半控不可逆PWM

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2.1.2,直流,PWM,变换器,电动机系统,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,。,本节提要,PWM,变换器的工作状态和电压、电流波形,直流,PWM,调速系统的机械特性,PWM,控制器与变换器的动态数学模型,直流,PWM,调速系统的电能回馈与泵升电压,1.PWM,变换器的工作状态和电压、电流波形,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，下面分别阐述其工作原理。,（,1,）简单的不可逆,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,1-16,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。,主电路结构,图中：,U,s,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,U,g,驱动。,工作状态与波形,在一个开关周期内，,当,0,t,t,on,时，,U,g,为正，,VT,导通，电源电压通过,VT,加到电动机电枢两端；,当,t,on,t,T,时，,U,g,为负，,VT,关断，电枢失去电源，经,VD,续流。,U,i,U,d,E,i,d,U,s,t,t,on,T,0,图,2-16b),电压和电流波形,O,输出电压方程,电机两端得到的平均电压为,(2-15),式中,=,t,on,/,T,为,PWM,波形的占空比,改变,（,0,1,）即可调节电机的转速，若令,=,U,d,/,U,s,为,PWM,电压系数，则在不可逆,PWM,变换器中,=,(2-16),（,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。需要制动时，必须为反向电流提供通路，如图,2-16a,所示的双管交替开关电路。当,VT,1,导通时，流过正向电流,+,i,d,，,VT,2,导通时，流过,i,d,。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,U,d,并没有改变极性。,主电路结构,工作状态与波形,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,2-11a,中）。设,t,on,为,VT,1,的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：,在,0,t,t,on,期间，,U,g1,为正，,VT,1,导通，,U,g2,为负，,VT,2,关断。此时，电源电压,U,s,加到电枢两端，电流,i,d,沿图中的回路,1,流通。,在,t,on,t,T,期间，,U,g1,和,U,g2,都改变极性，,VT,1,关断，但,VT,2,却不能立即导通，因为,i,d,沿回路,2,经二极管,VD,2,续流，在,VD,2,两端产生的压降给,VT,2,施加反压，使它失去导通的可能。,制动状态,在制动状态中，,i,d,为负值，,VT,2,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,U,g1,的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压,U,d,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,U,d,的局面，很快使电流,i,d,反向，,VD,2,截止，,VT,2,开始导通。,制动状态的一个周期分为两个工作阶段：,在,0,t,t,on,期间，,VT,2,关断，,i,d,沿回路,4,经,VD,1,续流，向电源回馈制动，与此同时，,VD,1,两端压降钳住,VT,1,使它不能导通。,在,t,on,t,T,期间，,U,g2,变正，于是,VT,2,导通，反向电流,i,d,沿回路,3,流通，产生能耗制动作用。,因此，在制动状态中，,VT,2,和,VD,1,轮流导通，而,VT,1,始终是关断的，此时的电压和电流波形示于图,2-11c,。,输出波形,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。,轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：,第,1,阶段，,VD,1,续流，电流,i,d,沿回路,4,流通,第,2,阶段，,VT,1,导通，电流,i,d,沿回路,1,流通,第,3,阶段，,VD,2,续流，电流,i,d,沿回路,2,流通,第,4,阶段，,VT,2,导通，电流,i,d,沿回路,3,流通,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，其输出波形见图,2-11d,。,输出波形,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。,98,