精品课件-运动控制系统(贺昱曜)-第4章

第4章 直流脉宽调速系统
图4-2 电流反向的不可逆PWM调速系统
第4章 直流脉宽调速系统
1. 第Ⅰ 在第Ⅰ象限， 电流反向的不可逆PWM调速系统运行在 电流连续的电动状态下。 在0≤t<ton期间（对应VT1导通， VT2关断）， 电源电压Us加到电枢的两端， 电流id沿着图 4-3(a)中粗实线所示的回路流通并从其初始值id1 上升到id2。
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图4-7是可以四象限运行的PWM变换器。 由于电枢 电压的极性和电枢电流方向都可以通过开关来改变， 因此该变换器可以方便地实现直流电机的正、 反转， 以及启、 制动等四象限运行。 上述四象限可逆PWM变 换器的控制可以采用单极性控制和双极性控制两种方式， 分别叙述如下。
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第4章 直流脉宽调速系统
4.1 脉宽调制变换器 4.2 脉宽调制系统的开环机械特性 4.3 PWM变换器的控制电路 4.4 PWM调速系统的电流脉动和转矩脉动分析 习题与思考题
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4.1 对于晶闸管-电动机调速系统， 由于晶闸管的开关频率低， 因而输出电流存在谐波分量， 转矩脉动大， 限制了调速范围； 深度调速时， 功率因数低， 调速范围窄。 在轻载条件下， 串联在电枢回路中的平波电抗器已经难以维系电流的连续， 容易出现电流断续， 此时直流电机的机械特性变软， 即随着 负载转矩的降低， 转速增加很快， 容易造成实际电机的理想 空载转速比平滑直流电源供电时的理想空载转速高。 要克服 上述困难， 需要增加平波电抗器的电感， 但电感增大的同时， 又限制了系统的快速性。
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2. 第Ⅱ 电机在第Ⅱ象限运行于发电制动状态， 此时转速方向保 持正向不变， 而电枢电流反向， 转子存储的磁能和机械能 通过变流器回馈到直流电源。 当电机运行在正向电动状态时 （此时对应VT1导通）， 一旦发出制动信号， VT1关断， 电 枢电流通过VD2流向直流电源并迅速降到零。 为了使电流反 向， VT2导通, 如图4-5(b)所示， 在反电势的作用下， 电 流将通过VT2使电枢短路， 直流电机进入能耗制动状态。
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图4-8 可逆调速第Ⅰ象限运行等效电路
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图4-9 第Ⅰ象限运行时电枢电压、 (a） 电流连续；
(b）
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2) 第Ⅱ 电机在第Ⅱ象限运行于发电制动状态， 此时转速方向保持 正向不变， 而电枢电流反向， 转子存储的动能通过变流器回 馈到直流电源。 当电机运行在正向电动状态时（此时对应VT1、 VT4导通）， 一旦发出制动信号， VT1、 VT4关断，首先VD2和 VD3续流， 电流流向直流电源并迅速降到零。 为了使电流反向， 可以控制VT2导通（或者VT3导通）， 如图4-10(b)所示。 在反 电势的作用下， 电流将通过VT2和VD4构成回路， 使电枢短路， 直流电机进入能耗制动状态。
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当电流达到上限值时， VT2关断， 在电枢电感的作用 下， 电流通过VD1回馈至直流电源, 如图4-5(a)所示。 当电 流下降至下限值时， VT2重新导通， 为下一次回馈作准备。 上述过程能保证反电势低于直流电源电压时， 仍能把电机的 储能回馈到直流电源。 电枢电压和电流波形如图4-6所示， 从图中可以看到， 电枢两端的平均电压为正， 电流为负， 表明功率由电机流向电源， 即电机运行在正向发电制动状态。 需要强调的是， 如果采用二极管整流， 当电流反向时， 不 能回馈到电网， 只能向滤波电容C充电， 从而造成电容瞬间 高压， 称为泵升电压。 如果回馈能量过大， 泵升电压很高， 则会对电力电子器件造成损害。
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图4-13 第Ⅲ象限运行时电枢电压、 (a） 电流连续;
(b）
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4) 第Ⅳ 电机在第Ⅳ象限运行于反向发电制动状态， 此时转速方 向保持不变， 而电枢电流反向， 转子存储的动能通过变流 器回馈到直流电源。 当电机运行在反向电动状态时（此时对 应VT2、 VT3导通）， 一旦发出制动信号， VT2、 VT3关断， 首先VD2和VD3续流， 电流流向直流电源并迅速降到零。 为 了使电流反向， 控制VT1导通（或者VT3导通）如图4-14(b) 所示。
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图4-12 可逆调速第Ⅲ象限运行等效电路
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电枢电压和电枢电流波形如图4-13(a)所示， 电枢 电压和电枢电流均反向， 其乘积即功率为正， 表明能 量由电源流向电机。 在轻载条件下， 会出现电流断续 状态， 此时电枢两端的电压和电流波形如图4-13(b)所 示， 与正向电动状态类似。 在实际电路中， 应该避免 电路运行在电流断续状态下。
断时不能产生电磁制动， 系统只能运行在第Ⅰ象限。 这种不
可逆PWM
运行可靠。
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4.1.2 电流反向的不可逆PWM 具有电流反向作用的不可逆PWM调速系统如图4-2(a)和(b)
所示。 两个晶体管VT1和VT2互补导通， 该变换拓扑可以在第 Ⅰ和第Ⅱ象限运行， 可以运行在电流连续的电动状态（第Ⅰ 象限）、 能耗制动（第Ⅱ象限）状态下。 这两种电流反向的 不可逆调速系统的拓扑结构类似， 在运行中电流可以反向， 产生制动电磁转矩， 但是电压不能反向， 即不能运行在第Ⅲ 和第Ⅳ象限。 其优点是所用的开关器件较少， 可应用于中小 功率场合。 下面以图4-2(a)所示的电路为例， 分析该电路的 两象限运行。
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图4-3 第Ⅰ象限运行等效电路
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在ton≤t<T期间（对应VT1关断， VT2导通）， 电路id 沿着图4-3(b)中粗实线所示的回路经过二极管VD2续流， 电 流从id2下降到id1。 VT1和VD2轮流导通， 电枢电流和电压波 形如图4-3(a)所示。 在轻载电动运行状态下， 负载电流id 很小， 在VT1关断后， id通过VD2很快续流到零。 在电流 断续区间， 电枢两端的电压等于反电势， 断续时的电枢电 压和电枢电流如图4-4(b)所示。
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自关断器件具有双向导电特性， 因此只用一组变 换器就可以实现电机的多象限运行， 提高了变换效率。 PWM变换器有不可逆和可逆两类， 可逆变换器按控制方 式又可以分为双极性、 单极性和受限单极性等几种。
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4.1.1 图4-1是简单的不可逆PWM调速系统的主电路原理图，
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1) 第Ⅰ 第Ⅰ象限电机运行于电动状态,此时电枢电流和反电势的 方向均为正方向， VT1和VT4同时导通， VT2和VT3截止， 电枢 电流回路如图4-8(a)所示。 一旦希望电枢电流为零， 可以关 断VT1（或者VT4）， 同时保持VT2和VT3截止。 在电枢电感的 作用下， 电流将通过二极管VD2和VT4续流， 如图4-8(b)中实 线所示， VD3和VT1续流如虚线所示。 通常情况下， VD2、 VT4和VD3、 VT1交替续流， 电枢电压和电流波形如图4-9(a)所 示。 在轻载条件下， 电枢电流出现断续， 电枢两端的电压、 电流如图4-9(b)所示。
图4-1
PWM调速系统主电路原理图
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在0≤t<ton期间， 对应于开关管VT导通， 电枢电压方程
Us
Rid
L
did dt
E
（4-1）
在ton≤t<T期间， 对应于开关管VT关断， 电流通过反并
联二极管VD续流，
0
Rid
L
did dt
E
（4-2）
图4-1所示的不可逆电路中电流id不能反向流动， 即VT关
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图4-10 可逆调速第Ⅱ象限运行等效电路
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图4-11 第Ⅱ象限运行时电枢电压、 电流波形
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3) 第Ⅲ 电机在第Ⅲ象限运行于反向电动状态， 与正向电动状 态类似。 此时电流及反电势均反向， 对应的电枢电流回路 如图4-12(a)和(b)所示。 图4-12(a)中， VT3和VT2同时导 通， 电流增加。 如果希望电枢电压为零， 可以关断VT2 （或者VT3）， 电枢回路的电流将减少， 电流通过VT3和VD1 （或者VT2和VD4)续流， 如图4-12(b)所示， 电枢回路处于 短路状态。
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当电流达到上限值时，VT2关断（或者VT3关断）， 在电枢 电感的作用下， 电流通过VD4和VD1回馈至直流电源， 如图410(a)所示。 当电流下降至下限值时， VT2重新导通（或者VT3 导通）， 为下一次回馈作准备。 上述过程能保证反电势低于 直流电源电压时， 仍能把电机的储能回馈到直流电源。 在电 枢短路时有两种控制方式， 如图4-10(b)中的粗实线和粗虚线 所示， 在实际电路中两种控制方式轮流导通， 使开关器件交 替工作， 来保证热平衡。 第Ⅱ象限运行时的电枢电压、 电 流波形如图4-11所示。 从图中可以看到， 电枢两端的平均电 压为正， 而电流为负， 表明功率由电机流向电源， 即电机 运行在正向发电制动状态。
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自关断器件（MOSFET、 IBGB、 GTR、 GTO）的开关频率 大大提高， 和相控变换器相比， PWM变换器直流调速系统有 较高的动态性能和较宽的调速范围， 其综合性能明显优于相 控方式， 且主电路结构简单， 需要的功率器件减少； 电枢 电流容易连续， 谐波减少， 电机的损耗和发热都大大减少； 低速性能得到改善， 稳速精度提高， 因而调速范围增大； 系统的频带宽， 快速性能好， 动态抗干扰能力增强； 主电 路元件工作在开关状态， 导通损耗小； 直流电源采用三相可 控整流， 电网的功率因数提高。
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Ud
ton Ts
Us
Us
式中： Ton 定义为占空比， 且0<ρ<1
Ts
（4-3）
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图4-4 运行于第Ⅰ (a) 续流时； (b) 断续时
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图4-5 第Ⅱ象限运行等效电路
第4章 直ห้องสมุดไป่ตู้脉宽调速系统
图4-6 运行于第Ⅱ象限时的电枢电压和电枢电流波形
图4-7 四象限运行的PWM变换器
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1. 在单极式变换器中， 左边桥臂两个三极管的驱动信号具 有正负交替的脉冲波形， 使VT1和VT2 交替导通。 右边两个 三极管VT3和VT4的驱动信号是根据电机的转向而施加的不同直 流控制信号， 其导通规律如下： 电机正转时，VT3截止而VT4 常通。 电机反转时， VT3常通而VT4截止。 在单极性控制方 式下， 当电动机朝一个方向旋转时， 变换器在某一时刻输 出单极性波形， 因此称其为单极性控制。
采用了全控式的电力晶体管， 以代替必须进行强迫关断 的晶闸管， 开关频率可达20 kHz甚至更高， 比晶闸管提 高了一个数量级。 电源电压Us一般由不可控整流电源提供， 采用大电容C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， 下面 分析其运行特点。
第4章 直流脉宽调速系统
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由于晶闸管的单向导电性， 直流电机的电流只能 是单方向的， 无法获得反向电磁转矩。 为了获得反向电磁 转矩， 就必须采用两组反并联运行的相控变流器来完成电机 的四象限运行。 目前在大中功率系统中， 晶闸管-电动机调 速系统还在应用。 在中小应用范围内， 随着全控器件的工 业化应用， 其已经完全取代了晶闸管。
第4章 直流脉宽调速系统
为了便于设计和计算开关损耗， PWM变换器通常采用恒 频率变脉宽的控制方式实现直流电机的调压调速。 PWM变换 器可以方便地实现直流电机的平滑调速以及正反转运行， 因 而可以方便地实现直流电机的四象限运行。 由于PWM变换器 的开关特性， 使得电机的电枢电压和电流都是脉动的， 其 转速和转矩必然也是脉动的。 PWM供电下的直流电机的机械 特性与相控方式下的特性类似， 都会出现电流断续区间， 造成机械特性变软和空载转速提高， 在实际的应用中应尽量 避免变换器运行在电流断续区间。