PWM变换器

PWM调速系统 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

不可逆变换器

无制动的不可逆变换器

直流斩波电路

$U_s$ 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 $U_g$ 驱动

• 当 $0\le t<t_{on}$ 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 $t_{on}\le t<T$ 时， $U_g$ 为负，VT关断， 电枢失去电源，经VD 续流

电机两端得到的平均电压：

& U_{d}= \dfrac{t_{on}}{T}U_{s}=\rho U_{s} \\ & \gamma= \dfrac{U_{d}}{U_{s}} \end{align}$$ - $\gamma$ PWM 电压系数 - $\rho= \dfrac{t_{on}}{T}$ 波形的占空比 不可逆 PWM 变换器中 $\gamma=\rho$ ### 有制动的不可逆变换器  #### 一般电动状态 VT1和VD2交替导通 - 在 $0\leq t\leq t_{on}$ 期间， $U_{g_{1}}$ 为正，VT1导通, $U_{g{2}}$ 为负，VT2关断 此时，电源电压 $U_{s}$ 加到电枢两端，电流 $i_{d}$ 沿图中的回路1流通 - 在 $t_{on}\leq t\leq T$ 期间， $U_{g1}$ 和 $U_{g2}$ 都改变极性，VT1 关断，但VT2却不能立即导通，因为 $i_{d}$ 沿回路2 经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给 VT2施加反压，使它失去导通的可能。 #### 制动状态 VT2和VD1 交替导通 先减小控制电压，使 $U_{ d 1}$ 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压 $U_{d}$ 降低。 但是，由于机电惯性，转速和反电动势E还来不及变化，因而造成 $E > U_{d}$ 的局面，很快使电流 $i_{d}$ 反向，VD2截止， VT2开始导通 - 在 $0\leq t\leq t_{on}$ 期间，VT2 关断，$i_{d}$ 沿回路 4 经 VD1 续流，向电源回馈制动，与此同时， VD1 两端压降钳住 VT1 使它不能导通 - 在 $t_{on}\leq t\leq T$ 期间， $U_{g 2}$ 变正，于是VT2导通，反向电流 $i_{d}$ 沿回路 3 流通，产生能耗制动作用 #### 轻载电动状态 这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有到达周期 $T$ ，电流已经衰减到零，此时，因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用 - 第1阶段，VD1续流，电流 – id 沿回路4流通 - 第2阶段，VT1导通，电流 id 沿回路1流通 - 第3阶段，VD2续流，电流 id 沿回路2流通 - 第4阶段，VT2导通，电流 – id 沿回路3流通  ## 可逆变换器 ### 桥式可逆变换器 H 形电路 控制电平的持续时间 调节正负脉冲时间 (宽度)，控制正转反转 1、4+ 2、3- 桥式（H形）主电路结构：  #### 正向运行 VT1 、 VT4 VD2 、 VD3 - 在 $0 ≤ t ≤ t_{on}$ 期间， $U_{g1}$ 、$U_{g {4}}$ 为正， VT1 、 VT4导通， $U_{g {2}}$ 、$U_{g {3}}$ 为负，VT2 、 VT3截止， 电流 $i_{d}$ 沿回路1流通，电动机M两端电压 $U_{AB} = +U_{s}$ - 在 $t_{on} ≤ t ≤ T$ 期间， $U_{g1}$ 、$U_{g {4}}$ 为负， VT1 、 VT4 截止， VD2 、 VD3续流，并钳位使 VT2 、 VT3保持截止 电流 $i_{d}$ 沿回路 2 流通，电动机 M 两端电压 $U_{AB} = -U_{s}$ #### 反向运行 VT1 、 VT4 VD2 、 VD3 - 在 $0 ≤ t ≤ t_{on}$ 期间， $U_{g {2}}$ 、$U_{g {3}}$ 为负，VT2 、 VT3 截止， VD1、VD4 续流，并钳位使 VT1 、 VT4截止 电流 $-i_{d}$ 沿回路 4 流通，电动机 M 两端电压 $U_{AB} = +U_{s}$ - 在 $t_{on} ≤ t ≤ T$ 期间， $U_{g {2}}$ 、$U_{g {3}}$ 为正，VT2 、 VT3导通 $U_{g1}$ 、$U_{g {4}}$ 为负， VT1 、 VT4 保持截止 电流 $-i_{d}$ 沿回路 3流通，电动机 M 两端电压 $U_{AB} = -U_{s}$  #### 输出平均电压 $$\begin{align} U_{d}&= \dfrac{t_{on}}{T} U_{s}- \dfrac{T-t_{on}}{T}U_{s}\\ &=(\dfrac{2t_{on}}{T}-1)U_{s}\\ \end{align}$$ - 波形的占空比 $\rho= \dfrac{t_{on}}{T}$ - PWM 电压系数 $\gamma=2\rho-1=\dfrac{U_{d}}{U_{s}}$ **调速范围** $\rho:0\sim 1$ $\gamma :-1\sim 1$ 调节占空比， - $\rho>0.5$ , $\gamma>0$ 产生正向电压，使电机正转 - $\rho<0.5$ , $\gamma<0$ 产生反向电压，使电机反转 - $\rho=0.5$ , $\gamma=0$ 电机停止 电流、电压四象限运行 两象限： 电流可以正反相 一般取脉冲宽度的 $\dfrac{1}{20}$, 逻辑延时 $$\begin{align} Ke^{ -\tau s } \end{align}$$ 电机处于制动条件下， 且不能回馈电能 只能对电压充电 泵升电压的产生 ### 数学模型 与[[V-M系统\|晶闸管触发与整流装置]]基本一致 PWM变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期 $T$ 也可以看成是一个[[经典环节的传递函数\|滞后环节]]， 其传递函数可以写成 $$\begin{align} W_{s}(s)&= \dfrac{U_{d}(s)}{U_{c}(s)}=K_{s} e^{ -T_{s}s } \\ &\approx \dfrac{K_{s}}{T_{s}s+1} \end{align}$$ - $K_{s}$ PWM装置的放大系数 - $T_{s}$ PWM装置的延迟时间 ### 泵升电压 PWM变换器的直流电源 通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生， 并采用大电容C 滤波，以获得恒定的直流电压， 电容C同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用  #### 泵升电压的产生原因 对于PWM变换器中的滤波[[电容\|电容]]，其作用除[[滤波电路\|滤波]] 外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用 由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压” 电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压， 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 #### 泵升电压限制电路  - $R_{b}$ 镇流电阻、制动电阻 消耗掉部分电能 一般位于机箱的外部 (散热) - $VT_{b}$ 开关器件 在泵升电压达到允许数值时接通分流电路 对于更大容量的系统，为了提高效率，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回馈电网