可逆直流調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動系統(tǒng).ppt

可逆直流調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動系統(tǒng),電力拖動自動控制系統(tǒng),第 4 章,4.1 可逆直流調(diào)速系統(tǒng),內(nèi)容提要 問題的提出 晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)的可逆線路 晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)的回饋制動 兩組晶閘管可逆線路中的環(huán)流 有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng) 無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng),問題的提出,有許多生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)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(yùn)行的特性，也就是說，需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。,問題的提出（續(xù)）,只有改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向，才能改變轉(zhuǎn)速的方向。,改變電樞電流的方向 改變勵磁電流的方向,一。 單片微機(jī)控制的PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng),主電路：,正反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn),調(diào)速時， PWM信號占空比 的可調(diào)范圍為0 1 ，使UPEM的輸出平均電壓系數(shù)的變化范圍為 10.5時， 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn) 當(dāng) 0.5時， 為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn) 當(dāng) = 0.5時， = 0 ，電機(jī)停止,二。 有環(huán)流控制的可逆晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng),1. V-M系統(tǒng)的可逆線路 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。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） 電樞反接可逆線路,電樞反接可逆線路的形式有多種，這里介紹如下3種方式： 接觸器開關(guān)切換的可逆線路 晶閘管開關(guān)切換的可逆線路 兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路,（a） 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)。,d,（b）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)。,（c）兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路,較大功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)。由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕枰赡孢\(yùn)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。,圖4-2 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, 兩組晶閘管裝置可逆運(yùn)行模式,電動機(jī)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(jī)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。,（2） 勵磁反接可逆線路,改變勵磁電流的方向也能使電動機(jī)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(jī)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。,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,優(yōu)點(diǎn)：供電裝置功率小 由于勵磁功率僅占電動機(jī)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(diǎn)：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(jī)不允許在失磁的情況下運(yùn)行，因此系統(tǒng)控制相對復(fù)雜一些。,小 結(jié),（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。,（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(jī)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)。,二. 晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)的回饋制動,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,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 = Ud0 max cos,（4-2）, 逆變電壓公式,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(jī)類型的負(fù)載時也可能出現(xiàn)整流和有源逆變狀態(tài)。,（1）整流狀態(tài) 提升重物， 90，Ud0 E，n 0 由電網(wǎng)向電動機(jī)提供能量。,Id,（2）逆變狀態(tài) 放下重物 90，Ud0 E，n 0 由電動機(jī)向電網(wǎng)回饋能量。,Id,n,- n,Id,Te,提升,放下,3）機(jī)械特性,整流狀態(tài) 電動機(jī)工作于第一象限 逆變狀態(tài) 電動機(jī)工作于第四象限,TL,圖4-3c 單組V-M系統(tǒng)帶起重機(jī)類型負(fù)載時的整流和逆變狀態(tài),O,3. 兩組晶閘管裝置反并聯(lián)的整流和逆變,(1) 正組晶閘管裝置VF整流,VF處于整流狀態(tài) 此時， f 90，Ud0f E， n 0 電機(jī)從電路輸入能量作電動運(yùn)行。,P,Id,（2） 反組晶閘管裝置VR逆變,當(dāng)電動機(jī)需要回饋制動時，由于電機(jī)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)。,VR逆變處于狀態(tài) 此時，r 90，E |Ud0r|， n 0 電機(jī)輸出電能實(shí)現(xiàn)回饋制動。,P,Id,（3）機(jī)械特性范圍,圖4-4c 機(jī)械特性運(yùn)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(yùn)行,在可逆調(diào)速系統(tǒng)中，正轉(zhuǎn)運(yùn)行時可利用反組晶閘管實(shí)現(xiàn)回饋制動，反轉(zhuǎn)運(yùn)行時同樣可以利用正組晶閘管實(shí)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(shí)現(xiàn)電動機(jī)的四象限運(yùn)行。 歸納起來，可將可逆線路正反轉(zhuǎn)時晶閘管裝置和電機(jī)的工作狀態(tài)列于表4-1中。,表4-1 V-M系統(tǒng)反并聯(lián)可逆線路的工作狀態(tài), 反并聯(lián)的晶閘管裝置的其他應(yīng)用,即使是不可逆的調(diào)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(yùn)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(nèi)給電動機(jī)提供制動電流，并不提供穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的電流，實(shí)際采用的容量可以小一些。,三. 可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流問題,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)，如果兩組裝置的整流電壓同時出現(xiàn)，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，稱作環(huán)流，如下圖中所示。, 環(huán)流的形成,Id,Ic,Ic 環(huán)流 Id 負(fù)載電流, 環(huán)流的危害和利用,危害：一般地說，這樣的環(huán)流對負(fù)載無益，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，因此應(yīng)該予以抑制或消除。 利用：只要合理的對環(huán)流進(jìn)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(fù)載電流，使電動機(jī)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(zhì)的環(huán)流： （1）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。 （2）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。,2. 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(fù)相連，必然產(chǎn)生較大的直流平均環(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： 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；無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng) 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(yīng)該當(dāng)正組處于整流狀態(tài)時，強(qiáng)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 Ud0f = Ud0 max cosf Ud0f = 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 是一樣的，因此，當(dāng)直流平均環(huán)流為零時，應(yīng)有 cos r = cos f 或 r + f = 180 （4-3） 如果反組的控制用逆變角 r 表示，則 f = r （4-4）,由此可見，按照式（4-4）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,（2）配合控制方法,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，即 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)。 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。 這樣的觸發(fā)控制電路示于下圖。,圖4-6 = 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,（3） = 配合控制電路,在如圖電路中，用同一個控制電壓去控制兩組觸發(fā)裝置，正組觸發(fā)裝置GTF由 Uc 直接控制，而反組觸發(fā)裝置GTR由 控制， 是經(jīng)過反號器AR后獲得的。,圖4-7 =配合控制特性,- Ucm,Uc,90o, rmin,180o 0o,Ucm,90o,0o 180o, fmin, fmin, rmin, r, f,GTR,GTF,Uc1,r,f,（4） = 配合控制特性,四. = 配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng),最小逆變角限制,為了防止 “逆變顛覆”現(xiàn)象，必須在控制電路中采用限幅作用，形成最小逆變角min保護(hù)。與此同時，對 角也實(shí)施 min 保護(hù)，以免出現(xiàn) 直流平均環(huán)流。 一般取,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。 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)載額定電流的510%來設(shè)計(jì)。,制動過程分析,III,I.本組逆變階段 II.它組反接制動階段 III.它組逆變回饋制動階段 有環(huán)流控制可逆系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是反向快、過渡過程平滑，但須設(shè)置多個環(huán)流電抗器。,五。無環(huán)流控制的可逆V-M系統(tǒng),當(dāng)無環(huán)流控制可逆系統(tǒng)的一組晶閘 管工作時，另一組被封鎖，完全處 于阻斷狀態(tài)，從根本上切斷了環(huán)流 通路，既沒有直流平均環(huán)流，又沒 有瞬時脈動環(huán)流。,按照實(shí)現(xiàn)無環(huán)流控制原理的不同，無環(huán)流可逆系統(tǒng)又有兩大類： （1）邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng) （2）錯位控制無環(huán)流系統(tǒng),邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng),當(dāng)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，從根本上切斷環(huán)流的通路，這就是邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)。,錯位控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng),采用正反兩組配合控制，但兩組脈沖的關(guān)系是 r + f = 300 ，甚至是 r + f = 360 ，也就是說，初始相位整定在 r = f = 150 或180。 這樣，當(dāng)待逆變組的觸發(fā)脈沖來到時，它的晶閘管已經(jīng)完全處于反向阻斷狀態(tài)，不可能