河北联合大学电气工程学院讲稿U,itU,it+U+UUaEidC+-(1）正向电动运行波形(2)反向电动运行波形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U.= mu,-T-mU,=(2m-)U,(1-19)TT如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中(1-20)y=2p -1注意：这里的计算公式与不可逆变换器中的公式就不一样了。调速范围调速时，P的可调范围为0~1，-1<<+1。当p>0.5时，为正，电机正转-国当p<0.5时，为负，电机反转■当p=0.5时，=0，电机停止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。性能评价
河北联合大学电气工程学院讲稿 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 （1-19） 如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中 = 2 – 1 （1-20） 注意：这里 的计算公式与不可逆变换器中的公式就不一样了。 调速范围 调速时， 的可调范围为 0~1， –1< <+1。 ◼ 当 >0.5 时， 为正，电机正转 ◼ 当 <0.5 时， 为负，电机反转 ◼ 当 = 0.5 时， = 0 ，电机停止 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。 性能评价 s on s on s on d 1) 2 ( U T t U T T t U T t U = − − = −
河北联合大学电气工程学院讲稿双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：1）电流一定连续。2）可使电机在四象限运行。3）电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，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。双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。1.3.2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。采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，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。■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Ri+L2+E三R(0 ≤ t<tan)(1-21)dtdia+EO=Ri +L-(ton ≤ t<T)(1-22)dt式中的R、L分别为电枢电路的电阻和电感。双极式可逆电路电压方程对于双极式控制的可逆电路，只在第二个方程中电源电压由0改为-Us，其他均不变。于是，电压方程为did+E=Ri.+L(0\t<ton )dt
河北联合大学电气工程学院讲稿 双极式控制的桥式可逆 PWM 变换器有下列优点： 1）电流一定连续。 2）可使电机在四象限运行。 3）电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，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。 双极式控制方式的不足之处是： 在工作过程中，4 个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发 生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。 1.3.2 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。 采用不同形式的 PWM 变换器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流通路的不可 逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，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。 ◼ 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 式中的 R、L 分别为电枢电路的电阻和电感。 双极式可逆电路电压方程 对于双极式控制的可逆电路，只在第二个方程中电源电压由 0 改为 –Us ，其他均不变。 于是，电压方程为 E t i U = Ri + L + d d d s d （0 ≤ t < ton） （1-21） E t i = Ri + L + d d 0 d d （ton ≤ t < T） （1-22） E t i U = Ri + L + d d d s d ( 0 ≤ t < ton ) (1-23)
河北联合大学电气工程学院讲稿dia+EU=R(tont<T+dt机械特性方程按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式。无论是上述哪一种情况，电枢两端在一个周期内的平均电压都是Ud=Us，只是与占空比p的关系不同，分别为式（1-18）和式（1-20）。平均电流和转矩分别用Id和Te表示，平均转速n=EICe，而电枢电感压降的平均值Ldid/dt在稳态时应为零。于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成U,=RI+E=RL+Cn(1-25)n=_R,RI=no4(1-26)C。CC.或用转矩表示Rn=-T,=n-T(1-27)C。C.CmC.Cm式中Cm一电机在额定磁通下的转矩系数，Cm=KmN；no一理想空载转速，与电压系数成正比，no=yUs/Ce。PWM调速系统机械特性
河北联合大学电气工程学院讲稿 机械特性方程 按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式。无论是上述哪一种情况， 电枢两端在一个周期内的平均电压都是 Ud = Us，只是 与占空比 的关系不同，分别 为式（1-18）和式（1-20）。 平均电流和转矩分别用 Id 和 Te 表示，平均转速 n = E/Ce，而电枢电感压降的平均值 Ldid / dt 在稳态时应为零。 于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成 (1-25) (1-26) 或用转矩表示 (1-27) 式中 Cm —电机在额定磁通下的转矩系数，Cm = KmN ； n0—理想空载转速，与电压系数成正比，n0 = Us / Ce 。 PWM 调速系统机械特性 E t i −U = Ri + L + d d d s d (ton ≤ t < T ) (1-24) Us = RI d + E = RI d +Cen d e d 0 e e s I C R I n C R C U n = − = − e e m e 0 e e m s T C C R T n C C R C U n = − = −
河北联合大学电气工程学院讲稿ntnosy=1=0.75y=0.5y=0.25Ia,r.Id,-T.0图1-20脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n=U,/C说明图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能。图中仅绘出了第一、二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路，双极式控制可逆电路的机械特性与此相仿，只是更扩展到第三、四象限了。■对于电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，在理想空载时，Id=0，理想空载转速会翘到nOs=Us/Ce。目前，在中、小容量的脉宽调速系统中，由于IGBT已经得到普遍的应用，其开关频率般在10kHz左右，这时，最大电流脉动量在额定电流的5%以下，转速脉动量不到额定空载转速的万分之一，可以忽略不计。1.3.3PWM控制与变换器的数学模型图1-21绘出了PWM控制器和变换器的框图，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
河北联合大学电气工程学院讲稿 说明 ◼ 图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能。 ◼ 图中仅绘出了第一、二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路，双极 式控制可逆电路的机械特性与此相仿，只是更扩展到第三、四象限了。 ◼ 对于电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，在理想空载时，Id = 0 ，理想空载转速会翘到 n0s＝Us / Ce 。 目前，在中、小容量的脉宽调速系统中，由于 IGBT 已经得到普遍的应用，其开关频率 一般在 10kHz 左右，这时，最大电流脉动量在额定电流的 5%以下，转速脉动量不到额定空 载转速的万分之一，可以忽略不计。 1.3.3 PWM 控制与变换器的数学模型 图 1-21 绘出了 PWM 控制器和变换器的框图，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
河北联合大学电气工程学院讲稿按照上述对PWM变换器工作原理和波形的分析，不难看出，当控制电压改变时，PWMU.UgUaPWMPWM控制器变换器图1-21PWM控制与变换器的框图变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期T。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Ua(s)=K,e-TsW,(s)=(1-28)U.(s)式中Ks一PWM装置的放大系数；Ts一PWM装置的延迟时间，Ts≤TO。当开关频率为10kHz时，T=0.1ms，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，因此KsW,(s)~(1-29)T,s+1与晶闸管装置传递函数完全一致。1.3.4电能回馈与泵升电压的限制斩波器整流器+AC~DCUoI本0PWM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
河北联合大学电气工程学院讲稿 按照上述对 PWM 变换器工作原理和波形的分析，不难看出，当控制电压改变时，PWM 变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期 T 。 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 （1-28） 式中 Ks — PWM 装置的放大系数； Ts — PWM 装置的延迟时间， Ts ≤ T0 。 当开关频率为 10kHz 时，T = 0.1ms ，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这 么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，因此, （1-29） 与晶闸管装置传递函数完全一致。 1.3.4 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 T s K U s U s W s s e ( ) ( ) ( ) s c d s − = = 1 ( ) s s s + T s K W s