直流脉宽调速系统..

泵升电压限制电路
+
Rpar
Us
C
过电压信号
VTpar
-

大容量系统泵升电压的限制
对于更大容量的系统，为了提高效率，
可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把 多余的能量逆变后回馈电网。当然，这样一 来，系统就更复杂了。
思考题2-9：
P214 习题2.34
*简述T型PWM变换器和双极式H型
PWM变换器的优缺点。
Ud id +Us
1
0
2
T
1
2
1
2
1
ton -U s
a) 正向电动运行波形
b) 反向电动运行波形

电机轻载运行时输出波形
Ud id +Us ton T Ud E 1 0 4 -Us
2
3 4
1
2
3 id
t

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
ton T ton 2ton Ud Us Us ( 1)U s T T T
t
U 3 4 3 4 3
t
t
4 id
如果要求电动机降低转速，可将Ug1的正脉 冲变窄，负脉冲变宽，从而使电枢两端的平均 电压Ud降低，E-Ud 产生反向电流-id。整个制动 过程中电力晶体管VT2和续流二极管VD1交替导
通，而VT1由于VD2的反向施压始终不能导通。
③低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；
④系统频带宽，响应快，抗干扰能力强；
⑤主元件工作在开关状态，导通损耗小；
⑥电源采用不控三相整流时，电网功率因数高。
2.9.1 脉宽调制变换器
脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制 式变换器，简称PWM变换器。 PWM变换器有可逆和不可逆两类，可 逆变换器又有双极式、单极式和受限单极 式等多种电路。
占空比定义为：
U d 2ton 1 Us T

调速方法
通过改变ρ即可调速， ρ变化范围为 [-1，1]。ρ为正值，电机正转； ρ为负值， 电机反转；ρ=0，电机停转。 ρ=0时，电机虽然不动，但电枢两端的 电压和电流的瞬时值都不为0，而是交变的。 这个交变电流虽然增加了电机的损耗，但通 过使电机产生高频微振，可以消除电机的静 摩擦死区，起到“动力润滑”的作用。
1. 不可逆PWM变换器——有制动作用 制动状态
Ug2
Ug1=-Ug2
VT2
3 VD2
id _
VT1 VD1
E M + 4
Ug1
_U + s 图2.107 具有制动作用的不可逆PWM变换器电路
C
电动状态的电压和电流波形
Ug1= -Ug2 0
VT2 VD1 VT2 VD1 VT2 VD1 VT2 VD1
系统性能 在简单的不可逆PWM电路中电枢电 流id不能反向，因而没有制动能力，只能 作单象限运行。 这种PWM调速系统在空载或轻载下 可能出现电流断续现象，系统的动、静 态性能较差。
1. 不可逆PWM变换器——有制动作用 电动状态
Ug2
Ug1=-Ug2
VT2
VD2
id _
1 VT1 VD1
E 2 M +
小结
具有制动作用的不可逆PWM变换器的不同工作状态
期间 工作状态 一般电动 状态 制动状态 导通器件 电流回路 电流方向 导通器件 电流回路 电流方向 轻载电动 状态 导通器件 电流回路 电流方向 VD1 4 － 0 ~ t4 VT1 1 + VD1 4 － VT1 1 + VD2 2 + 0 ~ ton t4 ~ ton ton ~ t2 VD2 2 + VT2 3 － VT2 3 － ton ~ T t2 ~ T
Ug1
_U + s 图2.107 具有制动作用的不可逆PWM变换器电路
C
电动状态的电压和电流波形
Ug1= -Ug2 0
VT1 VD2 VT1 VD2 VT1 VD2 VT1
t
U id Us
1
2
1
2
1
2
1
Ud E 2 id
t
0
ton T
电动机工作在电动状态时，一般情 况下是电力晶体管VT1和续流二极管VD2 交替导通，而VT2由于VD1的反向施压始 终不能导通。该过程的电压电流波形与 没有VT2的情况完全一样。
运动控制系统
第 2 章
直流调速系统
2.9 直流脉宽调速系统
2.9.1 脉宽调制变换器
2.9.2 脉宽调速系统的控制电路 2.9.3 脉宽调速系统的特殊问题
概述
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。
(2) 开关频率 f 应高于调速系统的最高频 率 fc，一般希望 f > 10fc，从而降低PWM 变换器的迟延时间对系统性能的影响；
2. 开关频率 f 的选择 (3) 开关频率 f 还应高于系统中所有回路 的谐振频率，防止引起共振；
(4) 开关频率 f 的上限受电力电子器件的 开关损耗和开关时间的限制。
2. 可逆PWM变换器 —— H型-双极式控制
+Us VT1 Ub1 A VT2 Ub2 Ub1 =Ub4 =-Ub2 =-Ub3 图2.108 H型可逆PWM变换器电路
4 VD1
+
M
2 VD3 B
VT3 Ub3
VD2
3
VD4 1
VT4 Ub4

电机正、反转时的输出波形
Ud id +Us Ud E id t -Us 0 ton 3 4 T 3 4 3 4 3 t id E Ud
C
4
Ug1
轻载电动状态时的电流交替变化情况
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：
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 – id 沿回路3流通。 注意：电动机电枢回路的电流始终是连续的！
3. 泵升电压问题
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。
整流器
AC~ /// +
斩波器
Us
-
C C
DC

泵升电压产生的原因
PWM变换器中的滤波电容C，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”。

泵升电压限制
电力电子器件的耐压能力限制着最高泵升电 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。
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 镇流电阻 Rpar 来消耗掉部分动能。分流电路靠开 关器件 VTpar 在泵升电压达到允许数值时接通。
概述 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。
概述 与V-M系统相比，PWM系统在很多方 面具有较大的优势：
①主电路简单，需用的功率元件少； ②开关频率高，电流容易连续，谐波少；
双极式H型可逆PWM变换器的特点
优点：电流一定连续，可实现四象限运行，电机 停止时的微振交变电流可以消除静摩擦死区，低 速平稳性好，可达到很宽的调速范围； 缺点：四个电力电子器件都处于开关状态，损耗 较大，且容易发生上、下两个器件直通的事故， 降低了设备的可靠性。
2.9.3 脉宽调速系统的特殊问题
2. 可逆PWM变换器 —— T型
VT1 VT1 Ub1 Ub2 VT2 VT2 VD2 -Us 图2.108 T型可逆PWM变换器电路 VD1 +
M
+Us
-
T型可逆PWM变换器的特点
优点：使用元件少，线路简单，适用于电压低 于50V的电动机的可控电压源； 缺点：需要正负对称的双极性直流电源，电路 中的电力电子器件要承受两倍的电源电压。
WPWM Uc 脉宽 调制器 Ub PWM 变换器 Ud
U d ( s) K PWM Ts WPWM ( s) K PWM e U c ( s) Ts 1
Ud (s) ——PWM变换器的输出电压;
Uc (s) ——脉宽调制器的控制电压。
2. 开关频率 f 的选择 (1) 开关频率 f 应足够高，使电机的电抗 在选定频率下尽量大，从而限制电枢电 流的脉动量，确保电流连续，降低电机 附加损耗；


脉宽调制器和PWM变换器的传递函数
开关频率 f 的选择 电能回馈与泵升电压的控制
1. 脉宽调制器和PWM变换器的传递函数
PWM系统的动态数学模型与V-M系统非常 相似，其传递函数也可以看作是一个纯滞后环 节，迟延时间最多不超过一个开关周期 T。 在脉宽调速系统中，开关频率 f 较高，开 关周期 T 较小，因此，常将脉宽调制器和 PWM变换器合起来近似看成一阶惯性环节。
1. 不可逆PWM变换器——无制动作用
1
id
Ub
VT
+ C
+
E M
_
Us _
2
VD
滤波
续流