電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)ppt1-2,3直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)-liuwei

1、1 1直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)第第 1 1 篇篇2 2本章提要本章提要1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.2 晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題1.4 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1.5 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1.6 比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng) 3 3本節(jié)要點(diǎn)本節(jié)要點(diǎn) 1.晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中觸發(fā)脈沖、電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)、解決電流脈動(dòng)的方法。 2.晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性問題，及數(shù)學(xué)模型。 難點(diǎn)： 晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型4 41.2 晶閘管晶閘管- -電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-MV-M系統(tǒng)）的主要問題系

2、統(tǒng)）的主要問題（1）觸發(fā)脈沖相位控制（2）電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)（3）抑制電流脈動(dòng)的措施（4）晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)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)5 5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)） 6 61.2.1* 觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制 在如圖可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 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(shí)電壓 ud 的波形，以及輸出平均電壓 Ud 的數(shù)值。7 7等效電路分析等效電路分析 圖1-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分，那么

3、，整流電壓便可以用其理想空載瞬時(shí)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(shí)際的整流電路。8 8 式中 電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)； 整流電流瞬時(shí)值； 主電路總電感； 主電路等效電阻；且有 R = Rrec + Ra + RL；EidLR 瞬時(shí)電壓平衡方程瞬時(shí)電壓平衡方程tiLRiEuddddd0(1-3)9 9 對(duì)ud0進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0 。 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(diǎn)。 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(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，Ud0 = f () 可用下式表示1010 式中 從自

4、然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角； = 0 時(shí)的整流電壓波形峰值； 交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)；對(duì)于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表1-1所示。Umm 整流電壓的平均值計(jì)算整流電壓的平均值計(jì)算cossinmd0mUmU(1-5)1111表表1-1 不同整流電路不同整流電路(全控全控)的整流電壓值的整流電壓值*注： U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。1212 整流與逆變狀態(tài)整流與逆變狀態(tài)當(dāng) 0 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(shí)， 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

5、制曲線如下圖cossinmd0mUmU1313圖1-8 相控整流器的電壓控制曲線 O 逆變顛覆限制逆變顛覆限制 通過設(shè)置控制電壓限幅值，來限制最大觸發(fā)角。14141.2.2* 電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù) 由于電流波形的脈動(dòng)，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)的又一個(gè)特點(diǎn)。 當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載也足夠大時(shí)，整流電流便具有連續(xù)的脈動(dòng)波形。當(dāng)電感量較小或負(fù)載較輕時(shí)，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段里，電感中的儲(chǔ)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。1515V-

6、M系統(tǒng)主電路系統(tǒng)主電路的輸出的輸出圖1-9 V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid16161.2.3* 抑制電流脈動(dòng)的措施抑制電流脈動(dòng)的措施 在在V-MV-M系統(tǒng)中，系統(tǒng)中，脈動(dòng)電流脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利，同時(shí)也增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利，同時(shí)也增加電機(jī)的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動(dòng)的措施，主要是：用抑制電流脈動(dòng)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)。1717 （1）平

7、波電抗器的設(shè)置與計(jì)算）平波電抗器的設(shè)置與計(jì)算l單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 l三相半波整流電路三相半波整流電路 l三相橋式整流電路三相橋式整流電路 mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0IUL（1-6）（1-8）（1-7）rateII%10%5mind1818（2）多重化整流電路）多重化整流電路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LP 并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路 如圖電路為由2個(gè)三相橋并聯(lián)(串聯(lián)，P1-9)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。19191.2.4 晶閘管晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)

8、械特性 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為 式中 Ce = KeN 電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。式（1-9）等號(hào)右邊 Ud0 表達(dá)式的適用范圍如第1.2.1節(jié)中所述。)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1-9）2020（1）電流連續(xù)情況）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(shí)電流波形可能斷續(xù)，公式（1-9）已經(jīng)不適用了。2121 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(gè)線性的可控電壓源。2222 當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于非線性因素，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。以

9、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(shí)機(jī)械特性須用下列方程組表示 (1-11) (1-12) 式中 ； 一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。（2）電流斷續(xù)情況）電流斷續(xù)情況2)6cos()6cos(22322nUCRUIedRLarctg22cos sin()sin()66(1)ctgctgeUenCe2323（3）電流斷續(xù)機(jī)械特性計(jì)算）電流斷續(xù)機(jī)械特性計(jì)算 當(dāng)阻抗角 值已知時(shí)，對(duì)于不同的控制角，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性。 對(duì)于每一條特性，求解過程都計(jì)算到 = 2/3為止，因?yàn)?角再大時(shí)，電流便連續(xù)了。對(duì)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。2424圖1-11 完整

10、的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性（4）V-M系統(tǒng)機(jī)械特性系統(tǒng)機(jī)械特性2525（5）V-M系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn)系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn) 圖1-11繪出了完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見：w當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬；w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。26261.2.5 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)系數(shù)和傳遞函數(shù) 在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個(gè)整體環(huán)節(jié)來看待。 應(yīng)用線性控制理論進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設(shè)計(jì)時(shí)，須事先求出這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。2727 實(shí)際的觸發(fā)電路和整流電路都

11、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(shí)驗(yàn)方法測(cè)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(shí)的特性。設(shè)計(jì)時(shí)，希望整個(gè)調(diào)速范圍的工作點(diǎn)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。 2828 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)算數(shù)的計(jì)算 cdsUUK(1-11) 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)的特性斜率決定，計(jì)算方法是2929 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算如果不可能實(shí)測(cè)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 = 010

12、V 相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是 Ud = 0220V 可取 K Ks s = 220/10 = 22= 220/10 = 223030 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù) 在動(dòng)態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)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(shí)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。3131（1）晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析）晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析3232 （2）最大失控時(shí)間計(jì)算）最大失控時(shí)間計(jì)算式中 交流電流頻

13、率； 一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fmmfT1maxs 顯然，失控時(shí)間是隨機(jī)的，它的大小隨發(fā)生變化的時(shí)刻而改變，最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)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) 3333 （3）Ts 值的選取值的選取 相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來說，Ts 是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值 Ts = Tsmax /2，并認(rèn)為是常數(shù)。表1-2列出了不同整流電路的失控時(shí)間。表1-2 各種整流電路的失控時(shí)間（f =50Hz）3434 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）

14、（4）傳遞函數(shù)的求?。﹤鬟f函數(shù)的求取)( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds353533s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT 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(jì)都比較麻煩。為了簡(jiǎn)化，先將該指數(shù)函數(shù)按泰勒（Taylor）級(jí)數(shù)展開，則式（1-14）變成 （1-15）3636 （5）近似傳遞函數(shù)）近似傳遞函數(shù)sss( )1KW sT s 考慮到 Ts 很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。（1-16）3737 （6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)3

15、8381.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題直流脈寬調(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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。3939本節(jié)提要本節(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(jī)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。4040本節(jié)要點(diǎn)本節(jié)要點(diǎn)1. 可逆PWM變換器2. 調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性。重點(diǎn)、難點(diǎn): 不可逆和可逆PWM變換器的控制模式、主電路續(xù)流分析。41411.3.1 PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、變換器

16、的工作狀態(tài)和電壓、 電流波形電流波形 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(jī)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。42421. 不可逆不可逆PWM變換器變換器（1 1）簡(jiǎn)單的不可逆）簡(jiǎn)單的不可逆PWMPWM變換器變換器 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)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。 4343圖1-16 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) VDUs+UgCV

17、TidM+_E（a）電路原理圖 M 主電路結(jié)構(gòu)主電路結(jié)構(gòu)214444工作狀態(tài)與波形工作狀態(tài)與波形在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，l當(dāng)0 t ton時(shí)，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端；l當(dāng)ton t T 時(shí)， Ug為負(fù)，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4545電機(jī)兩端得到的平均電壓為(1-17)式中 = ton / T 為 PWM 波形的占空比， ssondUUTtU輸出電壓方程輸出電壓方程 改變 （ 0 1 ）即可調(diào)節(jié)電機(jī)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)46

18、46（2）有制動(dòng)的不可逆）有制動(dòng)的不可逆PWM變換器電路變換器電路 在簡(jiǎn)單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動(dòng)能力，只能作單象限運(yùn)行。需要制動(dòng)時(shí)，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(shí)，流過正向電流 + id ，VT2 導(dǎo)通時(shí)，流過 id 。應(yīng)注意，這個(gè)電路還是不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因?yàn)槠骄妷?Ud 并沒有改變極性。4747圖1-17a 有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器 主電路結(jié)構(gòu)主電路結(jié)構(gòu)M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1-4848 工作狀態(tài)與波形工作狀態(tài)與波形l一般電動(dòng)狀態(tài)一般

19、電動(dòng)狀態(tài) 在一般電動(dòng)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(shí)間，則一個(gè)工作周期有兩個(gè)工作階段：l在0 t ton期間， Ug1為正，VT1導(dǎo)通， Ug2為負(fù)，VT2關(guān)斷。此時(shí)，電源電壓Us加到電樞兩端，電流 id 沿圖中的回路1流通。4949一般電動(dòng)狀態(tài)（續(xù)）一般電動(dòng)狀態(tài)（續(xù)）l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?yàn)閕d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(shí)際上是由VT1和VD2交替導(dǎo)通，雖然電路中多了一個(gè)功率開關(guān)器件，但并沒有被用上。5050l

20、輸出波形： 一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形與簡(jiǎn)單的不可逆電路波形（圖1-16b）完全一樣。b）一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形5151工作狀態(tài)與波形（續(xù)）工作狀態(tài)與波形（續(xù)）l制動(dòng)狀態(tài)制動(dòng)狀態(tài) 在制動(dòng)狀態(tài)中， id為負(fù)值，VT2就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動(dòng)運(yùn)行過程中需要降速的時(shí)候。 這時(shí)，先減小控制電壓，使 Ug1 的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使平均電樞電壓Ud降低。但是，由于機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)E還來不及變化，因而造成 E Ud 的局面，很快使電流id反向，VD2截止， VT2開始導(dǎo)通。5252 制動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)周期分為兩個(gè)工作階段：l在在 0 0 t t t tonon 期間，期間，VT

21、VT2 2 關(guān)斷，關(guān)斷，i id d 沿回路沿回路 4 4 經(jīng)經(jīng) VDVD1 1 續(xù)流，向電源回饋制動(dòng)，與此同時(shí)，續(xù)流，向電源回饋制動(dòng)，與此同時(shí)， VDVD1 1 兩端壓降鉗住兩端壓降鉗住 VTVT1 1 使它不能導(dǎo)通。使它不能導(dǎo)通。l在在 t tonon t t T T期間，期間， U Ug2 g2 變正，于是變正，于是VTVT2 2導(dǎo)通，導(dǎo)通，反向電流反向電流 i id d 沿回路沿回路 3 3 流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)作用。流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)作用。 因此，在制動(dòng)狀態(tài)中， VT2和VD1輪流導(dǎo)通，而VT1始終是關(guān)斷的，此時(shí)的電壓和電流波形示于圖1-17c。 5353c）制動(dòng)狀態(tài)的電壓電流波形54

22、54工作狀態(tài)與波形（續(xù)）工作狀態(tài)與波形（續(xù)）l輕載電動(dòng)狀態(tài) 有一種特殊情況，即輕載電動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)平均電流較小，以致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時(shí)，還沒有到達(dá)周期 T ，電流已經(jīng)衰減到零，此時(shí)，因而VD2兩端電壓也降為零， VT2便提前導(dǎo)通了，使電流方向變動(dòng)，產(chǎn)生局部時(shí)間的制動(dòng)作用。5555n 輸出波形輸出波形d）輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形4123Tton0U, iUdEidUsttonT041 23O5656 輕載電動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段：l第1階段，VD1續(xù)流，電流 id 沿回路4流通；l第2階段，VT1導(dǎo)通，電流 id 沿回路1流通；l第3階段，VD2續(xù)流，電流 id 沿回路2流通；l第4階段，VT2

23、導(dǎo)通，電流 id 沿回路3流通。5757 在1、4階段(回路4、3)，電動(dòng)機(jī)流過負(fù)方向電流，電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)； 在2、3階段(回路1、2) ，電動(dòng)機(jī)流過正方向電流，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。 因此，在輕載時(shí)，電流可在正負(fù)方向之間脈動(dòng)，平均電流等于負(fù)載電流。5858小小 結(jié)結(jié)表1-3 二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài)59592. 橋式可逆橋式可逆PWM變換器變換器 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(shí)，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)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

24、的可逆PWM變換器。6060+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-18 橋式可逆PWM變換器n H形主電路結(jié)構(gòu)形主電路結(jié)構(gòu)6161n 雙極式控制方式雙極式控制方式（1）正向運(yùn)行：l第1階段， 0 t ton Ug1 、 Ug4為正， VT1 、 VT4導(dǎo)通 Ug2 、 Ug3為負(fù)，VT2 、 VT3截止電流 id 沿回路1流通, M兩端電壓UAB = +Us ；l第2階段，ton t T Ug1 、 Ug4為負(fù)， VT1 、 VT4截止， VD2 、 VD3續(xù)流， 并鉗位使VT2

25、、 VT3保持截止，電流 id 沿回路2流通，M兩端電壓UAB = Us ；6262n 雙極式控制方式（續(xù)）雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運(yùn)行：l第1階段， 0 t ton Ug2 、 Ug3為負(fù)，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(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = +Us ；l第2階段，ton t T Ug2 、 Ug3 為正， VT2 、 VT3導(dǎo)通Ug1 、 Ug4為負(fù)，使VT1 、 VT4保持截止電流 id 沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = Us ；6363n 輸出波形輸出波形U, iUdEid+UsttonT0-

26、UsOb) 正向電動(dòng)運(yùn)行波形注意比較兩幅圖的脈沖寬度6464n 輸出平均電壓輸出平均電壓 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(jì)算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。( = )sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtU6565n 調(diào)速范圍調(diào)速范圍 調(diào)速時(shí)， 的可調(diào)范圍為01， 1 0.5時(shí)， 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；l當(dāng) 0.5時(shí)， 為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；l當(dāng) = 0.5時(shí)， = 0 ，電機(jī)停止。6666注注 意：意： 當(dāng)電機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈

27、寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)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(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“ ”的作用。動(dòng)力潤(rùn)滑6767n 性能評(píng)價(jià)性能評(píng)價(jià)雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死 區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達(dá)1:20000左右；（5）低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 6868n 性能評(píng)價(jià)（續(xù)）性能評(píng)價(jià)（續(xù)） 雙極式控制方式的不足之處是： 在

28、工作過程中，4個(gè)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(shí)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(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。69691.3.2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 由于采用脈寬調(diào)制，嚴(yán)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(dòng)的。 所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)。機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。7070 采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機(jī)械特性也不一樣。 對(duì)于帶制動(dòng)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(jī)

29、械特性關(guān)系式比較簡(jiǎn)單，現(xiàn)在就分析這種情況。7171 對(duì)于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路，電壓平衡方程式分兩個(gè)階段 式中 R、L 電樞電路的電阻和電感。 n 帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程EtiLRiUdddd s（0 t ton） （1-21）EtiLRidd0dd（ton t T） （1-22）7272 對(duì)于雙極式控制的可逆電路，只在第二個(gè)方程中電源電壓由 0 改為 Us ，其他均不變。于是，電壓方程為EtiLRiUdddds( 0 t ton ) (1-23) n 雙極式可逆電路電壓方程雙極式可逆電路電壓方程EtiLRiUdddds(ton t T ) (1-24) 73

30、73n 機(jī)械特性方程機(jī)械特性方程 按電壓方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式。無論是上述哪一種情況，電樞兩端在一個(gè)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 = 和式 =2-1 。7474 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(shí)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)nCRIERIUedds7575 (1-26)或用轉(zhuǎn)矩表示， (1-27)式中 Cm = KmN 電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)； n0 = Us/Ce 理想空載轉(zhuǎn)速，與

31、電壓系數(shù)成正比。sdede0eURIRnnICCCn 機(jī)械特性方程機(jī)械特性方程0eeseemmeURTRCC CnnTC C7676nId , TeavOn0sId , Teav = 1 = 0.75 = 0.5 = 0.25n PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性圖1-20 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線（電流連續(xù)），n0sUs /Ce7777n 說說 明明l圖中所示的機(jī)械曲線是電流連續(xù)時(shí)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。l圖中僅繪出了第一、二象限的機(jī)械特性，它適用于帶制動(dòng)作用的不可逆電路，雙極式控制可逆電路的機(jī)械特性與此相仿，只是擴(kuò)展到第三、四象限了。l對(duì)于電機(jī)在同一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)電流不能反向的電路，輕載時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，把平均電壓抬高，在理想空載時(shí)， Id =0，理想空載轉(zhuǎn)速會(huì)翹到n0sUs/Ce 。 7878結(jié)論結(jié)論 上述分析說明：PWM變換器可以看成是一個(gè)線性的可控電壓源。79791.3.3 PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型控制與變換器的數(shù)學(xué)模型 圖1-21