电机与拖动第4章 变流器供电下直流电机的机械特性

1、第4章 变流器供电下直流电机的机械特性内容简介 相控变流器供电下直流电机的机械特性及其四象限运行分析； 直流斩波器供电下直流电机的机械特性及其四象限运行分析； 由于相控变流器所采用晶闸管器件的单向导电性，仅靠一组相控变流器直流电机不可能完成由电动机运行状态到发电制动状态运行的转换。只有通过一组变流器工作在整流状态，另一组变流器工作在逆变状态下才能实现上述状态的转换，这是相控变流器的不足之一。4.2 斩控方式下直流电机的机械特性 斩控式PWM变换器（又称为斩波器）可以将恒定的直流电源电压变换为大小和极性均可调的直流电压，从而方便地实现直流电动机的平滑调速以及四象限运行。 由于采用全控型器件（如I

2、GBT、MOSFET、GTR），其开关频率高，系统的动态响应快，调速范围宽（可达1:20000），综合指标明显优于相控式变流器。A、直流PWM变换器的基本原理、电路结构与工作状态a、斩波器的基本工作原理 图4.7a、b分别给出了直流斩波器的原理图以及控制与输出电压的波形图。 图4.7 直流PWM变换器的原理图与其电压波形 设斩波器的导通时间为 ，关断时间为 ，则开关频率为：(4-13)定义其占空比为：(4-14) 则输出电压的平均值为：(4-15) 由式（4-15）可见，改变占空比便可以改变电枢两端电压的平均值。 占空比可以通过下列两种方式改变：定频调宽法：即保持开关频率不变，而仅改变导通时间

3、；定宽调频法：即保持导通时间不变，仅改变开关频率。 斩波器多采用定频调宽法即PWM进行控制，故这种控制方式的斩波器又称为直流PWM变换器。 b、四象限可逆式直流PWM变换器 具有四象限运行功能的直流PWM变换器如图4.8所示。 图4.8 具有四象限运行的H桥直流PWM变换器 下面对直流PWM变换器在四象限的运行情况分别讨论如下：第I象限运行： 第I象限对应于直流电机处于正向电动机运行状态，此时，电枢电流和转速（或反电势）的方向均为正。 图4.9a给出了第I象限运行时主回路的电路图。此时，主开关 和 同时导通。 图4.9 第I象限运行的直流PWM变换器 假定 关断，则电枢回路中的电流将减小。在电

4、枢电感的自感电势作用下，电枢电流将通过二极管 和 续流，此时电枢回路处于短路状态，相应的主电路如图4.9b所示。图4.10a、b给出了第 I 象限运行时电枢两端的电压和电枢电流的波形。图4.10 第I象限运行时直流PWM变换器的输出电压和电流波形 同样，电枢电压的改变也可以采用另一方案实现。现介绍如下： 假若电枢电流连续，在上述方案中，如果关断的不仅仅是主开关 ，而是 和 同时关断，则在电枢电感的作用下，电枢电流将沿二极管 和 组成的回路导通。此时，电枢两端的电压为 ，直流电机将工作在反接制动状态。 第II象限运行： 第II象限对应于直流电机处于正向发电制动状态，此时，转速（或反电势）方向保持

5、正向不变，而电枢电流反向，转子储存的动能将通过变流器回馈至直流电源。 假定系统刚开始运行在第I象限，一旦发出制动命令，则 和 关断， 和 首先导通，则电枢电流将流向直流电源并迅速降为零。为了使电流反向，控制 T4 导通。在反电势的作用下，电流将通过 和 构成回路，并将电枢回路短路。在此阶段，直流电机进入能耗制动状态。当电流达到上限值时，控制 关断。在电枢电感的作用下，电枢电流将通过 流回直流电源，如图4.11所示。此时，直流电机进入回馈制动阶段。 图4.11 第II象限运行的直流PWM变换器 图4.12给出了第II象限运行时的电枢电压和电流的波形。图4.12 第II象限运行直流PWM变换器的输

6、出电压和电流波形 由图4.12可见，电枢两端的平均电压为正，而平均电枢电流为负，表明电功率由直流电机流向电源。第III象限运行： 第III象限对应于直流电机处于反向电动机状态，此时，转速（或反电势）与电枢电流均反向。 图4.13a给出了第III象限运行时主回路的电路图。图中，主开关 和 同时导通，电流增加。若 关断，则电枢回路短路，如图4.13b所示。 图4.13 第III象限运行的直流PWM变换器图4.14a、b分别给出了电流连续和断续时的电枢电压和电流波形。 图4.14 第III象限运行直流PWM变换器的输出电压和电流波形第III象限时系统的运行情况与第I象限类似。第IV象限运行： 第IV

7、象限对应于直流电机处于反向发电制动状态，此时，转速（或反电势）保持反向不变，电枢电流变为正向，电动机储存的动能便会通过变流器回馈至直流电源。 假定系统刚开始运行在第III象限，一旦发出制动命令，则 和 断开， 和 导通，则电枢电流将流向直流电源，并迅速降为零。为了使电流改变方向，控制 导通。在反电势的作用下，电流将通过 和 构成回路，并将电枢回路短路。在此阶段，直流电机进入能耗制动状态，电流将增加。 当电流达到上限值时，控制 关断。在电枢电感的作用下，电枢电流将通过 流回直流电源，如图4.15所示。此时，直流电机进入回馈制动阶段。 图4.16给出了第IV象限运行时的电枢电压和电流的波形。 图4

8、.15 第IV象限运行的直流PWM变换器图4.16 第IV象限运行直流PWM变换器的输出电压和电流波形 由图4.16可见，电枢两端的平均电压为负，而平均电枢电流为正，表明电功率由直流电机流向电源。c、其它形式的直流PWM变换器电路 图4.17a、b、c给出了几种常用的直流PWM变换器，它们分别是图4.8所示变流器的变种。其中，图4.17a为单象限直流PWM变换器；图4.17b、c均为两象限直流PWM变换器。 图4.17 单象限和两象限直流PWM变换器 B、PWM变换器供电下直流电机的机械特性分析 为了分析直流PWM变换器供电直流电机的稳态性能，通常采用如下两种方法：一是忽略谐波的平均值分析法；

9、二是考虑谐波的瞬时稳态计算方法。 假定直流电机的转速恒定，定子采用他励励磁方式，且激磁磁通保持额定值不变。在这一条件下，分别采用上述两种方法对直流电机的机械特性讨论如下：a、平均值分析法平均值分析法： 平均值分析法是一种将直流电机的机械特性用平均转速和平均电磁转矩之间的关系来描述的方法，它描述的实际上是一种准稳态下的机械特性。 当电枢电流连续时，在一个开关周期内电枢电流的平均值为 ，电枢电流的平均值为 ，平均电磁转矩为 ，则直流PWM变换器供电下直流电机的机械特性为： （4-16）式中，理想空载转速 ，它与占空比 成正比。 根据上式绘出直流PWM变换器供电下直流电机在第I、II象限内的机械特性

10、如图4.18所示。图4.18 直流PWM变换器供电下直流电机的机械特性 b、稳态下瞬时电枢电流的计算方法 图4.19a、b 分别给出了电流连续和断续时外加电枢电压和电流的典型波形。 图4.19 斩控方式下直流电机电枢电压和电流的波形 下面对上述两种情况下的瞬时稳态电枢电流或电磁转矩的计算方法分别介绍如下：（1）电流连续时： 参考图4. 8和图4.19a，直流PWM变换器导通和关断时电枢回路的瞬时电压平衡方程式可分别表示为：方程（4-17）的解为：（4-17）（4-18）（4-19）其中，电枢回路的时间常数为 。 同样，方程（4-18）的解为：（4-20）式中， 。 由图4.19a的周期性可以得边界条件为： （4-21）利用上述边界条件，可求出 和 分别为： （4-22）（4-23） 将 和 分别代入式（4-19）和（4-20）便可求出稳态时的瞬时电枢电流。 直流PWM变换器使电流连续的最小占空比 被称为临界占空比。临界占空比可以通过使 求出，其具体表达式为：（4-24） 由上式可见，临界占空比与电枢回路的时间常数和开关周期之比以及反电势与电源电压之比有关。 （2）电流断续时： 参考图4. 8和图4.19b，电枢电流断续时电枢回路的瞬时电压平衡方程式可分别表示为：（4-25）（4-