第4章電力拖動自動控制系統(tǒng)

1、 可逆直流調速系統(tǒng)可逆直流調速系統(tǒng)南陽志聯(lián)軟件第第 4 章章內內 容容 提提 要要V-M可逆直流調速系統(tǒng)直流PWM可逆直流調速系統(tǒng) 電動機除電動轉矩外還須產(chǎn)生制動轉矩，實現(xiàn)生產(chǎn)機械快速的減速、停車與正反向運行等功能。在轉速和電磁轉矩的坐標系上，就是四象限運行的功能。這樣的調速系統(tǒng)需要正反轉，故稱可逆調速系統(tǒng)。 4.1.1 V-M可逆系統(tǒng)的主回路及環(huán)流 4.1.2 V-M可逆系統(tǒng)的控制 4.1.3 V-M可逆系統(tǒng)的制動4.1 V-M可逆調速系統(tǒng)可逆調速系統(tǒng)預備知識：晶閘管-電動機系統(tǒng)的可逆線路改變轉矩Te的方向 改變電動機電樞電流的方向 改變勵磁電流的方向 如何實現(xiàn)可逆? 理論依據(jù): Te=Cm

2、（）Id4.1.1 V-M可逆系統(tǒng)主回路及環(huán)流 （1） 晶閘管裝置的整流和逆變狀態(tài) 在電流連續(xù)的條件下，晶閘管裝置的平均理想空載輸出電壓為coscosmsinmd0maxmd0UUU整流條件： 90, UdEm逆變條件： 90, Ud Em 1 V-M系統(tǒng)的主回路-+Ud0RM+-nEV-（2） 單組晶閘管裝置的有源逆變 單組晶閘管裝置供電的V-M系統(tǒng)在拖動起重機類型的負載時會出現(xiàn)整流和有源逆變狀態(tài)。 a）整流狀態(tài)：提升重物，PId 90，Ud0 E，n 0+-+-Ud0RMnEV-b）逆變狀態(tài)：放下重物 90，Ud0 E，n 0PIdn- nIdTe提升放下 c）機械特性整流狀態(tài)： 電動機工

3、作于第1象限；逆變狀態(tài)： 電動機工作于第4象限。TL 單組V-M系統(tǒng)帶起重機類型負載時的整流和逆變狀態(tài) （3） 兩組晶閘管裝置反并聯(lián)的整流和逆變 兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路的整流和逆變狀態(tài)原理與此相同，只是出現(xiàn)逆變狀態(tài)的具體條件不一樣。 現(xiàn)以正組晶閘管裝置整流和反組晶閘管裝置逆變?yōu)槔?，說明兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路的工作原理。 兩組晶閘管反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)的正組整流和反組逆變狀態(tài)R-+Ud0 fM+-nEVF-a)正組整流電動運行 a) 正組晶閘管裝置VF整流VF處于整流狀態(tài)：PId 此時， f 90，Ud0f E， n 0VR逆變處于狀態(tài)： 此時，r 90，E |Ud0r|， n 0

4、電機輸出電能實現(xiàn)回饋制動。 b) 反組晶閘管裝置VR逆變b) 兩組晶閘管反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)的反組逆變狀態(tài)+-+-Ud0rRMnEVR- 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)： V-M系統(tǒng)工作在第一象限。 逆變狀態(tài)： V-M系統(tǒng)工作在第二象限。（4） V-M系統(tǒng)的四象限運行 在可逆調速系統(tǒng)中，正轉運行時可利用反組晶閘管實現(xiàn)回饋制動，反轉運行時同樣可以利用正組晶閘管實現(xiàn)回饋制動。這樣，采用兩組晶閘管裝置的反并聯(lián)，就可實現(xiàn)電動機的四象限運行。 反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流 MVR VFUd0f+-+Ud0rRrecRrecRa- V-M可逆系

5、統(tǒng)主電路結構Id 反并聯(lián)的晶閘管裝置的其他應用l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。 l 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 可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流（1） 環(huán)流及其種類環(huán)流的定義： 采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)中，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。 反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流 MVR VFUd0f+-+Ud0rRrecRrecRa- 環(huán)流IdIcIc 環(huán)流Id 負載

6、電流 環(huán)流的利弊危害：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。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，會出現(xiàn)下列不同性質的環(huán)流： A 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：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。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

7、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)）B 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。3 直流平均環(huán)流的抑制-配合控制 MVR VFUd0f+-+_Ud0rRrecRrecRa- Ud0f = Ud0 max cosf Ud0f = Ud0 max cosr （1）什么是配合控制?整流逆變根據(jù)控制角的不同,會出現(xiàn)三種情況: fUd0r,電路中會出現(xiàn)直流平均環(huán)流. f=r,則Ud0f=Ud0r,電路中不會出現(xiàn)直流平均環(huán)流. fr,則Ud0fUd0r,電路中不會出現(xiàn)直流平均環(huán)流. Ud0f

8、= Ud0 max cosf Ud0f = Ud0 max cos r結論:,電路有直流平均環(huán)流.,無直流平均環(huán)流.(抑制環(huán)流)當剛好滿足=時,稱為配合控制.此控制方法可以抑止平均環(huán)流. （2）配合控制方法的實現(xiàn) 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)。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。 = 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-1ARGTRGTRUcRa

9、M（3） = 配合控制電路 配合控制移相特性 - UcmUc90o rmin180o 0oUcm90o0o 180o fmin fmin rmin r fCTRCTFUc1（4） = 配合控制特性（5） = 控制的工作狀態(tài)待逆變狀態(tài) 實際上，這時逆變組除環(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。 MVR VFUd0f+-+Ud0rRrecRrecRa- MVR VFUd0f+-+Ud0rRrecRrecRa-（5） = 控制的工作狀態(tài)（續(xù)）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

10、整流狀態(tài)”。 所以，在 = 配合控制下，負載電流可以平滑過渡，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)。（5） = 控制的工作狀態(tài)（續(xù)）4 瞬時脈動環(huán)流及其抑制（1） 瞬時的脈動環(huán)流產(chǎn)生的原因： 采用配合控制已經(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，造成整流與逆變電壓波形上的差異，仍會出現(xiàn)瞬時電壓的情況，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，因此配合控制有環(huán)流可逆系統(tǒng)又稱作自然環(huán)流系統(tǒng)。（2）瞬時脈動環(huán)流產(chǎn)生情況 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。 現(xiàn)以 f = r = 60為例，分析三相零式反并聯(lián)可逆線路

11、產(chǎn)生瞬時脈動環(huán)流的情況. 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 a) 三相零式可逆線路和瞬時脈動環(huán)流回路 - 三相零式反并聯(lián)可逆線路IdIcp 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 tp2pUd0rw tIcpicpudaf ud0fw tabca0p2pUd0f0arud0（3）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，或稱均衡電抗器，用Lc表示. 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

12、載額定電流的5%10%來設計。 環(huán)流電抗器的設置 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 a) 三相零式可逆線路和瞬時脈動環(huán)流回路 -環(huán)流電抗器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)流電抗器的設置（續(xù)）注意： = 配合控制系統(tǒng)也稱為有環(huán)流可逆系統(tǒng)4.1.2 V-M可逆調速系統(tǒng)的控制（1）系統(tǒng)組成 MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-1. = 配合控制（2） 系統(tǒng)的工作原理分析要點 根據(jù)可逆系統(tǒng)正反向運行的需要

13、，給定電壓、轉速反饋電壓、電流反饋電壓都應該能夠反映正和負的極性。 n給定電壓：正轉時，KF閉合， U*n=“+”； 反轉時，KR閉合， U*n=“-”。n轉速反饋：正轉時， Un=“-”， 反轉時， Un=“+”。電流給定與反饋電壓：正轉時， Ui =“-” ，Ui =“+”；反轉時， Ui =“+” ，Ui =“-”。 注意：由于電流反饋應能反映極性，因此圖中的電流互感器需采用直流電流互感器或霍爾變換器，以滿足這一要求。轉速調節(jié)器ASR控制轉速，設置雙向輸出限幅電路，以限制最大起制動電流；電流調節(jié)器ACR控制電流，設置雙向輸出限幅電路，以限制最小控制角 min 與最小逆變角 min 。 （

14、1） 什么是邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)? 當一組晶閘管工作時，用邏輯電路封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖（或采用觸點控制方式），使它完全處于阻斷的狀態(tài)2. 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)（2）系統(tǒng)的原理圖 ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR邏輯控制器 邏輯選觸無環(huán)流可逆系統(tǒng)邏輯選觸無環(huán)流可逆系統(tǒng) 無環(huán)流邏輯控制器任務是：在正組晶閘管VF工作時封鎖反組脈沖，在反組晶閘管VR工作時封鎖正組脈沖。兩組一定不能同時開放。 通常采用數(shù)字邏輯電路，使其輸出信號Ublf和Ublr以“0”和“1”的數(shù)字信號形式來執(zhí)行

15、封鎖與開放的作用 究竟是用“1”還是用“0”去封鎖觸發(fā)脈沖，取決于觸發(fā)電路中晶體管的類型對于NPN型的，“0”表示封鎖，“1”表示開放PNP型的則相反 以NPN型講解（3） 可逆系統(tǒng)對無環(huán)流邏輯控制器的要求Ui在某種程度上就反映了電樞電流的方向，因此將Ui作為DLC的一個控制信號但是Ui并不完全反映了電樞電流的方向，只有當某一方向上的電流真正降為零，DLC才能相應動作，因此還必須有零電流檢測器，將其輸出作為DLC的又一控制信號 用什么作為DLC的控制信號? ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0

16、LdAR封鎖延時、開放延時是為了確保轉換順利進行并避免兩組同時導通 聯(lián)鎖保護確保兩組晶閘管的觸發(fā)脈沖不能同時開放 封鎖延時(td1)和開放延時(td2)兩組晶閘管進行切換的充分必要條件是，電流給定信號Ui改變極性和零電流檢測器發(fā)出零電流信號切換指令發(fā)出以后，必須經(jīng)過封鎖延時td1才能封鎖原導通組脈沖，又必須經(jīng)過開放延時td2后才能開放另一組脈沖在任何情況下，兩組晶閘管的觸發(fā)脈沖決不允許同時開放v對無環(huán)流邏輯控制器(DLC)的要求可總結如下：（4） 無環(huán)流邏輯控制器的組成原理解釋：邏輯判斷關系UTUzUFURUTUzUFUR111001011010000100101001 邏輯判斷真值表 邏輯代

17、數(shù)式UT：“1”表示正向轉矩“”表示反向轉矩UZ：“1”表示電流為零，“”表示電流不為零v軟件邏輯控制NNYY+ - - - -+Id有環(huán)流系統(tǒng)正向運行過程MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-Pn(1) 正向運行過程分析4.1.3 V-M系統(tǒng)制動過程分析 = 配合控制情況下： 整個制動過程可以分為兩個主要階段，其中還有一些子階段。主要階段分為： I. 本組逆變階段； II.它組制動階段。 現(xiàn)以正向制動為例，說明可逆調速系統(tǒng)的制動過程。 MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU

18、*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-+ - - - -+Id 0+-+-I. 本組逆變階段逆變待整流此過程時間很短，電流迅速下降，轉速變化不明顯。1 發(fā)出停車指令后，進入電動機制動過程中的正向電流衰減階段：Un*(=0) Un(-) Ui*(=U*im) Uc(=-Ucm)2 本組VF組由整流狀態(tài)很快變成f=min的逆變狀態(tài)，它組VR組由待逆變狀態(tài)轉變成待整流狀態(tài)。電動機反電動勢E極性未變，迫使Id迅速下降，主電路電感迅速釋放儲能，企圖維持正向電流，+ -MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA

19、LdUcKFKR+-+ - - - -+0+-+Id-l 它組整流階段II 它組制動階段整流待逆變此過程對應電流由0上升到最大值。1 當主電路電流下降過零時，本組逆變終止，第階段結束，轉到它組VR工作，開始通過它組制動。 2 當 時，它組VR由“待整流”進入整流，向主電路提供-Id。本組VF由“逆變”進入待逆變。 rdfddUUEtIL00dd3 在它組整流電壓Udor和反電動勢E的同極性的情況下，反向電流很快增長，電機處于反接制動狀態(tài)，稱作 “它組反接制動階段”。+ -MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUcKF

20、KR+-+ - - - -+0+-+ Id+-+-l它組逆變子階段逆變待整流在最大電流作用下減速，時間最長。1 ACR調節(jié)器退飽和的唯一途徑是反向電流Idm的超調，此超調表示了制動軌跡圖中的電動機恒值電流制動階段的開始：2 ACR的控制目標是維持Id= Idm 。由于ACR是型系統(tǒng)，電流調節(jié)系統(tǒng)的擾動是電動機的反電動勢，它是一個線性漸減的擾動量，所以系統(tǒng)做不到無靜差，而是接近于 -Idm 。3 電動機在恒減速條件下回饋制動，把屬于機械能的動能轉換成電能，其中大部分通過VR逆變回饋電網(wǎng)，稱作“它組逆變階段”或“它組回饋制動階段”。+ -MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-Un

21、UiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUcKFKR+-+ - - - -+0+-+ Id+-+-000+000-逆變電流下降為0，轉速降為為0，制動結束。tttOOOId n Uc 制動過程系統(tǒng)響應曲線制動過程系統(tǒng)響應曲線I II1II2II3-Idm IdL -Ucm E （3）反向起動過程 如果需要在制動后緊接著反轉，Id = -Idm的過程就會延續(xù)下去，直到反向轉速穩(wěn)定時為止。 由于正轉制動和反轉起動的過程完全銜接起來，沒有間斷或死區(qū)，這是有環(huán)流可逆調速系統(tǒng)的優(yōu)點，適用于要求快速正反轉的系統(tǒng)。IdL Id n Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 ttIVVV

22、It5 t6 -Idm -IdL n* -n* 有環(huán)流系統(tǒng)可逆運行曲線（完整）有環(huán)流系統(tǒng)可逆運行曲線（完整）IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt-n* IVVVIt5 t6 -Idm -IdL 電流換向死區(qū)n 無環(huán)流系統(tǒng)可逆運行曲線DLC控制情況下：正轉制動和反轉起動完全銜接，過渡平滑，速度快。 = 配合控制消除了直流平均環(huán)流。瞬時環(huán)流自然存在，需引進Lc抑制，對大容量系統(tǒng)而言不利。u = 配合控制系統(tǒng)(有環(huán)流可逆系統(tǒng))特點總結：優(yōu)點：v省去環(huán)流電抗器，沒有附加的環(huán)流損耗；v節(jié)省變壓器和晶閘管裝置等設備的容量；v降低因換流失敗而造成的事故。u邏輯無環(huán)流系

23、統(tǒng)特點總結:n缺點：v 由于延時造成了電流換向死區(qū)，影響過渡過程的快速性。重點：理解環(huán)流的概念及抑制措施。掌握有環(huán)流系統(tǒng)的配合控制方法及運行過程分析。理解邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的結構及原理。DLC的主要作用及需要實現(xiàn)的功能。理解可逆系統(tǒng)的制動原理。PWM系統(tǒng)與V-M系統(tǒng)比較,優(yōu)越性在于: 主線路接線簡單 開關頻率高,電流容易連續(xù),諧波少,電機損耗和發(fā)熱都小. 低速性能好,穩(wěn)速精度高,因而調速范圍寬. 快速響應性能好,動態(tài)抗擾能力強.裝置效率高. 直流電源采用不控三相整流時,電網(wǎng)功率因數(shù)高.4.2 PWM可逆調速系統(tǒng) 1PWM變換器4.2.1 脈寬調制變換器（PWM控制原理）不可逆可逆單極式雙極式脈寬調

24、制變換器是采用脈沖寬度調制的一種直流斬波器。（將一種直流變成另外可調的直流） 2PWM變換器的分類 l 橋式可逆橋式可逆PWM變換器變換器橋式可逆橋式可逆PWM變換器電路變換器電路圖4-3 雙極式控制可逆PWM變換器的驅動電壓、輸出電壓和電流波形3241ggggUUUU在一個開關周期內，n當0tton時，UAB=US，電樞電流id沿回路1流通；n當tont1/2時，為正，電動機正轉；當1/2時， 為負，電動機反轉；當=1/2時， =0，電動機停止。 sonsonsondUTtUTtTUTtU) 12(12雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電動機在四象限運

25、行；（3）電動機停止時有微振電流，能消除靜磨擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍大；（5）低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。雙極式控制方式的不足之處是： 在工作過程中，4個開關器件可能都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時。延時仍可采用與非門接R,C來實現(xiàn),設置邏輯延時后輸出脈沖信號波形如下: 延時時間t1d要大于晶體管的存儲時間.4.2.2 脈寬調速系統(tǒng)的控制電路雙閉環(huán)脈寬調速系統(tǒng)的原理框圖如下: 晶體管PWM變換器僅是把已有的PWM信號拿來使用,并不改變信號的性質,而

26、由GTR構成的脈寬調速系統(tǒng)還必須具備相應的控制電路,通過控制電路的調節(jié)才能真正起到調速的作用.調制波發(fā)生器脈寬調制器邏輯延時驅動器限流保護 (1) 脈寬調制器 脈寬調制器是控制電路的核心,它將輸入直流信號轉換成與之成比例的方波信號,以便于對晶體管進行控制.1 脈寬調制器(2) 電路結構調制波信號偏置信號控制信號運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)，當輸入電壓極性改變時，輸出電壓就在正、負飽和值之間變化，這樣就完成了把連續(xù)電壓變成脈沖電壓的轉換作用。 (3) 輸入信號介紹調制波可以是鋸齒波,可以是三角波等,這里以鋸齒波為例.Uc是控制電壓,其大小和極性均可變.Ub是偏置電壓,一般當Uc等于0時,保證輸出電壓正負半周寬度相等.放大器的輸入應該是三個信號的疊加.(4) 工作原理工作原理( (波形分析波形分