机电传动控制ch4_4_15.4.3 电子教案

引言
晶闸管：是一种只能控制导通、不能控制关断的半控型器件，使其构成的V-M系统性能受限制。

晶体管：属第二代全控型电力电子器件，其导通与关断完全可控。

采用全控型电力电子器件（GTO门极可关断晶闸管）、GTR（电力晶体管）、P-MOSFET（电力场效应管）、IGBT （绝缘栅极双极型晶体管）等组成的直流脉冲宽度调制型PWM）调速系统已发展成熟，并得到广泛的应用。

引言
直流脉宽调压-调速系统的基本原理
电路原理图任何一种电力电子开关器件
直流电源电压
续流二极管
电压波形图
平均
输出
电压
开关
周期
VT
导通
时间
引言
直流脉宽调压
-调速系统的基本原理电路原理图任何一种电力电子开关器件直流电源电压
续流二极管电压波形图平均
输出电压开关周期VT 导通时间on
t U U U ρ==平均输出电压on
t t f ρ==占空比开关
频率
引言
PWM 系统与V-M 系统相比的主要优点电路原理图①主电路简单，功率元件少；
②开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；
③低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；
④系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强；⑤主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高；⑥直流电源采用不控三相整流时，电网功率因数高。

4.4.1 PWM 变换器
脉宽调制变换器的基本原理：
将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，从而改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。

on
d S S d
t U U U U T ρρ==，改变，可调平均输出电压ρ
4.4.1 PWM 变换器
1．不可逆PWM 变换器
1
）简单电路，如图4-19
VT 的脉宽
调制控制脉冲电压开关管直流电源滤波电容续流二极管电动机电枢电压和电流波形
4.4.1 PWM 变换器
1
．不可逆PWM 变换器工作原理：:()VT M ()
a S
d U U i =⎧⎨
+→→→-⎩g
U d i S
U 0
a U =⎧⎨00on VT g t t U ≤<>当，，通0on VT g t t T U ≤<<当，，断d i d
i 简单电路，如图4-19
4.4.1 PWM 变换器
1
．不可逆PWM 变换器g
U d i S U d i d i d
U U γγρ==令：为电压系数，d ()i f t =⎧⎨瞬时值：电枢电流on
d S on S S t U U t f U U T ρ===平均输出电压简单电路，如图4-19
变ρ，调压调速
4.4.1 PWM 变换器
1
．不可逆PWM 变换器g
U d i S U d i d
i 简单电路，如图4-19
①电压U d 的“极性”不可变，电机不能反转——称“不可逆”②电流i d 不能反向，——不能进行电气制动；电路特点：
4.4.1 PWM变换器
1．不可逆PWM变换器
2）可制动的不可逆PWM变换器，如图4-20电路特点：
①采用双管交替开关电路，使电
方向可变，实现电气制动。

流i
d
如VT1导通，电流为正向电流1；
VT2导通，电流为反向电流3。

的“极性”仍然不可变，
②电压U
d
故电路为“不可逆”。

4.4.1 PWM 变换器
1．不可逆PWM 变换器
在何种状态下，VT1、VT2的
驱动电压：
电路原理：
12
g g U U =-2）可制动的不可逆PWM 变换器，如图4-20通断逻辑：
VT1导通→VT2关断；
4.4.1 PWM 变换器
1．不可逆PWM 变换器
（1）电动状态0
d a d U E I >>，①VT1导通，VT2关断
2）可制动的不可逆PWM 变换器，如图4-20电路原理：
电枢电压：U d = U S ，
电枢电流：i d →沿回路1→VT1→-U S
d a
d U E I R
-=
4.4.1 PWM 变换器
1．不可逆PWM 变换器
电路原理：
（1）电动状态2）可制动的不可逆PWM 变换器，如图4-20②VT1关断，VT2导通
a a d U E I >>，电枢电压：U d = 0，
电枢电流：i d →沿回路2→经VD2续流；
d a
d U E I R
-=
4.4.1 PWM 变换器
1．不可逆PWM 变换器
（1）电动状态
2）可制动的不可逆PWM 变换器，如图4-20电路原理：
a.VT2 始终关闭，不起作用；
112VT1VT VD2M
s d s
a
d U i U di L i dt →→→→-⎧⎪⎨→→→→+⎪⎩通，断，
4.4.1 PWM变换器
1．不可逆PWM变换器
2）可制动的不可逆PWM变换器，如图4-20电路原理：
（1）电动状态
a.VT2 始终关闭，不起作用；
b.电压U d、电流波形由VT1控
制与简单电路波形相同。

如图4-20（b ）
4.4.1 PWM 变换器
1．不可逆PWM 变换器
（2）制动状态2）可制动的不可逆PWM 变换器，如图4-20电路原理：
①VT1关断，VT2导通
电枢电压：U d = 0；i d < 0
电枢电流：i d →沿回路3→VT2→-M
VT1关断→U = 0，i < 0 →产生能耗制动；d a
d U E I R
-=0
d a d U E I <<条件：，
4.4.1 PWM 变换器
1．不可逆PWM 变换器
（2）制动状态2）可制动的不可逆PWM 变换器，如图4-20电路原理：
②VT1导通，VT2关断
电枢电流：i d →沿回路4→U S →VD1→-M ，实现降压回馈制动；VT1通→U d =U S ，为减速制动，
降压U d ↓→U d < E a ，i d < 0
d a
d U E I R
-=0
d a d U E I <<条件：，
4.4.1 PWM 变换器
1．不可逆PWM 变换器
（2）制动状态2）可制动的不可逆PWM 变换器，如图4-20电路原理：
①VT1 始终关闭，不起作用
②制动时，电压U d 、电流由
VT2控制。

d a
d U E I R
-=
4.4.1 PWM 变换器
1．不可逆PWM 变换器
（2）制动状态2）可制动的不可逆PWM 变换器，如图4-20
电路原理：
①VT1 始终关闭，不起作用
②制动时，电压U d 、电流由
VT2控制。

d a
d U E I R
-=③制动状态的电压、电流波形
如图。

4.4.1 PWM变换器
2．桥式可逆PWM变换器
可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图4-21所示。

1）电路组成：
①4个电力电子开关
VT1~VT4；
②4个续流二极管
VD1~VD4
4.4.1 PWM 变换器
2．桥式可逆PWM 变换器2）电路原理：VT 驱动电压：
g1g4g2g3
--U U U U ===0
AB s d U U i =+>⎧⎨
→⎩沿回路10AB s d U U i =-<⎧⎨
→⎩沿回路3
14
g g U U 23
g g U U 14
,VT on
t T
t
t
23
,VT 01423VT VT []on t t →⎧⎪<<⎨
→⎪⎩，
，导通关断14
23VT VT []on t t T →⎧⎪<<⎨
→⎪⎩，，
关断导通
4.4.1 PWM 变换器
2．桥式可逆PWM 变换器2）电路原理：VT 驱动电压：
g1g4g2g3
--U U U U ===14
g g U U 23
g g U U 14
,VT on
t T
t
t
23
,VT 输出平均电压
21on on on d S S S
t T t t U U U U -⎛⎫=-=- ⎪AB
U on
t T
t
S
U +S
U -d
U 0
电压波形
4.4.1 PWM 变换器
2．桥式可逆PWM 变换器2）电路原理：VT 驱动电压：
g1g4g2g3
--U U U U ===输出平均电压：
21on d S
t U U T ⎛⎫=- ⎪⎝⎭
1
02on d t T U =→=→电机停转
⎫
⎬⎭
为可逆运行运行控制：
1
02on d t T U >→>→正向运行
1
4.4.1 PWM 变换器
2．桥式可逆PWM 变换器2）电路原理：VT 驱动电压：
g1g4g2g3
--U U U U ===输出平均电压：
21on d S
t U U T ⎛⎫=- ⎪⎝⎭
3）电动与制动运行控制
d a
d U E I R
-=
控制依据
00,,d a d d a d U E I U E I >>→⎧⎨
<<→⎩电动制动
4.4.1 PWM 变换器
2．桥式可逆PWM 变换器2）电路原理：VT 驱动电压：
g1g4g2g3
--U U U U ===输出平均电压：
21on d S
t U U T ⎛⎫=- ⎪⎝⎭
3）电动与制动运行控制
00
d a a U E i ->>正向:，电动14
VT d i →，导通：沿回路1VT VT VD i →关断：沿回路2，经续流（受反电压被截止）
4.4.1 PWM 变换器
2．桥式可逆PWM 变换器2）电路原理：VT 驱动电压：
g1g4g2g3
--U U U U ===输出平均电压：
21on d S
t U U T ⎛⎫=- ⎪⎝⎭
3）电动与制动运行控制
00
d a a U E i -<<制正向：降压，使，动23
VT d i →，导通：沿回路3V VT T VD i →关断：沿回路4，经续流（受反电压被截止）
4.4.1 PWM 变换器
2．桥式可逆PWM 变换器2）电路原理：VT 驱动电压：
g1g4g2g3
--U U U U ===输出平均电压：
21on d S
t U U T ⎛⎫=- ⎪⎝⎭
3）电动与制动运行控制
on d
t U →控制方法：调节00d d U U >⎧⎨
<⎩，正向运行
①，反向运行
00,,d a d a U E U E ->→⎧⎨-<→⎩电动②制动
4.4.1 PWM变换器
2．桥式可逆PWM变换器
3）桥式可逆PWM变换器的特点
（1）电流连续。

（2）可使电动机在四象限运行。

（3）电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区。

（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1∶20000左右。

（5）低速时，各开关器件的驱动脉冲较宽，有利于保证器件的可靠导通。

4.4.2直流脉宽调速系统的机械特性
1．系统电压平衡方程
带制动电流通路的不可逆电路，图4-20电压平衡方程式分两个阶段
0d
d on S di t t U Ri L E
dt ≤<=++（4-23）
0d
d on di t t T
Ri L E
dt
≤<=++（4-24）
式中，R 、L 分别为电枢电路的电阻和电感
4.4.2直流脉宽调速系统的机械特性
1．系统电压平衡方程
双极式控制的可逆电路（图4-21）电压平衡方程式也分两个阶段
0d
d on S di t t U Ri L E
dt ≤<=++（4-25）
d
d on s di t t T
U Ri L E
dt
≤<-=++（4-26）
式中，R 、L 分别为电枢电路的电阻和电感
4.4.2直流脉宽调速系统的机械特性
2．系统机械特性方程式
按电压方程求一个周期内的平均值，可得机械特性方程式。

周期内的平均电压d S
U U γ=电压系数γ与占空比ρ的关系：01
21γρ
ργρ=⎧≤≤⎨=-⎩不可逆电路：可逆电路：式中=/d em m I T K ——稳态时平均电流
d
di 平均电压平衡方程d d S e U RI E RI K n γ=+=+（4-25）
4.4.2直流脉宽调速系统的机械特性
2．系统机械特性方程式
按电压方程求一个周期内的平均值，可得机械特性方程式。

机械特性方程式0S
d d
e e e
U R
R
n I n I K K K γ=-=-d d S e U RI E RI K n γ=+=+平均电压平衡方程（4-25）用转矩表示0S d e e e m e m
U R
R n I n T K K K K K γ=-=-（4-26）
4.4.2直流脉宽调速系统的机械特性
2．系统机械特性方程式用转矩表示0S d e e e m e m
U R
R
n I n T K K K K K γ=-=-
（4-26）机械特性曲线
可见，调节ρ→γ，可实现调压调速和相应电气制动。

01011112()[]
[]
γργργργ=⇒⎧≤≤⎨=-⇒≤≤+⎩≤≤-不可逆：可 逆：正向运行特性
本节基本要点
1）晶体管直流脉宽调速系统组成；
2）PWM变换器的类型、特点；
3）不可逆与可逆变换器的电路原理；
4）PWM变换器的调速原理及控制参数；
5）直流脉宽调速系统的机械特性方程及特性；。