二类可逆直流调速系统功率器件对比分析

摘  要 从能量传递方向角度，对比分析可逆直流桥式PWM调速系统和可逆直流V-M调速系统四象限运行时功率器件和电机的状态。首先独立分析两种系统的直流电源主电路形式和四象限运行状况;之后对比给出不同状态时两类系统功率器件的对应关系，给出直流PWM变换器的整流和逆变状态;最后利用正向轻载运行状态对结果进行验证，得到的结论有利于教学过程中学生对两类系统的深入理解。

关键词 可逆直流调速系统;四象限运行;电机;PWM变换器

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：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调速系统中，由两组晶闸管为直流电动机供电，每组晶闸管都有两种工作状态，实现能量的双向传输：整流状态是把交流电变成直流电，能量由交流电网向直流电路输送;逆变状态是将直流电变成交流电，能量由直流电路回馈给交流电网[1-2]。

可逆直流PWM调速系统中，对直流PWM变换器而言，能量也能双向传输：或由电机侧向电源侧输送，或由电源侧向电机侧输送。然而电机侧和电源侧都是直流，不好用“整流”和“逆变”对其定义，但同可逆直流V-M系统相比，二者大有相似之处。如果仅从能量方向角度定义“整流”和“逆变”，将可逆V-M系统的晶闸管状态分析过程对比用来分析直流PWM变换器，一是比较有趣，二是通过对比学习，可以使学生更深入地理解直流PWM变换器在不同工作状态时的工作过程及原理。

2 直流V-M系统四象限运行时晶闸管状态分析

可逆直流V-M调速系统中，直流电源是由两组晶闸管反并联形成的，如图1所示[1]：正组晶闸管VF为电动机提供正向电流，反组晶闸管VR为电动机提供反向电流。图1中电流标注为正向电流方向。任意时刻，只有一组晶闸管在真正地工作，根据电流方向，确定哪组晶闸管在工作;根据控制信号，确定工作的晶闸管是处于整流状态还是逆变状态。

电动机处于正向电动状态时，正组晶闸管真正工作，处于整流状态;正向制动时，由于电流主要为负，由反组晶闸管逆变将能量回馈给电网;反向电动时，反组晶闸管整流;反向制动时，正组晶闸管逆变，于是形成直流V-M系统的四象限运行状态，如图2所示[1]。

3 直流H桥PWM变换器工作状态分析

可逆直流PWM调速系统需要用可逆直流PWM变换器，一般可逆直流PWM变换器采用双极式控制的H桥式可逆电路，如图3所示[1]。图中的功率开关器件VT1～VT4采用全控型电力电子器件，控制方式为PWM控制;对应的四个二极管VD1～VD4起到续流的作用。

双极式控制时，VT1和VT4一组，二者控制信号相同，即Ug1=Ug4;VT2和VT3一组，二者控制信号相同，即Ug2=Ug3，与VT1控制信号相反。双极式控制时四个功率器件的控制信号关系为：Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。

正向带载电动运行时，桥式直流PWM变换器输入输出关系如图4所示。一個周期内，当0≤t

根据输出电压波形，可得PWM输出平均电压为：

其中，为占空比，Ud为直流平均电压，Us为恒定直流电压。可见正向电动状态时，占空比ρ>0.5，Ud>0，电动机正转。

通过分析可知，其他状态时PWM变换器电枢端电压波形与控制信号均一致，故式（1）对任意状态都适用，如图4所示。

同理可分析出，当占空比ρ<0.5时，Ud<0，电动机反转，此时，VT2、VT3和VD1、VD4交替工作。

正向制动时，控制信号t≥0.5ton，但比前一稳定状态的值小，此时由于平均电压Ud

同理可分析反向制动过程。

4 直流PWM变换器四象限运行分析

通过前面分析，对比可以看出，桥式直流PWM变换器中的VT1、VT4、VD2、VD3相当于V-M系统中的正组晶闸管，VT2、VT3、VD1、VD4相当于V-M系统中的反组晶闸管。

正向电动时，VT1、VT4和VD2、VD3交替工作，将能量从恒定直流电源侧输送给电动机，相当于V-M系统中正组管子在“整流”;正向制动时，VT2、VT3和VD1、VD4交替工作，将能量从电机侧向电网回馈，相当于V-M系统中反组管子在“逆变”;反向电动时，VT2、VT3和VD1、VD4交替工作，将能量从恒定直流电源侧输送给电动机，相当于V-M系统中反组管子在“整流”;反向制动时，VT1、VT4和VD2、VD3交替工作，将能量从电机侧向直流电源侧回馈，相当于V-M系统中正组管子在“逆变”。由此可得到直流PWM调速系统四象限运行特性，如图5所示。

5 两类系统正向轻载状态对比分析

可逆直流调速系统由于正反向电流均有流通的通路，因此，即使电机带负载很轻，也不会出现电流断续的情况，但变换器切换工作要复杂一些。下面分析一下可逆直流V-M系统和可逆直流PWM系统这种情况下的变换器工作状态。可逆直流PWM调速系统分析PWM一个周期情况，可逆直流V-M系统分析一个脉波情况。

轻载时直流PWM系统分析  仍旧以图3所示电路为基础，双极式控制轻载时一个PWM周期内控制信号与电动机电流波形如图6所示[1，3]。

由于系统带载较轻，在器件关断阶段，电流降到零时，开通信号还没有到来，如图中第3段，此时VT2、VT3的控制信号还在，两个功率器件开通，进入到第4段，电流变负。之后，VT1、VT4的开通信号到来，但由于此时电流为负，只能通过VD1、VD4续流，如图中第1段;在电流过零时刻，VT1、VT4再开通，如图中第2段。一个周期四段功率器件和电机状态如表1所示。

轻载时直流V-M系统分析  与直流PWM系统一样，由两组晶闸管反并联供电的直流V-M系统轻载时，一个脉波时电压和电流信号如图7所示。

一个脉波内，由于电流可正可负，可将其分为三段，对三段的分析见表2。

6 结语

根据前面描述，得到如下结论。

1）可逆直流桥式PWM调速系统中的VT1、VT4、VD2、VD3与可逆直流V-M系统中的正组晶闸管相当，而PWM系统中的VT2、VT3、VD1、VD4与V-M系统中的反组晶闸管相当。

2）与直流V-M系统对应，从能量传递方向角度，可将PWM系统中对应的器件的状态分成“整流”和“逆变”两种。但由于PWM变换器两侧的电压均为直流，与真正的整流和逆变是有区别的，需要加引号。

3）正向工作时，根据电流方向不同，正组管子处于整流状态或反组管子处于逆变状态。对应的PWM系统的功率器件亦是如此。同理，反向工作时，正组管子处于逆变状态或反组管子处于整流状态。

4）所得结论同样可分析调速系统的其他过渡状态，如起动过程、制动过程、正反转过程等，同样可加深学生对两类系统的理解。

参考文献

[1]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统：运动控制系统[M].4版，北京：机械工业出版社，2014.

[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].5版.北京：機械工业出版社，2015

[3]阮毅，杨影，陈伯时.电力拖动自动控制系统：运动控制系统[M].5版.北京：机械工业出版社，2017.

项目来源：河北工业大学教改项目“适应新形势的‘运动控制系统教学内容改革和实践”（项目编号：201703031）。

作者：江春冬，河北工业大学人工智能与数据科学学院，副教授，研究方向为电力电子与传动控制技术（300401）。