湘潭大学：《电力拖动自动控制系统》第一章 闭环控制的直流调速系统（1.3）直流脉宽调速系统的主要问题

1-3直流脉宽调速系统的主要问题 自从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的脉宽调制 变换器-直流电动机调速系统,简称直 流脉宽调速系统,即直流PWM调速系 统

1-3直流脉宽调速系统的主要问题 自从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的脉宽调制 变换器-直流电动机调速系统，简称直 流脉宽调速系统，即直流PWM调速系 统

本节提要 (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

本节提要 （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

1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、 电流波形 PWM变换器的作用是:用PWM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系列, 从而可以改变平均输出电压的大小,以 调节电机转速 PWM变换器电路有多种形式,主要 分为不可逆与可逆两大类,下面分别阐 述其工作原理

1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、 电流波形 PWM变换器的作用是：用PWM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系列， 从而可以改变平均输出电压的大小，以 调节电机转速。 PWM变换器电路有多种形式，主要 分为不可逆与可逆两大类，下面分别阐 述其工作原理

VM系统存在的问题: 1)存在电流诸波,深调速时转矩脉动大, 调速范围受限; 2)深调速时功率因数低,也限制调速范围; 3)要克服上述困难,加大平波电抗器 限制系统的快速性,故中、小功率系统 采用脉宽调制变换器。 PWM优点: 1)主电路简单,功率元件少 )开关频率高,电流容易连续,谐波小 3)低速性能好,稳态精度高 4)动态抗扰能力强 5)导通损耗小 6)不控三相整流(二极管)电网功率因数高

V-M系统存在的问题: 1).存在电流谐波，深调速时转矩脉动大， 调速范围受限； 2).深调速时功率因数低，也限制调速范围； 3).要克服上述困难，加大平波电抗器， 限制系统的快速性，故中、小功率系统 采用脉宽调制变换器。 PWM优点: 1).主电路简单，功率元件少 2).开关频率高，电流容易连续，谐波小 3).低速性能好，稳态精度高 4).动态抗扰能力强 5).导通损耗小 6).不控三相整流（二极管）电网功率因数高

PWM分类: 、不可逆PWM变换器 1、简单的不可逆PWM变换器 2、有制动电流通路的不可逆PWM变换器 二、可逆PWM变换器 1、双极式H型PWM变换器 2、单极式H型PWM变换器 3、受限单极式H型PWM变换器

一、不可逆PWM变换器 1、简单的不可逆PWM变换器 2、有制动电流通路的不可逆PWM变换器 PWM分类: 二、可逆PWM变换器 1、双极式H型PWM变换器 2、单极式H型PWM变换器 3、受限单极式H型PWM变换器

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 电路原理图如图1-16所示,功率开关器件可以是任 意一种全控型开关器件,这样的电路又称直流降压 斩波器。 图中:U为直流电源电压,C为滤波电容 器,VT为功率开关器件,VD为续流二极管, M为直流电动机,VT的栅极由脉宽可调的脉 冲电压系列U驱动

1. 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 电路原理图如图1-16所示，功率开关器件可以是任 意一种全控型开关器件，这样的电路又称直流降压 斩波器。 （1）简单的不可逆PWM变换器 图中：Us为直流电源电压，C为滤波电容 器，VT为功率开关器件，VD为续流二极管， M 为直流电动机，VT 的栅极由脉宽可调的脉 冲电压系列Ug驱动

U为正,晶体管导通 电机加电压Us,U4=Us 主电路结构 U为负,晶体管截止 电机通过二极管释放电枢 电感储能,U=0。 VT E 2 VD (a)电路原理图 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 大电容滤波,二极管为电枢电感储能提供续流回路

简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 VD Us + Ug C VT id M + _ _ E （a）电路原理图 M • 主电路结构 2 1 Ub为正，晶体管导通， 电机加电压Us，Ud=Us Ub为负，晶体管截止， 电机通过二极管释放电枢 电感储能, Ud= 0。 大电容滤波，二极管为电枢电感储能提供续流回路

工作状态与波形 在一个开关周期内, 当0≤1<n时,U为U 正,VT导通,电源 电压通过VT加到电 E 动机电枢两端; ■当1n≤t<T时, 为负,VT关断,电 on 枢失去电源,经VD 续流。 图1-16b电压和电流波形

•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。 U, i Ud E id Us t t 0 on T 图1-16b 电压和电流波形 O

输出电压方程 电机两端得到的平均电压为 Us=pU (4-1) 式中p=tmn/T为PWM波形的占空比, 改变p(0≤p<1)即可调节电机的转速 若令y=U/U为PWM电压系数,则在不可逆 PWM变换器 r=p (4-2) 问题:i不能反向,不能产生制动作用。 解决办法:设置反方向的的电力晶体管

电机两端得到的平均电压为 (4-1) 式中  = ton / T 为 PWM 波形的占空比， s s on d U U T t U = =  •输出电压方程 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  =  (4-2) 问题： id不能反向，不能产生制动作用。 解决办法：设置反方向的的电力晶体管

U. i E 由正负脉冲电压的宽度 确定电极的正、反转, 反映“可逆”作用: 0 图1-16b电压和电流波形 tan>T/2,p>0,电枢两端平均电压Ua为正,电机正转; ton<T/2,p<0,电枢两端平均电压Ud为负,电机反转; ton、=T/2,p=0,电枢两端平均电压Ud为0,电机停转;

t on >T／2，ρ > 0，电枢两端平均电压 Ud为正，电机正转； t on <T／2， ρ < 0，电枢两端平均电压 Ud为负，电机反转； t on 、＝T／2， ρ = 0，电枢两端平均电压 Ud为0，电机停转； U, i Ud E id Us t t 0 on T 图1-16b 电压和电流波形 由正负脉冲电压的宽度 确定电极的正、反转， 反映“可逆”作用：