第4章可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

1、第第4章章 可逆控制和弱磁控制可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)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)n電動機(jī)除電動轉(zhuǎn)矩外電動機(jī)除電動轉(zhuǎn)矩外還須產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，還須產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械快速的實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械快速的減速、停車與正反向減速、停車與正反向運(yùn)行等功能。運(yùn)行等功能。n在轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的在轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的坐標(biāo)系上，就是四象坐標(biāo)系上，就是四象限運(yùn)行的功能，限運(yùn)行的功能，n這樣的調(diào)速系統(tǒng)需要這樣的調(diào)速系統(tǒng)需要正反轉(zhuǎn)，故稱可逆調(diào)正反轉(zhuǎn)，故稱可逆調(diào)速系統(tǒng)。速系統(tǒng)。圖4-1 調(diào)速系統(tǒng)的四象限運(yùn)行有制動電流通路的不可逆有制動電流通路的不可逆PWM電路電路請問：請

2、問：以下曾經(jīng)學(xué)過的哪個以下曾經(jīng)學(xué)過的哪個PWM電路可實(shí)現(xiàn)電機(jī)電路可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行？的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行？n下圖雖帶制動電流通路，且其電流能夠反向，但仍稱之為不可逆，原因?yàn)槠滢D(zhuǎn)速不轉(zhuǎn)速不能反向。能反向。4.1 直流PWM可逆調(diào)速系統(tǒng) n如果要求轉(zhuǎn)速反向，需要改變?nèi)绻筠D(zhuǎn)速反向，需要改變PWM變換器變換器輸出電壓的正負(fù)極性，使得直流電動機(jī)可輸出電壓的正負(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)成了可逆的以在四象限中運(yùn)行，由此構(gòu)成了可逆的PWM變換器變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)。直流電動機(jī)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速可反向的轉(zhuǎn)速可反向的為可逆系統(tǒng)為可逆系統(tǒng)轉(zhuǎn)速不可反向的轉(zhuǎn)速不可反向的為不可逆系統(tǒng)為不可逆系統(tǒng)4.1.1

3、 橋式可逆PWM變換器圖4-2橋式可逆PWM變換器電路n電流波形存在兩種情況。電流波形存在兩種情況。n電動機(jī)負(fù)載較重的情況時(shí)，負(fù)載電流電動機(jī)負(fù)載較重的情況時(shí)，負(fù)載電流id1大，在續(xù)流大，在續(xù)流階段電流仍維持正方向，電動機(jī)始終工作在第階段電流仍維持正方向，電動機(jī)始終工作在第象象限的電動狀態(tài)。限的電動狀態(tài)。n負(fù)載很輕時(shí)，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰負(fù)載很輕時(shí)，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，于是二極管終止續(xù)流，而反向開關(guān)器件導(dǎo)減到零，于是二極管終止續(xù)流，而反向開關(guān)器件導(dǎo)通，電樞電流反向，電動機(jī)處于制動狀態(tài)。通，電樞電流反向，電動機(jī)處于制動狀態(tài)。 id2電電流中的線段流中的線段3和和4是

4、工作在第是工作在第象限的制動狀態(tài)。象限的制動狀態(tài)。n電樞電流的方向決定了電流是經(jīng)過續(xù)流二極管還是電樞電流的方向決定了電流是經(jīng)過續(xù)流二極管還是經(jīng)過開關(guān)器件流動經(jīng)過開關(guān)器件流動。 n雙極式控制可逆雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為變換器的輸出平均電壓為n占空比占空比和電壓系數(shù)和電壓系數(shù)的關(guān)系為的關(guān)系為 n當(dāng)當(dāng)1/2時(shí)，時(shí)，為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)1/2時(shí)，時(shí)， 為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)=1/2時(shí)，時(shí)， =0，電動機(jī)，電動機(jī)停止。停止。 sonsonsondUTtUTtTUTtU) 12(12（4-1） （4-2） n雙極式控制的橋式可逆雙極式控制的橋式可逆P

5、WM變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）電流一定連續(xù)；）電流一定連續(xù)；（2）可使電動機(jī)在四象限運(yùn)行；）可使電動機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）電動機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜磨擦死區(qū)；）電動機(jī)停止時(shí)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(diào)速范圍大；）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍大；（5）低速時(shí)，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利）低速時(shí)，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。于保證器件的可靠導(dǎo)通。n雙極式控制方式的不足之處是：雙極式控制方式的不足之處是： 在工作過程中，在工作過程中，4個開關(guān)器件可能都個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換處于開關(guān)狀

6、態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了時(shí)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(qū)動脈沖之間，防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。4.1.2 直流PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反向的過渡過程na點(diǎn)過渡到點(diǎn)過渡到b點(diǎn)，點(diǎn)，Id從正向從正向IdL降降低為零。低為零。n b點(diǎn)過渡到點(diǎn)過渡到c點(diǎn)點(diǎn) ， Id從零反向從零反向上升到允許的制動電流上升到允許的制動電流-Idm 。nc點(diǎn)過渡到點(diǎn)過渡到d點(diǎn)點(diǎn) ，回饋制動狀態(tài)，回饋制動狀態(tài)，轉(zhuǎn)速將減速到轉(zhuǎn)速將減速到0 。nd點(diǎn)過渡到點(diǎn)過渡到e點(diǎn)點(diǎn) ，反向起動狀，反向起動狀態(tài)態(tài) ,轉(zhuǎn)速要超調(diào)，

7、轉(zhuǎn)速環(huán)退飽轉(zhuǎn)速要超調(diào)，轉(zhuǎn)速環(huán)退飽和和 。n在在f點(diǎn)穩(wěn)定工作，電樞電流與負(fù)點(diǎn)穩(wěn)定工作，電樞電流與負(fù)載電流載電流-IdL相等。相等。圖4-4 在坐標(biāo)系上表示的電動機(jī)反向軌跡4.1.3 直流PWM功率變換器的能量回饋圖4-5橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖整流器 H型橋式PWM變換器 放電電阻 濾波大電容n當(dāng)可逆系統(tǒng)進(jìn)入制動狀態(tài)時(shí)，直流PWM功率變換器把機(jī)械能變?yōu)殡娔芑仞伒街绷鱾?cè)，n由于二極管整流器導(dǎo)電的單向性，電能不可能通過整流器送回交流電網(wǎng)，只能向?yàn)V波電容充電，使電容兩端電壓升高，稱作泵升電壓。n在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來限制泵升電壓，n當(dāng)PWM控制器檢測到泵升電

8、壓高于規(guī)定值時(shí)，開關(guān)器件VTb導(dǎo)通，使制動過程中多余的動能以銅耗的形式消耗在放電電阻中。n如果在大容量的調(diào)速系統(tǒng)中希望實(shí)現(xiàn)電能回饋到交流電網(wǎng)，以取得更好的制動效果并且節(jié)能，可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的電能逆變后回饋電網(wǎng)。n在突加交流電源時(shí)，大電容量濾波電容C相當(dāng)于短路，會產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管。為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流電阻。n合上電源后，經(jīng)過延時(shí)或當(dāng)直流電壓達(dá)到一定值時(shí)，閉合接觸器觸點(diǎn)K把電阻短路，以免在運(yùn)行中造成附加損耗。4.1.4 單片微機(jī)控制的單片微機(jī)控制的PWM可逆直流可逆直流 調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)n三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換三相

9、交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流流PWM變換器得到可調(diào)的直流電變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動機(jī)供電。壓，給直流電動機(jī)供電。n檢測回路包括電壓、電流、溫度和檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測，轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速。轉(zhuǎn)速檢測，轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速。n微機(jī)控制具備故障檢測功能，對電微機(jī)控制具備故障檢測功能，對電壓、電流、溫度等信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)壓、電流、溫度等信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和報(bào)警。測和報(bào)警。n一般選用專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的單片一般選用專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的單片微機(jī)，配以顯示、鍵盤等外圍電路，微機(jī)，配以顯示、鍵盤等外圍電路，通過通信接口與上位機(jī)或其他

10、外設(shè)通過通信接口與上位機(jī)或其他外設(shè)交換數(shù)據(jù)。交換數(shù)據(jù)。 n控制軟件一般采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，電流控制軟件一般采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，內(nèi)環(huán)的采樣周期小于環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，內(nèi)環(huán)的采樣周期小于外環(huán)的采樣周期。外環(huán)的采樣周期。n無論是電流采樣值還是轉(zhuǎn)速采樣值都含有擾動，無論是電流采樣值還是轉(zhuǎn)速采樣值都含有擾動，常采用阻容電路濾波，但濾波時(shí)間常數(shù)太大時(shí)會常采用阻容電路濾波，但濾波時(shí)間常數(shù)太大時(shí)會延緩動態(tài)響應(yīng)，為此可采用硬件濾波與軟件濾波延緩動態(tài)響應(yīng)，為此可采用硬件濾波與軟件濾波相結(jié)合的辦法。相結(jié)合的辦法。n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器ACR大

11、多采用大多采用PI調(diào)調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)對動態(tài)性能要求較高時(shí)，還可以采用節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)對動態(tài)性能要求較高時(shí)，還可以采用各種非線性和智能化的控制算法，使調(diào)節(jié)器能夠各種非線性和智能化的控制算法，使調(diào)節(jié)器能夠更好地適應(yīng)控制對象。更好地適應(yīng)控制對象。4.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)1V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主回可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主回路結(jié)構(gòu)路結(jié)構(gòu)n對于拖動位能性負(fù)載的起重機(jī)而言，對于拖動位能性負(fù)載的起重機(jī)而言，采用單組晶閘管裝置就能實(shí)現(xiàn)重物采用單組晶閘管裝置就能實(shí)現(xiàn)重物的提升和下放。的提升和下放。n當(dāng)當(dāng)E（E為電動機(jī)反電動勢），輸出整為電動機(jī)反電動勢），輸出整流電流流電流Id，電動機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩作，電動機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩

12、作電動運(yùn)行，提升重物，這時(shí)電能從電動運(yùn)行，提升重物，這時(shí)電能從交流電網(wǎng)經(jīng)晶閘管裝置傳送給電動交流電網(wǎng)經(jīng)晶閘管裝置傳送給電動機(jī)，機(jī)，V-M系統(tǒng)運(yùn)行于第系統(tǒng)運(yùn)行于第象限。象限。 4.2.1 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主回路及環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主回路及環(huán)流n90，Ud0為負(fù)，晶閘管裝置本身為負(fù)，晶閘管裝置本身不能輸出電流，電機(jī)不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩提不能輸出電流，電機(jī)不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩提升重物，只有靠重物本身的重量下降，升重物，只有靠重物本身的重量下降，迫使電機(jī)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生反向的電動勢迫使電機(jī)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生反向的電動勢-E。n當(dāng)當(dāng)|E|Ud0|時(shí)，產(chǎn)生時(shí)，產(chǎn)生Id，因而產(chǎn)生與提，因而產(chǎn)生與提升重物同方向的轉(zhuǎn)矩，起制動作

13、用，升重物同方向的轉(zhuǎn)矩，起制動作用，使重物平穩(wěn)下降。使重物平穩(wěn)下降。n電動機(jī)處于反轉(zhuǎn)制動狀態(tài)，成為受重電動機(jī)處于反轉(zhuǎn)制動狀態(tài)，成為受重物拖動的發(fā)電機(jī)，將重物的位能轉(zhuǎn)化物拖動的發(fā)電機(jī)，將重物的位能轉(zhuǎn)化成電能，通過晶閘管裝置成電能，通過晶閘管裝置V回饋給電回饋給電網(wǎng)，網(wǎng)，V則工作于有源逆變狀態(tài)，則工作于有源逆變狀態(tài)，V-M系統(tǒng)運(yùn)行于第系統(tǒng)運(yùn)行于第象限。象限。 n對于需要電流反向的直流電動機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)，必對于需要電流反向的直流電動機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)，必須使用兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)線路來實(shí)現(xiàn)可逆須使用兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)線路來實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)速。調(diào)速。n電動機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，由正組晶閘管裝置電動機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，由正組

14、晶閘管裝置VF供電；供電；n反轉(zhuǎn)時(shí)，由反組晶閘管裝置反轉(zhuǎn)時(shí)，由反組晶閘管裝置VR供電。供電。 圖4-8兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路正組晶閘管裝置VF整流狀態(tài)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)(a)正組整流電動運(yùn)行 nVF處于整流狀態(tài)處于整流狀態(tài)n f 90， Ud0f E， n 0n 電動機(jī)從電路輸電動機(jī)從電路輸入能量作電動運(yùn)入能量作電動運(yùn)行，運(yùn)行在第行，運(yùn)行在第象限。象限。 反組晶閘管裝置VR逆變狀態(tài)圖3-4 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)(b)反組逆變回饋制動 nVR逆變處于狀態(tài)nr 90， E |Ud0r|， n 0n電機(jī)輸出

15、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coscossinmax00dmdUmUmUcosmax00ddUU （4-3）（4-4） n在電樞電流未反向前（從在電樞電流未反向前（從a點(diǎn)點(diǎn)到到b點(diǎn)），電流只能在點(diǎn)），電流只能在VF與與電動機(jī)組成的回路中流通，電動機(jī)組成的回路中流通，VF組工作在整流狀態(tài)組工作在整流狀態(tài) ，但電，但電壓壓Ud和和Id都在衰減。都在衰減。n當(dāng)電流過零開始反向時(shí)，當(dāng)電流過零開始反向時(shí)，VR組投入工

16、作，以提供反向電組投入工作，以提供反向電樞電流的通路。電動機(jī)工作樞電流的通路。電動機(jī)工作在回饋制動狀態(tài)，在回饋制動狀態(tài)，VR組工作組工作在逆變狀態(tài)。在逆變狀態(tài)。2V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)中的環(huán)流問題可逆直流調(diào)速系統(tǒng)中的環(huán)流問題n兩組晶閘管整流裝置同時(shí)工作時(shí)，便會產(chǎn)生不流兩組晶閘管整流裝置同時(shí)工作時(shí)，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，過負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作稱作。n一般地說，環(huán)流對系統(tǒng)無益，徒然加重晶閘管和一般地說，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(shí)會導(dǎo)致晶變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗功率，環(huán)流太大時(shí)會導(dǎo)致晶閘管損壞，因此必須予以

17、抑制或消除。閘管損壞，因此必須予以抑制或消除。 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(shí)，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Ud0f頂住，則直流平均環(huán)流為零。 fdrdUU00n當(dāng)環(huán)流為零時(shí)，應(yīng)有當(dāng)環(huán)流為零時(shí)，應(yīng)有 或或 （4-5）n如果反組的控制角用逆變角表示，則如果反組的控制角用逆變角表示，則 （4-6）n這稱作這稱作=配合控制。為了更可靠地消除直流平均配合控制。為了更可靠地消除直流平均環(huán)流，可采用環(huán)流，可采用 （4-7）fdfdUUco

18、smax00rdrdUUcosmax00frcoscos180frrfn為了實(shí)現(xiàn)為了實(shí)現(xiàn)=配合控制，可以：配合控制，可以：（1）當(dāng)控制電壓）當(dāng)控制電壓 Uc= 0 時(shí)，使時(shí)，使 f = r = 90，此時(shí)此時(shí) Ud0f = Ud0r = 0 ，電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。，電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。（2）增大控制電壓）增大控制電壓Uc 移相時(shí)，只要使兩組觸移相時(shí)，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發(fā)裝置的控制電壓大小相等符號相反就可以了。了。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 是經(jīng)過反號器AR后獲得 cU圖4-12 =配合控制特性n當(dāng)控制電壓Uc=0時(shí)，f

19、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(shí)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 。 4.2.3 轉(zhuǎn)速反向的過渡過程分析圖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。1. 本組逆變階段本組逆變階段(階段階段 )n發(fā)出停車指

20、令后，進(jìn)入電動機(jī)制發(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：動過程中的正向電流衰減階段：Un*(=0) Un(-) Ui*(=U*im) Uc(=-Ucm) ,本組本組VF組由整流狀組由整流狀態(tài)很快變成態(tài)很快變成f=min的逆變狀態(tài)，的逆變狀態(tài)，它組它組VR組由待逆變狀態(tài)轉(zhuǎn)變成組由待逆變狀態(tài)轉(zhuǎn)變成待整流狀態(tài)。待整流狀態(tài)。n電動機(jī)反電動勢電動機(jī)反電動勢E極性未變，迫極性未變，迫使使Id迅速下降，主電路電感迅速迅速下降，主電路電感迅速釋放儲能，企圖維持正向電流，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)，大部分能量通過本組回饋電網(wǎng)，所以稱作所以稱作“本組逆變階段本組逆變階段”。 a點(diǎn)到點(diǎn)到b點(diǎn)點(diǎn)2它組整流階段（階段 ）nId過零并反向，直到到達(dá)-Idm之前，ACR并未脫離飽和狀態(tài)，其輸出仍為-Ucmn本組逆變停止，反組進(jìn)入整流階段，向主電路提供-Id。 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”。I