第2章第2讲直流PWM变换器-电动机系统

输出平均电压：
Ud

ton T
Us
源自文库
Us
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分， 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。
①简单的不可逆 PWM变换器
• 主电路结构工作状态与波形
对于调速系统转速控制的要求： （1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围
内调节转速； （2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运
行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动； （3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、
减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化的机械则要 求起、制动尽量平稳。
2.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标
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）
(1). 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)。
n0 = Us / Ce —理想空载转速，与电压系数成正比。
2 直流脉宽调速系统的机械特性
（3）PWM调速系统机械特性
图2-12 /Ce
脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0s＝Us
3. PWM控制与变换器的数学模型
PWM控制器和变换器的框图
Uc
PWM
Ug
PWM
Ud
控制器
变换器
图 PWM控制与变换器框图
2、静差率s
当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定 值所对应的转速降落ΔnN与理想空载转速n0之比
s nN n0
用百分数表示
s nN 100 % n0
式中 nN = n0 - nN 静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。 调速范围和静差率两个指标合称调速系统的稳态性能指标。
其驱动电压都由 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。
3. PWM控制与变换器的数学模型
因此PWM控制与变换器（简称PWM装置）也 可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成
其中
Ws (s)

Ud (s) U c (s)

K s e Ts s
Ks — PWM装置的放大系数；
道。
VT1 主管 VT2 辅助管
U g1 U g 2 大小相等极性相反
VT2 Ug2
VT1 Ug1
VD2 E
- M+
VD1
C
Us +
②有制动的不可逆PWM变换器电路
Ⅰ一般电动状态
• 工作状态与波形
VT2 Ug2
VT1 Ug1
VD2 E2
-
1
VD1
M+
C
Us +
VT1和VD2交替导通， VT2和VD1始终关断。
（1） 带制动的不可逆电路电压方程
对于带制动电流通路的不可逆电路，电压平衡 方程式分两个阶段
Us

Rid

L
did dt

E
0

Rid

L
did dt

E
（0 ≤ t < ton） （2-17） （ton ≤ t < T） （2-18）
式中 R、L —电枢电路的电阻和电感。
2 直流脉宽调速系统的机械特性
例题2-1某直流调速系统电动机额定转速nN=1430r/min， 额定速降ΔnN=115r/min，当要求静差率s≤30%时，允 许多大的调速范围？如果要求静差率s≤ 20%，则调速 范围是多少？
如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多 少？
解 在要求s≤ 30%时，允许的调速范围为
D nN s 1430 0.3 5.3 nN (1 s) 115 (1 0.3)
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。
4. 电能回馈与泵升电压的限制
泵升电压限制 对于更大容量的系统，为了提高效率，可以在
二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆 变后回馈电网。当然，这样一来，系统就更复杂了。
PWM系统的优越性
主电路线路简单，需用的功率器件少；
开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损 耗及发热都较小；
目前，组成UPE的电力电子器件有如下几种选择方案： 对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P-MOSFET组成
的PWM变换器； 对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如
开环调速系统，即无反馈控制的直流调速系统。 调节控制电压Uc就可以改变电动机的转速。 晶闸管整流器和PWM变换器都是可控的直流电源，
用UPE来统一表示可控直流电源
图2－15 开环调速系统的原理图
UPE的组成
~u
AC DC
Udd00
Ucc
图中，UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组 （或单相）交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。
（2）机械特性方程
电枢两端在一个周期内的平均电压都是 Ud = Us。
其平均值方程都可写成
Us RId E RId Cen
n

U s
Ce

R Ce
Id

n0

R Ce
Id
或用转矩表示，
n

U s
Ce

R CeCm
Te

n0

R CeCm
Te
式中 Cm = KmN —电机在额定磁通下的转矩系数；
斩波电路三种控制方式
u
控制电路
+
VT
+ Us ton
Ud
Us
VD
M
_
a）原理图
_O
T
t
b）电压波形图
输出平均电压：
Ud

ton T
Us
Us
式中 其中
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 ；
f 为开关频率。
斩波电路三种控制方式
低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；
系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；
功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小， 当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装 置效率较高；
直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相
控整流器高。
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2.2 稳态调速性能指标和 直流调速系统的机械特性
开关周 期
Ts — PWM装置的延迟时间， Ts ≤ T0 。
可近似看成是一个一阶惯性环节：
Ws
(s)

Ks Tss
1
与晶闸管装置传递函数完全一致。
4. 电能回馈与泵升电压的限制
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
2、静差率s
s nN 100 % n0
机械特性越硬，静差率就
越小，转速的稳定度越高。
➢ 特性a和b的硬度相同， ➢ 特性a和b额定速降相同， ➢ 特性a和b的静差率不相同。
图2-14 不同转速下的静差率
❖ 对于同样硬度的特性，理 想空载转速越低时，静差 率越大，转速的相对稳定 度也就越差
4. 电能回馈与泵升电压的限制
泵升电压限制
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。
+
UUss
+ CC
过电压信号
RRbb VVTTbb
-
泵升电压限制电路
-
1
VD1
M+
4
C
Us +
图2-11有制动电流通路的不可逆PWM变换器
双管电路
当VT1 导通时，流过正向电流 + 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。
2 直流脉宽调速系统的机械特性
由于采用脉宽调制，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。
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。
1．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。
3. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系
设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN，
则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是
最低速时的静差率，即
于是，最低转速为
s nN nN n0min nmin nN
nm in

nN s

nN

(1
s)nN s
而调速范围为 D nmax nN
Ⅱ制动状态
i U g1 的正脉冲比负脉冲窄 ， E U d , d 始终为负。
VT2
3
VD2
Ug2
E2
VT1 Ug1
-
1
VD1
M+
4
C
制动状态的电压、电流波形
Us +
❖VT2和VD1交替导通， VT1和VD2始终关断。
（2）有制动的不可逆PWM变换器电路
VT2 Ug2
VD2
3
E2
VT1 Ug1
D nNs
nmin nmin
nN (1 s)
3. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系
D nN s nN (1 s)
对于同一个调速系统，ΔnN值是定值。 要求s值越小时，系统能够允许的调速范围D
也越小。 一个调速系统的调速范围，是指在最低速时
还能满足所需静差率的转速可调范围。
的无功功率起储能缓冲作用。
整流器
AC~ ///
+
Us + CCC
斩波器 DC
-
4. 电能回馈与泵升电压的限制
泵升电压产生的原因 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”。
泵升电压限制 电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，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。
1、调速范围 生速产nm机in之械比要称求为电调动速机范提围供，的用最字高母转D速表n示ma，x和即最低转
D nmax nm in
❖ nmax和nmin是电动机在额定 负载时的最高和最低转速，
❖ 对于少数负载很轻的机械， 例如精密磨床，也可用实际 负载时的最高和最低转速。
nmax nmin
TN
VT 1
id
C
Ug
+ E_
MM
2
VD
（a）电路原理图 图2-10 简单的不可逆PWM变换
器-直流电动机系统
+ U_ s U, i
Us
Ud E
id
0 ton T
t
图2-10b 电压和电流波形
①简单的不可逆 PWM变换器
输出平均电压：
Ud

ton T
Us

Us
U, i
Us Ud E id
0 ton T
t
图2-10b 电压和电流波形
改变 （ 0 ≤ ≤ 1 ）即可调节电机的转速， 若令 = Ud / Us为PWM电压系数，则在不可逆
PWM 变换器中
=
①简单的不可逆PWM变换器
单管电路 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
回顾
直流 调速 系统
晶闸管整 流器-电 动机系统
用的 （V-M系统）
可控
直流 电源
直流PWM 变换器-电 动机系统
（PWM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。
若要求s≤ 20%，则允许的调速范围只有
D 1430 0.2 3.1 115 (1 0.2)
若调速范围达到10，则静差率只能是
s DnN 10 115 0.446 44.6% nN DnN 1430 10 115
2.2.2 直流调速系统的机械特性