電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第四章

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第四章主講教師：解小華學(xué)時(shí)：64第四章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)本章提要

?問題的提出?脈寬調(diào)制變換器?直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性?PWM調(diào)速系統(tǒng)控制電路第四章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)問題的提出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)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)于直流電機(jī)調(diào)速，可控直流電源可以有兩種方式：①晶閘管整流；②斬波電源或脈寬調(diào)制變換器。斬波電源利用不可控直流電源經(jīng)過電子開關(guān)的高頻通斷切換來實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電壓供電。第四章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)V-M直流調(diào)速系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。與G-M系統(tǒng)相比V-M系統(tǒng)有很多優(yōu)越性，但它也有缺點(diǎn)：①電流是脈動(dòng)的，產(chǎn)生諧波分量，尤其在低速時(shí)，因此需要加平波電抗器。設(shè)備投入大，體積增加，同時(shí)電感大又限制了系統(tǒng)的快速性。②當(dāng)系統(tǒng)在較低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變殃及附近的用電設(shè)備，也限制了調(diào)速范圍。③對(duì)過電壓、過電流敏感，要注意保護(hù)。第四章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)◎直流PWM調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：①

主電路簡單，不用電抗器，用電機(jī)本身的電感，從而獲得脈動(dòng)很小的直流電流；②開關(guān)頻率高，電樞電流容易連續(xù)，無電流斷續(xù)問題；

③系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬；④頻帶寬，響應(yīng)快；⑤功率因素高。電流和電壓永遠(yuǎn)相同，無無功功率問題。PWM調(diào)速系統(tǒng)和V-M調(diào)速系統(tǒng)主要區(qū)別在主電路和PWM控制電路。閉環(huán)控制系統(tǒng)以及靜、動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)基本一樣。PWM脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制變換器。第四章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)§4-1脈寬調(diào)制變換器本節(jié)提要

□不可逆PWM變換器

□可逆PWM變換器§4-1脈寬調(diào)制變換器一、不可逆PWM變換器

（一）簡單的不可逆PWM變換器(直流降壓斬波器)1.組成簡單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

VDUs+UgCVTid+__EM21Us：由二極管整流電路提供；電容C：大容量，濾波；二極管VD：在晶體管VT關(guān)斷時(shí)為電樞回路提供釋放電感儲(chǔ)能的續(xù)流回路；功率開關(guān)器件VT由脈寬可調(diào)的脈沖電壓Ug驅(qū)動(dòng)。§4-1脈寬調(diào)制變換器2.基本原理

①由二極管整流橋完成：交→直

②Us恒定，控制VT在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的長短，即脈沖寬度，來改變電樞平均電壓Ud

→可控。tttusUsUsUSududUd1Ud2f2ftontontontonTT2T2T在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)0≤t≤ton時(shí)，Ug為正，VT飽和導(dǎo)通，ud=us。

當(dāng)ton≤t<T時(shí)，Ug為負(fù)VT截止，ud=0，M經(jīng)VD續(xù)流。系統(tǒng)Uct小，Ug的導(dǎo)通時(shí)間ton短；Uct大，Ug的導(dǎo)通時(shí)間ton長。顯然，Ud2>Ud1?！?-1脈寬調(diào)制變換器?電壓和電流波形U,iUdEidUsttonT0O§4-1脈寬調(diào)制變換器電機(jī)兩端得到的平均電壓為

式中ρ=ton/T為PWM波形的占空比，改變?chǔ)眩?≤ρ<1）即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。PWM脈寬調(diào)速系統(tǒng)如上述介紹有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在缺點(diǎn)：①過壓能力低，需保護(hù)；②VT單向?qū)щ娦裕豢赡?，無制動(dòng)。

需要制動(dòng)時(shí)，必須具有反向電流-id的通路，因此應(yīng)再設(shè)置一個(gè)電力晶體管?！?-1脈寬調(diào)制變換器（二）有制動(dòng)的不可逆PWM變換器電路

1.主電路結(jié)構(gòu)

有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1|Ug1|=|Ug2|極性相反§4-1脈寬調(diào)制變換器2.工作狀態(tài)與波形①

M是電動(dòng)狀態(tài)a）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。

b）在ton≤t≤T期間，Ug1和Ug2都改變極性，VT1關(guān)斷，但VT2也不能導(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，電動(dòng)狀態(tài)是由VT1和VD2交替導(dǎo)通，VT2始終不通?！?-1脈寬調(diào)制變換器?輸出波形：電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形與簡單的不可逆電路波形完全一樣。U,iUdEidUsttonT0OM為電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形§4-1脈寬調(diào)制變換器②制動(dòng)狀態(tài)（減速）減速時(shí)，減小Uct，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(Ud1↓→Ud2)。由于機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E還來不及變化，因而造成E>Ud

的局ududtontonTTUd1Ud2EE面，由Ud0=E+IdR可知，很快使電流id反向，這時(shí)希望VT2發(fā)揮作用?！?-1脈寬調(diào)制變換器制動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)周期分為兩個(gè)工作階段，先分析ton→T階段。

a）在ton≤t≤T期間，Ug2變正，于是VT2導(dǎo)通，E–Ud使電流id反向，沿回路3流通，M：處于能耗制動(dòng)。b）在T≤t≤T+ton

(下一周期的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(dòng)，同時(shí)在VD1兩端上的壓降使VT1不能導(dǎo)通。制動(dòng)狀態(tài)電流流向如下圖?！?-1脈寬調(diào)制變換器?制動(dòng)狀態(tài)電流流向：M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E43CUs+MVT2Ug2VT1Ug1§4-1脈寬調(diào)制變換器在整個(gè)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)的電壓和電流波形如下圖：U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO制動(dòng)狀態(tài)的電壓﹑電流波形§4-1脈寬調(diào)制變換器由于制動(dòng)作用使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降(n↓、E↓)，直到新的穩(wěn)態(tài)，(Ud>E)又回到VT1和VD2輪流導(dǎo)通，M重新回到電動(dòng)狀態(tài)。?注意：當(dāng)US（直流電源）采用半導(dǎo)體整流裝置時(shí)，其單向?qū)щ娦?，在回饋制?dòng)階段電能不可能通過它送回電網(wǎng)，只能向?yàn)V波電容C充電，從而造成瞬間電壓升高，稱作“泵升電壓”。它的值太高時(shí)，對(duì)電力晶體管和整流二極管都不利，限制的措施書中有介紹?！?-1脈寬調(diào)制變換器③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)，VT2兩端電壓也降為零，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。輕載電動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段：

?第一階段，VD1續(xù)流，電流–id

沿回路4流通；

?第二階段，VT1導(dǎo)通，電流id

沿回路1流通；

?第三階段，VD2續(xù)流，電流id

沿回路2流通；

?第四階段，VT2導(dǎo)通，電流–id

沿回路3流通。§4-1脈寬調(diào)制變換器在一、四階段，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)；在二、三階段，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，其輸出波形見下圖：輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形4123Tton0U,iUdEidUsttonT04123O§4-1脈寬調(diào)制變換器◎小結(jié)不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài)§4-1脈寬調(diào)制變換器二、可逆PWM變換器可逆PWM變換器主電路有H型、T型多種形式，最常用的是橋式（亦稱H型）電路，如下圖所示。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件基極驅(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的可逆PWM變換器?！?-1脈寬調(diào)制變換器（一）雙極式可逆PWM變換器+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4橋式可逆PWM變換器1.主電路結(jié)構(gòu)4個(gè)大功率晶體管VT（開關(guān)管）VT1，VT4一組；VT2，VT3一組4個(gè)續(xù)流二極管VD1~VD4驅(qū)動(dòng)電壓：Ug1=Ug4；Ug2=Ug3

=-Ug1§4-1脈寬調(diào)制變換器2.工作狀態(tài)與波形①正向運(yùn)行：?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(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=+Us

；

?在ton≤t≤T期間，Ug1=Ug4為負(fù)，VT1、VT4截止；由于電感儲(chǔ)存很大能量，放電，維持電流方向不變，這時(shí)通過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(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=–Us

?！?-1脈寬調(diào)制變換器?正向運(yùn)行電流流向：+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT312ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4橋式可逆PWM變換器Ug1=Ug4=+Ug1=Ug4=-§4-1脈寬調(diào)制變換器②反向運(yùn)行：先分析ton→T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截止，電流–id沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=–Us；

?在T≤t≤T+ton(下一周期的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(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=+Us

。

§4-1脈寬調(diào)制變換器?反向運(yùn)行電流流向：+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT33AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4橋式可逆PWM變換器Ug2=Ug3=+Ug2=Ug3=-§4-1脈寬調(diào)制變換器U,iUdEid+UsttonT0-UsO正向電動(dòng)運(yùn)行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO反向電動(dòng)運(yùn)行波形③輸出波形§4-1脈寬調(diào)制變換器④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為占空比?當(dāng)ρ>0時(shí)，ton>

T/2，Ud=+，電機(jī)正轉(zhuǎn)；?當(dāng)ρ<0時(shí)，ton<T/2，Ud=-，電機(jī)反轉(zhuǎn)；?當(dāng)ρ=0時(shí)，ton=T/2，電機(jī)停止?！?-1脈寬調(diào)制變換器◎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(dòng)力潤滑”的作用。雙極式可逆PWM制動(dòng)時(shí)情況比較復(fù)雜，根據(jù)VT3、VT2的通斷情況，電機(jī)可能處在能耗制動(dòng)、再生發(fā)電或反接制動(dòng)，產(chǎn)生制動(dòng)時(shí)一定具備上述其中一個(gè)制動(dòng)過程。§4-1脈寬調(diào)制變換器⑤性能評(píng)價(jià)?雙極式可逆PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)：

a）電流一定連續(xù)；

b）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；

c）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；d）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:20000左右；e）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。§4-1脈寬調(diào)制變換器?雙極式可逆PWM變換器的缺點(diǎn)：a）在工作過程中，4個(gè)大功率晶體管可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大；b）在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止上述情況，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。（二）單極式可逆PWM變換器為克服雙極式變換器的上述缺點(diǎn)，可采用單極式PWM變換器。電路圖與雙極式的一樣，如下圖所示?！?-1脈寬調(diào)制變換器1.單極式可逆PWM變換器主電路結(jié)構(gòu)+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4橋式可逆PWM變換器驅(qū)動(dòng)電壓：Ug1=-Ug2VT1與VT2交替導(dǎo)通VT3與VT4由轉(zhuǎn)向決定常通?正轉(zhuǎn)時(shí)，VT4直通，VT3截止?反轉(zhuǎn)時(shí)，VT3直通，VT4截止§4-1脈寬調(diào)制變換器2.工作狀態(tài)與波形①正向運(yùn)行：

?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(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=+Us；

?在ton≤t≤T期間，Ug4為正→VT4繼續(xù)導(dǎo)通，Ug1、Ug3為負(fù)→VT1、VT3截止；由于電感儲(chǔ)存很大能量，放電，維持電流方向不變，這時(shí)雖然Ug2為正，但電流通過VT4、VD2續(xù)流，并鉗位使VT2保持截止，電流id

沿回路2流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=0?！?-1脈寬調(diào)制變換器?正向運(yùn)行電流流向：+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT312ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4橋式可逆PWM變換器Ug1=Ug4=+Ug4=+§4-1脈寬調(diào)制變換器②反向運(yùn)行：先分析ton→T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截止，電流–id沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=–Us；

?在T≤t≤T+ton(下一周期的0≤t≤ton)期間，Ug3為正→VT3導(dǎo)通，Ug1為正→也不導(dǎo)通，VT3、VD1續(xù)流，并鉗位使VT1截止，電流–id

沿回路4流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=0。

§4-1脈寬調(diào)制變換器?反向運(yùn)行電流流向：+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT33AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4橋式可逆PWM變換器Ug2=Ug3=+Ug3=+§4-1脈寬調(diào)制變換器U,iUdEid+UsttonT0O正向電動(dòng)運(yùn)行波形U,iUdEidttonT0-UsO反向電動(dòng)運(yùn)行波形③輸出波形單極式在一個(gè)周期內(nèi)有一段UAB=0，因而被稱作~第四章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)§4-2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性本節(jié)提要

□帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程

□雙極式可逆電路電壓方程

□機(jī)械特性方程§4-2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(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。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)械特性關(guān)系式比較簡單，現(xiàn)在就分析這種情況?！?-2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性一、帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程對(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（0≤t<ton）（ton≤t<T）式中R、L—電樞電路的電阻和電感?！?-2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性二、雙極式可逆電路電壓方程對(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（0≤t<ton）（ton≤t<T）式中R、L—電樞電路的電阻和電感?！?-2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性三、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=γUs（γ=Ud/Us為PWM電壓系數(shù)），只是γ與占空比ρ的關(guān)系不同，在不可逆PWM變換器：γ=ρ，在雙極式控制的可逆變換器：γ=2ρ–1。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?！?-2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性于是，無論是上述哪一組電壓方程，其平均值方程都可寫成

?機(jī)械特性方程或用轉(zhuǎn)矩表示，式中Cm=KmФN—電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；n0=γUs/Ce—理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比?！?-2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性?PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性

n–Id,–TeOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId

,Te=1

=0.75

=0.5

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

/Ce§4-2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性◎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(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，只是更擴(kuò)展到第三、四象限了。

第四章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)§4-3PWM調(diào)速系統(tǒng)控制電路