第4章 第1讲直流PWM可逆直流调速系统.ppt

第4章内容提要问题的提出电动机除电动转矩外还须产生制动转矩，实现生产机械快速的减速、停车与正反向运行等功能。
在转速和电磁转矩的坐标系上，就是四象限运行的功能，
这样的调速系统需要正反转，故称可逆调速系统。4.1 直流PWM可逆调速系统降压斩波电路，单极型工作方式

输出电压Ud和电流Id都是单方向的，因此该电路只能工作于第Ⅰ象限。
当电枢电流Id充分小时，id波形仍然会断续。但是由于载波频率很高，使得电流断续的范围很小，以至可以忽略。二象限PWM变换电路(a)
工作于单极型方式。
只能输出正向电压Ud＞0，使直流电动机正向运转。
但是由于电流id可以正反两个方向流动(b)，使得工作于第Ⅰ和第Ⅱ象限两个象限(c)。
在轻载，甚至空载(Id=0)时也不会发生电流断续。因此不会出现输出特性非线性(d)。
使得PWM变换器的控制特性和数学模型比相控整流电路更为理想。
相应的有Ⅲ、Ⅳ象限PWM变电路+Us图4-3双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形U,i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）可使电动机在四象限运行；
（3）电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区；
（4）低速平稳性好，系统的调速范围大；
（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。PWM变换器的控制一般采用锯齿波同步的自然采样调制法，或者规则采样法。
图(b)是单极型PWM调制原理，占空比和控制电压Uc的关系为

图(c)是双极型PWM调制原理，占空比和控制电压的关系为PWM-M系统的机械特性
由PWM变换电源供电的直流电动机调速系统简称为PWM-M系统。
其机械特性，一般不考虑电流断续的情况。
PWM-M系统的四象限机械特性如图所示。4.1.2直流PWM可逆直流调速系统转速反向的过渡过程右图是正向起动、正向制动和反向起动过程中的时域波形示意图。这个过程分阶段分析如下：
在t=0时刻，正向起动
转速给定指令阶跃上升到Un*,即Un*=UnN,与正向额定转速相对应.
由于电枢的惯性使得误差电压DUn阶跃上升.
很大的DUn很快使转速调节器ASR输出饱和，即Ui*=Uim.
此后电流调节器ACR快速调节使电枢电流Id跟随Ui*维持在最大电枢电流Idm.这个电枢电流产生一个恒定的加速转矩,使转速n恒速上升.随着n的上升
电枢反电势Ea线性上升。
为了维持电枢电流恒为Idm，在ACR的调节下，控制电压Uc不断上升，调节PWM变换电源的占空比，使输出直流电压Ud不断上升以抵消电枢电压Ea上升对Id的影响。
转速误差电压不断减小。
在t1时刻，及之后正向运行（a点）
n上升到nN,Un和Un*相等,DUn＝0。
此后，ASR快速退出饱和进入线性调节状态，其输出维持在一个与负载电流IL相平衡的值上，转速稳定在nN上，进入恒速运行状态。在t2时刻，开始正向制动（abc）
给定信号Un*从UnN阶跃下降到“-UnN”，对应于反向额定转速“-nN”。
由于电枢惯性，使得转速误差信号DUn突然下降到“-2UnN”，ASR快速反向饱和，Ui*＝-Uim。
此后在ACR的快速调节下使电枢电流Id跟随“Ui*”维持在最大反向电枢电流“-Idm”，
转速n下降（cd）
反向电枢电流“-Idm”产生一个恒定的制动转矩，使转速n恒速下降，
直流电动机进入正向制动状态。
电枢反电势Ea也线性下降，ACR实时调节直流电源电压Ud下降使Ud保持比Ea低一个恒定的差值以维持恒定的反向电枢电流“-Idm”。反向起动（de）
此后Ud平滑地过零变负，使转速n也过零变负进入反向起动状态。
直到t3时刻，转速n反向上升到“-nN”，再次与Un*相等，DUn＝0，反向起动结束。
t3时刻之后，（ef）
ASR退出反向饱和，进入线性调节状态，
其输出维持在一个与反向负载电流相平衡的值上，
转速稳定在“-nN”上，进入反向恒速运行状态。4.1.3直流PWM功率变换器的能量回馈当可逆系统进入制动状态时，直流PWM功率变换器把机械能变为电能回馈到直流侧，
由于二极管整流器导电的单向性，电能不可能通过整流器送回交流电网，只能向滤波电容充电，使电容两端电压升高，称作泵升电压。
在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，
当PWM控制器检测到泵升电压高于规定值时，开关器件VTb导通，使制动过程中多余的动能以铜耗的形式消耗在放电电阻中。如果在大容量的调速系统中希望实现电能回馈到交流电网，以取得更好的制动效果并且节能，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的电能逆变后回馈电网。
在突加交流电源时，大电容量滤波电容C相当于短路，会产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管。为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串入限流电阻。