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1、2.1.2 直流PWM变换器电动机系统 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。 本节提要本节提要 n n PWMPWM变换器的工作状态和电压、电流波形变换器的工作状态和电压、电流波形 n n 直流直流PWMPWM调速系统的机械特性调速系统的机械特性 n n PWMPWM控制器与变换器的动态数学模型控制器与变换器的动态数学模型 n n 直流直流PWMPWM调速系统的电能回馈与泵升电压调速系统的电能回馈与泵升电压 1.PWM变换器的工作状态和电压、电流波形 P
2、WM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）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。 主电路结构主电路结构 图中：图中： U U s s 直流电源电压直流电源电压 C C 滤波电容器滤波电容器 M M 直流电动机直流电动机 VD VD 续流二极管续流二极管 VT
3、 VT 功率开关器件功率开关器件 VT VT 的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列U U g g 驱动驱动 。 工作状态与波形工作状态与波形 在一个开关周期内，在一个开关周期内， n n 当当0 0 t t t ton on时， 时，U U g g 为为 正，正，VTVT导通，电源导通，电源 电压通过电压通过VTVT加到电加到电 动机电枢两端；动机电枢两端； n n 当当t ton on t t T T 时，时， U U g g 为负，为负，VTVT关断，电关断，电 枢失去电源，经枢失去电源，经VDVD 续流。续流。 U, i Ud E id Us t tonT 0 图
4、2-16b) 电压和电流波形 O 输出电压方程输出电压方程 电机两端得到的平均电压为电机两端得到的平均电压为 (2-15) (2-15) 式中式中 = = t ton on / / T T 为为 PWM PWM 波形的占空比 波形的占空比 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 = ( 2-16) （2 2）有制动的不可逆）有制动的不可逆PWMPWM变换器电路变换器电路 n n 在简单的不可逆电路中电流不能反向，因在简单的不可逆电路中电流不能反向，因 而没有制动能力，只能作单象限运行。需而没有制动能力，只能作单象限运行。
5、需 要制动时，必须为反向电流提供通路，如要制动时，必须为反向电流提供通路，如 图图2-16a2-16a所示的双管交替开关电路。当所示的双管交替开关电路。当VTVT 1 1 导通时，流过正向电流导通时，流过正向电流 + + i i d d ，VTVT 2 2 导通时，导通时， 流过流过 i i d d 。应注意，这个电路还是不可逆。应注意，这个电路还是不可逆 的，只能工作在第一、二象限，的，只能工作在第一、二象限， 因为平均因为平均 电压电压 U Ud d 并没有改变极性。并没有改变极性。 主电路结构主电路结构 工作状态与波形工作状态与波形 n n 一般电动状态一般电动状态 在一般电动状态中，始
6、终为正值（其正方在一般电动状态中，始终为正值（其正方 向示于图向示于图2-11a2-11a中）。设中）。设 t t onon为 为VTVT 1 1 的导通时间，则的导通时间，则 一个工作周期有两个工作阶段：一个工作周期有两个工作阶段： n n 在在0 0 t t t t onon期间， 期间， U U g1g1为正， 为正，VTVT 1 1 导通，导通， U U g2g2 为负，为负，VTVT 2 2 关断。此时，电源电压关断。此时，电源电压 U U s s加到电枢两端加到电枢两端 ，电流，电流 i i d d 沿图中的回路 沿图中的回路1 1流通。流通。 n n 在在 t t onon t
7、t T T 期间，期间， U U g1g1和 和 U U g2g2都改变极性， 都改变极性， VTVT 1 1 关断，但关断，但VTVT 2 2 却不能立即导通，因为却不能立即导通，因为 i id d 沿回路沿回路2 2 经二极管经二极管VDVD 2 2 续流，在续流，在VDVD 2 2 两端产生的压降给两端产生的压降给VTVT 2 2 施施 加反压，使它失去导通的可能。加反压，使它失去导通的可能。 制动状态制动状态 n n 在制动状态中，在制动状态中， i i d d 为负值，为负值，VTVT 2 2 就发挥作用就发挥作用 了。这种情况发生在电动运行过程中需要了。这种情况发生在电动运行过程中
8、需要 降速的时候。这时，先减小控制电压，使降速的时候。这时，先减小控制电压，使 U U g1 g1 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平 均电枢电压均电枢电压U U d d 降低。但是，由于机电惯性降低。但是，由于机电惯性 ，转速和反电动势，转速和反电动势E E还来不及变化，因而造还来不及变化，因而造 成成 E E U U d d 的局面，很快使电流的局面，很快使电流i i d d 反向，反向，VDVD 2 2 截止，截止， VTVT 2 2 开始导通。开始导通。 制动状态的一个周期分为两个工作阶段：制动状态的一个周期分为两个工作阶段： n n 在在 0 0
9、t t t t onon 期间， 期间，VTVT2 2 关断， 关断，i i d d 沿回路沿回路 4 4 经经 VDVD 1 1 续续 流，向电源回馈制动，与此同时，流，向电源回馈制动，与此同时， VDVD1 1 两端压降钳住 两端压降钳住 VTVT 1 1 使它不能导通。使它不能导通。 n n 在在 t ton on t t T T期间，期间， U Ug2 g2 变正，于是 变正，于是VTVT 2 2 导通，反向电流导通，反向电流 i i d d 沿回路沿回路 3 3 流通，产生能耗制动作用。流通，产生能耗制动作用。 因此，在制动状态中，因此，在制动状态中， VTVT 2 2 和和VDVD
10、 1 1 轮流导通，而轮流导通，而 VTVT 1 1 始终是关断的，此时的电压和电流波形示于始终是关断的，此时的电压和电流波形示于 图图2-11c2-11c。 输出波形输出波形 轻载电动状态轻载电动状态 n n 有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时有一种特殊情况，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，平均电流较小，以致在关断后经续流时， 还没有到达周期还没有到达周期 T T ，电流已经衰减到零，电流已经衰减到零， 此时此时，因而两端电压也降为零，便提前导因而两端电压也降为零，便提前导 通了，使电流方向变动，产生局部时间的通了，使电流方向变动，产生局部时间的 制动作用。制动作
11、用。 轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：轻载电动状态，一个周期分成四个阶段： n n 第第1 1阶段，阶段，VDVD 1 1 续流，电流续流，电流 i i d d 沿回路沿回路4 4流通流通 n n 第第2 2阶段，阶段，VTVT 1 1 导通，电流导通，电流 i i d d 沿回路沿回路1 1流通流通 n n 第第3 3阶段，阶段，VDVD 2 2 续流，电流续流，电流 i i d d 沿回路沿回路2 2流通流通 n n 第第4 4阶段，阶段，VTVT 2 2 导通，电流导通，电流 i i d d 沿回路沿回路3 3流通流通 在在1 1、4 4阶段，电动机流过负方向电流，阶段，电动机流过负
12、方向电流， 电机工作在制动状态；电机工作在制动状态； 在在2 2、3 3阶段，电动机流过正方向电流，阶段，电动机流过正方向电流， 电机工作在电动状态。电机工作在电动状态。 因此，在因此，在轻载时，电流可在正负方向之间轻载时，电流可在正负方向之间 脉动，平均电流等于负载电流，其输出波脉动，平均电流等于负载电流，其输出波 形见图形见图2-11d2-11d。 输出波形输出波形 2 2 直流脉宽调速系统的机械特性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，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（电平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电 流）的关系。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。 n n 9898
