電機與拖動第4章 變流器供電下直流電機的機械特性

1、第4章 變流器供電下直流電機的機械特性內(nèi)容簡介 相控變流器供電下直流電機的機械特性及其四象限運行分析； 直流斬波器供電下直流電機的機械特性及其四象限運行分析； 由于相控變流器所采用晶閘管器件的單向?qū)щ娦?，僅靠一組相控變流器直流電機不可能完成由電動機運行狀態(tài)到發(fā)電制動狀態(tài)運行的轉(zhuǎn)換。只有通過一組變流器工作在整流狀態(tài)，另一組變流器工作在逆變狀態(tài)下才能實現(xiàn)上述狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，這是相控變流器的不足之一。4.2 斬控方式下直流電機的機械特性 斬控式PWM變換器（又稱為斬波器）可以將恒定的直流電源電壓變換為大小和極性均可調(diào)的直流電壓，從而方便地實現(xiàn)直流電動機的平滑調(diào)速以及四象限運行。 由于采用全控型器件（如I

2、GBT、MOSFET、GTR），其開關(guān)頻率高，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬（可達1:20000），綜合指標明顯優(yōu)于相控式變流器。A、直流PWM變換器的基本原理、電路結(jié)構(gòu)與工作狀態(tài)a、斬波器的基本工作原理 圖4.7a、b分別給出了直流斬波器的原理圖以及控制與輸出電壓的波形圖。 圖4.7 直流PWM變換器的原理圖與其電壓波形 設(shè)斬波器的導(dǎo)通時間為 ，關(guān)斷時間為 ，則開關(guān)頻率為：(4-13)定義其占空比為：(4-14) 則輸出電壓的平均值為：(4-15) 由式（4-15）可見，改變占空比便可以改變電樞兩端電壓的平均值。 占空比可以通過下列兩種方式改變：定頻調(diào)寬法：即保持開關(guān)頻率不變，而僅改變導(dǎo)通時間

3、；定寬調(diào)頻法：即保持導(dǎo)通時間不變，僅改變開關(guān)頻率。 斬波器多采用定頻調(diào)寬法即PWM進行控制，故這種控制方式的斬波器又稱為直流PWM變換器。 b、四象限可逆式直流PWM變換器 具有四象限運行功能的直流PWM變換器如圖4.8所示。 圖4.8 具有四象限運行的H橋直流PWM變換器 下面對直流PWM變換器在四象限的運行情況分別討論如下：第I象限運行： 第I象限對應(yīng)于直流電機處于正向電動機運行狀態(tài)，此時，電樞電流和轉(zhuǎn)速（或反電勢）的方向均為正。 圖4.9a給出了第I象限運行時主回路的電路圖。此時，主開關(guān) 和 同時導(dǎo)通。 圖4.9 第I象限運行的直流PWM變換器 假定 關(guān)斷，則電樞回路中的電流將減小。在電

4、樞電感的自感電勢作用下，電樞電流將通過二極管 和 續(xù)流，此時電樞回路處于短路狀態(tài)，相應(yīng)的主電路如圖4.9b所示。圖4.10a、b給出了第 I 象限運行時電樞兩端的電壓和電樞電流的波形。圖4.10 第I象限運行時直流PWM變換器的輸出電壓和電流波形 同樣，電樞電壓的改變也可以采用另一方案實現(xiàn)。現(xiàn)介紹如下： 假若電樞電流連續(xù)，在上述方案中，如果關(guān)斷的不僅僅是主開關(guān) ，而是 和 同時關(guān)斷，則在電樞電感的作用下，電樞電流將沿二極管 和 組成的回路導(dǎo)通。此時，電樞兩端的電壓為 ，直流電機將工作在反接制動狀態(tài)。 第II象限運行： 第II象限對應(yīng)于直流電機處于正向發(fā)電制動狀態(tài)，此時，轉(zhuǎn)速（或反電勢）方向保持

5、正向不變，而電樞電流反向，轉(zhuǎn)子儲存的動能將通過變流器回饋至直流電源。 假定系統(tǒng)剛開始運行在第I象限，一旦發(fā)出制動命令，則 和 關(guān)斷， 和 首先導(dǎo)通，則電樞電流將流向直流電源并迅速降為零。為了使電流反向，控制 T4 導(dǎo)通。在反電勢的作用下，電流將通過 和 構(gòu)成回路，并將電樞回路短路。在此階段，直流電機進入能耗制動狀態(tài)。當電流達到上限值時，控制 關(guān)斷。在電樞電感的作用下，電樞電流將通過 流回直流電源，如圖4.11所示。此時，直流電機進入回饋制動階段。 圖4.11 第II象限運行的直流PWM變換器 圖4.12給出了第II象限運行時的電樞電壓和電流的波形。圖4.12 第II象限運行直流PWM變換器的輸

6、出電壓和電流波形 由圖4.12可見，電樞兩端的平均電壓為正，而平均電樞電流為負，表明電功率由直流電機流向電源。第III象限運行： 第III象限對應(yīng)于直流電機處于反向電動機狀態(tài)，此時，轉(zhuǎn)速（或反電勢）與電樞電流均反向。 圖4.13a給出了第III象限運行時主回路的電路圖。圖中，主開關(guān) 和 同時導(dǎo)通，電流增加。若 關(guān)斷，則電樞回路短路，如圖4.13b所示。 圖4.13 第III象限運行的直流PWM變換器圖4.14a、b分別給出了電流連續(xù)和斷續(xù)時的電樞電壓和電流波形。 圖4.14 第III象限運行直流PWM變換器的輸出電壓和電流波形第III象限時系統(tǒng)的運行情況與第I象限類似。第IV象限運行： 第IV

7、象限對應(yīng)于直流電機處于反向發(fā)電制動狀態(tài)，此時，轉(zhuǎn)速（或反電勢）保持反向不變，電樞電流變?yōu)檎?，電動機儲存的動能便會通過變流器回饋至直流電源。 假定系統(tǒng)剛開始運行在第III象限，一旦發(fā)出制動命令，則 和 斷開， 和 導(dǎo)通，則電樞電流將流向直流電源，并迅速降為零。為了使電流改變方向，控制 導(dǎo)通。在反電勢的作用下，電流將通過 和 構(gòu)成回路，并將電樞回路短路。在此階段，直流電機進入能耗制動狀態(tài)，電流將增加。 當電流達到上限值時，控制 關(guān)斷。在電樞電感的作用下，電樞電流將通過 流回直流電源，如圖4.15所示。此時，直流電機進入回饋制動階段。 圖4.16給出了第IV象限運行時的電樞電壓和電流的波形。 圖4

8、.15 第IV象限運行的直流PWM變換器圖4.16 第IV象限運行直流PWM變換器的輸出電壓和電流波形 由圖4.16可見，電樞兩端的平均電壓為負，而平均電樞電流為正，表明電功率由直流電機流向電源。c、其它形式的直流PWM變換器電路 圖4.17a、b、c給出了幾種常用的直流PWM變換器，它們分別是圖4.8所示變流器的變種。其中，圖4.17a為單象限直流PWM變換器；圖4.17b、c均為兩象限直流PWM變換器。 圖4.17 單象限和兩象限直流PWM變換器 B、PWM變換器供電下直流電機的機械特性分析 為了分析直流PWM變換器供電直流電機的穩(wěn)態(tài)性能，通常采用如下兩種方法：一是忽略諧波的平均值分析法；

9、二是考慮諧波的瞬時穩(wěn)態(tài)計算方法。 假定直流電機的轉(zhuǎn)速恒定，定子采用他勵勵磁方式，且激磁磁通保持額定值不變。在這一條件下，分別采用上述兩種方法對直流電機的機械特性討論如下：a、平均值分析法平均值分析法： 平均值分析法是一種將直流電機的機械特性用平均轉(zhuǎn)速和平均電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系來描述的方法，它描述的實際上是一種準穩(wěn)態(tài)下的機械特性。 當電樞電流連續(xù)時，在一個開關(guān)周期內(nèi)電樞電流的平均值為 ，電樞電流的平均值為 ，平均電磁轉(zhuǎn)矩為 ，則直流PWM變換器供電下直流電機的機械特性為： （4-16）式中，理想空載轉(zhuǎn)速 ，它與占空比 成正比。 根據(jù)上式繪出直流PWM變換器供電下直流電機在第I、II象限內(nèi)的機械特性

10、如圖4.18所示。圖4.18 直流PWM變換器供電下直流電機的機械特性 b、穩(wěn)態(tài)下瞬時電樞電流的計算方法 圖4.19a、b 分別給出了電流連續(xù)和斷續(xù)時外加電樞電壓和電流的典型波形。 圖4.19 斬控方式下直流電機電樞電壓和電流的波形 下面對上述兩種情況下的瞬時穩(wěn)態(tài)電樞電流或電磁轉(zhuǎn)矩的計算方法分別介紹如下：（1）電流連續(xù)時： 參考圖4. 8和圖4.19a，直流PWM變換器導(dǎo)通和關(guān)斷時電樞回路的瞬時電壓平衡方程式可分別表示為：方程（4-17）的解為：（4-17）（4-18）（4-19）其中，電樞回路的時間常數(shù)為 。 同樣，方程（4-18）的解為：（4-20）式中， 。 由圖4.19a的周期性可以得邊界條件為： （4-21）利用上述邊界條件，可求出 和 分別為： （4-22）（4-23） 將 和 分別代入式（4-19）和（4-20）便可求出穩(wěn)態(tài)時的瞬時電樞電流。 直流PWM變換器使電流連續(xù)的最小占空比 被稱為臨界占空比。臨界占空比可以通過使 求出，其具體表達式為：（4-24） 由上式可見，臨界占空比與電樞回路的時間常數(shù)和開關(guān)周期之比以及反電勢與電源電壓之比有關(guān)。 （2）電流斷續(xù)時： 參考圖4. 8和圖4.19b，電樞電流斷續(xù)時電樞回路的瞬時電壓平衡方程式可分別表示為：（4-25）（4-