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1、二、课程任务：二、课程任务：二、课程任务：二、课程任务：应用自动控制原理解决电力拖动控制系统的分析和设计方法应用自动控制原理解决电力拖动控制系统的分析和设计方法要求掌握：要求掌握：1、拖动控制系统的组成原理、控制规律、拖动控制系统的组成原理、控制规律2 2、工程设计方法、调试方法、工程设计方法、调试方法、工程设计方法、调试方法、工程设计方法、调试方法三、电力拖动控制系统的发展：三、电力拖动控制系统的发展：三、电力拖动控制系统的发展：三、电力拖动控制系统的发展：以直流调速系统为例：以直流调速系统为例：2030年代：接触器年代：接触器-继电器控制的电气控制系统，有级调速，精度、继电器控制的电气控制
2、系统，有级调速，精度、可靠性可靠性 不高不高3040年代：旋转变流机组供电的直流调速系统年代：旋转变流机组供电的直流调速系统(G-M系统系统)4050年代：静止变流装置供电的直流调速系统年代：静止变流装置供电的直流调速系统(汞弧整流器和闸流管汞弧整流器和闸流管)6070年代：晶闸管电动机调速系统年代：晶闸管电动机调速系统(V-M系统系统)7080年代：直流斩波器或脉宽调制变换器调速，数字调速系统年代：直流斩波器或脉宽调制变换器调速，数字调速系统(特性特性硬硬),计计 算机控制系统算机控制系统(易改变控制规律易改变控制规律)第1页/共95页四、课程内容：（直流调速系统和交流调速系统）四、课程内容
3、：（直流调速系统和交流调速系统）1、*单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统2、*双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统3、直流调速系统的数字控制、直流调速系统的数字控制4、可逆调速系统和位置随动系统、可逆调速系统和位置随动系统5、交流调速系统、交流调速系统五、课程特点：五、课程特点：1、综合性强：电机学、电机与拖动、电力电子技术、自动控制原理、综合性强：电机学、电机与拖动、电力电子技术、自动控制原理、电子技术、检测技术等。电子技术、检测技术等。2、实践性强：、实践性强：要求掌握：要求掌握：1、基本概念、基本思路、基本概念、基本思路2、控制规律、控制规律3、注意工程设计方法、注意工程设计方法不可逆
4、第2页/共95页六、直流调速系统的特点和地位n直流电动机具有线性的静态和动态数学模型,使得便于控制。n理论分析和工程设计方法成熟。n尽管面临高性能交流调速技术的挑战，仍然在电力拖动领域具有重要的地位。n从控制系统设计的角度讲，直流调速系统是交流调速系统的基础。n因此应该首先掌握直流调速系统。第3页/共95页直流拖动控制系统直流拖动控制系统第第 1 1 篇篇第4页/共95页根据直流电动机转速方程根据直流电动机转速方程 q 直流调速方法（1-1）式中 n 转 速（r r/m m i i n n）；U 电 枢 电 压（V V）；I 电 枢 电 流（A A）；R 电 枢 回 路 总 电 阻（）；励 磁
5、 磁 通（W W b b）；Ke 由电机结构决定的电动势常数。第5页/共95页调节电动机转速的三种方法调节电动机转速的三种方法1.1.调节电枢供电电压调节电枢供电电压 U U2.2.改变电枢回路电阻改变电枢回路电阻 R R3.3.减弱励磁磁通减弱励磁磁通 第6页/共95页（1 1）调压调速）调压调速工作条件：工作条件：保持保持励磁励磁 =N；保持电阻保持电阻 R=Ra调节过程：调节过程：改变电压改变电压 UN U U n ，n0 调速特性：调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移，转速下降，机械特性曲线平行下移，特性较硬（硬度不变），只可向下特性较硬（硬度不变），只可向下调。调。nn0OIIL
6、UNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线第7页/共95页（2）调阻调速）调阻调速工作条件：工作条件：保持保持励磁励磁 =N；保持电压保持电压 U=UN；调节过程：调节过程：增加电阻增加电阻 Ra R R n ，n0不变不变；调速特性：调速特性：转速下降，机械特性曲线变软，稳转速下降，机械特性曲线变软，稳速精度低，损耗大。速精度低，损耗大。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线第8页/共95页（3 3）调磁调速）调磁调速工作条件：工作条件：保持电压保持电压 U=UU=UN N ；保持
7、电阻保持电阻 R=R R=R a a ；调节过程：调节过程：减小励磁减小励磁 N N n n ，n n0 0 调速特性：调速特性：转速上升，机械特性曲线变转速上升，机械特性曲线变软，受换向器机械强度的限软，受换向器机械强度的限制，调速范围不大制，调速范围不大D=2D=24 4。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调压调速特性曲线第9页/共95页三种调速方法的性能与比较三种调速方法的性能与比较 改变电阻只能有级调速；且损耗大；改变电阻只能有级调速；且损耗大；减减弱弱磁磁通通虽虽然然能能够够平平滑滑调调速速，但但调调速速范范围围不大，在基速以上作小范围的弱磁升速。不大，在基速以上作小范
8、围的弱磁升速。调调压压调调速速能能在在较较大大的的范范围围内内无无级级平平滑滑调调速速，调压调速是主要调速方法。调压调速是主要调速方法。若若要要求求调调速速范范围围很很宽宽，可可采采用用调调压压+弱弱磁磁的的方法。方法。调速性质应与负载性质相适应。调速性质应与负载性质相适应。第10页/共95页恒转矩调速方式恒转矩调速方式 电机长期运行时，电枢电流应小于额电机长期运行时，电枢电流应小于额定值定值 I IN N，而电磁转矩，而电磁转矩 T Te e =K Km m I I 。在调压调速范围内，励磁磁通不变，在调压调速范围内，励磁磁通不变，容许的输出转矩也不变，称作容许的输出转矩也不变，称作“恒转矩
9、调恒转矩调速方式速方式”。第11页/共95页恒功率调速方式恒功率调速方式 在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许输出转矩减小，而容许输出转矩弱，容许输出转矩减小，而容许输出转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，与转速的乘积则不变，即容许功率不变，为为“恒功率调速方式恒功率调速方式”。第12页/共95页两种调速方式两种调速方式TeNnNnmax变电压调速弱磁调速UNUPPTeUnO两种调速方式第13页/共95页第第1 1章章 闭环控制的直流调速系闭环控制的直流调速系统统 本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法。第14页/共95页1.1 1.1 直
10、流调速系统用的可控直流电直流调速系统用的可控直流电源源 调压调速需要有专门向电动机供电的可控直流电源。本节介绍几种主要的可控直流电源。第15页/共95页常用的可控直流电源有以下三种常用的可控直流电源有以下三种旋转变流机组旋转变流机组用交流电动机和直流发用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压电机组成机组，获得可调的直流电压。静止式可控整流器静止式可控整流器用静止式的可控整用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。流器获得可调的直流电压。直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩
11、波或进行脉宽调制，产生电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。可变的平均电压。第16页/共95页1.1.1 旋转变流机组（旋转变流机组（G-M系统）系统）图1-1 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）原理图 第17页/共95页 G-M系统特性系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图1-2 G-M系统的机械特性第18页/共95页 1.1.2 静止式可控整流器静止式可控整流器图1-3 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图 第19页/共95页1 1、V-MV-M系统工作原理系统工作原理 晶闸管晶闸管-电动机调速系统（简称电动机调
12、速系统（简称V-MV-M系统，又称静止的系统，又称静止的Ward-LeonardWard-Leonard系统）系统），图中，图中VTVT是晶闸管可控整流器，通过是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置调节触发装置 GT GT 的控制电压的控制电压 U Uc c 来移来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电动触发脉冲的相位，即可改变整流电压压U Ud d ，从而实现平滑调速。，从而实现平滑调速。第20页/共95页2 2、V-MV-M系统的特点系统的特点晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制。控制的快速性，晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。第21页
13、/共95页3 3、V-MV-M系统存在的问题：系统存在的问题：由于晶闸管的由于晶闸管的单向导电性单向导电性，它不允许，它不允许电流反向，给系统的电流反向，给系统的可逆运行可逆运行造成困造成困难。难。晶闸管对晶闸管对过电压、过电流和过高的过电压、过电流和过高的du/dt与与di/dt 都十分敏感都十分敏感，若超过允，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。许值会在很短的时间内损坏器件。由谐波与无功功率引起电网电压波形由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，造成畸变，造成“电力公害电力公害”。第22页/共95页 1.1.3 1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器a）原理图b）
14、电压波形图tOuUsUdTton图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形+MUsLVDM+-VT第23页/共95页 斩波器的基本控制原理斩波器的基本控制原理 在原理图中，在原理图中，VT 表示电力电子开关器表示电力电子开关器件，件，VD 表示续流二极管。表示续流二极管。当当VT 导通时导通时ton，直流电源电压，直流电源电压 Us 加到加到电动机上；当电动机上；当VT 关断时关断时T ton，直流电源与，直流电源与电机脱开，电动机电枢经电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压续流，两端电压接近于零。接近于零。第24页/共95页这样，电动机得到的平均电压为 输出电压输出电压:(1-
15、2)式中 T 功率器件的开关周期；ton 开通时间；占空比，=ton/T=ton f,其中 f 为开关频率。第25页/共95页H形主电路结构形主电路结构+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1VT2VT3VT4图1-6 桥式可逆PWM变换器脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）第26页/共95页 PWMPWM系统的优点系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少。）主电路线路简单，需用的功率器件少。（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少。）开关频率高，电流容易连续，谐波少。（3）稳速精度高，调速范围宽）
16、稳速精度高，调速范围宽。（4）动态响应快，抗扰能力强。）动态响应快，抗扰能力强。（5）直流电源采用不控整流，功率因数高。）直流电源采用不控整流，功率因数高。第27页/共95页小小 结结 三种可控直流电源，三种可控直流电源，V-M系统在系统在20世纪世纪6070年代得到广泛应用，目前主要用于大容年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。量系统。直流直流PWM调速系统作为一种新技术，调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直系统成为主要的直流调速方式。流调速方式。第28页/共95页1
17、.2 1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-MV-M系统）系统）的主要问题的主要问题V-M系统的几个主要问题：（1）触发脉冲相位控制。（2）电流脉动及其波形的连续与断续。（3）抑制电流脉动的措施。（4）晶闸管-电动机系统的机械特性。（5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数。第29页/共95页 调节调节晶闸管晶闸管触发触发脉冲相位，可改变脉冲相位，可改变可控整流器输出电可控整流器输出电压的波形。压的波形。整流器输出电压整流器输出电压瞬时值瞬时值u ud d的呈周期的呈周期性变化。性变化。1.2.1 触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制OOOOO单相半波可控整流电路第30页/共95
18、页ud0IdE 等效电路分析等效电路分析 把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分。ud0为整流电压理想空载瞬时值。图1-7 V-M系统主电路的等效电路图 第31页/共95页 式中 电动机反电动势（V）；整流电流瞬时值（A）；主电路总电感（H）；主电路等效电阻（），R=Rrec+Ra+RL。EidLR 瞬时电压平衡方程瞬时电压平衡方程(1-4)第32页/共95页整流电压的平均值计算整流电压的平均值计算 ud0在一个周期内的平均值为理想空载整流电压平均值Ud0。触发脉冲控制角；Um 交流电源线电压峰值（V）；m交流电源一周内整流电压脉波数。(1-5)第33页/共95页整流与逆变状
19、态整流与逆变状态当当 0 0，整流状态整流状态，电功，电功率从交流侧输送到直流侧；率从交流侧输送到直流侧；当当 /2 max 时，时，Ud0 0，有源逆变状有源逆变状态态，电功率反向传送。，电功率反向传送。第34页/共95页不同整流电路时，不同整流电路时，Um、m及及Ud0*U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。第35页/共95页1.2.2 1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续电流脉动及其波形的连续与断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidida）电感量大，且负载也 足够大时，电流连续b）电感量小，且负 载轻时，电流
20、断续第36页/共95页1.2.3 1.2.3 抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措施 电流脉动产生转矩脉动，为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：设置平波电抗器；设置平波电抗器；增加整流电路相数；增加整流电路相数；采用多重化技术。采用多重化技术。第37页/共95页平波电抗器的设置与计算：平波电抗器的设置与计算：单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 三相半波整流电路三相半波整流电路 三相桥式整流电路三相桥式整流电路 （1-6）（1-8）（1-7）第38页/共95页1.2.4 1.2.4 晶闸管晶闸管-电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性 当电流连续时，V-M系统的机械特
21、性方程式为 式中 Ce电机在额定磁通下的电动势系数,Ce=KeN。（1-9）第39页/共95页（1 1）电流连续情况）电流连续情况 改变控制角改变控制角，得一族平行直线，得一族平行直线，这和这和G-MG-M系统的特性系统的特性很相似，如图很相似，如图1-101-10所示。所示。图中电流较小的图中电流较小的部分画成虚线，表部分画成虚线，表明这时电流波形可明这时电流波形可能断续，式（能断续，式（1-91-9）已经不适用了。已经不适用了。图1-10 电流连续时V-M系统的机械特性 n=Id R/CenIdILO第40页/共95页 三相半波整流电路电流断续时机械特性 (1-10)(1-11)一个电流脉
22、波的导通角，2/3 阻抗角（2 2）电流断续情况）电流断续情况第41页/共95页图1-11 完整的V-M系统机械特性（3 3）V-MV-M系统系统 机械特性机械特性第42页/共95页（4 4）V-MV-M系统机械特性的特点系统机械特性的特点 图图1-111-11绘绘出出了了完完整整的的V-MV-M系系统统机机械械特特性性，分为电流连续区和电流断续区。由图可见：分为电流连续区和电流断续区。由图可见：当电流连续时，特性硬；当电流连续时，特性硬；电电流流断断续续时时，特特性性很很软软，呈呈显显著著的的非非线线性性，理想空载转速翘得很高。理想空载转速翘得很高。第43页/共95页1.2.5 1.2.5
23、晶闸管触发和整流装置的放大晶闸管触发和整流装置的放大 系数和传递函数系数和传递函数 在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。进行直流调速系统分析或设计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。第44页/共95页 晶闸管触发和整流装置的放大系数的计晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算算 晶闸管触发和整流装置的放大系数如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。图1-13 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和Ks的测定(1-12)第45页/共95页u2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TsOOOOl晶闸管触发与整流失控时间分
24、析晶闸管触发与整流失控时间分析图1-14 晶闸管触发与整流装置的失控时间第46页/共95页 失控时间是随机的，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定(1-13)式中 交流电流频率（Hz）；一周内整流电压的脉冲波数。fm最大失控时间最大失控时间第47页/共95页 T Ts s 值的选取值的选取 在一般情况下，可取其统计平均值 Ts=Tsmax/2，并认为是常数。也可按最严重的情况考虑，取Ts=Tsmax。各种整流电路的失控时间（f=50Hz）第48页/共95页 用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为按拉氏变换的位
25、移定理，晶闸管装置的传递函数为（1-14）传递函数传递函数:第49页/共95页传递函数简化传递函数简化:由于式（1-14）中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则式（1-14）变成 （1-15）第50页/共95页近似传递函数近似传递函数:考虑到 Ts 很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节。（1-16）第51页/共95页晶闸管触发与整流装置动态结构晶闸管触发与整流装置动态结构Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)a)准确的b）近似的图1-15 晶闸管触发与整流装置动态结构框图ssss第52页/共95页1.3
26、1.3 直流脉宽调速系统的主要问题直流脉宽调速系统的主要问题 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，即直流直流PWMPWM调速系统调速系统。第53页/共95页1.3.1 1.3.1 PWMPWM变换器的工作状态和电压、变换器的工作状态和电压、电流波形电流波形 PWMPWM调制：把恒定的直流电源电压调调制：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平均电压的列，从而可以改变平均输出平均电压的大小。大小。第54页/共9
27、5页图1-16 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 VDUs+UgCVTidM+_Ea）主电路原理图 M(1).(1).不可逆不可逆PWMPWM变换器变换器21UdOtUg第55页/共95页图中：Us直流电源电压 C 滤波电容器 M 直流电动机 VD 续流二极管VT 功率开关器件 VT 的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。第56页/共95页工作状态与波形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1-16 b 电压和电流
28、波形O第57页/共95页电机两端得到的平均电压为(1-17)式中 =ton/T 为 PWM 波形的占空比，输出电压方程 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 =(1-18)第58页/共95页（2）有制动的不可逆）有制动的不可逆PWM变换器电路变换器电路 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。需要制动时，必须为反向电流提供通路，如图1-17a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
29、并没有改变极性。第59页/共95页图图1-17a 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 主电路结构M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1第60页/共95页 工作状态与波形工作状态与波形一般电动状态一般电动状态 在一般电动状态中，始终为正值（其正方向示于图1-17a中）。设ton为VT1的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：在在0 t ton期间，期间，Ug1为正，为正，VT1导通，导通，Ug2为负，为负，VT2关断。此时，关断。此时，电源电压电源电压Us加到电枢两端，电流加到电枢两端，电流 id 沿图中的回路沿图中的
30、回路1流通。流通。第61页/共95页一般电动状态（续）一般电动状态（续）在在 ton t T 期间，期间，Ug1和和Ug2都改变极性，都改变极性，VT1关断，但关断，但VT2却不却不能立即导通，因为能立即导通，因为id沿回路沿回路2经二极管经二极管VD2续流，在续流，在VD2两端产生的压降两端产生的压降给给VT2施加反压，使它失去导通的可能。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62页/共95页U,iUdEidUsttonT0O输出波形：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1-16b）
31、完全一样。b）一般电动状态的电压、电流波形第63页/共95页工作状态与波形（续）工作状态与波形（续）制动状态制动状态 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。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。第64页/共95页 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：在在 0 t ton 期间，期间，VT2 关断，关断，id 沿回路沿回路 4 经经 V
32、D1 续流，向电源回馈续流，向电源回馈制动，与此同时，制动，与此同时，VD1 两端压降钳住两端压降钳住 VT1 使它不能导通。使它不能导通。在在 ton t T期间，期间，Ug2 变正，于是变正，于是VT2导通，反向电流导通，反向电流 id 沿回路沿回路 3 流通，流通，产生能耗制动作用。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1-17c。第65页/共95页U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOn 输出波形输出波形c）制动状态的电压电流波形第66页/共95页工作状态与
33、波形（续）工作状态与波形（续）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，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。第67页/共95页 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：第第1阶段，阶段，VD1续流，电流续流，电流 id 沿回路沿回路4流通；流通；第第2阶段，阶段，VT1导通，电流导通，电流 id 沿回路沿回路1流通；流通；第第3阶段，阶段，VD2续流，电流续流，电流 id 沿回路沿回路2流通；流通；第第4阶段，阶段，VT2导通，电流导通
34、，电流 id 沿回路沿回路3流通。流通。第68页/共95页 在在1、4阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态；阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态；在在2、3阶段，电动机流过正方向电流，电机工作在电动状态。阶段，电动机流过正方向电流，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脉动，平均电流等于负载电流，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，其输出波形见图其输出波形见图1-17d。第69页/共95页n 输出波形输出波形d）轻载电动状态的电流波形4123Tton0U,iUdEidUsttonT041 23O第70页/共95页小小 结结表1-
35、3 二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态第71页/共95页2.桥式可逆桥式可逆PWM变换器变换器 可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图1-18所示。这时，电动机M两端电压的极性随开关器件栅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。第72页/共95页+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MUg1Ug2图图1-18 桥式可逆桥式可逆PWM变换器变换器n H形主电路结构形主电路结构第73页/共95页n 双极式控制方式双极式控
36、制方式（1）正向运行）正向运行第1阶段，在 0 t ton 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；第2阶段，在ton t T期间，Ug1、Ug4为负，VT1、VT4截止，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；第74页/共95页n 双极式控制方式（续）双极式控制方式（续）（2）反向运行）反向运行第1阶段，在 0 t ton 期间，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，VD1、VD4 续流，并钳位使 VT1、VT4截止，电
37、流 id 沿回路4流通，电动机M两端电压UAB=+Us；第2阶段，在ton t T 期间，Ug2、Ug3 为正，VT2、VT3导通，Ug1、Ug4为负，使VT1、VT4保持截止，电流 id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB=Us；第75页/共95页n 输出波形输出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO(1)正向电动运行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO(2)反向电动运行波形第76页/共95页n 输出平均电压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）
38、注意：这里注意：这里 的计算公式与的计算公式与不可逆变换器中的不可逆变换器中的公式就不一样了。公式就不一样了。第77页/共95页n 调速范围调速范围 调速时，调速时，的可调范围为的可调范围为01，1 0.5时，时，为正，电机正转为正，电机正转当当 0.5时，时，为负，电机反转为负，电机反转当当 =0.5时，时，=0，电机停止，电机停止第78页/共95页注注 意：意：当电机停止时电枢电压并不等于零，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，流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转
39、矩，徒然增大电机的损耗，这不产生平均转矩，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、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，起着所谓反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑动力润滑”的作用。的作用。第79页/共95页n 性能评价性能评价 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
40、证器件的可靠导通。第80页/共95页n 性能评价（续）性能评价（续）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。第81页/共95页1.3.2 1.3.2 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。第82页/共95页 对于双极式控制的可逆电路电压方程为(0 t t
41、on)(1-23)n 双极式可逆电路电压方程(ton t T)(1-24)第83页/共95页 机械特性方程机械特性方程 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)第84页/共95页 (1-26)(1-26)或用转矩表示或用转矩表示 (1-27)(1-27)式中式中 C Cm m 电机在额定磁通下的转矩系数，电机在额定磁通下的转矩系数，C Cm m=K Km m N N ；n n0 0理想空载转速，与电压系数成正比，理想空载转速，与电压系数成正比，n
42、 n0 0=U Us s /C Ce e 。n 机械特性方程机械特性方程第85页/共95页nId,TeOn0s0.5n0s0.25n0sId,Te =1 =0.75 =0.5 =0.25n PWMPWM调速系统机械特性调速系统机械特性图图1-20 脉宽调速系统的机械特性曲线脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），（电流连续），n0sUs/Ce0.75n0s第86页/共95页n 说说 明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
43、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87页/共95页1.3.3 PWM控制与变换器的数学模型图1-21 PWM控制与变换器的框图 UcUgUdPWM控制器PWM变换器图1-21 PWM控制与变换器的框图 第88页/共95页PWM装置的装置的数学模型 PWM装置变换器也可以看成是一个滞后环节，传递函数为：（1-28）式中 Ks PWM装置的放大系数；Ts PWM装置的延迟时间，Ts T0。第89页/共95页 与晶闸管装置一样，PWM装置可以近似看成是一个一阶惯性环节（1-29）PWM装置装置数学模型的近
44、似的近似第90页/共95页1.3.4 电能回馈与泵升电压的限制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。AC/CDC+-Us整流器PWMPWM第91页/共95页n 泵升电压产生的原因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92页/共95页n 泵升电压限制泵升电压限制过电压信号Us制动电阻VTbC+第93页/共95页PWM系统的优越性：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94页/共95页谢谢您的观看！第95页/共95页