第4章可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

1、電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng) 運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)第第4章章 可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)內(nèi) 容 提 要n直流PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng) nV-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng) n弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng) n電動機(jī)除電動轉(zhuǎn)矩外還須產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械快速的減速、停車與正反向運(yùn)行等功能。n在轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的坐標(biāo)系上，就是四象限運(yùn)行的功能。n這樣的調(diào)速系統(tǒng)需要正反轉(zhuǎn)，故稱可逆調(diào)速系統(tǒng)。圖4-1 調(diào)速系統(tǒng)的四象限運(yùn)行問題的提出問題的提出可逆線路可逆線路 根據(jù)電機(jī)理論，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(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。 常用的可逆系統(tǒng)有：

2、PWM系統(tǒng)和VM系統(tǒng) 可逆線路有兩種方式：l電樞反接可逆線路l勵磁反接可逆線路電樞反接可逆線路 電樞反接可逆線路的形式有多種：（1）接觸器開關(guān)切換的可逆線路（2）晶閘管開關(guān)切換的可逆線路（3）兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路（1） 接觸器開關(guān)切換的可逆線路 KMF閉合，電動機(jī)正轉(zhuǎn)； KMR閉合，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。Ud+IdIdM（2）晶閘管開關(guān)切換的可逆線路 VT1、VT4導(dǎo)通，電動機(jī)正轉(zhuǎn)； VT2、VT3導(dǎo)通，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。Ud+IdIdMVT1VT2VT3VT4（3）兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路a) 電路結(jié)構(gòu)MVRVFId-Id+-+-Idb) 運(yùn)行范圍- n-IdnO正向反向4.1 直流PWM可逆調(diào)

3、速系統(tǒng)nPWM變換器電路有多種形式，可分為不可逆與可逆兩大類。n有一種帶制動電流通路的不可逆PWM-直流電動機(jī)系統(tǒng)，其電流能夠反向。之所以不可逆是因?yàn)槠骄妷菏冀K大于零，因而轉(zhuǎn)速不能反向。n如果要求轉(zhuǎn)速反向，需要改變PWM變換器輸出電壓的正負(fù)極性，使得直流電動機(jī)可以在四象限中運(yùn)行，由此構(gòu)成了可逆的PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)。4.1.1 橋式可逆PWM變換器圖4-2橋式可逆PWM變換器電路圖4-3 雙極式控制可逆PWM變換器的驅(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形3241ggggUUUU-在一個開關(guān)周期內(nèi)，n當(dāng)0tton時，UAB=US，電樞電流id沿回路1流通；n當(dāng)tont1/2時，為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；

4、當(dāng) |Ud0r|， n 0n電機(jī)輸出電能實(shí)現(xiàn)回饋制動。nV-M系統(tǒng)工作在第二象限。 圖4-9 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)(c)機(jī)械特性允許范圍n晶閘管裝置的平均理想空載輸出電壓Ud0為n定義逆變角=180-，則逆變電壓可改寫為n在晶閘管整流裝置反并聯(lián)可逆調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反向的過渡過程中，在電樞電流未反向前，電流只能在VF與電動機(jī)組成的回路中流通，VF組工作在整流狀態(tài) 。n當(dāng)電流過零開始反向時，VR組投入工作，以提供反向電樞電流的通路。電動機(jī)工作在回饋制動狀態(tài)，VR組工作在逆變狀態(tài)。 coscossinmax00dmdUmUmUcosmax00ddUU- （4-3）（4-

5、4） 2V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)中的環(huán)流問題n兩組晶閘管整流裝置同時工作時，便會產(chǎn)生不流過負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作。n一般地說，環(huán)流對系統(tǒng)無益，徒然加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗功率，環(huán)流太大時會導(dǎo)致晶閘管損壞，因此必須予以抑制或消除。 圖4-10 反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流Id負(fù)載電流 Ic環(huán)流 Rrec整流裝置內(nèi)阻 Ra電樞電阻環(huán)流的抑制n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(fù)相連，必然產(chǎn)生較大的直流平均環(huán)流。n應(yīng)該在正組處于整流狀態(tài)、Ud0f為正時，強(qiáng)迫讓反組處于逆變狀態(tài)，使Ud0r為負(fù)，且幅值與Ud0f相等，使逆變電壓Ud0r把整流電壓Ud

6、0f頂住，則直流平均環(huán)流為零。 fdrdUU00-n當(dāng)環(huán)流為零時，應(yīng)有 或 （4-5）n如果反組的控制角用逆變角表示，則 （4-6）n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 （4-7）fdfdUUcosmax00rdrdUUcosmax00frcoscos-180frrf環(huán)流的抑制n為了實(shí)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。n當(dāng)控制電壓 Uc= 0 時，使 f = r = 90，此時 Ud0f = Ud0r = 0 ，電機(jī)處于停止?fàn)顟B(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。環(huán)流的抑制圖4-11 配合控制電路GTF正

7、組觸發(fā)裝置 GTR反組觸發(fā)裝置 AR反號器MVRVFRrecRrec-1ARGTRGTFUcRaM = 配合控制電路圖4-12 =配合控制特性n當(dāng)控制電壓Uc=0時，f和r都調(diào)整在90。n在正轉(zhuǎn)過程中始終保持f= r ，反轉(zhuǎn)時應(yīng)保持f= r 。n為了防止出現(xiàn)“逆變顛覆” ，必須形成最小逆變角min保護(hù)。通常取min= min=30 。 4.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制1配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng) n在采用=配合控制以后，消除了直流平均環(huán)流，但這只是就電壓的平均值而言的。n由于整流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)生環(huán)流，這類因?yàn)樗矔r的電

8、壓差而產(chǎn)生的環(huán)流被稱為瞬時脈動環(huán)流。n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，以下分析三相零式反并聯(lián)可逆線路的情況 。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（ ）(a)三相零式可逆線路和瞬時脈動環(huán)流回路 60rf 60ffdu0(b)時整流電壓波形 60r120rrdu0(c)(時逆變電壓波形 )0ducpi(d)瞬時電壓差和瞬時脈動環(huán)流波形 瞬時脈動環(huán)流的抑制n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。n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。n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(fù)載額定電

9、流的5%10%來設(shè)計。n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(shè)置四個環(huán)流電抗器，另外還需要一個平波電抗器。待逆變狀態(tài)n在=配合控制下，負(fù)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(shí)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)。n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。實(shí)際上，這時逆變組除環(huán)流外并未流過負(fù)載電流，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。待整流狀態(tài)n只有在制動時，當(dāng)發(fā)出信號改變控制角后，同時降低了ud0f和ud0r的幅值，一旦電機(jī)

10、反電動勢E|ud0f|=|ud0r|，整流組電流將被截止，逆變組才真正投入逆變工作，使電機(jī)產(chǎn)生回饋制動，將電能通過逆變組回饋電網(wǎng)。n當(dāng)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)”。動態(tài)環(huán)流n直流平均環(huán)流和瞬時脈動環(huán)流都屬于靜態(tài)環(huán)流，是兩組可逆線路在一定控制角下穩(wěn)態(tài)工作時出現(xiàn)的環(huán)流。n還有一種動態(tài)環(huán)流，僅在可逆V-M系統(tǒng)處于過渡過程中可能出現(xiàn)。 圖4-14 配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)原理框圖環(huán)流電抗器 平波電抗器 = 配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+

11、-正向運(yùn)行過程系統(tǒng)狀態(tài)+ - - - -+Id有環(huán)流系統(tǒng)正向運(yùn)行過程MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-Pn2邏輯控制的無環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)n邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng):當(dāng)可逆系統(tǒng)中一組晶閘管工作時（不論是整流工作還是逆變工作），用邏輯關(guān)系控制使另一組處于完全封鎖狀態(tài)，徹底斷開環(huán)流的通路，確保兩組晶閘管不同時工作。n被封鎖那組整流裝置的移相觸發(fā)環(huán)節(jié)應(yīng)有配合控制所對應(yīng)的輸入控制信號，但其輸出觸發(fā)脈沖通過邏輯控制作用予以封鎖，可以認(rèn)為是移相觸發(fā)環(huán)節(jié)處于“待工作”狀態(tài)，可根據(jù)需要隨時送

12、出必要的脈沖信號。邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4-15 邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR-+ZC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)n主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線路。n由于沒有環(huán)流，不用設(shè)置環(huán)流電抗器。n仍保留平波電抗器 Ld ，以保證穩(wěn)定運(yùn)行時電流波形連續(xù)。n控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)方案。n電流環(huán)分設(shè)兩個電流調(diào)節(jié)器，1ACR用來控制正組觸發(fā)裝置GTF，2ACR控制反組觸發(fā)裝置GTR。n1ACR的給定信號經(jīng)反號器AR作為2ACR的給定信號，可以采用不反映極性的電流

13、檢測方法。n新增的關(guān)鍵部件是無環(huán)邏輯控制環(huán)節(jié)DLC，它按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)，指揮系統(tǒng)進(jìn)行正、反組的自動切換。 正向運(yùn)行過程系統(tǒng)狀態(tài) ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR+-+-+-+- ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR-+-反向運(yùn)行過程系統(tǒng)狀態(tài)邏輯切換的必要條件 （信號的選?。┑谝粋€信號：第一個信號：nASR的輸出信號Ui*代表了轉(zhuǎn)矩方向n反轉(zhuǎn)運(yùn)行和正轉(zhuǎn)制動都需要電機(jī)產(chǎn)生負(fù)的

14、轉(zhuǎn)矩，正轉(zhuǎn)運(yùn)行和反轉(zhuǎn)制動都需要電機(jī)產(chǎn)生正的轉(zhuǎn)矩nUi*的極性恰好反映了電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方向的變化n采用Ui*作為邏輯控制環(huán)節(jié)的一個輸入信號，稱作“轉(zhuǎn)矩極性鑒別信號” 問題：用 Un*代替Ui*行不行？邏輯切換的充分條件 第二個信號：第二個信號：nUi*的極性已發(fā)生變化，表示了系統(tǒng)期望的轉(zhuǎn)矩極性。n在實(shí)際電流方向還未改變之前，仍須保持原先的開放和封鎖組別。n邏輯切換轉(zhuǎn)折點(diǎn)的特征是電流降低到零。因此要把電流到零信號作為邏輯控制環(huán)節(jié)的第二個輸入信號，稱作“零電流檢測信號”。n由于主電流的實(shí)際波形是脈動的，如果脈動的主電流瞬時低于I0就立即發(fā)出零電流數(shù)字信號，實(shí)際上電流仍在連續(xù)地變化，突然封鎖觸發(fā)脈沖將產(chǎn)

15、生逆變顛覆。 n在檢測到零電流信號后等待一段時間，若仍不見主電流再超過I0 ，說明電流確已終止，再封鎖本組脈沖。n封鎖延時tabl 大約需要半個到一個脈波的時間。n在封鎖觸發(fā)脈沖后，已導(dǎo)通的晶閘管要過一段時間后才能關(guān)斷，再過一段時間才能恢復(fù)阻斷能力。如果在此以前就開放它組脈沖，仍有可能造成兩組晶閘管同時導(dǎo)通，產(chǎn)生環(huán)流。 n開放延時時間 tdt ，一般應(yīng)大于一個波頭的時間。延時電路的設(shè)置n在邏輯控制環(huán)節(jié)的兩個輸出信號ublf和ublr之間必須有互相聯(lián)鎖的保護(hù)，決不允許出現(xiàn)兩組脈沖同時開放的狀態(tài)。n現(xiàn)在的邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)大多已經(jīng)用微機(jī)數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)。 圖4-16邏輯控制切換程序的流程圖數(shù)字

16、控制邏輯模擬控制邏輯電平電平檢測檢測邏輯邏輯判斷判斷延時延時電路電路連鎖連鎖保護(hù)保護(hù)Ui0U*iUblfUblr邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的其他方案 在圖4-15的邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，采用了兩個電流調(diào)節(jié)器和兩套觸發(fā)裝置分別控制正、反組晶閘管。實(shí)際上任何時刻都只有一組晶閘管在工作，另一組由于脈沖被封鎖而處于阻斷狀態(tài)，這時它的電流調(diào)節(jié)器和觸發(fā)裝置都是等待狀態(tài)。采用模擬控制時，可以利用電子模擬開關(guān)選擇一套電流調(diào)節(jié)器和觸發(fā)裝置工作，另一套裝置就可以節(jié)省下來了。 邏輯選觸無環(huán)流可逆系統(tǒng) 4.2.3 轉(zhuǎn)速反向（制動）的過渡過程分析圖4-4 在坐標(biāo)系上表示的電動機(jī)反向軌跡系統(tǒng)制動過程的三個階段： (1) 本組

17、逆變階段：從a點(diǎn)到b點(diǎn)，電動機(jī)正向電流衰減階段，VF組工作； (2) 它組整流階段：從b點(diǎn)到c點(diǎn)，電動機(jī)反向電流建立階段，VR組工作； (3) 它組逆變階段：從c點(diǎn)到d點(diǎn) ，電動機(jī)恒值電流制動階段，VR組工作。 如果是反向起動，則從d點(diǎn)開始又一次地進(jìn)入起動過程。 圖4-17 配合控制有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)正向制動過渡過程波形 1. 本組逆變階段(圖4-17中的階段 )n在正向制動過程以前，電動機(jī)是處于正向電動穩(wěn)定工作狀態(tài)，對照圖4-14，由于ASR、ACR調(diào)節(jié)器的倒相作用，所以圖中參數(shù)的極性為：Un*(+) Ui*(-) Uc (+) 。nVF組是工作在整流狀態(tài)，稱它為本組；nVR組是工作在待

18、逆變狀態(tài)，稱它為它組。n發(fā)出停車指令后，進(jìn)入電動機(jī)制動過程中的正向電流衰減階段：Un*(=0) Un(-) Ui*(=U*im) Uc(=-Ucm) n本組VF組由整流狀態(tài)很快變成f=min的逆變狀態(tài)，n它組VR組由待逆變狀態(tài)轉(zhuǎn)變成待整流狀態(tài)。n電動機(jī)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，n大部分能量通過本組回饋電網(wǎng)，所以稱作“本組逆變階段”。 rdfddUUEtIL00dd-本組逆變過程系統(tǒng)狀態(tài)MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-+ - - - -+Id0+

19、-+-2它組整流階段（圖4-17中的階段 ）n當(dāng)主電路電流下降過零時，本組逆變終止，第階段結(jié)束，轉(zhuǎn)到它組VR工作，開始通過它組制動。n當(dāng) 時，它組VR由“待整流”進(jìn)入整流，向主電路提供-Id。本組VF由“逆變”進(jìn)入待逆變。 n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(jī)處于反接制動狀態(tài)，稱作 “它組反接制動階段”。rdfddUUEtIL00dd-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（圖4-17中的

20、階段 ）nACR調(diào)節(jié)器退飽和的唯一途徑是反向電流Idm的超調(diào)，此超調(diào)表示了制動軌跡圖中的電動機(jī)恒值電流制動階段的開始：nACR的控制目標(biāo)是維持Id= Idm 。由于ACR是型系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)的擾動是電動機(jī)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 。 n電動機(jī)在恒減速條件下回饋制動，把屬于機(jī)械能的動能轉(zhuǎn)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”。n“它組反接制動階段”和“它組逆變階段”都是反組VR工作，直到制動結(jié)束，總稱它們?yōu)椤八M制動階段”。n最后，轉(zhuǎn)速下降得很低，并略有反轉(zhuǎn)，ASR開始退飽和。于是，電流減小，

21、電動機(jī)隨即停止。n如果需要在制動后緊接著反轉(zhuǎn)，Id=-Idm的過程就會延續(xù)下去，直到反向轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時為止。 它組回饋制動過程系統(tǒng)狀態(tài)+ -MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUcKFKR+-+ - - - -+0+-+ Id+-+- -+ -MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUcKFKR+-+ - - - -+0+-+ Id+-+-0000000- 反向減流過程系統(tǒng)狀態(tài)tttOOOId n Uc 制動過程系統(tǒng)響應(yīng)曲線I IIIII-Id

22、m IdL -Ucm E =配合控制有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)正向制動過渡過程波形反向起動 如果需要在制動后緊接著反轉(zhuǎn)， Id = -Idm的過程就會延續(xù)下去，直到反向轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時為止。 由于正轉(zhuǎn)制動和反轉(zhuǎn)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(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，適用于要求快速正反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-+ - - - -+Id0+-+反向起動過程系統(tǒng)狀態(tài)Id-+-+-00-+-+-+-IdL Id n Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 ttIVVVIt5 t6 -Idm -IdL n* -n* 有環(huán)流系統(tǒng)可逆運(yùn)行曲線無環(huán)流系統(tǒng)可逆運(yùn)行曲線IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt-n* IVVVIt5 t6 -Idm -IdL 電流換向死區(qū)4.3 弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)n變電樞電壓方法是從基速（即額定轉(zhuǎn)速）向下調(diào)速。在變壓調(diào)速范圍內(nèi)，因?yàn)閯畲糯磐ú蛔?，電磁轉(zhuǎn)矩Te=KmId，允許的轉(zhuǎn)矩也不會變，稱作“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式”。n降低勵磁電流以減弱磁通是從基速向上調(diào)速。在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，磁通越弱，容許的轉(zhuǎn)矩不得不減少，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積則不變，即