二類可逆直流調(diào)速系統(tǒng)功率器件對(duì)比分析

摘? 要 從能量傳遞方向角度，對(duì)比分析可逆直流橋式PWM調(diào)速系統(tǒng)和可逆直流V-M調(diào)速系統(tǒng)四象限運(yùn)行時(shí)功率器件和電機(jī)的狀態(tài)。首先獨(dú)立分析兩種系統(tǒng)的直流電源主電路形式和四象限運(yùn)行狀況;之后對(duì)比給出不同狀態(tài)時(shí)兩類系統(tǒng)功率器件的對(duì)應(yīng)關(guān)系，給出直流PWM變換器的整流和逆變狀態(tài);最后利用正向輕載運(yùn)行狀態(tài)對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，得到的結(jié)論有利于教學(xué)過程中學(xué)生對(duì)兩類系統(tǒng)的深入理解。

關(guān)鍵詞 可逆直流調(diào)速系統(tǒng);四象限運(yùn)行;電機(jī);PWM變換器

中圖分類號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）04-0120-03

Comparing Analysis of Power Devices in Two-type Reversible DC Speed Regulating Systems//JIANG Chundong

Abstract From the view of direction of energy transfer， the state of?the power device and the motor in the four quadrant operation of two-type reversible DC speed regulating systems， the reversible DC bri-dge PWM system and the reversible DC V-M system， is compared and analyzed. Firstly， analyze the main power circuit forms and the?four quadrant running status of the above two kinds system indepen-dently. Then give the corresponding relationship between them in different states， and define the rectification and inverter of the DC?PWM converter. Finally， test the above results by analyzing the posi-tive light load running state.? The conclusion is helpful for students to understand the two kinds of systems in teaching process.

Key words reversible DC speed regulating system; four quadrant operation; motor; PWM converter

1 引言

可逆直流V-M調(diào)速系統(tǒng)中，由兩組晶閘管為直流電動(dòng)機(jī)供電，每組晶閘管都有兩種工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸：整流狀態(tài)是把交流電變成直流電，能量由交流電網(wǎng)向直流電路輸送;逆變狀態(tài)是將直流電變成交流電，能量由直流電路回饋給交流電網(wǎng)[1-2]。

可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)中，對(duì)直流PWM變換器而言，能量也能雙向傳輸：或由電機(jī)側(cè)向電源側(cè)輸送，或由電源側(cè)向電機(jī)側(cè)輸送。然而電機(jī)側(cè)和電源側(cè)都是直流，不好用“整流”和“逆變”對(duì)其定義，但同可逆直流V-M系統(tǒng)相比，二者大有相似之處。如果僅從能量方向角度定義“整流”和“逆變”，將可逆V-M系統(tǒng)的晶閘管狀態(tài)分析過程對(duì)比用來分析直流PWM變換器，一是比較有趣，二是通過對(duì)比學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生更深入地理解直流PWM變換器在不同工作狀態(tài)時(shí)的工作過程及原理。

2 直流V-M系統(tǒng)四象限運(yùn)行時(shí)晶閘管狀態(tài)分析

可逆直流V-M調(diào)速系統(tǒng)中，直流電源是由兩組晶閘管反并聯(lián)形成的，如圖1所示[1]：正組晶閘管VF為電動(dòng)機(jī)提供正向電流，反組晶閘管VR為電動(dòng)機(jī)提供反向電流。圖1中電流標(biāo)注為正向電流方向。任意時(shí)刻，只有一組晶閘管在真正地工作，根據(jù)電流方向，確定哪組晶閘管在工作;根據(jù)控制信號(hào)，確定工作的晶閘管是處于整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)。

電動(dòng)機(jī)處于正向電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，正組晶閘管真正工作，處于整流狀態(tài);正向制動(dòng)時(shí)，由于電流主要為負(fù)，由反組晶閘管逆變將能量回饋給電網(wǎng);反向電動(dòng)時(shí)，反組晶閘管整流;反向制動(dòng)時(shí)，正組晶閘管逆變，于是形成直流V-M系統(tǒng)的四象限運(yùn)行狀態(tài)，如圖2所示[1]。

3 直流H橋PWM變換器工作狀態(tài)分析

可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)需要用可逆直流PWM變換器，一般可逆直流PWM變換器采用雙極式控制的H橋式可逆電路，如圖3所示[1]。圖中的功率開關(guān)器件VT1～VT4采用全控型電力電子器件，控制方式為PWM控制;對(duì)應(yīng)的四個(gè)二極管VD1～VD4起到續(xù)流的作用。

雙極式控制時(shí)，VT1和VT4一組，二者控制信號(hào)相同，即Ug1=Ug4;VT2和VT3一組，二者控制信號(hào)相同，即Ug2=Ug3，與VT1控制信號(hào)相反。雙極式控制時(shí)四個(gè)功率器件的控制信號(hào)關(guān)系為：Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。

正向帶載電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，橋式直流PWM變換器輸入輸出關(guān)系如圖4所示。一個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)0≤t

根據(jù)輸出電壓波形，可得PWM輸出平均電壓為：

其中，為占空比，Ud為直流平均電壓，Us為恒定直流電壓?？梢娬螂妱?dòng)狀態(tài)時(shí)，占空比ρ>0.5，Ud>0，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。

通過分析可知，其他狀態(tài)時(shí)PWM變換器電樞端電壓波形與控制信號(hào)均一致，故式（1）對(duì)任意狀態(tài)都適用，如圖4所示。

同理可分析出，當(dāng)占空比ρ<0.5時(shí)，Ud<0，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，此時(shí)，VT2、VT3和VD1、VD4交替工作。

正向制動(dòng)時(shí)，控制信號(hào)t≥0.5ton，但比前一穩(wěn)定狀態(tài)的值小，此時(shí)由于平均電壓Ud

同理可分析反向制動(dòng)過程。

4 直流PWM變換器四象限運(yùn)行分析

通過前面分析，對(duì)比可以看出，橋式直流PWM變換器中的VT1、VT4、VD2、VD3相當(dāng)于V-M系統(tǒng)中的正組晶閘管，VT2、VT3、VD1、VD4相當(dāng)于V-M系統(tǒng)中的反組晶閘管。

正向電動(dòng)時(shí)，VT1、VT4和VD2、VD3交替工作，將能量從恒定直流電源側(cè)輸送給電動(dòng)機(jī)，相當(dāng)于V-M系統(tǒng)中正組管子在“整流”;正向制動(dòng)時(shí)，VT2、VT3和VD1、VD4交替工作，將能量從電機(jī)側(cè)向電網(wǎng)回饋，相當(dāng)于V-M系統(tǒng)中反組管子在“逆變”;反向電動(dòng)時(shí)，VT2、VT3和VD1、VD4交替工作，將能量從恒定直流電源側(cè)輸送給電動(dòng)機(jī)，相當(dāng)于V-M系統(tǒng)中反組管子在“整流”;反向制動(dòng)時(shí)，VT1、VT4和VD2、VD3交替工作，將能量從電機(jī)側(cè)向直流電源側(cè)回饋，相當(dāng)于V-M系統(tǒng)中正組管子在“逆變”。由此可得到直流PWM調(diào)速系統(tǒng)四象限運(yùn)行特性，如圖5所示。

5 兩類系統(tǒng)正向輕載狀態(tài)對(duì)比分析

可逆直流調(diào)速系統(tǒng)由于正反向電流均有流通的通路，因此，即使電機(jī)帶負(fù)載很輕，也不會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況，但變換器切換工作要復(fù)雜一些。下面分析一下可逆直流V-M系統(tǒng)和可逆直流PWM系統(tǒng)這種情況下的變換器工作狀態(tài)。可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)分析PWM一個(gè)周期情況，可逆直流V-M系統(tǒng)分析一個(gè)脈波情況。

輕載時(shí)直流PWM系統(tǒng)分析? 仍舊以圖3所示電路為基礎(chǔ)，雙極式控制輕載時(shí)一個(gè)PWM周期內(nèi)控制信號(hào)與電動(dòng)機(jī)電流波形如圖6所示[1，3]。

由于系統(tǒng)帶載較輕，在器件關(guān)斷階段，電流降到零時(shí)，開通信號(hào)還沒有到來，如圖中第3段，此時(shí)VT2、VT3的控制信號(hào)還在，兩個(gè)功率器件開通，進(jìn)入到第4段，電流變負(fù)。之后，VT1、VT4的開通信號(hào)到來，但由于此時(shí)電流為負(fù)，只能通過VD1、VD4續(xù)流，如圖中第1段;在電流過零時(shí)刻，VT1、VT4再開通，如圖中第2段。一個(gè)周期四段功率器件和電機(jī)狀態(tài)如表1所示。

輕載時(shí)直流V-M系統(tǒng)分析? 與直流PWM系統(tǒng)一樣，由兩組晶閘管反并聯(lián)供電的直流V-M系統(tǒng)輕載時(shí)，一個(gè)脈波時(shí)電壓和電流信號(hào)如圖7所示。

一個(gè)脈波內(nèi)，由于電流可正可負(fù)，可將其分為三段，對(duì)三段的分析見表2。

6 結(jié)語

根據(jù)前面描述，得到如下結(jié)論。

1）可逆直流橋式PWM調(diào)速系統(tǒng)中的VT1、VT4、VD2、VD3與可逆直流V-M系統(tǒng)中的正組晶閘管相當(dāng)，而PWM系統(tǒng)中的VT2、VT3、VD1、VD4與V-M系統(tǒng)中的反組晶閘管相當(dāng)。

2）與直流V-M系統(tǒng)對(duì)應(yīng)，從能量傳遞方向角度，可將PWM系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的器件的狀態(tài)分成“整流”和“逆變”兩種。但由于PWM變換器兩側(cè)的電壓均為直流，與真正的整流和逆變是有區(qū)別的，需要加引號(hào)。

3）正向工作時(shí)，根據(jù)電流方向不同，正組管子處于整流狀態(tài)或反組管子處于逆變狀態(tài)。對(duì)應(yīng)的PWM系統(tǒng)的功率器件亦是如此。同理，反向工作時(shí)，正組管子處于逆變狀態(tài)或反組管子處于整流狀態(tài)。

4）所得結(jié)論同樣可分析調(diào)速系統(tǒng)的其他過渡狀態(tài)，如起動(dòng)過程、制動(dòng)過程、正反轉(zhuǎn)過程等，同樣可加深學(xué)生對(duì)兩類系統(tǒng)的理解。

參考文獻(xiàn)

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項(xiàng)目來源：河北工業(yè)大學(xué)教改項(xiàng)目“適應(yīng)新形勢(shì)的‘運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容改革和實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：201703031）。

作者：江春冬，河北工業(yè)大學(xué)人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c傳動(dòng)控制技術(shù)（300401）。