直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題課件

第8章直流脈寬調(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-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。第8章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題自1本節(jié)提要PWM變換器的工作狀態(tài)和波形直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型直流脈調(diào)速系統(tǒng)的特殊問題本節(jié)提要PWM變換器的工作狀態(tài)和波形28.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、

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。8.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、

38.1.1.不可逆PWM變換器（1）簡單的不可逆PWM變換器簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)主電路原理圖如圖1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。

8.1.1.不可逆PWM變換器（1）簡單的不可逆PWM變換4圖1簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)

VDUs+UgCVTidM+__Ea）主電路原理圖

M?主電路結(jié)構(gòu)21UdOtUg圖1簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)VDUs+5圖中：Us—直流電源電壓C—濾波電容器M—直流電動機(jī)VD—續(xù)流二極管VT—功率開關(guān)器件VT的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動。圖中：6工作狀態(tài)與波形在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0≤

t<ton時(shí)，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機(jī)電樞兩端；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1b電壓和電流波形O工作狀態(tài)與波形在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，U,iUdEidUstto7電機(jī)兩端得到的平均電壓為

(1)式中=ton

/T為PWM波形的占空比，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變換器中

=

(2)電機(jī)兩端得到的平均電壓為輸出電壓方程改變8（2）有制動的不可逆PWM變換器電路在簡單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動能力，只能作單象限運(yùn)行。需要制動時(shí)，必須為反向電流提供通路，如圖2a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妷篣d并沒有改變極性。（2）有制動的不可逆PWM變換器電路在9圖2a有制動電流通路的不可逆PWM變換器主電路結(jié)構(gòu)M+﹣VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1Ｕｄ圖2a有制動電流通路的不可逆PWM變換器主電路結(jié)構(gòu)M+10工作狀態(tài)與波形一般電動狀態(tài)在一般電動狀態(tài)中，始終為正值（其正方向示于圖2a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：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。工作狀態(tài)與波形一般電動狀態(tài)11一般電動狀態(tài)（續(xù)）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。一般電動狀態(tài)（續(xù)）在ton≤t≤T期間，Ug112U,iUdEidUsttonT0O輸出波形：一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形與簡單的不可逆電路波形（圖2b）完全一樣。圖2b一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形U,iUdEidUsttonT0O輸出波形：圖2b一般電13工作狀態(tài)與波形（續(xù)）制動狀態(tài)

在制動狀態(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)速和反電動勢E還來不及變化，因而造成EUd

的局面，很快使電流id反向，VD2截止，VT2開始導(dǎo)通。工作狀態(tài)與波形（續(xù)）制動狀態(tài)14制動狀態(tài)的一個(gè)周期分為兩個(gè)工作階段：在0≤

t≤

ton

期間，VT2關(guān)斷，－id

沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋制動，與此同時(shí)，VD1兩端壓降鉗住VT1使它不能導(dǎo)通。在ton

≤

t≤

T期間，Ug2變正，于是VT2導(dǎo)通，反向電流id

沿回路3流通，產(chǎn)生能耗制動作用。

因此，在制動狀態(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2c。制動狀態(tài)的一個(gè)周期分為兩個(gè)工作階段：15U,iUdE-idUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO

輸出波形圖2c制動狀態(tài)的電壓﹑電流波形OU,iUdE-idUsttonT04444333VT2VT16工作狀態(tài)與波形（續(xù)）輕載電動狀態(tài)有一種特殊情況，即輕載電動狀態(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)，因而兩端電壓也降為零，便提前導(dǎo)通了，使電流方向變動，產(chǎn)生局部時(shí)間的制動作用。工作狀態(tài)與波形（續(xù)）輕載電動狀態(tài)17輕載電動狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段：第1階段，VD1續(xù)流，電流–id

沿回路4流通第2階段，VT1導(dǎo)通，電流id沿回路1流通第3階段，VD2續(xù)流，電流id沿回路2流通第4階段，VT2導(dǎo)通，電流–id沿回路3流通輕載電動狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段：18

在1、4階段，電動機(jī)流過負(fù)方向電流，電機(jī)工作在制動狀態(tài)；在2、3階段，電動機(jī)流過正方向電流，電機(jī)工作在電動狀態(tài)。因此，在輕載時(shí)，電流可在正負(fù)方向之間脈動，平均電流等于負(fù)載電流，其輸出波形見圖2d。在1、4階段，電動機(jī)流過負(fù)方向電流，電機(jī)工作在制19輸出波形圖2d輕載電動狀態(tài)的電流波形4123TtonU,iUdEidUsttonT04123OidtOt4t2輸出波形圖2d輕載電動狀態(tài)的電流波形4123TtonU,20小結(jié)表1二象限不可逆PWM變換器在不同工作狀態(tài)下的導(dǎo)通器件和電流回路與方向小結(jié)表1二象限不可逆PWM變換器在不同工作狀態(tài)下的218.1.2橋式可逆PWM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3所示。這時(shí)，電動機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動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的可逆PWM變換器。8.1.2橋式可逆PWM變換器可逆22+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖3橋式可逆PWM變換器H形主電路結(jié)構(gòu)+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug223雙極式控制方式（1）正向運(yùn)行第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，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，電動機(jī)M兩端電壓UAB=+Us；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug1、

Ug4為負(fù)，VT1、VT4截止，VD2

、

VD3續(xù)流，并鉗位使VT2

、

VT3保持截止，電流id沿回路2流通，電動機(jī)M兩端電壓UAB=–Us

；雙極式控制方式（1）正向運(yùn)行24雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運(yùn)行第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，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，電動機(jī)M兩端電壓UAB=+Us

；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，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，電動機(jī)M兩端電壓UAB=–Us；雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運(yùn)行25輸出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO(1)正向電動運(yùn)行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO(2)反向電動運(yùn)行波形輸出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO(126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

（3）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 （4）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。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27調(diào)速范圍

調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為0~1，–1<<+1。當(dāng)>0.5時(shí)，為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)當(dāng)<0.5時(shí)，為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)當(dāng)=0.5時(shí)，=0，電機(jī)停止調(diào)速范圍調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為0~1，–1<28注意當(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“動力潤滑”的作用。注意當(dāng)電機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，29性能評價(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，系統(tǒng)的調(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)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。

性能評價(jià)雙極式控制的橋式可逆PWM變換器30性能評價(jià)（續(xù)）

雙極式控制方式的不足之處是：

在工作過程中，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)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。性能評價(jià)（續(xù)）雙極式控制方式的不足之處是：318.2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。8.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性由于采用脈32采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機(jī)械特性也不一樣。對于帶制動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)械特性關(guān)系式比較簡單，現(xiàn)在就分析這種情況。采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機(jī)械特性也不一33對于帶制動電流通路的不可逆電路，電壓平衡方程式分兩個(gè)階段

式中的R、L分別為電樞電路的電阻和電感。

帶制動的不可逆電路電壓方程（0≤t<ton）（6）（ton

≤t<T）（7）對于帶制動電流通路的不可逆電路，電壓34對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(0≤

t<ton)(8)

雙極式可逆電路電壓方程(ton

≤

t<T)(9)

對于雙極式控制的可逆電路，只在第二個(gè)方程中電35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（3）和式（4）。

機(jī)械特性方程按電壓方程求一個(gè)周期內(nèi)的平36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

(10)平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用Id和Te表示，平37

(11)或用轉(zhuǎn)矩表示

(12)式中Cm—電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Cm=KmN；n0—理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比，n0=Us

/Ce

。機(jī)械特性方程 機(jī)械特性方程38n–Id,–TeOn0ss0.5n0s0.25n0sId

,Te

=1

=0.75

=0.5

=0.25PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性圖4脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線（電流連續(xù)），n0s＝Us

/Cen–Id,–TeOn0ss0.5n0s0.25n0sId39說明圖中所示的機(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。圖中僅繪出了第一、二象限的機(jī)械特性，它適用于帶制動作用的不可逆電路，雙極式控制可逆電路的機(jī)械特性與此相仿，只是更擴(kuò)展到第三、四象限了。對于電機(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)速會翹到n0s＝Us

/Ce

。說明圖中所示的機(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)40目前，在中、小容量的脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，由于IGBT已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用，其開關(guān)頻率一般在10kHz左右，這時(shí)，最大電流脈動量在額定電流的5%以下，轉(zhuǎn)速脈動量不到額定空載轉(zhuǎn)速的萬分之一，可以忽略不計(jì)。目前，在中、小容量的脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，由于418.3PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型圖5繪出了PWM控制器和變換器的框圖，其驅(qū)動電壓都由PWM控制器發(fā)出，PWM控制與變換器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。按照上述對PWM變換器工作原理和波形的分析，不難看出，當(dāng)控制電壓改變時(shí)，PWM變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會有延遲，最大的時(shí)延是一個(gè)開關(guān)周期T。8.3PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型42UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖21PWM控制與變換器的框圖

UcUgUdPWMPWM圖21PWM控制與變換器的框圖43因此PWM控制與變換器（簡稱PWM裝置）也可以看成是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成（13）式中Ks—PWM裝置的放大系數(shù)；Ts—PWM裝置的延遲時(shí)間，Ts

≤

T0。

因此PWM控制與變換器（簡稱PWM裝置）也可44當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時(shí)，T=0.1ms，在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，因此,（14）與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。

當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時(shí)，T=0458.4直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的特殊問題電流脈動單極式可逆電路雙極式可逆電路轉(zhuǎn)速脈動開關(guān)損耗飽和導(dǎo)通損耗，截止損耗，開關(guān)過程的動態(tài)損耗最佳開關(guān)頻率8.4直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的特殊問題電流脈動468.4.1電流脈動量由前面分析可知,脈寬調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),電樞兩端的脈動電壓產(chǎn)生周期性脈動變化的電流和轉(zhuǎn)速。電流脈動量和轉(zhuǎn)速脈動量的大小是否會對系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生影響呢？為簡化分析作如下假定：電力電子期間為無慣性元件，忽略它的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間；忽略PWM變換器的內(nèi)阻變化，即認(rèn)為電樞回路電阻R是常數(shù)；脈沖開關(guān)頻率足夠高，因此開關(guān)周期T遠(yuǎn)小于系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間Tm，認(rèn)為開關(guān)周期內(nèi)轉(zhuǎn)速n和反電動勢E不變。8.4.1電流脈動量由前面分析可知,脈寬調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行47單極式可逆電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電壓平衡方程式為(15)(16)在電流連續(xù)時(shí)，由上面兩式可以求出分段電流和，波形圖為：單極式可逆電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電壓平衡方程式為48單極式可逆電路當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，在開關(guān)周期內(nèi)的變化可忽略不計(jì)，因此可以用平均壓降代替瞬時(shí)壓降 這時(shí)，近似可以得到(17)(18)在較短時(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為，都近似為常數(shù)，可以用直線來替代指數(shù)規(guī)律變化的電流曲線。求解上式，可以得到(19)(20)單極式可逆電路當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，在開關(guān)周期內(nèi)的變49單極式可逆電路當(dāng)時(shí)，有當(dāng)時(shí)，有則有電樞電流的脈動分量為

用占空比代替上式中的,有因此，電流脈動量的大小隨占空比的數(shù)值而變化?？梢缘玫诫娏髅}動量的最大值出現(xiàn)在時(shí)，其計(jì)算公式為單極式可逆電路當(dāng)時(shí)，有50雙極式可逆電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電壓平衡方程式為(20)(21)采用前面的計(jì)算方法，可以得到雙極式可逆電路電流脈動分量為(22)雙極式可逆電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電壓平衡方程式為51雙極式可逆電路顯然時(shí)，可得到電流脈動量的最大值(23)由此可見雙極式的電流脈動量比單極式的大一倍。在電源電壓和開關(guān)頻率一定的情況下，增加電樞回路電感可以抑制電流脈動量。雙極式可逆電路顯然時(shí)，可得到電流脈動量528.4.2.轉(zhuǎn)速脈動量假定電流線形變化,按前面圖中的虛線所示,有（24）（25）對應(yīng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程式為（26）（27）將（24）、（25）分別代入（26）、（27），得（28）（29）8.4.2.轉(zhuǎn)速脈動量假定電流線形變化,按前面圖中的虛線所示53轉(zhuǎn)速脈動量在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，在電流按線形變化時(shí)有（30）（31）將這些關(guān)系代入（28），（29）得（32）（33）令，對上面兩式積分后得到（34）（35）轉(zhuǎn)速脈動量在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，在54轉(zhuǎn)速脈動量在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，轉(zhuǎn)速是周期性變化的，因此（36）（37）又由式（34）和（35）可以得到（38）（39）因此積分常數(shù)，其值為每段速度的初始值和終值，對應(yīng)的速度變化如下圖轉(zhuǎn)速脈動量在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，轉(zhuǎn)速是周期性變化的，因此55轉(zhuǎn)速脈動量在一個(gè)周期內(nèi)，令和，可以得到轉(zhuǎn)速達(dá)到最小值和最大值的時(shí)間分別為和（40）（41）將上面兩式相減，得到（42）將（42）代入（23），得到（43） 轉(zhuǎn)速脈動量在一個(gè)周期內(nèi)，令和56轉(zhuǎn)速脈動量上式表明，當(dāng)電樞電流近似線形變化時(shí)，轉(zhuǎn)速的脈動量正比于電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速和開關(guān)周期的平方，反比與系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和電磁時(shí)間常數(shù)。從（43），可以得到（44）一般PWM變換器的開關(guān)頻率都為1~30KHz，因此電樞電壓的交變分量對轉(zhuǎn)速的影響可以忽略不計(jì)。

轉(zhuǎn)速脈動量上式表明，當(dāng)電樞電流近似線形變化時(shí)，轉(zhuǎn)速的脈動量正578.4.3電力電子器件的開關(guān)損耗和最佳開關(guān)頻率從前面的分析，可以得到PWM變換器的開關(guān)頻率越高，電樞電流的脈動就越小，而且能保證電流連續(xù)，可以有效提高調(diào)速系統(tǒng)低速運(yùn)行的平穩(wěn)性，減小附加損耗。但是，開關(guān)頻率過高會使電力電子器件的動態(tài)開關(guān)損耗相應(yīng)增加，效率降低，因此應(yīng)該綜合進(jìn)行考慮。8.4.3電力電子器件的開關(guān)損耗和最佳開關(guān)頻率從前面的分析，588.4.3.1電力電子器件的開關(guān)損耗PWM變換器中的電力電子器件并非理想的開關(guān)元件，在其工作時(shí)功率損耗包括飽和導(dǎo)通損耗、截止損耗和開關(guān)過程中的動態(tài)損耗。飽和導(dǎo)通時(shí)，管壓降很?。唤刂箷r(shí)漏電流很小，因此其相應(yīng)的損耗可以忽略不計(jì)。因此開關(guān)動態(tài)損耗是主要的損耗。開關(guān)過程包括開通和關(guān)斷兩個(gè)過程。開通過程是指集電極電流的上升時(shí)間，關(guān)斷過程指存儲時(shí)間和電流下降時(shí)間。而在時(shí)間內(nèi)，電力電子器件仍然飽和導(dǎo)通，其損耗仍然可以不計(jì)。因此動態(tài)損耗主要指和內(nèi)的開關(guān)損耗。

8.4.3.1電力電子器件的開關(guān)損耗PWM變換器中的電力電598.4.3.1電力電子器件的開關(guān)損耗一般近似認(rèn)為開關(guān)過程中集電極電流的上升和下降都是線形的。開通過程關(guān)斷過程8.4.3.1電力電子器件的開關(guān)損耗一般近似認(rèn)為開關(guān)過程中603.1電力電子器件的開關(guān)損耗對于續(xù)流二極管的電阻-電感性負(fù)載，無論電力電子器件集電極電流是增大還是減小，其集電極電壓均為電源電壓，因此在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的動態(tài)損耗為：每秒的動態(tài)損耗為:上式表明:開關(guān)頻率越高，動態(tài)損耗越大 3.1電力電子器件的開關(guān)損耗對于續(xù)流二極管的電阻-電感性負(fù)618.4.3.2電力電子器件的開關(guān)損耗選擇最佳開關(guān)頻率的條件：電樞電流連續(xù)和PWM變換效率最高單極式雙極式式中為電動機(jī)起動電流（短路電流）與額定電流之比。除了上述條件，最好使開關(guān)頻率比調(diào)速系統(tǒng)的最高工作頻率高出10倍左右，這樣PWM變換器的延時(shí)時(shí)間對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響可忽略不計(jì)。 8.4.3.2電力電子器件的開關(guān)損耗選擇最佳開關(guān)頻率的條件62CC+8.5電能回饋與泵升電壓的限制PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓，電容C同時(shí)對感性負(fù)載的無功功率起儲能緩沖作用。

CC+8.5電能回饋與泵升電壓的限制P63泵升電壓產(chǎn)生的原因

對于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電機(jī)制動時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機(jī)制動時(shí)只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。

泵升電壓產(chǎn)生的原因?qū)τ赑WM變64

電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因此電容量就不可能很小，一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達(dá)到數(shù)千微法。在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來限制泵升電壓，這時(shí)，可以采用下圖中的鎮(zhèn)流電阻Rb來消耗掉部分動能。分流電路靠開關(guān)器件VTb

在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通。

泵升電壓限制電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因65泵升電壓限制電路過電壓信號UsRbVTbC+泵升電壓限制電路過電壓信號UsRbVTbC+66泵升電壓限制（續(xù)）

對于更大容量的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的能量逆變后回饋電網(wǎng)。當(dāng)然，這樣一來，系統(tǒng)就更復(fù)雜了。泵升電壓限制（續(xù)）對于更大容量的系統(tǒng)，67PWM系統(tǒng)的優(yōu)越性主電路線路簡單，需用的功率器件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。PWM系統(tǒng)的優(yōu)越性主電路線路簡單，需用的功率器件少；68第8章直流脈寬調(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-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。第8章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題自69本節(jié)提要PWM變換器的工作狀態(tài)和波形直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型直流脈調(diào)速系統(tǒng)的特殊問題本節(jié)提要PWM變換器的工作狀態(tài)和波形708.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、

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。8.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、

718.1.1.不可逆PWM變換器（1）簡單的不可逆PWM變換器簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)主電路原理圖如圖1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。

8.1.1.不可逆PWM變換器（1）簡單的不可逆PWM變換72圖1簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)

VDUs+UgCVTidM+__Ea）主電路原理圖

M?主電路結(jié)構(gòu)21UdOtUg圖1簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)VDUs+73圖中：Us—直流電源電壓C—濾波電容器M—直流電動機(jī)VD—續(xù)流二極管VT—功率開關(guān)器件VT的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動。圖中：74工作狀態(tài)與波形在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0≤

t<ton時(shí)，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機(jī)電樞兩端；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1b電壓和電流波形O工作狀態(tài)與波形在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，U,iUdEidUstto75電機(jī)兩端得到的平均電壓為

(1)式中=ton

/T為PWM波形的占空比，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變換器中

=

(2)電機(jī)兩端得到的平均電壓為輸出電壓方程改變76（2）有制動的不可逆PWM變換器電路在簡單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動能力，只能作單象限運(yùn)行。需要制動時(shí)，必須為反向電流提供通路，如圖2a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妷篣d并沒有改變極性。（2）有制動的不可逆PWM變換器電路在77圖2a有制動電流通路的不可逆PWM變換器主電路結(jié)構(gòu)M+﹣VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1Ｕｄ圖2a有制動電流通路的不可逆PWM變換器主電路結(jié)構(gòu)M+78工作狀態(tài)與波形一般電動狀態(tài)在一般電動狀態(tài)中，始終為正值（其正方向示于圖2a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：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。工作狀態(tài)與波形一般電動狀態(tài)79一般電動狀態(tài)（續(xù)）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。一般電動狀態(tài)（續(xù)）在ton≤t≤T期間，Ug180U,iUdEidUsttonT0O輸出波形：一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形與簡單的不可逆電路波形（圖2b）完全一樣。圖2b一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形U,iUdEidUsttonT0O輸出波形：圖2b一般電81工作狀態(tài)與波形（續(xù)）制動狀態(tài)

在制動狀態(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)速和反電動勢E還來不及變化，因而造成EUd

的局面，很快使電流id反向，VD2截止，VT2開始導(dǎo)通。工作狀態(tài)與波形（續(xù)）制動狀態(tài)82制動狀態(tài)的一個(gè)周期分為兩個(gè)工作階段：在0≤

t≤

ton

期間，VT2關(guān)斷，－id

沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋制動，與此同時(shí)，VD1兩端壓降鉗住VT1使它不能導(dǎo)通。在ton

≤

t≤

T期間，Ug2變正，于是VT2導(dǎo)通，反向電流id

沿回路3流通，產(chǎn)生能耗制動作用。

因此，在制動狀態(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2c。制動狀態(tài)的一個(gè)周期分為兩個(gè)工作階段：83U,iUdE-idUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO

輸出波形圖2c制動狀態(tài)的電壓﹑電流波形OU,iUdE-idUsttonT04444333VT2VT84工作狀態(tài)與波形（續(xù)）輕載電動狀態(tài)有一種特殊情況，即輕載電動狀態(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)，因而兩端電壓也降為零，便提前導(dǎo)通了，使電流方向變動，產(chǎn)生局部時(shí)間的制動作用。工作狀態(tài)與波形（續(xù)）輕載電動狀態(tài)85輕載電動狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段：第1階段，VD1續(xù)流，電流–id

沿回路4流通第2階段，VT1導(dǎo)通，電流id沿回路1流通第3階段，VD2續(xù)流，電流id沿回路2流通第4階段，VT2導(dǎo)通，電流–id沿回路3流通輕載電動狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段：86

在1、4階段，電動機(jī)流過負(fù)方向電流，電機(jī)工作在制動狀態(tài)；在2、3階段，電動機(jī)流過正方向電流，電機(jī)工作在電動狀態(tài)。因此，在輕載時(shí)，電流可在正負(fù)方向之間脈動，平均電流等于負(fù)載電流，其輸出波形見圖2d。在1、4階段，電動機(jī)流過負(fù)方向電流，電機(jī)工作在制87輸出波形圖2d輕載電動狀態(tài)的電流波形4123TtonU,iUdEidUsttonT04123OidtOt4t2輸出波形圖2d輕載電動狀態(tài)的電流波形4123TtonU,88小結(jié)表1二象限不可逆PWM變換器在不同工作狀態(tài)下的導(dǎo)通器件和電流回路與方向小結(jié)表1二象限不可逆PWM變換器在不同工作狀態(tài)下的898.1.2橋式可逆PWM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3所示。這時(shí)，電動機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動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的可逆PWM變換器。8.1.2橋式可逆PWM變換器可逆90+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖3橋式可逆PWM變換器H形主電路結(jié)構(gòu)+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug291雙極式控制方式（1）正向運(yùn)行第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，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，電動機(jī)M兩端電壓UAB=+Us；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug1、

Ug4為負(fù)，VT1、VT4截止，VD2

、

VD3續(xù)流，并鉗位使VT2

、

VT3保持截止，電流id沿回路2流通，電動機(jī)M兩端電壓UAB=–Us

；雙極式控制方式（1）正向運(yùn)行92雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運(yùn)行第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，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，電動機(jī)M兩端電壓UAB=+Us

；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，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，電動機(jī)M兩端電壓UAB=–Us；雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運(yùn)行93輸出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO(1)正向電動運(yùn)行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO(2)反向電動運(yùn)行波形輸出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO(194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

（3）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 （4）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。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95調(diào)速范圍

調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為0~1，–1<<+1。當(dāng)>0.5時(shí)，為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)當(dāng)<0.5時(shí)，為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)當(dāng)=0.5時(shí)，=0，電機(jī)停止調(diào)速范圍調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為0~1，–1<96注意當(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“動力潤滑”的作用。注意當(dāng)電機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，97性能評價(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，系統(tǒng)的調(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)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。

性能評價(jià)雙極式控制的橋式可逆PWM變換器98性能評價(jià)（續(xù)）

雙極式控制方式的不足之處是：

在工作過程中，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)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。性能評價(jià)（續(xù)）雙極式控制方式的不足之處是：998.2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。8.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性由于采用脈100采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機(jī)械特性也不一樣。對于帶制動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)械特性關(guān)系式比較簡單，現(xiàn)在就分析這種情況。采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機(jī)械特性也不一101對于帶制動電流通路的不可逆電路，電壓平衡方程式分兩個(gè)階段

式中的R、L分別為電樞電路的電阻和電感。

帶制動的不可逆電路電壓方程（0≤t<ton）（6）（ton

≤t<T）（7）對于帶制動電流通路的不可逆電路，電壓102對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(0≤

t<ton)(8)

雙極式可逆電路電壓方程(ton

≤

t<T)(9)

對于雙極式控制的可逆電路，只在第二個(gè)方程中電103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（3）和式（4）。

機(jī)械特性方程按電壓方程求一個(gè)周期內(nèi)的平104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

(10)平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用Id和Te表示，平105

(11)或用轉(zhuǎn)矩表示

(12)式中Cm—電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Cm=KmN；n0—理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比，n0=Us

/Ce

。機(jī)械特性方程 機(jī)械特性方程106n–Id,–TeOn0ss0.5n0s0.25n0sId

,Te

=1

=0.75

=0.5

=0.25PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性圖4脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線（電流連續(xù)），n0s＝Us

/Cen–Id,–TeOn0ss0.5n0s0.25n0sId107說明圖中所示的機(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。圖中僅繪出了第一、二象限的機(jī)械特性，它適用于帶制動作用的不可逆電路，雙極式控制可逆電路的機(jī)械特性與此相仿，只是更擴(kuò)展到第三、四象限了。對于電機(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)速會翹到n0s＝Us

/Ce

。說明圖中所示的機(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)108目前，在中、小容量的脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，由于IGBT已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用，其開關(guān)頻率一般在10kHz左右，這時(shí)，最大電流脈動量在額定電流的5%以下，轉(zhuǎn)速脈動量不到額定空載轉(zhuǎn)速的萬分之一，可以忽略不計(jì)。目前，在中、小容量的脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，由于1098.3PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型圖5繪出了PWM控制器和變換器的框圖，其驅(qū)動電壓都由PWM控制器發(fā)出，PWM控制與變換器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。按照上述對PWM變換器工作原理和波形的分析，不難看出，當(dāng)控制電壓改變時(shí)，PWM變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會有延遲，最大的時(shí)延是一個(gè)開關(guān)周期T。8.3PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型110UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖21PWM控制與變換器的框圖

UcUgUdPWMPWM圖21PWM控制與變換器的框圖111因此PWM控制與變換器（簡稱PWM裝置）也可以看成是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成（13）式中Ks—PWM裝置的放大系數(shù)；Ts—PWM裝置的延遲時(shí)間，Ts

≤

T0。

因此PWM控制與變換器（簡稱PWM裝置）也可112當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時(shí)，T=0.1ms，在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，因此,（14）與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。

當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時(shí)，T=01138.4直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的特殊問題電流脈動單極式可逆電路雙極式可逆電路轉(zhuǎn)速脈動開關(guān)損耗飽和導(dǎo)通損耗，截止損耗，開關(guān)過程的動態(tài)損耗最佳開關(guān)頻率8.4直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的特殊問題電流脈動1148.4.1電流脈動量由前面分析可知,脈寬調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),電樞兩端的脈動電壓產(chǎn)生周期性脈動變化的電流和轉(zhuǎn)速。電流脈動量和轉(zhuǎn)速脈動量的大小是否會對系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生影響呢？為簡化分析作如下假定：電力電子期間為無慣性元件，忽略它的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間；忽略PWM變換器的內(nèi)阻變化，即認(rèn)為電樞回路電阻R是常數(shù)；脈沖開關(guān)頻率足夠高，因此開關(guān)周期T遠(yuǎn)小于系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間Tm，認(rèn)為開關(guān)周期內(nèi)轉(zhuǎn)速n和反電動勢E不變。8.4.1電流脈動量由前面分析可知,脈寬調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行115單極式可逆電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電壓平衡方程式為(15)(16)在電流連續(xù)時(shí)，由上面兩式可以求出分段電流和，波形圖為：單極式可逆電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電壓平衡方程式為116單極式可逆電路當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，在開關(guān)周期內(nèi)的變化可忽略不計(jì)，因此可以用平均壓降代替瞬時(shí)壓降 這時(shí)，近似可以得到(17)(18)在較短時(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為，都近似為常數(shù)，可以用直線來替代指數(shù)規(guī)律變化的電流曲線。求解上式，可以得到(19)(20)單極式可逆電路當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，在開關(guān)周期內(nèi)的變117單極式可逆電路當(dāng)時(shí)，有當(dāng)時(shí)，有則有電樞電流的脈動分量為

用占空比代替上式中的,有因此，電流脈動量的大小隨占空比的數(shù)值而變化。可以得到電流脈動量的最大值出現(xiàn)在時(shí)，其計(jì)算公式為單極式可逆電路當(dāng)時(shí)，有118雙極式可逆電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電壓平衡方程式為(20)(21)采用前面的計(jì)算方法，可以得到雙極式可逆電路電流脈動分量為(22)雙極式可逆電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電壓平衡方程式為119雙極式可逆電路顯然時(shí)，可得到電流脈動量的最大值(23)由此可見雙極式的電流脈動量比單極式的大一倍。在電源電壓和開關(guān)頻率一定的情況下，增加電樞回路電感可以抑制電流脈動量。雙極式可逆電路顯然時(shí)，可得到電流脈動量1208.4.2.轉(zhuǎn)速脈動量假定電流線形變化,按前面圖中的虛線所示,有（24）（25）對應(yīng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程式為（26）（27）將（24）、（25）分別代入（26）、（27），得（28）（29）8.4.2.轉(zhuǎn)速脈動量假定電流線形變化,按前面圖中的虛線所示121轉(zhuǎn)速脈動量在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，在電流按線形變化時(shí)有（30）（31）將這些關(guān)系代入（28），（29）得（32）（33）令，對上面兩式積分后得到（34）（35）轉(zhuǎn)速脈動量在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，在122轉(zhuǎn)速脈動量在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，轉(zhuǎn)速是周期性變化的，因此（36）（37）又由式（34）和（35）可以得到（38）（39）因此積分常數(shù)，其值為每段速度的初始值和終值，對應(yīng)的速度變化如下圖轉(zhuǎn)速脈動量在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，轉(zhuǎn)速是周期性變化的，因此123轉(zhuǎn)速脈動量在一個(gè)周期內(nèi)，令和，可以得到轉(zhuǎn)速達(dá)到最小值和最大值的時(shí)間分別為和