电力拖动自动控制系统第四章

电力拖动自动控制系统第四章主讲教师：解小华学时：64第四章直流脉宽调速系统本章提要

♦问题的提出♦脉宽调制变换器♦直流脉宽调速系统的机械特性♦PWM调速系统控制电路第四章直流脉宽调速系统问题的提出自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器—直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。对于直流电机调速，可控直流电源可以有两种方式：①晶闸管整流；②斩波电源或脉宽调制变换器。斩波电源利用不可控直流电源经过电子开关的高频通断切换来实现对负载电压供电。第四章直流脉宽调速系统V-M直流调速系统通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。与G-M系统相比V-M系统有很多优越性，但它也有缺点：①电流是脉动的，产生谐波分量，尤其在低速时，因此需要加平波电抗器。设备投入大，体积增加，同时电感大又限制了系统的快速性。②当系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变殃及附近的用电设备，也限制了调速范围。③对过电压、过电流敏感，要注意保护。第四章直流脉宽调速系统◎直流PWM调速系统优点：①

主电路简单，不用电抗器，用电机本身的电感，从而获得脉动很小的直流电流；②开关频率高，电枢电流容易连续，无电流断续问题；

③系统的低速运行平稳，调速范围较宽；④频带宽，响应快；⑤功率因素高。电流和电压永远相同，无无功功率问题。PWM调速系统和V-M调速系统主要区别在主电路和PWM控制电路。闭环控制系统以及静、动态分析和设计基本一样。PWM脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制变换器。第四章直流脉宽调速系统§4-1脉宽调制变换器本节提要

□不可逆PWM变换器

□可逆PWM变换器§4-1脉宽调制变换器一、不可逆PWM变换器

（一）简单的不可逆PWM变换器(直流降压斩波器)1.组成简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统

VDUs+UgCVTid+__EM21Us：由二极管整流电路提供；电容C：大容量，滤波；二极管VD：在晶体管VT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路；功率开关器件VT由脉宽可调的脉冲电压Ug驱动。§4-1脉宽调制变换器2.基本原理

①由二极管整流桥完成：交→直

②Us恒定，控制VT在一个周期内导通的长短，即脉冲宽度，来改变电枢平均电压Ud

→可控。tttusUsUsUSududUd1Ud2f2ftontontontonTT2T2T在一个开关周期T内，当0≤t≤ton时，Ug为正，VT饱和导通，ud=us。

当ton≤t<T时，Ug为负VT截止，ud=0，M经VD续流。系统Uct小，Ug的导通时间ton短；Uct大，Ug的导通时间ton长。显然，Ud2>Ud1。§4-1脉宽调制变换器♦电压和电流波形U,iUdEidUsttonT0O§4-1脉宽调制变换器电机两端得到的平均电压为

式中ρ=ton/T为PWM波形的占空比，改变ρ（0≤ρ<1）即可调节电机的转速。PWM脉宽调速系统如上述介绍有许多优点，但也存在缺点：①过压能力低，需保护；②VT单向导电性，不可逆，无制动。

需要制动时，必须具有反向电流-id的通路，因此应再设置一个电力晶体管。§4-1脉宽调制变换器（二）有制动的不可逆PWM变换器电路

1.主电路结构

有制动电流通路的不可逆PWM变换器M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1|Ug1|=|Ug2|极性相反§4-1脉宽调制变换器2.工作状态与波形①

M是电动状态a）在0≤t≤ton期间，Ug1为正，VT1导通，Ug2为负，VT2关断。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流id

沿图中的回路1流通。

b）在ton≤t≤T期间，Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2也不能导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。因此，电动状态是由VT1和VD2交替导通，VT2始终不通。§4-1脉宽调制变换器♦输出波形：电动状态的电压、电流波形与简单的不可逆电路波形完全一样。U,iUdEidUsttonT0OM为电动状态的电压、电流波形§4-1脉宽调制变换器②制动状态（减速）减速时，减小Uct，使Ug1

的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压Ud降低(Ud1↓→Ud2)。由于机电惯性，转速n和反电动势E还来不及变化，因而造成E>Ud

的局ududtontonTTUd1Ud2EE面，由Ud0=E+IdR可知，很快使电流id反向，这时希望VT2发挥作用。§4-1脉宽调制变换器制动状态的一个周期分为两个工作阶段，先分析ton→T阶段。

a）在ton≤t≤T期间，Ug2变正，于是VT2导通，E–Ud使电流id反向，沿回路3流通，M：处于能耗制动。b）在T≤t≤T+ton

(下一周期的0≤t≤ton)期间，VT2关断，-id

沿回路4经VD1续流，向电源回馈制动，同时在VD1两端上的压降使VT1不能导通。制动状态电流流向如下图。§4-1脉宽调制变换器♦制动状态电流流向：M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E43CUs+MVT2Ug2VT1Ug1§4-1脉宽调制变换器在整个制动状态中，VT2和VD1轮流导通，而VT1始终是关断的。此时的电压和电流波形如下图：U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO制动状态的电压﹑电流波形§4-1脉宽调制变换器由于制动作用使电动机转速下降(n↓、E↓)，直到新的稳态，(Ud>E)又回到VT1和VD2轮流导通，M重新回到电动状态。♦注意：当US（直流电源）采用半导体整流装置时，其单向导电性，在回馈制动阶段电能不可能通过它送回电网，只能向滤波电容C充电，从而造成瞬间电压升高，称作“泵升电压”。它的值太高时，对电力晶体管和整流二极管都不利，限制的措施书中有介绍。§4-1脉宽调制变换器③轻载电动状态有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有到达周期T，电流已经衰减到零，此时，VT2两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：

•第一阶段，VD1续流，电流–id

沿回路4流通；

•第二阶段，VT1导通，电流id

沿回路1流通；

•第三阶段，VD2续流，电流id

沿回路2流通；

•第四阶段，VT2导通，电流–id

沿回路3流通。§4-1脉宽调制变换器在一、四阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态；在二、三阶段，电动机流过正方向电流，电机工作在电动状态。因此，在轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流，其输出波形见下图：轻载电动状态的电流波形4123Tton0U,iUdEidUsttonT04123O§4-1脉宽调制变换器◎小结不可逆PWM变换器的不同工作状态§4-1脉宽调制变换器二、可逆PWM变换器可逆PWM变换器主电路有H型、T型多种形式，最常用的是桥式（亦称H型）电路，如下图所示。这时，电动机M两端电压的极性随开关器件基极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。§4-1脉宽调制变换器（一）双极式可逆PWM变换器+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4桥式可逆PWM变换器1.主电路结构4个大功率晶体管VT（开关管）VT1，VT4一组；VT2，VT3一组4个续流二极管VD1~VD4驱动电压：Ug1=Ug4；Ug2=Ug3

=-Ug1§4-1脉宽调制变换器2.工作状态与波形①正向运行：•在0≤t≤ton期间，Ug1=Ug4为正，VT1、VT4导通，Ug2

=Ug3为负，VT2、VT3截止，电流id沿回路1流通，电动机M两端电压UAB=+Us

；

•在ton≤t≤T期间，Ug1=Ug4为负，VT1、VT4截止；由于电感储存很大能量，放电，维持电流方向不变，这时通过VD2、VD3续流，并钳位使VT2、VT3保持截止，电流id沿回路2流通，电动机M两端电压UAB=–Us

。§4-1脉宽调制变换器♦正向运行电流流向：+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT312ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4桥式可逆PWM变换器Ug1=Ug4=+Ug1=Ug4=-§4-1脉宽调制变换器②反向运行：先分析ton→T阶段•在ton≤t≤T期间，Ug2=Ug3为正，VT2、VT3导通，Ug1=Ug4为负，使VT1、VT4截止，电流–id沿回路3流通，电动机M两端电压UAB=–Us；

•在T≤t≤T+ton(下一周期的0≤t≤ton)期间，Ug2=Ug3为负，VT2、VT3截止，VD1、VD4续流，并钳位使VT1、VT4截止，电流–id

沿回路4流通，电动机M两端电压UAB=+Us

。

§4-1脉宽调制变换器♦反向运行电流流向：+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT33AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4桥式可逆PWM变换器Ug2=Ug3=+Ug2=Ug3=-§4-1脉宽调制变换器U,iUdEid+UsttonT0-UsO正向电动运行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO反向电动运行波形③输出波形§4-1脉宽调制变换器④输出平均电压双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为为占空比•当ρ>0时，ton>

T/2，Ud=+，电机正转；•当ρ<0时，ton<T/2，Ud=-，电机反转；•当ρ=0时，ton=T/2，电机停止。§4-1脉宽调制变换器◎注意：当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，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，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。双极式可逆PWM制动时情况比较复杂，根据VT3、VT2的通断情况，电机可能处在能耗制动、再生发电或反接制动，产生制动时一定具备上述其中一个制动过程。§4-1脉宽调制变换器⑤性能评价•双极式可逆PWM变换器的优点：

a）电流一定连续；

b）可使电机在四象限运行；

c）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；d）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；e）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。§4-1脉宽调制变换器•双极式可逆PWM变换器的缺点：a）在工作过程中，4个大功率晶体管可能都处于开关状态，开关损耗大；b）在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止上述情况，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。（二）单极式可逆PWM变换器为克服双极式变换器的上述缺点，可采用单极式PWM变换器。电路图与双极式的一样，如下图所示。§4-1脉宽调制变换器1.单极式可逆PWM变换器主电路结构+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4桥式可逆PWM变换器驱动电压：Ug1=-Ug2VT1与VT2交替导通VT3与VT4由转向决定常通•正转时，VT4直通，VT3截止•反转时，VT3直通，VT4截止§4-1脉宽调制变换器2.工作状态与波形①正向运行：

•在0≤t≤ton

期间，Ug1、Ug4为正，VT1、VT4导通，Ug2

、Ug3为负，VT2、VT3截止，电流id

沿回路1流通，电动机M两端电压UAB=+Us；

•在ton≤t≤T期间，Ug4为正→VT4继续导通，Ug1、Ug3为负→VT1、VT3截止；由于电感储存很大能量，放电，维持电流方向不变，这时虽然Ug2为正，但电流通过VT4、VD2续流，并钳位使VT2保持截止，电流id

沿回路2流通，电动机M两端电压UAB=0。§4-1脉宽调制变换器♦正向运行电流流向：+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT312ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4桥式可逆PWM变换器Ug1=Ug4=+Ug4=+§4-1脉宽调制变换器②反向运行：先分析ton→T阶段•在ton≤t≤T期间，Ug2=Ug3为正，VT2、VT3导通，Ug1=Ug4为负，使VT1、VT4截止，电流–id沿回路3流通，电动机M两端电压UAB=–Us；

•在T≤t≤T+ton(下一周期的0≤t≤ton)期间，Ug3为正→VT3导通，Ug1为正→也不导通，VT3、VD1续流，并钳位使VT1截止，电流–id

沿回路4流通，电动机M两端电压UAB=0。

§4-1脉宽调制变换器♦反向运行电流流向：+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT33AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4桥式可逆PWM变换器Ug2=Ug3=+Ug3=+§4-1脉宽调制变换器U,iUdEid+UsttonT0O正向电动运行波形U,iUdEidttonT0-UsO反向电动运行波形③输出波形单极式在一个周期内有一段UAB=0，因而被称作~第四章直流脉宽调速系统§4-2直流脉宽调速系统的机械特性本节提要

□带制动的不可逆电路电压方程

□双极式可逆电路电压方程

□机械特性方程§4-2直流脉宽调速系统的机械特性由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的，所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，现在就分析这种情况。§4-2直流脉宽调速系统的机械特性一、带制动的不可逆电路电压方程对于带制动电流通路的不可逆电路，电压平衡方程式分两个阶段（0≤t<ton）（ton≤t<T）式中R、L—电枢电路的电阻和电感。§4-2直流脉宽调速系统的机械特性二、双极式可逆电路电压方程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0改为–Us，其他均不变。于是，电压方程为（0≤t<ton）（ton≤t<T）式中R、L—电枢电路的电阻和电感。§4-2直流脉宽调速系统的机械特性三、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Ud=γUs（γ=Ud/Us为PWM电压系数），只是γ与占空比ρ的关系不同，在不可逆PWM变换器：γ=ρ，在双极式控制的可逆变换器：γ=2ρ–1。平均电流和转矩分别用Id和Te表示，平均转速n=E/Ce，而电枢电感压降的平均值Ldid/dt

在稳态时应为零。§4-2直流脉宽调速系统的机械特性于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成

♦机械特性方程或用转矩表示，式中Cm=KmФN—电机在额定磁通下的转矩系数；n0=γUs/Ce—理想空载转速，与电压系数成正比。§4-2直流脉宽调速系统的机械特性♦PWM调速系统机械特性

n–Id,–TeOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId

,Te=1

=0.75

=0.5

=0.25脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0s＝Us

/Ce§4-2直流脉宽调速系统的机械特性◎说明

•图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能。•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，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。

第四章直流脉宽调速系统§4-3PWM调速系统控制电路