可逆控制和弱磁控制直流調速系統(tǒng)

1、 可逆控制和弱磁控制的直流調速系統(tǒng) 第第 4 章章問題的提出問題的提出 有許多生產(chǎn)機械要求電動機既能正轉，又能反轉，而且常常還需要快速地起動和制動，這就需要電力拖動系統(tǒng)具有四象限運行的特性，也就是說，需要可逆的調速系統(tǒng)可逆的調速系統(tǒng)。n 第I象限 正傳電動狀態(tài)第IV象限 反轉制動狀態(tài)OTe第II象限 正轉制動狀態(tài)第III象限 反轉電動狀態(tài)圖4-1 調速系統(tǒng)的四象限運行 改變電樞電壓的極性，或者改變勵磁磁通的方向，都能夠改變直流電機的旋轉方向，這本來是很簡單的事。 然而當電機采用電力電子裝置供電時，由于電力電子電力電子器件的單向導電性器件的單向導電性，問題就變得復雜起來了，需要專用的可逆電力電子

2、裝置和自動控制系統(tǒng)。4.1 直流直流PWM可逆調速系統(tǒng)可逆調速系統(tǒng)內容提要n橋式可逆PWM變換器n直流PWM可逆調速系統(tǒng)轉速反向的過渡過程n直流PWM功率變換器的能量回饋n單片微機控制的PWM可逆直流調速系統(tǒng)4.1.1 橋式可逆PWM變換器 可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖4-2所示。 這時，電動機M兩端電壓的極性隨開關器件柵極驅動電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆PWM變換器。圖4-2 橋式可逆PWM變換器n H形主電路結構+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2

3、VT1VT2VT4VT3132AB4n 輸出波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOb) 正向電動運行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOc) 反向電動運行波形n 輸出平均電壓 雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 如果占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中 = 2 1 注意：這里 的計算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtUn 調速范圍 調速時， 的可調范圍為01， 1 0.5時， 為正，電機正轉；n當 |Ud0r|， n 0 電機輸出電能實現(xiàn)回饋制動。P-Idb) 反組晶閘管裝置

4、VR逆變c）機械特性范圍Id-Idn反組逆變回饋制動正組整流電動運動c) 機械特性運行范圍 整流狀態(tài)：整流狀態(tài)： V-M系統(tǒng)工作在第一象限。 逆變狀態(tài)：逆變狀態(tài)： V-M系統(tǒng)工作在第二象限。 反并聯(lián)的晶閘管裝置的其他應用 即使是不可逆的調速系統(tǒng)，只要是需要快速的回饋制動，常常也采用兩組反并聯(lián)的晶閘管裝置，由正組提供電動運行所需的整流供電，反組只提供逆變制動。 這時，兩組晶閘管裝置的容量大小可以不同，反組只在短時間內給電動機提供制動電流，并不提供穩(wěn)態(tài)運行的電流，實際采用的容量可以小一些。2. V-M可逆系統(tǒng)中的環(huán)流問題 n環(huán)流的定義： 采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)，如果兩組裝置同時工作，

5、便會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流，如下圖中所示。圖4-10 反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流 MVR VFUd0f+-+Ud0rRrecRrecRa- 環(huán)流的形成IdIcIc 環(huán)流Id 負載電流 環(huán)流的危害和利用n危害：一般地說，這樣的環(huán)流對負載無益，徒然加重晶閘管和變壓器的負擔，消耗功率，環(huán)流太大時會導致晶閘管損壞，因此應該予以抑制或消除。n利用：只要合理的對環(huán)流進行控制，保證晶閘管的安全工作，可以利用環(huán)流作為流過晶閘管的基本負載電流，使電動機在空載或輕載時可工作在晶閘管裝置的電流連續(xù)區(qū)，以避免電流斷續(xù)引起的非線性對系統(tǒng)性能的影響。 環(huán)流的分類 在不同情況下，會出

6、現(xiàn)下列不同性質的環(huán)流： （1）靜態(tài)環(huán)流）靜態(tài)環(huán)流兩組可逆線路在一定控制角下穩(wěn)定工作時出現(xiàn)的環(huán)流，其中又有兩類：n直流平均環(huán)流由晶閘管裝置輸出的直流平均電壓所產(chǎn)生的環(huán)流稱作直流平均環(huán)流。n瞬時脈動環(huán)流兩組晶閘管輸出的直流平均電壓差為零，但因電壓波形不同，瞬時電壓差仍會產(chǎn)生脈動的環(huán)流，稱作瞬時脈動環(huán)流。 環(huán)流的分類（續(xù)）（2）動態(tài)環(huán)流）動態(tài)環(huán)流僅在可逆V-M系統(tǒng)處于過渡過程中出現(xiàn)的環(huán)流。 這里，主要分析靜態(tài)環(huán)流的形成原因，并討論其控制方法和抑制措施。直流平均環(huán)流與配合控制 在兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)中，如果讓正組VF 和反組VR都處于整流狀態(tài)，兩組的直流平均電壓正負相連，必然產(chǎn)生較大的直流

7、平均環(huán)流。為了防止直流平均環(huán)流的產(chǎn)生，需要采取必要的措施，比如：n采用封鎖觸發(fā)脈沖的方法，在任何時候，只允許一組晶閘管裝置工作；n采用配合控制的策略，使一組晶閘管裝置工作在整流狀態(tài)，另一組則工作在逆變狀態(tài)。（1）配合控制原理 為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應該當正組處于整流狀態(tài)時，強迫讓反組處于逆變狀態(tài)，且控制其幅值與之相等，用逆變電壓把整流電壓 頂住，則直流平均環(huán)流為零。于是 Ud0r = Ud0f 由式（4-3）， Ud0f = Ud0 max cosf Ud0r = Ud0 max cosr其中 f 和r 分別為VF和VR的控制角。 由于兩組晶閘管裝置相同，兩組的最大輸出電壓 Ud0max

8、是一樣的，因此，當直流平均環(huán)流為零時，應有 cos r = cos f或 r + f = 180 （4-5）如果反組的控制用逆變角 r 表示，則 f = r （4-6） 由此可見，按照式（4-6）來控制就可以消除直流平均環(huán)流，這稱作 = 配合控制。為了更可靠地消除直流平均環(huán)流，可采用 f r （4-7） （2）配合控制方法 為了實現(xiàn) = 配合控制，可將兩組晶閘管裝置的觸發(fā)脈沖零位都定在90，即n當控制電壓 Uc= 0 時，使 f = r = 90，此時 Ud0f = Ud0r = 0 ，電機處于停止狀態(tài)。n增大控制電壓Uc 移相時，只要使兩組觸發(fā)裝置的控制電壓大小相等符號相反就可以了。這樣的觸

9、發(fā)控制電路示于下圖。圖4-11 = 配合控制電路GTF-正組觸發(fā)裝置 GTR-反組觸發(fā)裝置 AR-反號器 MVRVFRrecRrec-1ARGTRGTFUcRa（3） = 配合控制電路圖4-12 配合控制移相特性 - UcmUc90o rmin180o 0oUcm90o0o 180o fmin fmin rmin r fGTRGTFUc1（4） = 配合控制特性 = 配合控制系統(tǒng)的移相控制特性示于下圖。移相時，如果一組晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，另一組便處于逆變狀態(tài)，這是指控制角的工作狀態(tài)而言的。4.2.2 V-M可逆直流調速系統(tǒng)的控制可逆直流調速系統(tǒng)的控制1、 = 配合控制的有環(huán)流配合控制的有環(huán)

10、流可逆可逆V-M系統(tǒng)系統(tǒng) 采用采用 = 配合控制以后，已經(jīng)消除了直流平均環(huán)流，配合控制以后，已經(jīng)消除了直流平均環(huán)流，但是，由于晶閘管裝置的輸出電壓是脈動的，造成整流但是，由于晶閘管裝置的輸出電壓是脈動的，造成整流與逆變電壓波形上的差異，仍會出現(xiàn)瞬時電壓與逆變電壓波形上的差異，仍會出現(xiàn)瞬時電壓ud0f -ud0r的情況，從而仍能產(chǎn)生瞬時的脈動環(huán)流。這個瞬時的情況，從而仍能產(chǎn)生瞬時的脈動環(huán)流。這個瞬時脈動環(huán)流是自然存在的，因此脈動環(huán)流是自然存在的，因此 = 配合控制有環(huán)流可配合控制有環(huán)流可逆系統(tǒng)又稱作自然環(huán)流系統(tǒng)。逆系統(tǒng)又稱作自然環(huán)流系統(tǒng)。圖4-13配合控制的三相零式反并聯(lián)可逆線路的瞬時脈動環(huán)流

11、a) 三相零式可逆線路和瞬時脈動環(huán)流回路 -Ud0fLc1RrecRrecUd0rVFVRIdIcpn瞬時電壓差和瞬時脈動環(huán)流的大小因控制角的不同而異?，F(xiàn)以 f = r = 60為例，分析三相零式反并聯(lián)可逆線路產(chǎn)生瞬時脈動環(huán)流的情況。 三相零式反并聯(lián)的電壓波形d) 瞬時電壓差和瞬時脈動環(huán)流波形 b)整流電壓波形 c) 逆變電壓波形 abcaud0r0w tp2 pUd0rw tIcpicpud0f ud0fw tabca0p2 pUd0f0rud0瞬時脈動環(huán)流的抑制 直流平均環(huán)流可以用 配合控制消除，而瞬時脈動環(huán)流卻是自然存在的。為了抑制瞬時脈動環(huán)流，可在環(huán)流回路中串入電抗器，叫做環(huán)流電抗器，

12、或稱均衡電抗器，如圖4-13a中的 Lc1和 Lc2 。 環(huán)流電抗的大小可以按照把瞬時環(huán)流的直流分量限制在負載額定電流的5%10%來設計。 環(huán)流電抗器的設置 三相零式反并聯(lián)可逆線路必須在正、反兩個回路中各設一個環(huán)流電抗器，因為其中總有一個電抗器會因流過直流負載電流而飽和，失去限流作用。n例如： 在圖 4-13a 中當正組VF整流時，流過負載電流，使 Lc1 鐵芯飽和，只能依靠在逆變回路中的 Lc2 限制環(huán)流。 同理，當反組VR整流時，只能依靠 Lc1限制環(huán)流。l 在三相橋式反并聯(lián)可逆線路中，由于每一組橋又有兩條并聯(lián)的環(huán)流通道，總共要設置4個環(huán)流電抗器。12MVFVRabcABC-環(huán)流電抗器的設

13、置（續(xù)）待逆變狀態(tài)待逆變狀態(tài) 當一組工作在那整流狀態(tài)時，另一組便處于逆變狀態(tài)，這是指觸發(fā)角的工作狀態(tài)而言的，實際上，逆變組除環(huán)流外并未流過負載電流，也就沒有電能回饋電網(wǎng)，確切地說，它只是處于“待逆變狀態(tài)”，表示該組晶閘管裝置是在逆變角控制下等待工作。逆變狀態(tài)逆變狀態(tài) 只有在制動時，當發(fā)出信號改變控制角后，同時降低了整流電壓和逆變電壓的幅值，一旦電機反電動勢 E |Ud0r| = |Ud0f|，整流組電流將被截止，逆變組才真正投入逆變工作，使電機產(chǎn)生回饋制動，將電能通過逆變組回饋電網(wǎng)。 = 控制的工作狀態(tài)n待整流狀態(tài)待整流狀態(tài) 同樣，當逆變組工作時，另一組也是在等待著整流，可稱作處于“待整流狀態(tài)

14、”。 所以，在 = 配合控制下，負載電流可以迅速地從正向到反向（或從反向到正向）平滑過渡，在任何時候，實際上只有一組晶閘管裝置在工作，另一組則處于等待工作的狀態(tài)。 = 配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng) 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+- -正向運行過程系統(tǒng)狀態(tài)+ - - - -+Id有環(huán)流系統(tǒng)正向運行過程MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-Pn2. 邏輯控制的無環(huán)流的可逆邏輯控制的無環(huán)流的可

15、逆V-M系統(tǒng)系統(tǒng) n概述概述 有環(huán)流可逆系統(tǒng)雖然具有反向快、過渡平滑等優(yōu)點，但設置幾個環(huán)流電抗器終究是個累贅。因此，當工藝過程對系統(tǒng)正反轉的平滑過渡特性要求不很高時，特別是對于大容量的系統(tǒng)，常采用既沒有直流平均環(huán)流又沒有瞬時脈動環(huán)流的無環(huán)流控制可逆系統(tǒng)。(1) 控制原理l邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng) 當一組晶閘管工作時，用邏輯電路（硬件）或邏輯算法（軟件）去封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使它完全處于阻斷狀態(tài)，以確保兩組晶閘管不同時工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路，這就是邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)。 邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)結構圖4-15 邏輯控制無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)原理框圖 ASRDLC-1TAVRVFGTR2

16、ACRMTGGTF1ACRU*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR-+ ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACRU*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR（2）工作原理n正向運行：+-+-+-+- ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACRU*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdARn 反向運行-+-無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)（1） 邏輯控制環(huán)節(jié)的設計要求邏輯控制環(huán)節(jié)的設計要求nDLC的輸入要求： 分析V-M系統(tǒng)四象限運行的特性，有如下共同特

17、征：l正向運行和反向制動時，電動機轉矩方向為正，即電流為正；l反向運行和正向制動時，電動機轉矩方向為負，即電流為負。因此，應選擇轉矩信號作為DLC的輸入信號。 由于ASR的輸出信號正好代表了轉矩方向，即有：n正向運行和反向制動時，U*i為負；n反向運行和正向制動時，U*i為正。 又因為 U*i 極性的變化只表明系統(tǒng)轉矩反向的意圖，轉矩極性的真正變換還要滯后一段時間。只有在實際電流過零時，才開始反向，因此，需要檢測零電流信號作為DLC的另一個輸入信號。n DLC的輸出要求l正向運行：VF整流，開放VF，封鎖VR；l反向制動：VF逆變，開放VF，封鎖VR；l反向運行：VR整流，開放VR，封鎖VF；

18、l正向制動：VR逆變，開放VR，封鎖VF；因此，DLC的輸出有兩種狀態(tài)：nVF開放 Ublf = 1，VF封鎖 Ublf = 0；nVR開放 Ublr = 1，VR封鎖 Ublr = 0。 DLC的內部邏輯要求l對輸入信號進行轉換，將模擬量轉換為開關量；l根據(jù)輸入信號，做出正確的邏輯判斷；l為保證兩組晶閘管裝置可靠切換，需要有兩個延時時間：封鎖延時和開放延時(1) 封鎖延時 tdb1 關斷等待時間，以確認電流已經(jīng)過零，而非因電流脈動引起的誤信號；(2) 開放延時tdt 觸發(fā)等待時間，以確保被關斷的晶閘管已恢復阻斷能力，防止其重新導通。l具有邏輯連鎖保護功能，以保證在任何情況下，兩個信號必須是相

19、反的，決不容許兩組晶閘管同時開放脈沖，確保主電路沒有出現(xiàn)環(huán)流的可能。(2) 無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)的實現(xiàn) 無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)是邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，它的任務是：當需要切換到正組晶閘管VF工作時，封鎖反組觸發(fā)脈沖而開放正組脈沖；當需要切換到反組VR工作時，封鎖正組而開放反組。通常都用數(shù)字控制，如數(shù)字邏輯電路、微機軟件、PLC等，用以實現(xiàn)同樣的邏輯控制關系。 軟件邏輯控制圖4-16 邏輯控制切換程序流程圖 開始 Ui*極性變化？電流過零？發(fā)出邏輯切換指令封鎖延時tdbl封鎖本組脈沖開放延時tdt開放它組脈沖繼續(xù)開放本組脈沖互鎖保護NNYY4.2.3 轉速反向的過渡過程分析 整個制動過程可以分為三個

20、主要階段： 1） 本組逆變階段； 2）它組整流階段； 3）它組逆變階段。 現(xiàn)以正向制動為例，說明可逆調速系統(tǒng)的制動過程。 1.本組逆變階段MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-+ - - - -+Id0+-+-2 .它組整流階段 當主電路電流下降過零時，本組逆變終止，第 I 階段結束，轉到反組 VR 工作，開始通過反組制動。從這時起，直到制動過程結束，統(tǒng)稱“它組制動階段”。 它組制動階段又可分成2個子階段：l它組整流階段；l它組逆變階段； （1）Id 過零并反向，直至到達 - Idm 以前，ACR并未脫

21、離飽和狀態(tài)，其輸出仍為 - Ucm 。這時，VF和 VR 輸出電壓的大小都和本組逆變階段一樣，但由于本組逆變停止，電流變化延緩， 的數(shù)值略減，使d0rd0fdddUUEtILtILddd（2）反組VR由“待整流”進入整流，向主電路提供 Id 。 由于反組整流電壓 Ud0r 和反電動勢 E 的極性相同，反向電流很快增長，電機處于反接制動狀態(tài)，轉速明顯地降低，因此，又可稱作“它組反接制動狀態(tài)”。它組反接制動過程系統(tǒng)狀態(tài)+ -MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUcKFKR+-+ - - - -+0+-+Id-3. 它組逆變階段 當反向電流達到 Idm 并略有超