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1、直流脉宽调速控制系统,电力拖动自动控制系统,第 4 章,直流脉宽调速控制系统电力拖动自动控制系统第 4 章,4.1 概述,采用全控型开关器件很容易实现脉冲宽度调制，与半控型开关器件晶闸管变流器相比，体积可缩小30%以上，且装置效率高，功率因数高。与VM伺服控制系统相比，电流容易连续，谐波少，电动机损耗和发热都较小，低速性能好，稳速精度高，系统通频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强。 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-Pulse Width Modulation ）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
2、系统。,4.1 概述 采用全控型开关器件很容易实现脉,4.1.1 直流斩波器或脉宽调制变换器,在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。,4.1.1 直流斩波器或脉宽调制变换器 在干,1. 直流斩波器的基本结构,图4.1.1 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形,a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路M,2. 斩波器的基本控制原理,在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源电
3、压 Us 加到电动机上；当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图4.1.1b ，好像是电源电压Us在ton 时间内被接上，又在 T ton 时间内被斩断，故称“斩波”。,2. 斩波器的基本控制原理 在原理图中，VT,这样，电动机得到的平均电压为,3. 输出电压计算,(4.1.1),式中 T 晶闸管的开关周期； ton 开通时间； 占空比， = ton / T = ton f ；其中 f 为开关频率。,这样，电动机得到的平均电压为 3. 输出电压计算(4.1.,为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、
4、GTO、IGBT等。 采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。,为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子,4. 斩波电路三种控制方式,根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：T 不变，变 ton 脉冲宽度调制（PWM）；ton不变，变 T 脉冲频率调制（PFM）；ton和 T 都可调，改变占空比混合型。,4. 斩波电路三种控制方式根据对输出电压平均值进行调制的方,PWM系统的优点,（1）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
5、波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；（5）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；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。,PWM系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；,4.1.2 不可逆PWM变换器,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
6、为不可逆与可逆两大类，下面分别阐述其工作原理。,4.1.2 不可逆PWM变换器 PWM变换,（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4.1.2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。,（1）简单的不可逆PWM变换器 简单的不可逆PWM变换器, 主电路结构,2,1,图4.1.2 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 V,2,1,图中：Us为直流电源电压，C为滤波电容器，VT为功率开关器件，VD为续流二极管，M 为直流电动机，VT 的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。,图4.1.2 简单的不可逆PWM变换
7、器-直流电动机系统 V,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。,O,工作状态与波形在一个开关周期内，U, iUdEidUstto,电机两端得到的平均电压为式中 = 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,电机两端得到的平均电压为输出电压方程 改变 （ 0,（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，
8、如图4.1.3a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 并没有改变极性。,（2）有制动的不可逆PWM变换器电路 在简单的不,图4.1.3a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器,主电路结构,M,+,-,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,4,1,2,3,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,图4.1.3a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器 主,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4.1.3a中）。设t
9、on为VT1的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：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。,工作状态与波形一般电动状态,一般电动状态（续）,在 ton t T 期间， Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id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，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。,一般电动状态（续）在 ton t T 期间， Ug1,输出波形： 一般电动状态的
10、电压、电流波形与简单的不可逆电路波形（图4.1.3b）完全一样。,b）一般电动状态的电压、电流波形,U, iUdEidUsttonT0O输出波形：b）一般电动状,工作状态与波形（续）,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。,工作状态与波形（续）制动状态,制动状态的一个周期分为两个工作阶段：在 0 t ton 期间，VT
11、2 关断，id 沿回路 4 经 VD1 续流，向电源回馈制动，与此同时， VD1 两端压降钳住 VT1 使它不能导通。在 ton t T期间， Ug2 变正，于是VT2导通，反向电流 id 沿回路 3 流通，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4.1.3c。,制动状态的一个周期分为两个工作阶段：,输出波形,c）制动状态的电压电流波形,U, iUdEidUsttonT04444333VT2VT2,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
12、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。,工作状态与波形（续）轻载电动状态,轻载电动状态，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。,轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：,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
13、见图4.1.3d。,在1、4阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制,输出波形,d）轻载电动状态的电流波形,输出波形d）轻载电动状态的电流波形4123Tton0U,小 结,表4-3 二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态,小 结表4-3 二象限不可逆PWM变换器的不同工作状,4.1.3 可逆PWM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4.1.5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。,4.1.3 可逆PWM变换器 可逆PW
14、M变换器,+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,图4.1.5 桥式可逆PWM变换器,H形主电路结构,+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2,双极式控制方式,（1）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 、 Ug
15、4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 ；,双极式控制方式（1）正向运行：,双极式控制方式（续）,（2）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
16、沿回路3流通，电动机M两端电压UAB = Us ；,双极式控制方式（续）（2）反向运行：,输出波形,输出波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOb),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（4.1.9） 仍以 来定义PWM电压的占空比，则有：,调速时， 的可调范围为-11当 0时， 电机正转；当 0时， 电机反转；当 = 0时， 电机停止。,（4.1.10）,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,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，
17、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。,注 意： 当电机停止时电枢电压并不等于零,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，有利于保证器件的可靠导通。,性能评价 双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下,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
18、，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。,性能评价（续） 双极式控制方式的不足之处是：,4.1.4 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。,4.1.
19、4 直流脉宽调速系统的机械特性 由于采,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,式中 R、L 电枢电路的电阻和电感。,带制动的不可逆电路电压方程,（0 t ton）,（ton t T）,（4.1.11）,对于带制动电流通路的不可逆电路，电压,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 ),双极式可逆电路电压方程,(ton t T ),(4.1.12),对于双极式控制的可逆电路，只在第二个方程中电,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
20、个周期内的平均电压都是 Ud = Us，只是 与ton和T 的关系不同，分别为式（4.1.9）和式（4.1.10）。,机械特性方程 按电压方程求一个周期内的平,平均电流和转矩分别用 Id 和 Te 表示，平均转矩 Te = CT Id ，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 (4.1.13),平均电流和转矩分别用 Id 和 Te 表示，平,(4.1.14)或用转矩表示，式中n0 = Us / Ce 理想空载转速，与电压系数成正比。,机械特性方程,(4.1.15),机械特性方程(4.1.15),PWM调速系统机械特性,
21、图4.1.4 脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0sUs /Ce,nId , TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0,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。对于电机在同一方向旋转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 。,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,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。,目前，在中、小容量的脉宽调速系统中，由于IGBT已,PWM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。,PWM系统的优越性主电路线路简单，需用的功率器件少；,
