PWM系统

当ton ≤ t < T 时， Ug为 负，VT关断，电枢失去 电源，经VD续流。直流 电动机电枢电压近似等 于零。
•输出电压方程
直流电动机电枢两端的平均电压为 t on U d U s U s （2-15） T 改变占空比 0 1 ，即可实现直流 电动机的调压调速。
回顾
1触发脉冲相位控制。 晶闸管整 2电流脉动及其波形的连续与断续。 流器-电 3晶闸管-电动机系统的机械特性。 动机系统 4晶闸管触发和整流装置的放大系数 和传递函数。 （V-M系统） 5晶闸管整流器运行中存在的问题。 直流PWM 变换器-电 动机系统 （PWM系统) 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。
脉宽调制（PWM-Pulse Width Modulation）
不可逆PWM变换器
①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
控制电路
近似的传递函数
K s （一节惯性环节）(2-25) Ws ( s ) Ts s 1
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。 。
+ +
u
VT Us
_
Us
ton Ud t
b）电压波形图
VD
M M
_
O
a）原理图
T
输出平均电压：
式中
ton U d U s U s T
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
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
期间 工作状态 一般电动 状态 制动状态 导通器件 电流回路 电流方向 导通器件 电流回路 电流方向 轻载电动 状态 导通器件 电流回路 电流方向 VD1 4 － 0 ~ t4
结
0 ~ ton t4 ~ ton VT1 1 + VD1 4 － VT1 1 + VD2 2 + ton ~ t2 VD2 2 + VT2 3 － VT2 3 － ton ~ T t2 ~ T
轻载电动状态

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，使电流方向变动， 产生局部时间的制动作用。
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。

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。
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。

Ud 令 U s 为PWM电压系数，则在不可逆
PWM变换器中

（2-16）
1、 简单的不可逆 PWM-直流电动机系统的特点
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 。
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：
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 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。
图2-11
电路原理图
有制动电流通路的不可逆PWM变 换器-直流电动机系统
控制要求：Ug1=-Ug2 ，即Ug1和Ug2大小相等方向相反
制动状态输出波形
U g1 的正脉冲变窄负脉
冲变宽 ，平均电 压Ud降低
E Ud
i d 始终为负。
制动状态的电压、电流波形 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
• 主电路结构
电路原理图
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

在电动状态条件： id 始终为正， Ud>E(t0n>T/2)。
在0≤t<ton期间，VT1导通， VT2关断。电流id沿图中 的回路1流通。 在ton≤t<T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。
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。
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。

3．PWM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。
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
图中： Us—直流电源电压 M —直流电动机
C —滤波电容器
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；
U s RId E RId Ce n
（2-21）
平均电压 U d U s 平均电流 I d di d 电枢电感压降的均值（稳态时）L dt E 平均转速 n
Ce
0
带制动的不可逆PWM电路机械特性方程

机械特性方程式为 U s R
或用转矩表示，
U s
R n I d n0 Id Ce Ce Ce

3．PWM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环节， 传递函数为
式中：Ks——PWM装置的放大系数 Ts——PWM装置的延迟时间，

U d ( s) Ts s Ws ( s ) Kse U c ( s)
(2-24)
did U s Rid L E dt (0 t t on )


(2-17)
(2-18)
式中R、L分别为电枢电路的电阻和电感。
di d 0 Ri d L E dt
(ton t T )
带制动的不可逆PWM电路电压平均值方程
求一个周期内的平均值，则电压平均值方程为：
直流 调速 系统 用的 可控 直流 电源
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VM系统。
制动状态



在ton≤t<T期间，Vg2为正， VT2导通，在感应电动势 E的作用下，反向电流沿 回路3能耗制动。 在T≤t<T+ton（即下一周 期的0≤t<ton）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。