程式分两个阶段：压平衡方程式分两个阶段： 式中：式中：R R、L L 电枢电路的电阻和电感。电枢电路的电阻和电感。 1 1、带制动的不可逆电路电压方程带制动的不可逆电路电压方程EtiLR

13、iUdddd s（0 t ton） （1-20）EtiLRidd0dd（ton t T） （1-21）12M_+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1ECUs+M 对于双极式控制的可逆电路，只在第二对于双极式控制的可逆电路，只在第二个方程中电源电压由个方程中电源电压由 0 0 改为改为 U Us s ，其他均，其他均不变。于是，电压方程为：不变。于是，电压方程为：EtiLRiUdddds( 0 t ton ) (1-22) 2 2、双极式可逆电路电压方程双极式可逆电路电压方程EtiLRiUdddds(ton t T ) (1-23) 3 3、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

14、值，即可导按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出出机械特性方程式机械特性方程式。 无论是上述哪一种情况，电枢两端在一个周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（1-171-17）和式（）和式（1-191-19）。）。 ondsstUUUT = = = 2 = 2 1 1sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtU 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，表示， 平均转速平均转速 n = E/Ce， 而电枢电

15、感压降的平均值而电枢电感压降的平均值 L（did /dt） 在稳态时应为零。在稳态时应为零。 于是，无论是上述哪一组电压方程，其于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成：平均值方程都可写成：nCRIERIUedds(1-24)式中：式中： Cm = Km N 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； n0 = Us / Ce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。则机械特性方程为：则机械特性方程为：de0deesICRnICRCUn(1-26)eme0emeesTCCRnTCCRCUn(1-27)或用转矩表示：或用转矩表示： 4 4、PWMP

16、WM调速系统机械特性调速系统机械特性图图1-20 1-20 脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续）脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续） n0sUs /CenId , TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId , Teav = 1 = 0.75 = 0.5 = 0.25 说说 明明 1 1、图中所示的机械图中所示的机械特性特性曲线是电流连续曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能；时脉宽调速系统的稳态性能； 2 2、图中仅绘出了第一、二象限的机械特图中仅绘出了第一、二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路。性，它适用于带制动作用的不可逆电路。 双极式控制可逆电路的机械

17、特性与此相双极式控制可逆电路的机械特性与此相仿，只是更扩展到第三、四象限了。仿，只是更扩展到第三、四象限了。 3 3、对于电机在同一方向旋转时电流不对于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，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，在理想空载时，把平均电压抬高，在理想空载时，Id = 0 = 0 ，理想空载转速会翘到理想空载转速会翘到 n0sUs / Ce 。 UcUgUdPWM控制器PWM变换器图图1-21 1-21 PWMPWM控制与变换器框图控制与变换器框图 1.2.3 1.2.3 PWMPWM控制与变换器的数学模型控制与变换器的数学模型1 1、

18、PWM控制器与控制器与变换器变换器框图框图 按照上述对按照上述对PWMPWM变换器工作原理和波变换器工作原理和波形的分析，不难看出，当控制电压改变形的分析，不难看出，当控制电压改变时，时，PWMPWM变换器输出变换器输出平均电压按线性规律平均电压按线性规律变化。变化。 但其响应也会有但其响应也会有延迟延迟，最大的时延最大的时延是是一个开关周期一个开关周期T T 。2 2、PWMPWM控制器与控制器与变换器变换器传递函数传递函数 因此因此PWMPWM控制与变换器（简称控制与变换器（简称PWMPWM装置）装置）也可以看成是一个滞后环节，其传递函数可也可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成：以写

19、成：其中：其中：K Ks s PWM PWM装置的放大系数装置的放大系数 T Ts s PWM PWM装置的延迟时间装置的延迟时间，T Ts s T T0 0 sTKsUsUsWse)()()(scds（1-27） 当开关频率为当开关频率为10K10KH Hz z时，则时，则T T =0.1ms =0.1ms ，在一在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，因此：因此：与与晶闸管装置传递函数晶闸管装置传递函数完全一致。完全一致。 1)(ssssTKsW(1-28)(

20、1-28)3 3、PWMPWM控制器与控制器与变换器变换器等效为一节惯性环节等效为一节惯性环节4 4、PWMPWM控制器与控制器与变换器变换器动态结构图动态结构图1sssTKUC (S)Ud (S)PWMPWM系统的优越性系统的优越性: : 1、主电路线路简单，需用的功率器件少、主电路线路简单，需用的功率器件少； 2、开关频率高，电流容易连续，谐波少，、开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；电机损耗及发热都较小； 3、低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；、低速性能好，稳速精度高，调速范围宽； 4、系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能、系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；力强

21、； 5、功率开关器件工作在开关状态，导通损、功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；因而装置效率较高； 6、直流电源采用不控整流时，电网功率因、直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。数比相控整流器高。 任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。对调速性能都有一定的要求。 归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：以下三个方面：1. 1. 控制要求控制要求1.3 1.3 调速系统性能指

22、标调速系统性能指标 （1 1）调速调速在一定的在一定的最高转速最高转速和和最低转速最低转速范围内，分档地（有级）或范围内，分档地（有级）或 平滑地（无级）调节平滑地（无级）调节转速；转速； （3 3）加、减速加、减速频繁起、制动的设备要求频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；加、减速尽量快，以提高生产率； 不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。尽量平稳。 （2 2）稳速稳速以一定的精度在所需转速上稳以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；以

23、确保产品质量；2. 2. 调速指标调速指标 （1 1）调速范围：调速范围： 生产机械要求电动机提供的最高转速和最生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母低转速之比叫做调速范围，用字母 D D 表示，表示，即即： 其中其中： nmax和和nmin一般都指一般都指电机额定负载电机额定负载时的最高时的最高和最低转速和最低转速； 对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。也可用实际负载时的转速。minmaxnnD （1-301-30） （2 2）静差率：静差率：或用百分数表示或用百分数表示：0Nnns（1-32） %1

24、000Nnns（1-33） 式中：式中： nN = = n0 - nN 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落增加到额定值时所对应的转速降落 nN ，与理想，与理想空载转速空载转速 n0 之比，称作静差率之比，称作静差率 s ，即，即：图图1-23 1-23 不同转速下的静差率不同转速下的静差率aNanns00TeNTen0an0bab nNa nNb n3. 3. 静差率与机械特性硬度的区别静差率与机械特性硬度的区别 静差率静差率和和机械特机械特性硬度性硬度是有区别的。是有区别的。 一般调压调速系一般调压调速系统在不同电

25、枢电压下统在不同电枢电压下的的机械特性机械特性是是互相平互相平行的行的 。 对于同样硬度的对于同样硬度的特性，特性，理想空载转速理想空载转速越低时，静差率越大越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也转速的相对稳定度也就越差。就越差。0NnnsbNbnn0例如：例如： 如果如果 n = 1000r/min= 1000r/min， 转速转速降落降落 n = 10r/min= 10r/min，%1%100100010%1000Nnns%01%1001000100%1000Nnns%001%1001010%1000Nnns又若又若 n n= =100100r/minr/min时时如果如果 n = = 1

26、010r/minr/min时，时，转速转速降落降落 n = 10r/min= 10r/min，这时电动机已经停止转动。这时电动机已经停止转动。 因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。此孤立的，必须同时提才有意义。 调速系统的调速系统的静差率指标静差率指标应以应以最最低速低速时所能时所能达到的数值为准达到的数值为准。4. 4. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系调速范围、静差率和额定速降之间的关系 在直流电动机变压调速系统中，一般以电动在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的机的额定转速额定转速n nN N为为最高转速最

27、高转速，若额定负载下的转，若额定负载下的转速降落为速降落为 n nN N，则按照上面分析的结果，该，则按照上面分析的结果，该系统的系统的静差率静差率应该是应该是最低速时的静差率最低速时的静差率，即：，即：NminNmin0Nnnnnns于是，最低转速为：于是，最低转速为： snsnsnnNNNmin)1 (而调速范围为：而调速范围为： maxNminminnnDnn将上面的式代入将上面的式代入 n nminmin 式式，得：，得： NN(1)n sDns（1-33） 式（式（1-331-33）表示调压调速系统的调速范围、）表示调压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。静差率和

28、额定速降之间所应满足的关系。NN(1)n sDns（1-33） 对于同一个调速系统，对于同一个调速系统， n nN N 值一定值一定，由式，由式（1-331-33）可见，如果对静差率要求越严，即要求）可见，如果对静差率要求越严，即要求 s s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。 w结论结论1 1： 一个调速系统的调速范围，是指一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。速可调范围。w 例题例题1-11-1： 某直流调速系统电动机额定转速为某直流调速系统电动机额定转速为n nN N=1430

29、r/min=1430r/min，额定速降额定速降 n nN N=115r/min=115r/min，当要求静差率，当要求静差率s30%s30%时，允时，允许多大的调速范围？如果要求静差率许多大的调速范围？如果要求静差率s20%s20%，则调，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到速范围是多少？如果希望调速范围达到1010，所能满，所能满足的静差率是多少？足的静差率是多少？解题前说明：本题意要求解的问题有三个：解题前说明：本题意要求解的问题有三个： 1 1、已知、已知n nN N 、 n nN N 和和 s30%s30% 求求D D 2 2、已知、已知n nN N 、 n nN N 和和 s20

30、%s20% 求求D D 3 3、已知已知n nN N 、 n nN N 和和 D=10D=10 求求S S解解 ：1 1、要求要求S S 30%30%时，调速范围为：时，调速范围为：1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430DNN1430 0.35.3(1)115 (1 0.3)n sDnsNNN10 1150.44644.6%1430 10 115D nsnD n3 3、若调速范围达到若调速范围达到1010，则静差率只能是：，则静差率只能是：2 2、若要求若要求S S 20%20%，则调速范围只有：，则调速范围只有：5. 5. 开环调速系统及其存在的问题开环调速系统及其存在的问题

31、晶闸管晶闸管电动机系统和可逆直流电动机系统和可逆直流PWMPWM调速系调速系统都可以构成统都可以构成开环调速系统开环调速系统。 调节调节控制电压控制电压Uc就可以改变就可以改变电动机的转速电动机的转速。 但是，许多需要调速的生产机械常常对静差但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。在这些情况下，开环调速系统率有一定的要求。在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。往往不能满足要求。 如果负载的生产工艺对运行时的静差率要如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，可以找到一些用途。内的无级调速，可