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 $0 \leq t < t_{o n}$ 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 $t_{o n} \leq t < T$ 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：

\begin{aligned} U_{d} = \frac{t_{o n}}{T} U_{s} = ρ U_{s} \\ γ = \frac{U_{d}}{U_{s}} \end{aligned}

$γ$ PWM 电压系数
$ρ = \frac{t_{o n}}{T}$ 波形的占空比

不可逆 PWM 变换器中 $γ = ρ$

有制动的不可逆变换器

一般电动状态

VT1和VD2交替导通

在 $0 \leq t \leq t_{o n}$ 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 $t_{o n} \leq t \leq T$ 期间，
$U_{g 1}$ 和 $U_{g 2}$ 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 $0 \leq t \leq t_{o n}$ 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 $t_{o n} \leq t \leq T$ 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 $0 \leq t \leq t_{o n}$ 期间，
$U_{g 1}$ 、 $U_{g 4}$ 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 $U_{A B} = + U_{s}$
在 $t_{o n} \leq t \leq T$ 期间，
$U_{g 1}$ 、 $U_{g 4}$ 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 $U_{A B} = - U_{s}$

反向运行

VT1 、 VT4
VD2 、 VD3

在 $0 \leq t \leq t_{o n}$ 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 $U_{A B} = + U_{s}$
在 $t_{o n} \leq t \leq T$ 期间，
$U_{g 2}$ 、 $U_{g 3}$ 为正，VT2 、 VT3导通
$U_{g 1}$ 、 $U_{g 4}$ 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 $U_{A B} = - U_{s}$

输出平均电压

\begin{aligned} U_{d} & = \frac{t_{o n}}{T} U_{s} - \frac{T - t_{o n}}{T} U_{s} \\ = (\frac{2 t_{o n}}{T} - 1) U_{s} \end{aligned}

波形的占空比
$ρ = \frac{t_{o n}}{T}$
PWM 电压系数
$γ = 2 ρ - 1 = \frac{U_{d}}{U_{s}}$

调速范围 $ρ : 0 \sim 1$ $γ : - 1 \sim 1$
调节占空比，

$ρ > 0.5$ , $γ > 0$ 产生正向电压，使电机正转
$ρ < 0.5$ , $γ < 0$ 产生反向电压，使电机反转
$ρ = 0.5$ , $γ = 0$ 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 $\frac{1}{20}$ , 逻辑延时

\begin{array}{r} K e^{- τ s} \end{array}

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 $T$

也可以看成是一个滞后环节，
其传递函数可以写成

\begin{aligned} W_{s} (s) & = \frac{U_{d} (s)}{U_{c} (s)} = K_{s} e^{- T_{s} s} \\ \approx \frac{K_{s}}{T_{s} s + 1} \end{aligned}

$K_{s}$ 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，其作用除滤波外，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)
$V T_{b}$ 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