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1、直流调速系统用的可控直流电源,晶闸管整流器-电动机系统,直流PWM变换器-电动机系统,（V-M系统）,1触发脉冲相位控制。 2电流脉动及其波形的连续与断续。 3晶闸管-电动机系统的机械特性。 4晶闸管触发和整流装置的放大系数 和传递函数。 5晶闸管整流器运行中存在的问题。,1 PWM变换器的工作状态和波形； 2 直流PWM调速系统的机械特性； 3 PWM控制与变换器的数学模型； 4 电能回馈与泵升电压的限制。,（PWM系统),回顾,2.1.2 直流PWM变换器-电动机系统,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, 形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系
2、统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。 与V-M系统相比，PWM调速系统在很多方面有较大的优越性。 直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。,2.1.2 直流PWM变换器-电动机系统,主要研究问题,1 PWM变换器的工作状态和波形； 2 直流PWM调速系统的机械特性； 3 PWM控制与变换器的数学模型； 4 电能回馈与泵升电压的限制。,一PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,脉宽调制(PWM)变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节
3、电动机转速。 PWM变换器电路有多种形式，总体上可分为不可逆与可逆两大类。,脉宽调制（PWM-Pulse Width Modulation）,不可逆PWM变换器,简单的不可逆PWM变换器 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图如下图所示，功率开关器件VT可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又称直流降压斩波器(buck变换器)。,斩波电路三种控制方式,输出平均电压：,式中 T 电力电子开关器件的开关周期； ton 开通时间； 占空比， = ton / T = ton f ； 其中 f 为开关频率。,斩波电路三种控制方式,输出平均电压：,根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划
4、分，有三种控制方式： T 不变，变 ton 脉冲宽度调制（PWM）； ton不变，变 T 脉冲频率调制（PFM）； ton和 T 都可调，改变占空比混合型。,图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图,1、简单的 不可逆PWM-直流电动机系统,图中： Us直流电源电压 C 滤波电容器 M 直流电动机 VD 续流二极管 VT 功率开关器件 VT 的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。,工作状态与波形,在一个开关周期内， 当0 t ton时，Ug为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端； 当ton t T 时， Ug为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流。直流电动
5、机电枢电压近似等于零。,直流电动机电枢两端的平均电压为 （2-15） 改变占空比 ，即可实现直流电动机的调压调速。 令 为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中 （2-16）,输出电压方程,不可逆PWM变换器-直流电动机系统不允许电流反向， 续流二极管VD的作用只是为id提供一个续流的通道。 如果要实现电动机的制动，必须为其提供反向电流通道 。,1、 简单的不可逆 PWM-直流电动机系统的特点,2、有制动的不可逆PWM变换器电路,在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能作单象限运行。需要制动时，必须为反向电流提供通路，如图1-17a所示的双管交替开关电路。当VT1 导通时，流
6、过正向电流 + id ，VT2 导通时，流过 id 。应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因为平均电压 Ud 并没有改变极性。,主电路结构,一般电动状态,在电动状态条件： id始终为正，UdE(t0nT/2)。 在0tton期间，VT1导通，VT2关断。电流id沿图中的回路1流通。 在tontT期间，VT1关断，id沿回路2经二极管VD2续流。 VT1和VD2交替导通， VT2和VD1始终关断。,控制要求：Ug1=-Ug2 ，即Ug1和Ug2大小相等方向相反,图2-11有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,一般电动状态的电压、电流波形,结论：一般电动状态运行时
7、，实际上是由VT1和VD2交替导通，虽然电路中多了一个功率开关器件VT2 ，但并没有被用上。与简单的不可逆电路波形（图2-10b）完全一样。,制动状态,制动状态 运行条件： ton T/2， 使：Ud E 在制动状态中， id为负值，VT2就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时，先减小控制电压，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。但是，由于机电惯性，转速和反电动势E还来不及变化，因而造成 E Ud 的局面，很快使电流id反向，VD2截止， VT2开始导通。,制动状态,在tontT期间，Vg2为正，VT2导通，在感应电动势E的作用下，反向电流
8、沿回路3能耗制动。 在TtT+ton（即下一周期的0tton）期间，Vg2为负， VT2关断，-id沿回路4经VD1续流，向电源回馈能量。 VT2和VD1交替导通， VT1和VD2始终关断。,控制要求：Ug1=-Ug2 ，即Ug1和Ug2大小相等方向相反,图2-11有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,的正脉冲变窄负脉冲变宽 ，平均电压Ud降低,始终为负。,制动状态的电压、电流波形,制动状态输出波形,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，以致于在关断后经续流时，还没有到达周期 T ，电流已经衰减到零，此时，因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变
9、动，产生局部时间的制动作用。,轻载电动状态,轻载电动状态,在VT1关断后，id经VD2续流。 还没有到达周期T，电流已经衰减到零， 在t=t2时刻，VT2导通，使电流反向，产生局部时间的制动作用。 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，一个周期分成四个阶段。,(d) 轻载电动状态的电流波形,VT1、VD2、VT2和VD1 四个管子轮流导通。,轻载电动状态,Ug1,轻载电动状态，一个周期分成四个阶段： 第1阶段，VD1续流，电流 id 沿回路4流通； 第2阶段，VT1导通，电流 id 沿回路1流通； 第3阶段，VD2续流，电流 id 沿回路2流通； 第4阶段，VT2导通，电流
10、id 沿回路3流通。,轻载电动状态,在1、4阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态； 在2、3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。,轻载电动状态,2、 有制动电流通路的 不可逆PWM-直流电动机系统,图2-11(a)所示电路之所以为不可逆是因为平均电压Ud始终大于零，电流虽然能够反向，而电压和转速仍不能反向。 如果要求转速反向，需要再增加VT和VD，构成可逆的PWM变换器-直流电动机系统，在第4章中将进一步讨论。,小 结,表2-3 二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态,二.直流PWM调速系统的机械特性,由于
11、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。,二.直流PWM调速系统的机械特性,采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一样，其关键之处在于电流波形是否连续。对于带制动电流通路的不可逆电路，电流方向可逆，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。,二.直流PWM调速系统的机械特性,对于带制动电流通路的不可逆电路，其电压平衡方程式分两个阶段： (2-17) (2-18) 式中R、L分别为电枢电路的电阻和电感。,
12、带制动的不可逆PWM电路电压平均值方程,平均电压 平均电流 电枢电感压降的均值（稳态时） 平均转速,（2-21）,求一个周期内的平均值，则电压平均值方程为：,带制动的不可逆PWM电路机械特性方程,机械特性方程式为 (2-20) 或用转矩表示， (2-21) 式中， 电动机在额定磁通下的转矩系数； 理想空载转速，与电压系数成正比。,PWM调速系统机械特性,图2-12脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0sUs /Ce,说明,图中所示的机械特性是电流连续时，脉宽调速系统的稳态性能； 图中仅给出了第一、第二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路，可逆电路的机械特性与此相仿，只是扩展到了
13、第三、第四象限； 对于电动机在同一方向旋转时电流不能反向的电路，轻载时会出现电流断续现象，把平均电压抬高，其机械特性比较复杂，在这里不讲述。,3PWM控制器与变换器的动态数学模型,下图绘出了PWM控制器和变换器的框图，其启动电压由PWM控制器发出，PWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致； 按照上述对PWM变换器工作原理和波形的分析，不难看出，当控制电压Uc时，PWM变换器输出平均电压Ud按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期T。,3PWM控制器与变换器的动态数学模型,图2-13 PWM控制器与变换器框图,传递函数,PWM装置变换器也可以看成是一个滞后
14、环节，传递函数为 (2-24) 式中：KsPWM装置的放大系数 TsPWM装置的延迟时间， 近似的传递函数 （一节惯性环节）(2-25),4直流PWM调速系统的电能回馈和泵升电压,PWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压，电容C同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。 。,泵升电压产生的原因,对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机回馈制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。,电力电子器件的耐压限制着最高泵
15、升电压，因此电容量就不可能很小，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。 在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采用下图中的镇流电阻 Rb 来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到允许数值时接通。,泵升电压限制,系统在制动时释放的动能将表现为电容储能的增加，要适当地选择电容的电容量，一般为 或采取其它措施，以保护电力电子开关器件不被泵升电压击穿。,（2-24）,泵升电压限制措施,泵升电压限制,与V-M系统相比，PWM直流调速系统的优越性,1）主电路线路简单，需用的功率器件少。 2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。 3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。 4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。 5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当的时候，开关损耗也不大，因而装置效率较高 6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。,