電機(jī)控制技術(shù)：第8章 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

第第8章章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) 自從全控型電力電子器件問(wèn)世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻開關(guān)控制方式形成的脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。本節(jié)提要本節(jié)提要PWM變換器的工作狀態(tài)和波形直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型直流脈調(diào)速系統(tǒng)的特殊問(wèn)題8.1 PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形電流波形 PWM變換器的作用是：用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與可逆兩大類，下面分別闡述其工作原理。8.1.1.不可逆PWM變換器（1）簡(jiǎn)單的不可逆）簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器變換器 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主電路原理圖如圖1所示，功率開關(guān)器件可以是任意一種全控型開關(guān)器件，這樣的電路又稱直流降壓斬波器。圖1 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) VDUs+UgCVTidM+_Ea）主電路原理圖 M 主電路結(jié)構(gòu)21UdOtUg圖中：Us直流電源電壓 C 濾波電容器 M 直流電動(dòng)機(jī) VD 續(xù)流二極管VT 功率開關(guān)器件 VT 的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動(dòng)。工作狀態(tài)與波形在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0 t ton時(shí)，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過(guò)VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端；當(dāng)ton t T 時(shí)，Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。U,iUdEidUsttonT0圖1 b 電壓和電流波形O電機(jī)兩端得到的平均電壓為(1)式中 =ton/T 為 PWM 波形的占空比，ssondUUTtU輸出電壓方程 改變 （0 1）即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，若令=Ud/Us為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM 變換器中 =(2)（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2a所示的雙管交替開關(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2a 有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器 主電路結(jié)構(gòu)M+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1 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2a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)閕d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)功率開關(guān)器件，但并沒(méi)有被用上。U,iUdEidUsttonT0O 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2b）完全一樣。圖2b 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2c。U,iUdE-idUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOn 輸出波形圖2c 制動(dòng)狀態(tài)的電壓電流波形O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1、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2、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，其輸出波形見圖2d。n 輸出波形圖2d 輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形4123TtonU,iUdEidUsttonT041 23OidtOt4t2小小 結(jié)結(jié)0 ton ton T 期間 工作狀態(tài) 0 t4 t4 ton ton t2 t2 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1 二象限不可逆PWM變換器在不同工作狀態(tài)下的 導(dǎo)通器件和電流回路與方向8.1.2 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H形）電路，如圖3所示。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(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。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖3 橋式可逆PWM變換器n H形主電路結(jié)構(gòu)n 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；n 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；n 輸出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO(1)正向電動(dòng)運(yùn)行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO(2)反向電動(dòng)運(yùn)行波形n 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（3）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 （4）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(UTtUTtTUTtUn 調(diào)速范圍 調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為01，1 0.5時(shí)，為正，電機(jī)正轉(zhuǎn) 當(dāng) 0.5時(shí)，為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn) 當(dāng)=0.5時(shí)，=0，電機(jī)停止注注 意意 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。n 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)1:20000 左右。5）低速時(shí)，每個(gè)開關(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。n 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)開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(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)。8.2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性直流脈寬調(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 式中的R、L 分別為電樞電路的電阻和電感。n 帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程EtiLRiUdddd s（0 t ton）（6）EtiLRidd0dd（ton t T）（7）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EtiLRiUdddds(0 t ton)(8)n 雙極式可逆電路電壓方程EtiLRiUdddds(ton t T)(9)n 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（3）和式（4）。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成 (10)nCRIERIUedds (11)或用轉(zhuǎn)矩表示 (12)式中 Cm 電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Cm=KmN；n0理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比，n0=Us/Ce。de0deesICRnICRCUnn 機(jī)械特性方程eme0emeesTCCRnTCCRCUnnId,TeOn0ss0.5n0s0.25n0sId,Te =1 =0.75 =0.5 =0.25n PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性圖4 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線（電流連續(xù)），n0sUs/Cen 說(shuō) 明 圖中所示的機(jī)械曲線是電流連續(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)在同一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)電流不能反向的電路，輕載時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，把平均電壓抬高，在理想空載時(shí)，Id =0，理想空載轉(zhuǎn)速會(huì)翹到 n0sUs/Ce。目前，在中、小容量的脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，由于IGBT已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用，其開關(guān)頻率一般在10kHz左右，這時(shí)，最大電流脈動(dòng)量在額定電流的5%以下，轉(zhuǎn)速脈動(dòng)量不到額定空載轉(zhuǎn)速的萬(wàn)分之一，可以忽略不計(jì)。8.3 PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型控制與變換器的數(shù)學(xué)模型 圖5繪出了PWM控制器和變換器的框圖，其驅(qū)動(dòng)電壓都由 PWM 控制器發(fā)出，PWM控制與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。按照上述對(duì)PWM變換器工作原理和波形的分析，不難看出，當(dāng)控制電壓改變時(shí)，PWM變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會(huì)有延遲，最大的時(shí)延是一個(gè)開關(guān)周期 T。UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖21 PWM控制與變換器的框圖 因此PWM控制與變換器（簡(jiǎn)稱PWM裝置）也可以看成是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成（13）sTKsUsUsWse)()()(scds式中 Ks PWM裝置的放大系數(shù)；Ts PWM裝置的延遲時(shí)間，Ts T0。當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時(shí)，T=0.1ms，在一般的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，因此,（14）1)(ssssTKsW與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。8.4 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的特殊問(wèn)題 電流脈動(dòng) 單極式可逆電路 雙極式可逆電路 轉(zhuǎn)速脈動(dòng) 開關(guān)損耗 飽和導(dǎo)通損耗，截止損耗，開關(guān)過(guò)程的動(dòng)態(tài)損耗 最佳開關(guān)頻率8.4.1 電流脈動(dòng)量 由前面分析可知,脈寬調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),電樞兩端的脈動(dòng)電壓產(chǎn)生周期性脈動(dòng)變化的電流和轉(zhuǎn)速。電流脈動(dòng)量和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)量的大小是否會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生影響呢？為簡(jiǎn)化分析作如下假定：電力電子器件為無(wú)慣性元件，忽略它的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間；忽略PWM變換器的內(nèi)阻變化，即認(rèn)為電樞回路電阻R是常數(shù)；脈沖開關(guān)頻率足夠高，因此開關(guān)周期T遠(yuǎn)小于系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間Tm，認(rèn)為開關(guān)周期內(nèi)轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E不變。單極式可逆電路 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電壓平衡方程式為 (15)(16)在電流連續(xù)時(shí)，由上面兩式可以求出分段電流 和 ，波形圖為：)0(/11onddsttEdtLiRiU)(/022TttEdtLiRiondd)(1tid)(2tid單極式可逆電路 當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，在開關(guān)周期內(nèi) 的變化可忽略不計(jì)，因此可以用平均壓降 代替瞬時(shí)壓降這時(shí) ，近似可以得到 (17)(18)在較短時(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為 ，都近似為常數(shù)，可以用直線來(lái)替代指數(shù)規(guī)律變化的電流曲線。求解上式，可以得到 (19)(20)dRiRIddRiRIEUdd)0(1ondsdttUULdi)(2TttULdiondddtdid/1dtdid/2)(/)()()()0(/)()0()(2211TttLttUtitittLtUUitionondonddondsdd單極式可逆電路 當(dāng) 時(shí)，有 當(dāng) 時(shí)，有 則有電樞電流的脈動(dòng)分量為 用占空比 代替上式中的 ,有 因此，電流脈動(dòng)量的大小隨占空比 的數(shù)值而變化?？梢缘玫诫娏髅}動(dòng)量的最大值出現(xiàn)在 時(shí)，其計(jì)算公式為ontt LtUUiitiondsddond/)()(minmax1Tt LtTUiiTiondddd/)()(maxmin2LtTULtUUiiiondondsddd/)(/)(minmaxTtUUonsd/ontLTUisd/)1(5.0fLULTUissd44max雙極式可逆電路 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電壓平衡方程式為 (20)(21)采用前面的計(jì)算方法，可以得到雙極式可逆電路電流脈動(dòng)分量為 (22)0(/11onddsttEdtLiRiU)(/22TttEdtLiRiUonddsLTULtUUisondsd2)1(/)(2雙極式可逆電路 顯然 時(shí)，可得到電流脈動(dòng)量的最大值 (23)由此可見雙極式的電流脈動(dòng)量比單極式的大一倍。在電源電壓和開關(guān)頻率一定的情況下，增加電樞回路電感可以抑制電流脈動(dòng)量。fLULTUissd22max08.4.2.轉(zhuǎn)速脈動(dòng)量 假定電流線形變化,按前面圖中的虛線所示,有 （24）（25）對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程式為 （26）（27）將（24）、（25）分別代入（26）、（27），得 （28）（29）)0(/)(min1onondddttttiiti)()()(max2TtttttTiitionononddd)0()(/11onLdTttTtiCdtJd)()(/22TttTtiCdtJdonLdT)0(/min1onLondTdTttTttiCiCdtJd)()/()(/max2TttTtTttiCiCdtJdonLonondTdT轉(zhuǎn)速脈動(dòng)量 在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下 ，在電流按線形變化時(shí)有 （30）（31）將這些關(guān)系代入（28），（29）得 （32）（33）令 ，對(duì)上面兩式積分后得到 （34）（35）2/mindddiIi2/maxdddiIi)0(/)2/1/(/1ononTttJttCdtd)()/()(2/1(/2TtttTttCdtdonononT)0()(2)(121ondonTttCitttJCt)()(2)(22 2TttCitTttJCtondonTLdTTiConttt轉(zhuǎn)速脈動(dòng)量 在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，轉(zhuǎn)速是周期性變化的，因此 （36）（37）又由式（34）和（35）可以得到 （38）（39）因此積分常數(shù) ，其值為每段速度的初始值和終值，對(duì)應(yīng)的速度變化如下圖)0()(21ont)0()(12ontT111)()0(Cton222)()0(CtTon21CC 轉(zhuǎn)速脈動(dòng)量 在一個(gè)周期內(nèi)，令 和 ，可以得到轉(zhuǎn)速達(dá)到最小值和最大值的時(shí)間分別為 和 （40）（41）將上面兩式相減，得到 （42）將（42）代入（23），得到 （43）ont211min8CtiJCondT2max)(8CtTiJCondT01dtd02dtd)(21ontT TiJCdT8LmTTnTn8)1(2轉(zhuǎn)速脈動(dòng)量 上式表明，當(dāng)電樞電流近似線形變化時(shí)，轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)量正比于電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速和開關(guān)周期的平方，反比與系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和電磁時(shí)間常數(shù)。從（43），可以得到 （44）一般PWM變換器的開關(guān)頻率都為130KHz，因此電樞電壓的交變分量對(duì)轉(zhuǎn)速的影響可以忽略不計(jì)。)5.0(322maxLmTTnTn8.4.3電力電子器件的開關(guān)損耗和最佳開關(guān)頻率 從前面的分析，可以得到PWM變換器的開關(guān)頻率越高，電樞電流的脈動(dòng)就越小，而且能保證電流連續(xù)，可以有效提高調(diào)速系統(tǒng)低速運(yùn)行的平穩(wěn)性，減小附加損耗。但是，開關(guān)頻率過(guò)高會(huì)使電力電子器件的動(dòng)態(tài)開關(guān)損耗相應(yīng)增加，效率降低，因此應(yīng)該綜合進(jìn)行考慮。8.4.3.1 電力電子器件的開關(guān)損耗 PWM變換器中的電力電子器件并非理想的開關(guān)元件，在其工作時(shí)功率損耗包括飽和導(dǎo)通損耗、截止損耗和開關(guān)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)損耗。飽和導(dǎo)通時(shí)，管壓降很??；截止時(shí)漏電流很小，因此其相應(yīng)的損耗可以忽略不計(jì)。因此開關(guān)動(dòng)態(tài)損耗是主要的損耗。開關(guān)過(guò)程包括開通和關(guān)斷兩個(gè)過(guò)程。開通過(guò)程是指集電極電流的上升時(shí)間 ，關(guān)斷過(guò)程指存儲(chǔ)時(shí)間 和電流下降時(shí)間 。而在 時(shí)間內(nèi)，電力電子器件仍然飽和導(dǎo)通，其損耗仍然可以不計(jì)。因此動(dòng)態(tài)損耗主要指 和 內(nèi)的開關(guān)損耗。rtbtftbtrtft8.4.3.1 電力電子器件的開關(guān)損耗 一般近似認(rèn)為開關(guān)過(guò)程中集電極電流的上升和下降都是線形的。開通過(guò)程 關(guān)斷過(guò)程)1(fcscfttIircscrttIi3.1 電力電子器件的開關(guān)損耗 對(duì)于續(xù)流二極管的電阻-電感性負(fù)載，無(wú)論電力電子器件集電極電流是增大還是減小，其集電極電壓均為電源電壓 ，因此在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的動(dòng)態(tài)損耗為：每秒的動(dòng)態(tài)損耗為:上式表明:開關(guān)頻率越高，動(dòng)態(tài)損耗越大 2/)(frcssddttfIUfpP)(21)1(00frcsstfcsstrcssdttIUdtttIUdtttIUprrsU8.4.3.2 電力電子器件的開關(guān)損耗 選擇最佳開關(guān)頻率的條件：電樞電流連續(xù)和PWM變換效率最高 單極式 雙極式 式中 為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流（短路電流）與額定電流之比。除了上述條件，最好使開關(guān)頻率比調(diào)速系統(tǒng)的最高工作頻率高出10倍左右，這樣PWM變換器的延時(shí)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響可忽略不計(jì)。32)(332.0frlsopttTaf32)(26.0frlsopttTafnomstsIIa C C+8.5 電能回饋與泵升電壓的限制電能回饋與泵升電壓的限制 PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓，電容C同時(shí)對(duì)感性負(fù)載的無(wú)功功率起儲(chǔ)能緩沖作用。n 泵升電壓產(chǎn)生的原因 對(duì)于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因此電容量就不可能很小，一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達(dá)到數(shù)千微法。在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來(lái)限制泵升電壓，這時(shí)，可以采用下圖中的鎮(zhèn)流電阻 Rb 來(lái)消耗掉部分動(dòng)能。分流電路靠開關(guān)器件 VTb 在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通。n 泵升電壓限制n 泵升電壓限制電路過(guò)電壓信號(hào)UsRbVTbC+n 泵升電壓限制（續(xù)）對(duì)于更大容量的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的能量逆變后回饋電網(wǎng)。當(dāng)然，這樣一來(lái)，系統(tǒng)就更復(fù)雜了。PWM系統(tǒng)的優(yōu)越性 主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較?。坏退傩阅芎?，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。