1、7.4 直流脈寬（PWM）調(diào)速系統(tǒng),直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)-直流調(diào)速器之一 將固定的直流電源 可調(diào)的直流電源 利用開(kāi)關(guān)器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)加到負(fù)載上 開(kāi)關(guān)器件如：GTO、GTR、IGBT等 PWM（pulse width modulation）-脈沖寬度調(diào)制 即：開(kāi)關(guān)器件的周期不變，只改變器件每次導(dǎo)通時(shí)間（脈沖寬度）,7.4 直流脈寬（PWM）調(diào)速系統(tǒng),PWM變換器的作用是：用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 PWM變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與可逆兩大類，下面分別闡述其工作原理。,7.4

2、.1. 不可逆PWM變換器,（1）簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主電路原理圖如圖7.26所示., 主電路結(jié)構(gòu),2,1,圖中：Us為直流電源電壓， C為濾波電容器， VT為功率開(kāi)關(guān)器件， VD為續(xù)流二極管， M 為直流電動(dòng)機(jī)， VT 的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動(dòng)。,工作狀態(tài)與波形,在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)， 當(dāng)0 t ton時(shí)，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過(guò)VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端； 當(dāng)ton t T 時(shí)， Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。,O,電機(jī)兩端得到的平均電壓為 (7-8) 式中 = ton / T 為 PWM 波形的占空比，,輸出電壓

3、方程,改變 （ 0 1 ）即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，若令 = Ud / Us為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆 PWM 變換器 = ,（2）有制動(dòng)的不可逆PWM變換器電路,在簡(jiǎn)單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒(méi)有制動(dòng)能力，只能作單象限運(yùn)行。需要制動(dòng)時(shí)，必須為反向電流提供通路，如圖7.27所示的雙管交替開(kāi)關(guān)電路。當(dāng)VT1 導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)正向電流 + id ，VT2 導(dǎo)通時(shí)，流過(guò) id 。應(yīng)注意，這個(gè)電路還是不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因?yàn)槠骄妷?Ud 并沒(méi)有改變極性。,圖7.27a 有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器,主電路結(jié)構(gòu),M,+,-,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,4,

4、1,2,3,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,工作狀態(tài)與波形,一般電動(dòng)狀態(tài) 在一般電動(dòng)狀態(tài)中，始終為正值（其正方向示于圖中）。設(shè)ton為VT1的導(dǎo)通時(shí)間，則一個(gè)工作周期有兩個(gè)工作階段： 在0 t ton期間， Ug1為正，VT1導(dǎo)通， Ug2為負(fù)，VT2關(guān)斷。此時(shí)，電源電壓Us加到電樞兩端，電流 id 沿圖中的回路1流通。,一般電動(dòng)狀態(tài)（續(xù)）,在 ton t T 期間， Ug1和Ug2都改變極性，VT1關(guān)斷，但VT2卻不能立即導(dǎo)通，因?yàn)閕d沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。 因此，實(shí)際上是由VT1和VD2交替導(dǎo)通，雖然電路中多了

5、一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，但并沒(méi)有被用上。,輸出波形： 一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形與簡(jiǎn)單的不可逆電路波形（圖b）完全一樣。,b）一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形,工作狀態(tài)與波形（續(xù)）,制動(dòng)狀態(tài) 在制動(dòng)狀態(tài)中， id為負(fù)值，VT2就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中需要降速的時(shí)候。這時(shí)，先減小控制電壓，使 Ug1 的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使平均電樞電壓Ud降低。但是，由于機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)E還來(lái)不及變化，因而造成 E Ud 的局面，很快使電流id反向，VD2截止， VT2開(kāi)始導(dǎo)通。,制動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)周期分為兩個(gè)工作階段： 在 0 t ton 期間，VT2 關(guān)斷，id 沿回路 4 經(jīng) VD1

6、 續(xù)流，向電源回饋制動(dòng)，與此同時(shí)， VD1 兩端壓降鉗住 VT1 使它不能導(dǎo)通。 在 ton t T期間， Ug2 變正，于是VT2導(dǎo)通，反向電流 id 沿回路 3 流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)作用。 因此，在制動(dòng)狀態(tài)中， VT2和VD1輪流導(dǎo)通，而VT1始終是關(guān)斷的，此時(shí)的電壓和電流波形示于圖c。,輸出波形,c）制動(dòng)狀態(tài)的電壓電流波形,工作狀態(tài)與波形（續(xù)）,輕載電動(dòng)狀態(tài) 有一種特殊情況，即輕載電動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)平均電流較小，以致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時(shí)，還沒(méi)有到達(dá)周期 T ，電流已經(jīng)衰減到零，此時(shí)，因而兩端電壓也降為零，便提前導(dǎo)通了，使電流方向變動(dòng)，產(chǎn)生局部時(shí)間的制動(dòng)作用。,輕載電動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段：

7、第1階段，VD1續(xù)流，電流 id 沿回路4流通； 第2階段，VT1導(dǎo)通，電流 id 沿回路1流通； 第3階段，VD2續(xù)流，電流 id 沿回路2流通； 第4階段，VT2導(dǎo)通，電流 id 沿回路3流通。,在1、4階段，電動(dòng)機(jī)流過(guò)負(fù)方向電流，電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)； 在2、3階段，電動(dòng)機(jī)流過(guò)正方向電流，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。 因此，在輕載時(shí)，電流可在正負(fù)方向之間脈動(dòng)，平均電流等于負(fù)載電流，其輸出波形見(jiàn)圖d。,輸出波形,d）輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形,小 結(jié),表 二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài),7.4.2. 可逆PWM變換器,可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖7.28

8、所示。 這時(shí)，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開(kāi)關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆PWM變換器。,+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,1,3,2,A,B,4,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,圖7.28 橋式可逆PWM變換器,H形主電路結(jié)構(gòu),雙極式控制方式,（1）正向運(yùn)行： 第1階段，在 0 t ton 期間， Ug1 、 Ug4為正， VT1 、 VT4導(dǎo)通， Ug2 、 Ug3為負(fù)，VT2 、 VT3截止，電流 id

9、 沿回路1流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = +Us ； 第2階段，在ton t T期間， Ug1 、 Ug4為負(fù)， VT1 、 VT4截止， VD2 、 VD3續(xù)流， 并鉗位使VT2 、 VT3保持截止，電流 id 沿回路2流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = Us ；,雙極式控制方式（續(xù)）,（2）反向運(yùn)行： 第1階段，在 0 t ton 期間， Ug2 、 Ug3為負(fù)，VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 續(xù)流，并鉗位使 VT1 、 VT4截止，電流 id 沿回路4流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = +Us ； 第2階段，在ton t T 期間， Ug2 、 Ug3 為正， VT2 、 V

10、T3導(dǎo)通， Ug1 、 Ug4為負(fù)，使VT1 、 VT4保持截止，電流 id 沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = Us ；,輸出波形,輸出平均電壓,雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 （7-12） 如果占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中 = 2 1 注意：這里 的計(jì)算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。,調(diào)速范圍,調(diào)速時(shí)， 的可調(diào)范圍為01， 10.5時(shí)， 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng) 0.5時(shí)， 為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 當(dāng) = 0.5時(shí)， = 0 ，電機(jī)停止。,注 意：,當(dāng)電機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用。,性能評(píng)價(jià),雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點(diǎn)： （1）電流一定連續(xù)； （2）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行； （3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)； （4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:2000