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1、PWM系统的优越性主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。第1页/共40页由于具有上述优点，直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。PWM系统的优越性系统的优越性第2页/共40页本节提要（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
2、与变换器的数学模型；（4）电能回馈与泵升电压的限制。第3页/共40页本节提要（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。第4页/共40页 1 PWM变换器的工作状态和波形 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，下面着重阐述不可逆PWM变换器的工作原理。第5页/共40页一、不可逆一、不可逆PWM变换器变换器 1、简单的不可逆、简单的不可
3、逆PWM变换器变换器 2、有制动电流通路的不可逆有制动电流通路的不可逆PWM变换器变换器PWM分类:二、可逆二、可逆PWM变换器变换器 1、双极式、双极式H型型PWM变换器变换器 2、单极式、单极式H型型PWM变换器变换器 3、受限单极式、受限单极式H型型PWM变换器变换器第6页/共40页不可逆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2-10a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变换器第7页/共40页Us 直流电源电压 C滤波电容器VT电力电子开关器件VD续流二极管M直流电动机 Ug为正，晶体管为正，
4、晶体管导通，电机加电压导通，电机加电压Us，Ud=Us；Ug为负，晶体为负，晶体管截止，电机通过管截止，电机通过二极管释放电枢电二极管释放电枢电感储能感储能,Ud=0。第8页/共40页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,iUdEidUsttonT0图2-10b 电压和电流波形O第9页/共40页电机两端得到的平均电压为(2-15)式中 =ton/T 为 PWM 波形的占空比，输出电压方程输出电压方程 改变改变 （0 1）即可调节电机的转速，若）即可调节电
5、机的转速，若令令 =Ud/Us为为PWM电压系数，则在不可逆电压系数，则在不可逆 PWM 变换器变换器 =(2-16)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。第10页/共40页（2）有制动的不可逆PWM变换器电路 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。需要2-11a所示的双管交替开关电路。当VT1 导通时，流过正向电流+id，VT2 导通时，流过 id 。应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、二象限，因为平均电压 Ud 并没有改变极性。第11页/共40页图2-11a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器主电路结构主电路结构
6、M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1两个电力晶体管交替开关电路，调速系统可在一、二象限运行。第12页/共40页工作状态与波形一般电动状态 在一般电动状态中，电流始终为正值（其正方向示于图2-11a中）。设ton为VT1的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：在0 t ton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。第13页/共40页一般电动状态（续）在 ton t T 期间，Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续
7、流（电机上无电压），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，实际上是由VT1和VD2交替导通，虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没有被用上。第14页/共40页U,iUdEidUsttonT0O输出波形：一般电动状态的电压、电流波形与简单的不可逆电路波形（图2-10b）完全一样。b）一般电动状态的电压、电流波形）一般电动状态的电压、电流波形一般电动状态（续）第15页/共40页工作状态与波形（续）在制动状态中，id为负值，VT2就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时，先减小控制电压，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
8、。但是，由于机电惯性，转速和反电动势E还来不及变化，因而造成 E Ud 的局面，很快使电流id反向，VD2截止，VT2开始导通。n制动状态第16页/共40页制动状态（续）制动状态的一个周期分为两个工作阶段：在 0 t ton 期间，VT2 关断，id 沿回路 4 经 VD1 续流，向电源回馈制动，与此同时，VD1 两端压降钳住 VT1 使它不能导通。在 ton t T期间，Ug2 变正，于是VT2导通，反向电流 id 沿回路 3 流通，产生能耗制动作用。因此，在制动状态中，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示于图2-11c。第17页/共40页U,iUdEidU
9、sttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO输出波形图图2-11c 制动状态的电压制动状态的电压电流波形电流波形第18页/共40页工作状态与波形（续）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，因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。n轻载电动状态第19页/共40页轻载电动状态（续）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 i
10、d 沿回路3流通。轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：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，其输出波形见下图第20页/共40页输出波形d）轻载电动状态的电流波形）轻载电动状态的电流波形4123Tton0U,iUdEidUsttonT041 23O负载较重,平均电流大,电机始终电动（一象限）.负载较小,平均电流小,电机可能处于制动。（一、二象限）.第21页/共40页小 结表表2-3 二象限不可逆二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态变换器的不同工作状态第22页
11、/共40页本节提要（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。第23页/共40页 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，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。2 直流PWM调速系统的机械特性第24页/共4
12、0页 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。第25页/共40页 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 式中式中 R、L 电枢电路的电阻和电感。电枢电路的电阻和电感。n 带制动的不可逆电路电压方程带制动的不可逆电路电压方程（0 t ton）（2-17）（ton t T）（2-18）第26页/共40页 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。
13、于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成 (2-19)第27页/共40页 (2-20)或用转矩表示，(2-21)式中 Cm=Km N 电机在额定磁通下的转矩系数；n0=Us/Ce 理想空载转速，与电压系数成正比。n 机械特性方程第28页/共40页nId,TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId,Teav=1=0.75=0.5=0.25n PWM调速系统机械特性图2-12 脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0sUs/Ce第29页/共40页n 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
14、不可逆电路。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 n0sUs/Ce。第30页/共40页本节提要（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。第31页/共40页3 PWM控制与变换器的数学模型 图2-13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。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，PW
15、M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。第32页/共40页UcUgUdPWM控制器PWM变换器图图2-13 PWM控制与变换器框图控制与变换器框图 第33页/共40页 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（2-22）其中其中 Ks PWM装置的放大系数；装置的放大系数；Ts PWM装置的延迟时间，装置的延迟时间，Ts T0。第34页/共40页 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,（2-23）与晶闸管装置传
16、递函数完全一致。与晶闸管装置传递函数完全一致。第35页/共40页本节提要（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。第36页/共40页C C+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滤波，以获得恒定的直流电压，电容C同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。第37页/共40页n 泵升电压产生的原因 对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。第38页/共40页 （1）电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，因此电容量就不可能很小，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。（2）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，这时，可以采用下图中的镇流电阻 Rb 来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到允许数值时接通。n 泵升电压限制泵升电压限制第39页/共40页感谢您的观看！第40页/共40页