電機控制技術(shù)（直流電動機的可逆運行方案）

直流電動機的可逆運行方案電機控制技術(shù)目錄1.0問題的提出11.1單片微機控制的PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

21.2.2電樞反接可逆線路51.2有環(huán)流控制的可逆晶閘管-電動機系統(tǒng)31.2.1.V-M系統(tǒng)的可逆線路41.2.3勵磁反接可逆線路61.3.晶閘管-電動機系統(tǒng)的回饋制動7有許多生產(chǎn)機械要求電動機既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，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(diào)速系統(tǒng)。1.0問題的提出

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(zhuǎn)方向，這本來是很簡單的事。然而當(dāng)電機采用電力電子裝置供電時，由于電力電子器件的單向?qū)щ娦?，問題就變得復(fù)雜起來了，需要專用的可逆電力電子裝置和自動控制系統(tǒng)。1.0問題的提出（續(xù)）

中、小功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用由電力電子功率開關(guān)器件組成的橋式可逆PWM變換器。1.1單片微機控制的PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

系統(tǒng)組成圖1PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖中UR—整流器；UPEM—橋式可逆電力電子變換器，需要注意的是，直流變換器必須是可逆的；GD—驅(qū)動電路模塊，內(nèi)部含有光電隔離電路和開關(guān)放大電路；系統(tǒng)組成（續(xù)）UPW—PWM波生成環(huán)節(jié)，其算法包含在單片微機軟件中；TG—為測速發(fā)電機，當(dāng)調(diào)速精度要求較高時可采用數(shù)字測速碼盤；TA—霍爾電流傳感器；給定量n*，I*d和反饋量n，Id都已經(jīng)是數(shù)字量。系統(tǒng)組成（續(xù)）控制系統(tǒng)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)的采樣周期小于外環(huán)的采樣周期。無論是電流采樣值還是轉(zhuǎn)速采樣值都有交流分量，常采用阻容電路濾波，但阻容值太大時會延緩動態(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。系統(tǒng)控制

當(dāng)轉(zhuǎn)速給定信號在-n*max~0~+n*max之間變化并達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，由微機輸出的PWM信號占空比ρ在0~?~1的范圍內(nèi)變化，使UPEM的輸出平均電壓系數(shù)為

=–1~0~+1[參看式（1-20）]，實現(xiàn)雙極式可逆控制。系統(tǒng)控制（續(xù)）在變流中，為了避免同一橋臂上、下兩個電力電子器件同時導(dǎo)通而引起直流電源短路，在由VT1、VT4導(dǎo)通切換到VT2、VT3導(dǎo)通或反向切換時，必須留有死區(qū)時間。對于功率晶體管，死區(qū)時間約需30μs；對于IGBT，死區(qū)時間約需5μs或更小些。1.2.1.

V-M系統(tǒng)的可逆線路

根據(jù)電機理論，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的旋轉(zhuǎn)方向。因此，V-M系統(tǒng)的可逆線路有兩種方式：電樞反接可逆線路；勵磁反接可逆線路。1.2有環(huán)流控制的可逆晶閘管-電動機系統(tǒng)電樞反接可逆線路的形式有多種，這里介紹如下3種方式：（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1.2.2電樞反接可逆線路（1）接觸器開關(guān)切換的可逆線路

KMF閉合，電動機正轉(zhuǎn)；

KMR閉合，電動機反轉(zhuǎn)。Ud+Id–IdM優(yōu)點：僅需一組晶閘管裝置，簡單、經(jīng)濟。缺點：有觸點切換，開關(guān)壽命短；需自由停車后才能反向，時間長。應(yīng)用：不經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械。

接觸器切換可逆線路的特點（2）晶閘管開關(guān)切換的可逆線路

VT1、VT4導(dǎo)通，電動機正轉(zhuǎn)；

VT2、VT3導(dǎo)通，電動機反轉(zhuǎn)。晶閘管開關(guān)切換的可逆線路Ud–IdMVT1VT2VT3VT4+Id較大功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用晶閘管-電動機系統(tǒng)。由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕枰赡孢\行時經(jīng)常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，如下圖所示。（3）兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路Idb)運行范圍圖2兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路

兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆供電方式-n-IdnO正向反向a)電路結(jié)構(gòu)MVRVFId-Id+--+--電動機正轉(zhuǎn)時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉(zhuǎn)時，由反組晶閘管裝置VR供電。

兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，都能靈活地控制電動機的起、制動和升、降速。但是，不允許讓兩組晶閘管同時處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路，因此對控制電路提出了嚴(yán)格的要求。

兩組晶閘管裝置可逆運行模式

改變勵磁電流的方向也能使電動機改變轉(zhuǎn)向。與電樞反接可逆線路一樣，可以采用接觸器開關(guān)或晶閘管開關(guān)切換方式，也可采用兩組晶閘管反并聯(lián)供電方式來改變勵磁方向。

勵磁反接可逆線路見下圖，電動機電樞用一組晶閘管裝置供電，勵磁繞組由另外的兩組晶閘管裝置供電。1.2.3勵磁反接可逆線路勵磁反接可逆供電方式晶閘管反并聯(lián)勵磁反接可逆線路MVId+-VR

VFId-Id+--+--優(yōu)點：供電裝置功率小。由于勵磁功率僅占電動機額定功率的1~5%，因此，采用勵磁反接方案，所需晶閘管裝置的容量小、投資少、效益高。缺點：改變轉(zhuǎn)向時間長。由于勵磁繞組的電感大，勵磁反向的過程較慢；又因電動機不允許在失磁的情況下運行，因此系統(tǒng)控制相對復(fù)雜一些。勵磁反接的特點（1）V-M系統(tǒng)的可逆線路可分為兩大類：電樞反接可逆線路——電樞反接反向過程快，但需要較大容量的晶閘管裝置；勵磁反接可逆線路——勵磁反接反向過程慢，控制相對復(fù)雜，但所需晶閘管裝置容量小。小結(jié)（2）每一類線路又可用不同的換向方式：接觸器切換線路——適用于不經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械；晶閘管開關(guān)切換線路——適用于中、小功率的可逆系統(tǒng)；兩組晶閘管反并聯(lián)線路——適用于各種可逆系統(tǒng)。1.3.1晶閘管裝置的整流和逆變狀態(tài)在兩組晶閘管反并聯(lián)線路的V-M系統(tǒng)中，晶閘管裝置可以工作在整流或有源逆變狀態(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1.3.晶閘管-電動機系統(tǒng)的回饋制動當(dāng)控制角為90°，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)；當(dāng)控制角為

90°，晶閘管裝置處于逆變狀態(tài)。

因此在整流狀態(tài)中，Ud0為正值；在逆變狀態(tài)中，Ud0為負(fù)值。為了方便起見，定義逆變角=180–

，則逆變電壓公式可改寫為

Ud0=－Ud0maxcos逆變電壓公式-+Ud0RM+-nEV--1.3.2.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(fù)載時也可能出現(xiàn)整流和有源逆變狀態(tài)。

a）整流狀態(tài)：提升重物，90°，Ud0E，n0由電網(wǎng)向電動機提供能量。PId+-+--Ud0RMnEV--b）逆變狀態(tài)：放下重物90°，Ud0E，n0

由電動機向電網(wǎng)回饋能量。

PIdn-nIdTe提升放下整流狀態(tài)：電動機工作于第1象限；逆變狀態(tài)：電動機工作于第4象限。c）機械特性TL圖3單組V-M系統(tǒng)帶起重機類型負(fù)載時的整流和逆變狀態(tài)

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?，F(xiàn)以正組晶閘管裝置整流和反組晶閘管裝置逆變?yōu)槔f明兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路的工作原理。1.3.3.兩組晶閘管裝置反并聯(lián)的整流和逆變圖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)R-+Ud0fM+-nEVF--a)正組整流電動運行

VF處于整流狀態(tài)：此時，f90°，Ud0fE，

n

0

電機從電路輸入能量作電動運行。a)正組晶閘管裝置VF整流PId

當(dāng)電動機需要回饋制動時，由于電機反電動勢的極性未變，要回饋電能必須產(chǎn)生反向電流，而反向電流是不可能通過VF流通的。這時，可以利用控制電路切換到反組晶閘管裝置VR，并使它工作在逆變狀態(tài)。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--VR逆變處于狀態(tài)：此時，r90°，E>|Ud0r|，n

0

電機輸出電能實現(xiàn)回饋制動。PIdc）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。在可逆調(diào)速系統(tǒng)中，正轉(zhuǎn)運行時可利用反組晶閘管實現(xiàn)回饋制動，反轉(zhuǎn)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。歸納起來，可將可逆線路正反轉(zhuǎn)時晶閘管裝置和電機的工作狀態(tài)列于表4-1中。

1.3.4.V-M系統(tǒng)的四象限運行表4-1V-M系統(tǒng)反并聯(lián)可逆線路的工作狀態(tài)

V-M系統(tǒng)的工作狀態(tài)正向運行正向制動反向運行反向制動電樞端電壓極性++－－電樞電流極性+－－+電機旋轉(zhuǎn)方向++－－電機運行狀態(tài)電動回饋發(fā)電電動回饋發(fā)電晶