H 桥驱动直流电机分析
1. Ｈ桥ＰＷＭ变换器驱动电机运行过程
如图1所示，电动机M 两端电压U AB 的极性随开关器件驱动电压的变化而变化，这里分析双极式控制的可逆PWM 变换器。四个驱动电压波形如图2所示，它们的关系是
1423g g g g U U U U ==-=-.在
一个开关周期内，当0on
t
t ≤<时，1VT 和4VT 导通，2VT 和3
VT 关断，AB s U U =，电枢电流d i 沿
回路1流动；当on
t t T ≤<时，1
VT 和4VT 关断，
2VT 和3VT 由于2VD 和3VD 的钳制作用不能马上导通，d
i 沿回路2流经二极管续流，
AB s U U =-. 当电机需要降速制动
时，先改变控制脉冲的占空比，使驱动电压的平均值d U 减小，但是由于机械惯性，转速和反电势还来不及变化，因而造成d E
U >，很快使电流反向，在0on t t ≤<时，反向电流沿回路4向电源充电，
实现再生制动，而1VT 和4VT 被钳制不能导通；在on
t t T ≤<时，2VT 和3VT 被打开，负向
电流通过2VT 和3VT ，实现能耗制动。当电机反向转动时，各器件的导通情况与上述情形相反。图3绘出了双极式控制时电机
图1 H 桥可逆PWM 变换器
图2 驱动电压
正转时的输出电压和电流波形。电动机的正反转则体现在驱动电压正负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，
2
on T
t >
，则AB U 的平均值为正，电动机正转，反之则反转；如果正负脉冲相等，2
on
T
t =
，平均电压为零，则电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的，平均值为零，不产
生转矩，电动机损耗陡然增大，但是此时消除了正反向时的静摩擦死区，起“动态润滑”的作用。另外，图3所示的2d i 为轻载状态下的输出电流变化情况。2. 直流电机启动和降速过程
电动机在未启动之前，转速0n =，反电势0E =，而电枢电阻a R 很小，所以将电动
机加上额定电压时，启动电流/st
n a I U R =将很大，可能烧坏整流子。所以在电机启动时
都采用限制电流的方法，下面讨论常用的电枢回路串接电阻的方法。图3 输出电压和电流
图4 串接电阻启动
如图4所示，当在电枢回路串接电阻
st
R时，电动机启动电流将变成N
st
a st
U
I
R R
=
+随着电动机转速的提高，反电动势E增大，再逐步切除外加电阻直到电机达到所要求的转速。图4（b）所示为外接1级电阻启动特性。当外接电阻被切除后，工作点将从曲线1变到曲线2，由于在切除外接电阻瞬间，机械惯性的作用使电动机的转速不能突变，在此瞬间转速n维持不变，即工作点从点a切换到点b，此时冲击电流仍然很大，为了避免这种情况，通常采用多级外接电阻启动方法（如图5所示）。
图5 外接多级电阻启动
当电动机采用降压调速减速时，运行
原理如图6所示。假设电动机以
N
U运行
在g点，电压突然降到
1
U，此时由于机械
惯性作用，电动机转速n 保持不变，故电动机反电势也保持不变，所以电枢电流将从
N b g a U E I R -=
变到L b
a
U E I R -=，电机转矩也随之减小，电动机运行于点b ，此时电机转矩小于负载转矩，电动机将沿着1U 曲线减速，直到电机转矩等于负载转矩。3. 泵升电压
图7所示为桥式可逆直流脉宽调制系统主电路的原理图，PWM 变换器的直流电源通常由交变电网经过不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C 滤波，以获得恒定的电压。处滤波作用外，电容C 还有在电动机制动时吸收系统动能的作用。由于是二极管整流电路供电，所以不能回馈电能，电动机制动时只能对滤波电容充电，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，因此电容量不可能很小，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，这时采用图7中的镇流电阻b R 来消耗部分电能。对于更大容量的系统，为了提高效率，可以再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，当然这增加了系统的复杂性。
图7 桥式可逆直流脉宽调制系统主电路原理图
