电力拖动自动控制系统 第四章 主讲教师：解小华　　　　　　　　学时：64.

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1 电力拖动自动控制系统 第四章 主讲教师：解小华　　　　　　　　学时：64

2 第四章 直流脉宽调速系统 本章提要 ♦ 问题的提出 ♦ 脉宽调制变换器 ♦ 直流脉宽调速系统的机械特性 ♦ PWM调速系统控制电路

3 第四章 直流脉宽调速系统 问题的提出 对于直流电机调速，可控直流电源可以有两种方式：①晶闸管整流；②斩波电源或脉宽调制变换器。
第四章 直流脉宽调速系统 问题的提出 对于直流电机调速，可控直流电源可以有两种方式：①晶闸管整流；②斩波电源或脉宽调制变换器。 斩波电源利用不可控直流电源经过电子开关的高频通断切换来实现对负载电压供电。 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。

4 第四章 直流脉宽调速系统 V-M直流调速系统通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。与G-M系统相比V-M系统有很多优越性，但它也有缺点： ① 电流是脉动的，产生谐波分量，尤其在低速时，因此需要加平波电抗器。设备投入大，体积增加，同时电感大又限制了系统的快速性。 ② 当系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变殃及附近的用电设备，也限制了调速范围。 ③ 对过电压、过电流敏感，要注意保护。

5 第四章 直流脉宽调速系统 PWM 调速系统和 V-M 调速系统主要区别在主电路和PWM控制电路。闭环控制系统以及静、动态分析和设计基本一样。
第四章 直流脉宽调速系统 ◎直流PWM调速系统优点： ① 主电路简单，不用电抗器，用电机本身的电感，从而 获得脉动很小的直流电流； ② 开关频率高，电枢电流容易连续，无电流断续问题； ③ 系统的低速运行平稳，调速范围较宽； ④ 频带宽，响应快； ⑤ 功率因素高。电流和电压永远相同，无无功功率问题。 PWM 调速系统和 V-M 调速系统主要区别在主电路和PWM控制电路。闭环控制系统以及静、动态分析和设计基本一样。 PWM 脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制变换器。

6 第四章 直流脉宽调速系统 §4-1 脉宽调制变换器 本节提要 □ 不可逆PWM变换器 □ 可逆PWM变换器

7 §4-1 脉宽调制变换器 一、不可逆PWM变换器 1. 组成 （一）简单的不可逆PWM变换器( 直流降压斩波器 )
1. 组成 Us：由二极管整流电路提供；电容C：大容量，滤波；二极管VD：在晶体管VT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路；功率开关器件VT由脉宽可调的脉冲电压Ug驱动。 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 VD Us + Ug C VT id _ E M 1 2

8 §4-1 脉宽调制变换器 2. 基本原理 ① 由二极管整流桥完成：交→直 ② Us恒定，控制VT在一个周期内导通的长短，即脉冲宽度，来改变电枢平均电压Ud →可控。 us 在一个开关周期T 内，当0≤t≤ton时，Ug为正，VT饱和导通，u d=u s。 当ton≤t<T时，Ug为负VT截止，u d= 0，M 经VD续流。 Us t ud f 2f Us Ud1 t ud ton T ton 2T 系统Uct小，Ug的导通时间ton短；Uct大，Ug的导通时间ton长。显然，U d2 >U d1。 US Ud2 t ton ton T 2T

9 §4-1 脉宽调制变换器 ♦电压和电流波形 U, i Ud E id Us t ton T O

10 §4-1 脉宽调制变换器 电机两端得到的平均电压为
式中ρ= ton/T为 PWM 波形的占空比， 改变ρ（0≤ρ<1）即可调节电机的转速。 PWM 脉宽调速系统如上述介绍有许多优点，但也存在缺点： ① 过压能力低，需保护； ② VT单向导电性，不可逆，无制动。 需要制动时，必须具有反向电流-i d的通路，因此应再设置一个电力晶体管。

11 §4-1 脉宽调制变换器 1. 主电路结构 （二）有制动的不可逆PWM变换器电路 VT2 Ug2 - M VT1 Ug1 M + +
3 VD2 Ug2 E 2 Ug2 - + M M |Ug1|=|Ug2|极性相反 1 VT1 VT1 4 VD1 Ug1 Ug1 C Us + 有制动电流通路的不可逆PWM变换器

12 §4-1 脉宽调制变换器 2. 工作状态与波形 ① M是电动状态 a）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。 b）在ton≤t≤T 期间，Ug1 和Ug2 都改变极性，VT1关断，但VT2也不能导通，因为i d沿回路2经二极管VD2续流，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，电动状态是由VT1和VD2交替导通，VT2 始终不通。

13 §4-1 脉宽调制变换器 ♦ 输出波形： 电动状态的电压、电流波形与简单的不可逆电路波形完全一样。 M为电动状态的电压、电流波形 U, i
Ud E id Us t ton T O ♦ 输出波形： 电动状态的电压、电流波形与简单的不可逆电路波形完全一样。 M为电动状态的电压、电流波形

14 §4-1 脉宽调制变换器 ② 制动状态（减速） 减速时，减小Uct，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(Ud1↓→Ud2)。由于机电惯性，转速n 和反电动势E 还来不及变化，因而造成 E > Ud 的局 ud Ud1 E ud ton T E Ud2 ton T 面，由Ud0 =E +Id R 可知，很快使电流id反向，这时希望VT2发挥作用。

15 §4-1 脉宽调制变换器 制动状态的一个周期分为两个工作阶段，先分析ton→T 阶段。 a）在ton≤t≤T期间，Ug2 变正，于是VT2导通，E–Ud使电流 id反向，沿回路 3 流通，M：处于能耗制动。 b）在T≤t≤T+ton (下一周期的0≤t≤ton ) 期间，VT2 关断，-id 沿回路4经 VD1 续流，向电源回馈制动，同时在 VD1 两端上的压降使VT1 不能导通。 制动状态电流流向如下图。

16 §4-1 脉宽调制变换器 ♦制动状态电流流向： VT2 Ug2 M VT1 Ug1 + M - VT2 3 VD2 E Ug2 + VT1
C Us +

17 §4-1 脉宽调制变换器 在整个制动状态中， 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如下图： U, i
Ud E id Us t ton T 4 3 VT2 VD1 Ug O 制动状态的电压﹑电流波形

18 §4-1 脉宽调制变换器 由于制动作用使电动机转速下降( n↓、E↓ )，直到新的稳态，( Ud >E )又回到 VT1和 VD2轮流导通，M重新回到电动状态。 ♦注意：当US（直流电源）采用半导体整流装置时，其单向导电性，在回馈制动阶段电能不可能通过它送回电网，只能向滤波电容C充电，从而造成瞬间电压升高，称作“泵升电压”。它的值太高时，对电力晶体管和整流二极管都不利，限制的措施书中有介绍。

19 §4-1 脉宽调制变换器 ③ 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，VT2 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。 轻载电动状态，一个周期分成四个阶段： •第一阶段，VD1续流，电流 –id 沿回路4流通； •第二阶段，VT1导通，电流 id 沿回路1流通； •第三阶段，VD2续流，电流 id 沿回路2流通； •第四阶段，VT2导通，电流 –id 沿回路3流通。

20 §4-1 脉宽调制变换器 在一、四阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态； 在二、三阶段，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： U, i Ud E id Us t ton T 4 1 2 3 O 4 1 2 3 T ton 轻载电动状态的电流波形

21 §4-1 脉宽调制变换器 ◎小结 不可逆PWM变换器的不同工作状态

22 §4-1 脉宽调制变换器 二、可逆PWM变换器 可逆PWM变换器主电路有H型、T型多种形式，最常用的是桥式（亦称H型）电路，如下图所示。

23 §4-1 脉宽调制变换器 1. 主电路结构 （一）双极式可逆PWM变换器 VT1 VT3 Ug1 Ug3 - + M VT2 VT4 Ug2
VT1，VT4一组； VT2，VT3一组 1. 主电路结构 +Us 驱动电压：Ug1=Ug4；Ug2=Ug3 = - Ug1 VT1 VT1 VT3 VT3 VD1 VD3 Ug1 Ug1 Ug3 Ug3 M + - A B M VT2 VT2 VT4 VT4 VD2 VD4 Ug2 Ug2 Ug4 Ug4 4个续流二极管 VD1~VD4 桥式可逆PWM变换器

24 §4-1 脉宽调制变换器 2. 工作状态与波形 ① 正向运行： • 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 ； • 在ton≤t≤T 期间，Ug1=Ug4为负，VT1 、VT4截止；由于电感储存很大能量，放电，维持电流方向不变，这时通过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 。

25 §4-1 脉宽调制变换器 ♦正向运行电流流向： VT1 VT3 Ug1 Ug3 - + M VT2 VT4 Ug2 Ug4 M
+Us Ug1 =Ug4=+ VT1 VT1 2 VT3 VT3 VD1 VD3 Ug1 Ug1 Ug3 Ug3 M + - A B M VT2 VT2 VT4 VT4 VD2 VD4 Ug2 Ug2 1 Ug4 Ug4 桥式可逆PWM变换器

26 §4-1 脉宽调制变换器 ② 反向运行：先分析 ton→T 阶段 •在ton≤t≤T期间，Ug2 =Ug3为正，VT2、 VT3导通，Ug1=Ug4为负，使VT1、VT4截止，电流–id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB =–Us ； •在T≤t≤T+ton (下一周期的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，电流 –id 沿回路4流通，电动机M两端电压UAB= +Us 。

27 §4-1 脉宽调制变换器 ♦ 反向运行电流流向： VT1 VT3 Ug1 Ug3 M + - VT2 VT4 Ug2 Ug4 M
+Us Ug2 =Ug3=+ Ug2 =Ug3= - VT1 VT1 VT3 4 VT3 VD1 VD3 Ug1 Ug1 Ug3 Ug3 M + - A B M VT2 VT2 VT4 VT4 VD2 VD4 Ug2 Ug2 3 Ug4 Ug4 桥式可逆PWM变换器

28 §4-1 脉宽调制变换器 ③ 输出波形 正向电动运行波形 反向电动运行波形 U, i U, i +Us +Us Ud E id ton T
-Us O 正向电动运行波形 U, i Ud E id +Us t ton T -Us O 反向电动运行波形

29 §4-1 脉宽调制变换器 双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为 为占空比
④ 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 为占空比 •当 ρ> 0时，ton > T/2 ，Ud =+，电机正转； •当 ρ< 0时，ton < T/2 ，Ud =-，电机反转； •当 ρ= 0时，ton = T/2，电机停止。

30 §4-1 脉宽调制变换器 ◎注意： 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，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，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“动力润滑”的作用。 双极式可逆PWM制动时情况比较复杂，根据VT3、VT2的通断情况，电机可能处在能耗制动、再生发电或反接制动，产生制动时一定具备上述其中一个制动过程。

31 §4-1 脉宽调制变换器 •双极式可逆PWM变换器的优点： 左右； 有利于保证器件的可靠导通。 ⑤ 性能评价 a）电流一定连续；
b）可使电机在四象限运行； c）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区； d）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000 左右； e）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽， 有利于保证器件的可靠导通。

32 §4-1 脉宽调制变换器 •双极式可逆PWM变换器的缺点： a）在工作过程中，4个大功率晶体管可能都处于 开关状态，开关损耗大； b）在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止上述情况，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。 （二）单极式可逆PWM变换器 为克服双极式变换器的上述缺点，可采用单极式PWM变换器。电路图与双极式的一样，如下图所示。

33 §4-1 脉宽调制变换器 1. 单极式可逆PWM变换器主电路结构 VT1 VT3 Ug1 Ug3 - M VT2 VT4 Ug2 Ug4 M
+Us 驱动电压：Ug1=-Ug2 VT1 VT1 VT3 VT3 VD1 VD3 Ug1 Ug3 Ug1 Ug3 M + - A B M VT2 VT2 VT4 VT4 VD2 VD4 Ug2 Ug4 Ug2 Ug4 VT1与VT2交替导通 桥式可逆PWM变换器

34 §4-1 脉宽调制变换器 2. 工作状态与波形 ① 正向运行： • 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； • 在ton≤ t≤T期间，Ug4为正→VT4继续导通，Ug1、Ug3为负→ VT1 、VT3截止；由于电感储存很大能量，放电，维持电流方向不变，这时虽然Ug2为正，但电流通过 VT4、VD2续流，并钳位使VT2 保持截止，电流 id 沿回路2流通，电动机 M两端电压UAB =0。

35 §4-1 脉宽调制变换器 ♦正向运行电流流向： VT1 VT3 Ug1 Ug3 - + M VT2 VT4 Ug2 Ug4 M
+Us Ug1 =Ug4=+ VT1 VT1 VT3 VT3 VD1 VD3 Ug1 Ug1 Ug3 Ug3 M + - A B M VT2 VT2 Ug4=+ VT4 VT4 VD2 VD4 Ug2 Ug2 1 2 Ug4 Ug4 桥式可逆PWM变换器

36 §4-1 脉宽调制变换器 ② 反向运行：先分析 ton→T 阶段 • 在ton≤t≤T 期间，Ug2 =Ug3为正，VT2 、 VT3导通，Ug1=Ug4为负，使VT1 、VT4截止，电流–id 沿回路3流通，电动机M两端电压 UAB = –Us ； • 在 T≤t≤T+ton (下一周期的0≤t≤ton ) 期间，Ug3 为正→ VT3导通，Ug1为正→也不导通，VT3、VD1续流，并钳位使 VT1 截止，电流–id 沿回路4流通，电动机M两端电压 UAB = 0。

37 §4-1 脉宽调制变换器 ♦ 反向运行电流流向： VT1 VT3 Ug1 Ug3 M + - VT2 VT4 Ug2 Ug4 M
+Us Ug2 =Ug3=+ Ug3= + VT1 VT1 VT3 4 VT3 VD1 VD3 Ug1 Ug1 Ug3 Ug3 M + - A B M VT2 VT2 VT4 VT4 VD2 VD4 Ug2 Ug2 3 Ug4 Ug4 桥式可逆PWM变换器

38 §4-1 脉宽调制变换器 ③ 输出波形 正向电动运行波形 反向电动运行波形 U, i +Us U, i Ud E id ton T O O
O 正向电动运行波形 U, i Ud E id t ton T -Us O 反向电动运行波形 单极式在一个周期内有一段UAB=0，因而被称作~

39 第四章 直流脉宽调速系统 §4-2 直流脉宽调速系统的机械特性 本节提要 □ 带制动的不可逆电路电压方程 □ 双极式可逆电路电压方程
第四章 直流脉宽调速系统 §4-2 直流脉宽调速系统的机械特性 本节提要 □ 带制动的不可逆电路电压方程 □ 双极式可逆电路电压方程 □ 机械特性方程

40 §4-2 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。 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。

41 §4-2 直流脉宽调速系统的机械特性 一、带制动的不可逆电路电压方程 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
（0≤t<ton） （ton≤t<T） 式中 R、L —电枢电路的电阻和电感。

42 §4-2 直流脉宽调速系统的机械特性 二、双极式可逆电路电压方程
对于双极式控制的可逆电路，只在第二个方程中电源电压由 0 改为 –Us ，其他均不变。于是，电压方程为 （0≤t<ton） （ton≤t<T） 式中 R、L —电枢电路的电阻和电感。

43 §4-2 直流脉宽调速系统的机械特性 三、机械特性方程
按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式。无论是上述哪一种情况，电枢两端在一个周期内的平均电压都是 Ud =γUs（γ=Ud/Us为PWM电压系数），只是γ与占空比ρ 的关系不同，在不可逆 PWM 变换器：γ=ρ，在双极式控制的可逆变换器：γ=2ρ–1 。 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。

44 §4-2 直流脉宽调速系统的机械特性 于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成 ♦机械特性方程 或用转矩表示，
式中Cm=KmФN —电机在额定磁通下的转矩系数；n0 =γUs/Ce —理想空载转速，与电压系数成正比。

45 §4-2 直流脉宽调速系统的机械特性 ♦ PWM调速系统机械特性 0.75n0s 0.5n0s 0.25n0s n0s  = 1
–Id , –Te O n0s 0.75n0s 0.5n0s 0.25n0s Id , Te  = 1  = 0.75  = 0.5  = 0.25 脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0s＝Us /Ce

46 §4-2 直流脉宽调速系统的机械特性 • 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。
◎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。

47 第四章 直流脉宽调速系统 §4-3 PWM调速系统控制电路 双闭环脉宽调速系统的原理框图如下： - - U *i U c U *n + +
第四章 直流脉宽调速系统 §4-3 PWM调速系统控制电路 双闭环脉宽调速系统的原理框图如下： GM U *n U *i U c ASR ACR UPW DLD GD PWM M + + - - U n U i TA FA TG 瞬时动作的限流保护

48 §4-3 PWM调速系统控制电路 ♦PWM调速系统的起动过程与前面讲的晶闸管供电系统都是一样的。 ♦控制电路仍采用转速、电流双闭环控制方案以提高系统的动、静态性能。与晶闸管供电的双闭环系统不同的是从UPM到PWM部分。 1.GM—调制波发生器，提供调制波形，可以是锯齿波、三角波等。 2.UPM—脉宽调制器。是将ACR输出的控制电压Uc变换成脉冲宽度与其成正比的脉冲信号，以控制PWM变换器。

49 §4-3 PWM调速系统控制电路 脉宽调制器有多种形式，现以锯齿波脉宽调制器为例说明其原理。脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。运算放大器工作在开环状态，稍微有一点输入信号就可以使其达到饱和，如下图。 输入三个： • Usa锯齿波调制信号( 由GM提供 )。 •Ub<0偏压( 使当Uc=0 正、反脉宽相等 )。 •Uc控制电压，Uc<0正转 ，Uc>0反转。 U sa - U b - U pw + U c + + - 锯齿波脉宽调制波形略。

50 §4-3 PWM调速系统控制电路 3. DLD逻辑延时环节 VT1有关断时间， VT2有开通时间， 为避免短路直通，需加延时。
用RC电路实现。 VT2 GD是VT驱动电路 GD—驱动电路→驱动、功率较大，以驱动大功率晶体管。 →保护作用（让VT饱和导通，但不能深度 饱和，否则退饱和慢）。 →隔离作用（主电路和控制电路隔开，光 电耦合）。

51 §4-3 PWM调速系统控制电路 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。脉宽调速系统得到广泛应用。

52 第四章 直流脉宽调速系统 谢谢！