电力拖动自动控制系统第四章优质PPT.ppt

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设备投入大，体积增加，同时电感大又限制了系统的快速性。

当系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变殃及附近的用电设备，也限制了调速范围。

对过电压、过电流敏感，要注意保护。

第四章直流脉宽调速系统,直流PWM调速系统优点：

主电路简单，不用电抗器，用电机本身的电感，从而获得脉动很小的直流电流；

开关频率高，电枢电流容易连续，无电流断续问题；

系统的低速运行平稳，调速范围较宽；

频带宽，响应快；

功率因素高。

电流和电压永远相同，无无功功率问题。

PWM调速系统和V-M调速系统主要区别在主电路和PWM控制电路。

闭环控制系统以及静、动态分析和设计基本一样。

PWM脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制变换器。

第四章直流脉宽调速系统,4-1脉宽调制变换器本节提要不可逆PWM变换器可逆PWM变换器,4-1脉宽调制变换器,一、不可逆PWM变换器,

（一）简单的不可逆PWM变换器（直流降压斩波器）1.组成,2,1,Us：

由二极管整流电路提供；

电容C：

大容量，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；

功率开关器件VT由脉宽可调的脉冲电压Ug驱动。

4-1脉宽调制变换器,2.基本原理由二极管整流桥完成：

交直Us恒定，控制VT在一个周期内导通的长短，即脉冲宽度，来改变电枢平均电压Ud可控。

t,t,t,us,Us,Us,US,ud,ud,Ud1,Ud2,f,2f,ton,ton,ton,ton,T,T,2T,2T,在一个开关周期T内，当0tton时，Ug为正，VT饱和导通，ud=us。

当tontT时，Ug为负VT截止，ud=0，M经VD续流。

系统Uct小，Ug的导通时间ton短；

Uct大，Ug的导通时间ton长。

显然，Ud2Ud1。

4-1脉宽调制变换器,电压和电流波形,O,4-1脉宽调制变换器,电机两端得到的平均电压为,式中=ton/T为PWM波形的占空比，改变（01）即可调节电机的转速。

PWM脉宽调速系统如上述介绍有许多优点，但也存在缺点：

过压能力低，需保护；

VT单向导电性，不可逆，无制动。

需要制动时，必须具有反向电流-id的通路，因此应再设置一个电力晶体管。

4-1脉宽调制变换器,

（二）有制动的不可逆PWM变换器电路1.主电路结构,有制动电流通路的不可逆PWM变换器,M,+,-,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,4,1,2,3,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,|Ug1|=|Ug2|极性相反,4-1脉宽调制变换器,2.工作状态与波形M是电动状态a）在0tton期间，Ug1为正，VT1导通，Ug2为负，VT2关断。

此时，电源电压Us加到电枢两端，电流id沿图中的回路1流通。

b）在tontT期间，Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2也不能导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。

因此，电动状态是由VT1和VD2交替导通，VT2始终不通。

4-1脉宽调制变换器,输出波形：

电动状态的电压、电流波形与简单的不可逆电路波形完全一样。

M为电动状态的电压、电流波形,4-1脉宽调制变换器,制动状态（减速）减速时，减小Uct，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（Ud1Ud2）。

由于机电惯性，转速n和反电动势E还来不及变化，因而造成EUd的局,ud,ud,ton,ton,T,T,Ud1,Ud2,E,E,面，由Ud0=E+IdR可知，很快使电流id反向，这时希望VT2发挥作用。

4-1脉宽调制变换器,制动状态的一个周期分为两个工作阶段，先分析tonT阶段。

a）在tontT期间，Ug2变正，于是VT2导通，EUd使电流id反向，沿回路3流通，M：

处于能耗制动。

b）在TtT+ton（下一周期的0tton）期间，VT2关断，-id沿回路4经VD1续流，向电源回馈制动，同时在VD1两端上的压降使VT1不能导通。

制动状态电流流向如下图。

4-1脉宽调制变换器,制动状态电流流向：

M,+,-,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,4,3,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,4-1脉宽调制变换器,在整个制动状态中，VT2和VD1轮流导通，而VT1始终是关断的。

此时的电压和电流波形如下图：

制动状态的电压电流波形,4-1脉宽调制变换器,由于制动作用使电动机转速下降（n、E），直到新的稳态，（UdE）又回到VT1和VD2轮流导通，M重新回到电动状态。

注意：

当US（直流电源）采用半导体整流装置时，其单向导电性，在回馈制动阶段电能不可能通过它送回电网，只能向滤波电容C充电，从而造成瞬间电压升高，称作“泵升电压”。

它的值太高时，对电力晶体管和整流二极管都不利，限制的措施书中有介绍。

4-1脉宽调制变换器,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，VT2两端电压也降为零，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，一个周期分成四个阶段：

第1阶段，VD1续流，电流id沿回路4流通；

第2阶段，VT1导通，电流id沿回路1流通；

第3阶段，VD2续流，电流id沿回路2流通；

第4阶段，VT2导通，电流id沿回路3流通。

4-1脉宽调制变换器,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，其输出波形见下图：

轻载电动状态的电流波形,4-1脉宽调制变换器,小结,不可逆PWM变换器的不同工作状态,4-1脉宽调制变换器,二、可逆PWM变换器,可逆PWM变换器主电路有H型、T型多种形式，最常用的是桥式（亦称H型）电路，如下图所示。

这时，电动机M两端电压的极性随开关器件基极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。

4-1脉宽调制变换器,

（一）双极式可逆PWM变换器,+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,A,B,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,桥式可逆PWM变换器,1.主电路结构,4个大功率晶体管VT（开关管）VT1，VT4一组；

VT2，VT3一组,4个续流二极管VD1VD4,驱动电压：

Ug1=Ug4；

Ug2=Ug3=-Ug1,4-1脉宽调制变换器,2.工作状态与波形正向运行：

在0tton期间，Ug1=Ug4为正，VT1、VT4导通，Ug2=Ug3为负，VT2、VT3截止，电流id沿回路1流通，电动机M两端电压UAB=+Us；

在tontT期间，Ug1=Ug4为负，VT1、VT4截止；

由于电感储存很大能量，放电，维持电流方向不变，这时通过VD2、VD3续流，并钳位使VT2、VT3保持截止，电流id沿回路2流通，电动机M两端电压UAB=Us。

4-1脉宽调制变换器,正向运行电流流向：

+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,1,2,A,B,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,桥式可逆PWM变换器,Ug1=Ug4=+,Ug1=Ug4=-,4-1脉宽调制变换器,反向运行：

先分析tonT阶段在tontT期间，Ug2=Ug3为正，VT2、VT3导通，Ug1=Ug4为负，使VT1、VT4截止，电流id沿回路3流通，电动机M两端电压UAB=Us；

在TtT+ton（下一周期的0tton）期间，Ug2=Ug3为负，VT2、VT3截止，VD1、VD4续流，并钳位使VT1、VT4截止，电流id沿回路4流通，电动机M两端电压UAB=+Us。

4-1脉宽调制变换器,反向运行电流流向：

+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,3,A,B,4,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,桥式可逆PWM变换器,Ug2=Ug3=+,Ug2=Ug3=-,4-1脉宽调制变换器,输出波形,4-1脉宽调制变换器,输出平均电压双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为,为占空比,当0时，tonT/2，Ud=+，电机正转；

当0时，tonT/2，Ud=-，电机反转；

当=0时，ton=T/2，电机停止。

4-1脉宽调制变换器,注意：

当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。

这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。

但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。

双极式可逆PWM制动时情况比较复杂，根据VT3、VT2的通断情况，电机可能处在能耗制动、再生发电或反接制动，产生制动时一定具备上述其中一个制动过程。

4-1脉宽调制变换器,性能评价双极式可逆PWM变换器的优点：

a）电流一定连续；

b）可使电机在四象限运行；

c）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；

d）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:

20000左右；

e）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。

4-1脉宽调制变换器,双极式可逆PWM变换器的缺点：

a）在工作过程中，4个大功率晶体管可能都处于开关状态，开关损耗大；

b）在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止上述情况，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。

（二）单极式可逆PWM变换器为克服双极式变换器的上述缺点，可采用单极式PWM变换器。

电路图与双极式的一样，如下图所示。

4-1脉宽调制变换器,1.单极式可逆PWM变换器主电路结构,+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,A,B,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,桥式可逆PWM变换器,驱动电压：

Ug1=-Ug2,VT1与VT2交替导通,VT3与VT4由转向决定常通正转时，VT4直通，VT3截止反转时，VT3直通，VT4截止,4-1脉宽调制变换器,2.工作状态与波形正向运行：

在0tton期间，Ug1、Ug4为正，VT1、VT4导通，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，电流id沿回路1流通，电动机M两端电压UAB=+Us；

在tontT期间，Ug4为正VT4继续导通Ug1、Ug3为负VT1、VT3截止；

由于电感储存很大能量，放电，维持电流方向不变，这时虽然Ug2为正，但电流通过VT4