【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (118) （ 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 117a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 117a 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 1 2 3 C Us + ? 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 117a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)?id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，雖然電路中多了一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，但并沒(méi)有被用上。 U, i Ud E id Us t ton T 0 O ? 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 116b）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 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 117c。 U, i Ud E id Us t ton T 0 4 4 4 4 3 3 3 VT2 VT2 VT2 VD1 VD1 VD1 VD1 t Ug O? 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： ? 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 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 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 117d。 ? 輸出波形 d）輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形 4 1 2 3 T ton 0 U, i Ud E id Us t ton T 0 4 1 2 3 O 小 結(jié) 0 ~ ton ton ~ T 期間 工作狀態(tài) 0 ~ t4 t 4 ~ t on t on ~ t 2 t 2 ~ T 一般電動(dòng) 狀態(tài) 導(dǎo)通器件 電流回路 電流方向 VT1 1 + VD2 2 + 制動(dòng)狀態(tài) 導(dǎo)通器件 電流回路 電流方向 VD1 4 － VT2 3 － 輕載電動(dòng) 狀態(tài) 導(dǎo)通器件 電流回路 電流方向 VD1 4 － VT1 1 + VD2 2 + VT2 3 － 表 13 二象限不可逆 PWM變換器的不同工作狀態(tài) 2. 橋式可逆 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(chēng) H形）電路，如圖120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 M + Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 1 3 2 A B 4 圖 118 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 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 、 VT3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 U, i Ud E id +Us t ton T 0 Us O b) 正向電動(dòng)運(yùn)行波形 U, i Ud E id +Us t ton T 0 Us O c) 反向電動(dòng)運(yùn)行波形 ? 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 （ 119） 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 （ 120） 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。 sonsonsond )12( UTtUTtTUTtU ?????? 調(diào)速范圍 調(diào)速時(shí)， ? 的可調(diào)范圍為 0~1， –1? +1。 ?當(dāng) ? ， ? 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)； ?當(dāng) ? ， ? 為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； ?當(dāng) ? = ， ? = 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) 1:20220左右； （ 5）低速時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 ? 性能評(píng)價(jià)（續(xù)） 雙極式控制方式的不足之處是： 在工作過(guò)程中， 4個(gè)開(kāi)關(guān)器件可能都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 由于采用脈寬調(diào)制，嚴(yán)格地說(shuō)，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是脈動(dòng)的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。 采用不同形式的 PWM變換器，系統(tǒng)的機(jī)械特性也不一樣。對(duì)于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路和雙極式控制的可逆電路，電流的方向是可逆的，無(wú)論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡(jiǎn)單，現(xiàn)在就分析這種情況。 對(duì)于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路，電壓平衡方程式分兩個(gè)階段 式中 R、 L —電樞電路的電阻和電感。 ? 帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程 EtiLRiU ??? dd dd s（ 0 ≤ t ton） （ 121） EtiLRi ??? dd0 dd（ ton ≤ t T） （ 122） 對(duì)于雙極式控制的可逆電路，只在第二個(gè)方程中電源電壓由 0 改為 –Us ，其他均不變。于是，電壓方程為 EtiLRiU ??? dd dds( 0 ≤ t ton ) (123) ? 雙極式可逆電路電壓方程 EtiLRiU ???? dd dds(ton ≤ t T ) (124) ? 機(jī)械特性方程 按電壓方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式。無(wú)論是上述哪一種情況，電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓都是 Ud = ? Us，只是 ? 與占空比 ? 的關(guān)系不同，分別為式（ 118）和式（ 120）。 平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用 Id 和 Te 表示，平均轉(zhuǎn)速 n = E/Ce，而電樞電感壓降的平均值 Ldid / dt 在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。 于是，無(wú)論是上述哪一組電壓方程，其平均值方程都可寫(xiě)成 (125) nCRIERIU edds ????? (126) 或用轉(zhuǎn)矩表示， (127) 式中 Cm = Km?N —電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)； n0 = ? Us / Ce —理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。 de0dees ICRnICRCUn ???? ?? 機(jī)械特性方程 eme0emees TCCRnTCCRCUn ???? ?n –Id , –Teav O n0s Id , Teav ? = 1 ? = ? = ? = ? PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性 圖 120 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線(xiàn) （電流連續(xù)）， n0s＝ Us /Ce ? 說(shuō) 明 ? 圖中所示的機(jī)械曲線(xiàn)是電流連續(xù)時(shí)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。 ? 圖中僅繪出了第一、二象限的機(jī)械特性，它適用于帶制動(dòng)作用的不可逆電路，雙極式控制可逆電路的機(jī)械特性與此相仿，只是更擴(kuò)展到第三、四象限了。 ? 對(duì)于電機(jī)在同