4-1-脉宽调制变换器说课讲解.doc

4-1 脉宽调制变换器

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本章提要
□ 脉宽调制变换器
□ 直流脉宽调速系统的机械特性
V-M直流调速系统通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压U d，从而实现平滑调速。与G-M系统相比V-M系统有很多优越性，但它也有缺点：
① 电流是脉动的，产生谐波分量，尤其在低速时，因此需要加平波电抗器。设备投入大，体积增加，同时电感大又限制了系统的快速性。
② 当系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变殃及附近的用电设备，也限制了调速范围。
③ 对过电压、过电流敏感，要注意保护。
◎直流PWM调速系统优点：
① 主电路简单，不用电抗器，用电机本身的电感，从而获得脉动很小的直流电流；
② 开关频率高，电枢电流容易连续，无电流断续问题；
③ 系统的低速运行平稳，调速范围较宽；
④ 频带宽，响应快；
⑤ 功率因数高。电流和电压永远相同，无无功功率问题。
PWM 调速系统和 V-M 调速系统主要区别在主电路和PWM控制电路。闭环控制系统以及静、动态分析和设计基本一样。
PWM 脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制变换器。
4-1 脉宽调制变换器
一、不可逆PWM变换器

电机两端得到的平均电压为

式中 ρ= ton / T 为 PWM 波形的占空比， 改变 ρ（ 0 ≤ ρ < 1 ）即可调节电机的转速。
PWM 脉宽调速系统如上述介绍有许多优点，但也存在缺点：
① 过压能力低，需保护；
② VT单向导电性，不可逆，无制动。
需要制动时，必须具有反向电流-id的通路，因此应再设置一个电力晶体管。
二、可逆PWM变换器
可逆PWM变换器主电路有H型、T型多种形式，最常用的是桥式（亦称H型）电路，如下图所示。
这时，电动机 M 两端电压的极性随开关器件基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。

2. 工作状态与波形
① 正向运行：
·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 ；
·在ton ≤ t ≤ T期间， Ug1 =Ug4为负， VT1 、 VT4截止；由于电感储存很大能量，放电，维持电流方向不变，这时通过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 。

② 反向运行：先分析 ton→T 阶段
·在ton ≤ t ≤ T 期间， Ug2 = Ug3 为正， VT2 、 VT3导通， Ug1 =Ug4为负，使VT1 、 VT4截止，电流 – id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB = – Us ；
·在 T≤ t ≤ T+ton ( 下一周期的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 。

④ 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

为占空比
·当 > 0时， t on > T/2 ，Ud = +，电机正转；
·当 < 0时， t on < T/2 ，Ud = -，电机反转；
·当 = 0时，ton = T/2，电机停止。
◎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，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。
双极式可逆PWM制动时情况比较复杂，根据VT3、VT2的通断情况，电机可能处在能耗制动、再生发电或反接制动，产生制动时一定具备上述其中一个制动过程。
⑤ 性能评价
·双极式可逆PWM变换器的优点：
a）电流一定连续；
b）可使电机在四象限运行；
c） 电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；
d）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；
e）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。
·双极式可逆PWM变换器的缺点：
a）在工作过程中，4个大功率晶体管可能都处于 开关状态，开关损耗大；
b）在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止上述情况，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。

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