二類可逆直流調速系統功率器件對比分析

摘? 要 從能量傳遞方向角度，對比分析可逆直流橋式PWM調速系統和可逆直流V-M調速系統四象限運行時功率器件和電機的狀態。首先獨立分析兩種系統的直流電源主電路形式和四象限運行狀況;之后對比給出不同狀態時兩類系統功率器件的對應關系，給出直流PWM變換器的整流和逆變狀態;最后利用正向輕載運行狀態對結果進行驗證，得到的結論有利于教學過程中學生對兩類系統的深入理解。

關鍵詞 可逆直流調速系統;四象限運行;電機;PWM變換器

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：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調速系統中，由兩組晶閘管為直流電動機供電，每組晶閘管都有兩種工作狀態，實現能量的雙向傳輸：整流狀態是把交流電變成直流電，能量由交流電網向直流電路輸送;逆變狀態是將直流電變成交流電，能量由直流電路回饋給交流電網[1-2]。

可逆直流PWM調速系統中，對直流PWM變換器而言，能量也能雙向傳輸：或由電機側向電源側輸送，或由電源側向電機側輸送。然而電機側和電源側都是直流，不好用“整流”和“逆變”對其定義，但同可逆直流V-M系統相比，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系統的晶閘管狀態分析過程對比用來分析直流PWM變換器，一是比較有趣，二是通過對比學習，可以使學生更深入地理解直流PWM變換器在不同工作狀態時的工作過程及原理。

2 直流V-M系統四象限運行時晶閘管狀態分析

可逆直流V-M調速系統中，直流電源是由兩組晶閘管反并聯形成的，如圖1所示[1]：正組晶閘管VF為電動機提供正向電流，反組晶閘管VR為電動機提供反向電流。圖1中電流標注為正向電流方向。任意時刻，只有一組晶閘管在真正地工作，根據電流方向，確定哪組晶閘管在工作;根據控制信號，確定工作的晶閘管是處于整流狀態還是逆變狀態。

電動機處于正向電動狀態時，正組晶閘管真正工作，處于整流狀態;正向制動時，由于電流主要為負，由反組晶閘管逆變將能量回饋給電網;反向電動時，反組晶閘管整流;反向制動時，正組晶閘管逆變，于是形成直流V-M系統的四象限運行狀態，如圖2所示[1]。

3 直流H橋PWM變換器工作狀態分析

可逆直流PWM調速系統需要用可逆直流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]。圖中的功率開關器件VT1～VT4采用全控型電力電子器件，控制方式為PWM控制;對應的四個二極管VD1～VD4起到續流的作用。

雙極式控制時，VT1和VT4一組，二者控制信號相同，即Ug1=Ug4;VT2和VT3一組，二者控制信號相同，即Ug2=Ug3，與VT1控制信號相反。雙極式控制時四個功率器件的控制信號關系為：Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。

正向帶載電動運行時，橋式直流PWM變換器輸入輸出關系如圖4所示。一個周期內，當0≤t

根據輸出電壓波形，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。可見正向電動狀態時，占空比ρ>0.5，Ud>0，電動機正轉。

通過分析可知，其他狀態時PWM變換器電樞端電壓波形與控制信號均一致，故式（1）對任意狀態都適用，如圖4所示。

同理可分析出，當占空比ρ<0.5時，Ud<0，電動機反轉，此時，VT2、VT3和VD1、VD4交替工作。

正向制動時，控制信號t≥0.5ton，但比前一穩定狀態的值小，此時由于平均電壓Ud

同理可分析反向制動過程。

4 直流PWM變換器四象限運行分析

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

正向電動時，VT1、VT4和VD2、VD3交替工作，將能量從恒定直流電源側輸送給電動機，相當于V-M系統中正組管子在“整流”;正向制動時，VT2、VT3和VD1、VD4交替工作，將能量從電機側向電網回饋，相當于V-M系統中反組管子在“逆變”;反向電動時，VT2、VT3和VD1、VD4交替工作，將能量從恒定直流電源側輸送給電動機，相當于V-M系統中反組管子在“整流”;反向制動時，VT1、VT4和VD2、VD3交替工作，將能量從電機側向直流電源側回饋，相當于V-M系統中正組管子在“逆變”。由此可得到直流PWM調速系統四象限運行特性，如圖5所示。

5 兩類系統正向輕載狀態對比分析

可逆直流調速系統由于正反向電流均有流通的通路，因此，即使電機帶負載很輕，也不會出現電流斷續的情況，但變換器切換工作要復雜一些。下面分析一下可逆直流V-M系統和可逆直流PWM系統這種情況下的變換器工作狀態。可逆直流PWM調速系統分析PWM一個周期情況，可逆直流V-M系統分析一個脈波情況。

輕載時直流PWM系統分析? 仍舊以圖3所示電路為基礎，雙極式控制輕載時一個PWM周期內控制信號與電動機電流波形如圖6所示[1，3]。

由于系統帶載較輕，在器件關斷階段，電流降到零時，開通信號還沒有到來，如圖中第3段，此時VT2、VT3的控制信號還在，兩個功率器件開通，進入到第4段，電流變負。之后，VT1、VT4的開通信號到來，但由于此時電流為負，只能通過VD1、VD4續流，如圖中第1段;在電流過零時刻，VT1、VT4再開通，如圖中第2段。一個周期四段功率器件和電機狀態如表1所示。

輕載時直流V-M系統分析? 與直流PWM系統一樣，由兩組晶閘管反并聯供電的直流V-M系統輕載時，一個脈波時電壓和電流信號如圖7所示。

一個脈波內，由于電流可正可負，可將其分為三段，對三段的分析見表2。

6 結語

根據前面描述，得到如下結論。

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

2）與直流V-M系統對應，從能量傳遞方向角度，可將PWM系統中對應的器件的狀態分成“整流”和“逆變”兩種。但由于PWM變換器兩側的電壓均為直流，與真正的整流和逆變是有區別的，需要加引號。

3）正向工作時，根據電流方向不同，正組管子處于整流狀態或反組管子處于逆變狀態。對應的PWM系統的功率器件亦是如此。同理，反向工作時，正組管子處于逆變狀態或反組管子處于整流狀態。

4）所得結論同樣可分析調速系統的其他過渡狀態，如起動過程、制動過程、正反轉過程等，同樣可加深學生對兩類系統的理解。

參考文獻

[1]阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統：運動控制系統[M].4版，北京：機械工業出版社，2014.

[2]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].5版.北京：機械工業出版社，2015

[3]阮毅，楊影，陳伯時.電力拖動自動控制系統：運動控制系統[M].5版.北京：機械工業出版社，2017.

項目來源：河北工業大學教改項目“適應新形勢的‘運動控制系統教學內容改革和實踐”（項目編號：201703031）。

作者：江春冬，河北工業大學人工智能與數據科學學院，副教授，研究方向為電力電子與傳動控制技術（300401）。