第2意转速开环控制的直流调速系统 导通。在制动状态中，VT,和VD,轮流导通，而VT,始终是关断的，此时的电压和电流波形 如图2-12c所示。表2-3归纳了不同工作状态下导通器件和电流，的回路与方向。 秀2.3 二象限不可逆PM变换器在不同工作状态下导通器件和电流回路与方向 工作状 - t-T VD, VD 4 VD, VD. 电 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VT,关断后i,经VD,续 流时，还没有到达周期T,电流已经衰减到零，如图2-12中。-T期间的1=，时刻，这时9 VD,两端电压也降为零，VT便提前导通了，使电流反向，产生局部时间的制动作用。这样， 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， 一个周期分成四个阶段，如 图2-12d和表2-3所示。 图211、图2-12a所示电路之所以为不可逆，是因为平均电压0，始终大于零，虽量然 图2-12中电流能够反向，但电压和转速仍不能反向。 222 可逆PM变换器-电动机系统 如果要求转速反向，需要能够改变PWM变换器输出电压的极性，使直流电动机可以在 四个象限中运行，为此，需组成可逆的PWM变换器-直流电动机系统 可逆PWM变换器主电路有多种型式，最常用的是桥式（亦称H型）电路，如图213 所示，电动机M两端申压U。的极性新全控型器生的开关状态而收变。可可黄PWM变换摆的 控制方式有双极式、单极式、受限 9 单极式等多种，这里仅分析双极式 控制的可逆PWM变换器工作原理。 双极式控制可逆PWM变换器的 VD 4个驱动电压波形如图2-14所示 它们的关系是：U=U。=-U,= -0。在一个开关周期内，当0≤ vD本/ 本vD t<时，U=U,电枢电流沿回 路1流通：当≤<T时，驱动电 压反号，沿回路2经二极管续流 图213桥式可逆PWM变换器电路
【电力施动自动控制系统一运戒拉制系统 U。=一U,。因此，Um在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来 图2-14绘出了双极式控制时的电压和电流波形。 电动机电枢电压的平均值则体现在驱动电压正、负脉冲 的宽窄上，而正负脉冲的宽窄也是通过控制电压U调 节的，当增加控制电压时，正脉冲变宽，负脉冲变窄。 当正脉冲较宽时，>子，则U的平均值为正，电动 机正转：反之则反转。如果正、负脉冲相等，人一 平均输出电压为零，则电动机停止。图2-14所示的波 形是电动机工作在正向电动时的情况。 直流电动机的电枢电压U的正、负变化，使电流 波形随之波动。电流波形存在两种情况，如图2-14中 的和。i相当于电动机负载较重的情况，这时平 均电流大，在续流阶段电流仍维持正方向，电动机始终 工作在第I象限的电动状态。相当于负载很轻的情 况，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是 极管终止续流，而反向开关器件导通，电枢电流反 121人21a 20 向，电动机处于制动状态。波形中的线段3和4是工 作在第Ⅱ象限的制动状态。电枢电流的方向决定了电流 是经过续流二极管VD还是经过开关器件VT流动。 04 34 双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为 图2,14双极式控制可黄PWM变换 器的驱动电压、输出电压和电流波形 (2-21) 控制电压与占空比的关系为 因此与不可逆变换器相同，电枢电压仍可用控制电压表示为 (2-22) 若占空比和电压系数y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 y=20-1 当控制电压增加时，占空比增加，电枢电压随控制电压线性增大。调速时，ρ的可调范 围为0-1，相应地，y=-1~+1。当p>2时，y为正，电动机正转；当p<)时，y为 负，电动机反转；当=)时，y=0,电动机停止。但电动机停止时电枢电压瞬时值并不等 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，徒然增大电动机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在 电动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静磨擦死区，起着所谓“动力
第2章转速开环控制的直流调速系统一 润滑”的作用 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，系统的调速范围大： 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，四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，应设置死区时间。为了克服上述缺点，可采用单极式控制，使部分器件处于 常通或常断状态，以减少开关次数和开关损耗，提高可靠性，但系统的静、动态性能会略有 降低。关于单极式控制，可参看参考文献[2]。 2,2.3直流PMM调速系统的机械特性 由干采用了阳脉窗调制.亚格地总，即体在驺态情识下。直流PWM周速系统的转矩和专 速也都是脉动的。所谓稳态，是指电动机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特 生是平均转速与平均转矩（由流）的关系。在中.小容量的直流PWM调辣系统中，GBT 已经得到普遍的应用，其开关频率一般在10kHz以上，这时，最大电流脉动量在额定电流的 5%以下，转速脉动量不到到颜宗本线转速的万分之一，可以勿路不计 21 采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一样，关键在于电流波形是否连 续。对于带制动电流通路的不可逆电路，电流方向可逆，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。 对于带制动电流通路的不可逆电路（见图2-12），电压平衡方程式分两个阶段： U.=刷，+l业+B(0≤1<) (2-23) 0=++B<n (2-24) 式中R,L一电枢电路的电阻和电感。 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。电枢两端在一个周期内 的平均电压是么=y心。平均电流和转矩分别用和T表示，平均转速n=。,而电枢电感 压降L出的平均值在稳态时应为零。于是，平均值方程可写成 yU.=RI+E=RI +C.n (2-25) 结合式(2-18)，得机械特性方程式为 (2-26) 或根据T=C用转矩表示 (2-27) 式中C 一电动机在额定磁通下的转矩系数，C。=K中、：
电力拖动自动控制系统一一运动拉时系城 。一理想空载转速，与电压系数y成正比，=冯 C. 对于带制动作用的不可逆电路，0≤ y≤1，可以得到图2-15所示的机械特性。 Ua>Ug>la>Ua 位于第I、Ⅱ象限。采用双极式控制可逆 直流电源供电时，直流电动机的机械特性 与图215类似，也是一族平行直线，只是 ey-07 机械特性扩展到了四个象限。 0.25n Ue 7-05 2.2.4PM控制器与变换器的动态数 Ua y-02 1.T 学模型 无论哪一种PWM变换器电路，其驱动 图215直流PWM调速系统 (电瓷连续)的机械特性 电压都由PWM控制器发出，PWM控制器 可以是模拟式的，也可以是数字式的。图216绘出了PWM控制器和变换器的框图，采用 模拟方式时，图中开关是常闭的；采用数字方式时只在开关周期开始或者中间时刻闭合开 关。分析时常把PM控制器与变换器当作系统中的一个环节来看待，为此需要求出这个环 节的放大系数和传递函数。 22 图2-16PWM控制器与变换密框图 PWM控制与变换器的动态数学模型和品闸管触发与整流装置基本一致。根据 式(2-18)和式(2~22)不难看出PWM变换器输出电压与控制电压的关系，当控制电压 U,改变时，PWM变换器输出平均电压U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控制器与变换器（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 (2-28) 式中K—PWM装置的放大系数： PWM装置的延迟时间，T≤T。 系统分析设计时按最大延时考虑，取T,=T。当开关频率为10kHz时，T,=0.1ms,在 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，K可利用式(2-19)计算。 w(9)=T5+ (2-29) 因此与晶闸管装置传递函数完全一致。但需注意，式(229)是近似的传递函数，实 际上PWM变换器不是一个线性环节，而是具有继电特性的非线性环节
第2章转速开环控制的直流调速系统 2.2.5直流PM调速系统的电能回馈和泵升电压 中、小功率的可逆直流调速系统多采用桥式可逆PWM变换器，图217绘制了桥式可 逆直流脉宽调速系统主电路的原理图（略去吸收电路）。图中左侧是由六个二极管组成的不 可控整流器，把电网提供的交流电整流成直流电；中间是大电容滤波；右侧是H型桥式 PWM变换器 VD (4 木VD:VT4J PWM挖制器 图2~17桥式可逆直流脉宽调速系统生电路的原理图 当可逆系统进人制动状态时，直流PWM功率变换器把机械能变为电能回馈到直流侧， 2 但由于二极管整流器导电的单向性，电能不可能通过整流器送回交流电网，只能向滤波电容 充电，使电容两端电压升高，称作“泵升电压”，所以能量回馈问题在可逆PWM调速系统 中更为突出。系统在制动时释放的动能将表现为电容储能的增加，所以要适当地选择电容的 电容量，或采取其他措施，以保护电力电子开关器件不被泵升电压击穿。假设电压由提 高到U,则电容储能由。C增加到。CU,储能的增量应该等于运动系统在制动时释放 的全部动能A4,于是 2c心-2c=A 按制动储能要求选择的电容量应为 2A c=0-0 (2-30 过高的泵升电压将超过电力电子器件的耐压限制值，因此电容量不能太小，一般几千瓦 的调速系统就需要几千微法的电容。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，可采用图2-17中间部分由开关器件VT,控制的能量释放回路。能量释 放回路受到PWM控制器的控制，当PWM控制器检测到泵升电压高于规定值时，开关器件 VT,导通，使制动过程中多余的动能以铜损耗的形式消耗在放电电阻R,中。此时，PWM可 逆调速系统的制动过程：际上是能耗制动时程 如果在大容量的调速系统中希望实现电能回馈到交流电网，以取得更好的制动效果并且 节能，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的电能逆变后回馈电网。 当PWM调速系统处于休止状态需要起动时，将电源合闸突加交流电源，这时大容量