可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

1、 可逆控制和弱磁控制的 直流調(diào)速系統(tǒng) 第第 4 章章 問題的提出問題的提出 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)可逆的調(diào)速系統(tǒng)。 n 第I象限 正傳 電動狀態(tài) 第IV象限 反轉(zhuǎn) 制動狀態(tài) O Te 第II象限 正轉(zhuǎn) 制動狀態(tài) 第III象限 反轉(zhuǎn) 電動狀態(tài) 圖4-1 調(diào)速系統(tǒng)的四象限運行 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，由于電力電子電力電子 器件的單向?qū)щ娦云骷膯蜗驅(qū)щ娦?，問題就變

2、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)。 4.1 直流直流PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)可逆調(diào)速系統(tǒng) 內(nèi)容提要 n橋式可逆PWM變換器 n直流PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反向的過渡過程 n直流PWM功率變換器的能量回饋 n單片微機控制的PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 4.1.1 橋式可逆PWM變換器 可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式 （亦稱H形）電路，如圖4-2所示。 這時，電動機M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動電 壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受 限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的 可逆PWM變換器。 圖4-2 橋式可逆PWM變換器 n H形主電路

3、結(jié)構(gòu) +Us Ug4 M + - Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 1 3 2 AB 4 n 輸出波形 U, i Ud E id +Us tton T 0 -Us O b) 正向電動運行波形 U, i Ud E id +Us t ton T 0 -Us O c) 反向電動運行波形 n 輸出平均電壓 雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 如果占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中相同， 則在雙極式控制的可逆變換器中 = 2 1 注意：這里 的計算公式與不可逆變換器中的公式就不一 樣了。 s on s on s on d ) 1 2 (U

4、 T t U T tT U T t U n 調(diào)速范圍 調(diào)速時， 的可調(diào)范圍為01， 1 0.5時， 為正，電機正轉(zhuǎn)； n當(dāng) |Ud0r|， n 0 電機輸出電能實現(xiàn)回饋制動。 P -Id b) 反組晶閘管裝置VR逆變 c）機械特性范圍 Id-Id n 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)：整流狀態(tài)： V-M系統(tǒng)工作在 第一象限。 逆變狀態(tài)：逆變狀態(tài)： V-M系統(tǒng)工作在 第二象限。 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 提供電動運行所需的整流供電，反組只提供逆變制動。 這時，

5、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. V-M可逆系統(tǒng)中的環(huán)流問題 n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)， 如果兩組裝置同時工作，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。 圖4-10 反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流 M VR VF Ud0f + - - + Ud0r Rrec Rrec Ra - 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 n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

6、，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。 n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(fù) 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(zhì)的環(huán)流： （1）靜態(tài)環(huán)流）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： n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。 n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

7、環(huán)流。 環(huán)流的分類（續(xù)） （2）動態(tài)環(huán)流）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。 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： n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； n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

8、狀態(tài) 時，強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 由式（4-3）， Ud0f = Ud0 max cosf Ud0r = 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 （4-5） 如果反組的控制用逆變角 r 表示，則 f = r （4-6） 由此可見，按照式（4-6）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

9、地消除 直流平均環(huán)流，可采用 f r （4-7） （2）配合控制方法 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 n當(dāng)控制電壓 Uc= 0 時，使 f = r = 90，此時 Ud0f = Ud0r = 0 ，電機處于停止?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了。 這樣的觸發(fā)控制電路示于下圖。 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 M VR VF Rrec Rrec -1 AR GTR GTF Uc Ra （3） = 配合控制電路 圖4-12 配合控制移相特性 -

10、Ucm Uc 90o rmin 180o 0o Ucm 90o 0o 180o fmin fmin rmin r f GTR GTF Uc1 （4） = 配合控制特性 = 配合控制系統(tǒng)的移相控制特性示于下圖。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。 4.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制 1、 = 配合控制的有環(huán)流配合控制的有環(huán)流可逆可逆V-M系統(tǒng)系統(tǒng) 采用采用 = 配合控制以后，已經(jīng)消除了直流平均環(huán)流，配合控制以后，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，造成整流但是，由于晶閘管裝置的輸

11、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)生瞬時的脈動環(huán)流。這個瞬時的情況，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，因此脈動環(huán)流是自然存在的，因此 = 配合控制有環(huán)流可配合控制有環(huán)流可 逆系統(tǒng)又稱作自然環(huán)流系統(tǒng)。逆系統(tǒng)又稱作自然環(huán)流系統(tǒng)。 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 - Ud0f Lc1 Rrec Rrec Ud0r VF VR Id Icp 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。 現(xiàn)

12、以 f = r = 60為例，分析三相零式反并聯(lián)可逆 線路產(chǎn)生瞬時脈動環(huán)流的情況。 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 abcaud0r 0w t p2 p Ud0r w t Icp icp ud0 f ud0f w t abca 0 p2 p Ud0f 0 r ud0 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，如圖4-13a中的 Lc1和 Lc2 。 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

13、負(fù)載額定電流的5%10%來設(shè)計。 環(huán)流電抗器的設(shè)置 三相零式反并聯(lián)可逆線路必須在正、反兩個回路中 各設(shè)一個環(huán)流電抗器，因為其中總有一個電抗器會因 流過直流負(fù)載電流而飽和，失去限流作用。 n例如： 在圖 4-13a 中當(dāng)正組VF整流時，流過負(fù)載 電流，使 Lc1 鐵芯飽和，只能依靠在逆變回路中的 Lc2 限制環(huán)流。 同理，當(dāng)反組VR整流時，只能依靠 Lc1限制環(huán)流。 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(shè)置4個環(huán)流電抗器。 1 2 M VFVR a b c A B C - 環(huán)流電抗器的設(shè)置（續(xù)） 待逆變狀態(tài)待逆變狀態(tài) 當(dāng)一組工作在那整流狀態(tài)時，另一組便處于

14、 逆變狀態(tài)，這是指觸發(fā)角的工作狀態(tài)而言的，實際上，逆變組 除環(huán)流外并未流過負(fù)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。 逆變狀態(tài)逆變狀態(tài) 只有在制動時，當(dāng)發(fā)出信號改變控制角后，同 時降低了整流電壓和逆變電壓的幅值，一旦電機反電動勢 E |Ud0r| = |Ud0f|，整流組電流將被截止，逆變組才真正投入逆變工 作，使電機產(chǎn)生回饋制動，將電能通過逆變組回饋電網(wǎng)。 = 控制的工作狀態(tài) n待整流狀態(tài)待整流狀態(tài) 同樣，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)”。 所以，在 = 配合控制下，負(fù)載電流可以迅速地

15、從 正向到反向（或從反向到正向）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)。 = 配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng) 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 M VR VF -1 ARGTR GTF Uc ASRACR U*n + - Un Ui U*i + - TG Lc1 Lc2 Lc3 Lc4 TM TA Ld Uc KF KR + - - - - 正向運行過程系統(tǒng)狀態(tài) + + - - - - + + Id 有環(huán)流系統(tǒng)正向運行過程 M VR VF -1 ARGTR GTF Uc ASRACR U*n + - Un Ui U*i + - TG Lc1 Lc2 Lc3 Lc4

16、 TM TA Ld Uc KF KR + - - - P n 2. 邏輯控制的無環(huán)流的可逆邏輯控制的無環(huán)流的可逆V-M系統(tǒng)系統(tǒng) n概述概述 有環(huán)流可逆系統(tǒng)雖然具有反向快、過渡平滑等優(yōu)點，但設(shè) 置幾個環(huán)流電抗器終究是個累贅。因此，當(dāng)工藝過程對系 統(tǒng)正反轉(zhuǎn)的平滑過渡特性要求不很高時，特別是對于大容 量的系統(tǒng)，常采用既沒有直流平均環(huán)流又沒有瞬時脈動環(huán) 流的無環(huán)流控制可逆系統(tǒng)。 (1) 控制原理 l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， 從根本上切斷了環(huán)流的通路，這就是邏輯控

17、制的無環(huán) 流可逆系統(tǒng)。 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 ASR DLC -1 TA VR VF GTR 2 ACR M TG GTF 1 ACR U*n Un - Ui U*i Ucf Ublf Ublr Ucr U*i +Ui U*i Ui0 Ld AR - - + ASR DLC -1 TA VR VF GTR 2 ACR M TG GTF 1 ACR U*n Un- Ui U*i Ucf Ublf Ublr Ucr U*i +Ui U*i Ui0 Ld AR （2）工作原理 n正向運行： + - + + - - + - + + - - ASR DL

18、C -1 TA VR VF GTR 2 ACR M TG GTF 1 ACR U*n Un- Ui U*i Ucf Ublf Ublr Ucr U*i +Ui U*i Ui0 Ld AR n 反向運行 - - - - + + + + + + - - 無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié) （1） 邏輯控制環(huán)節(jié)的設(shè)計要求邏輯控制環(huán)節(jié)的設(shè)計要求 nDLC的輸入要求： 分析V-M系統(tǒng)四象限運行的特性，有如下共同特征： l正向運行和反向制動時，電動機轉(zhuǎn)矩方向為正，即 電流為正； l反向運行和正向制動時，電動機轉(zhuǎn)矩方向為負(fù)，即 電流為負(fù)。 因此，應(yīng)選擇轉(zhuǎn)矩信號作為DLC的輸入信號。 由于ASR的輸出信號正好代表了轉(zhuǎn)矩方向，

19、即有： n正向運行和反向制動時，U*i為負(fù)； n反向運行和正向制動時，U*i為正。 又因為 U*i 極性的變化只表明系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩反向的意圖， 轉(zhuǎn)矩極性的真正變換還要滯后一段時間。只有在實際 電流過零時，才開始反向，因此，需要檢測零電流信 號作為DLC的另一個輸入信號。 n DLC的輸出要求 l正向運行：VF整流，開放VF，封鎖VR； l反向制動：VF逆變，開放VF，封鎖VR； l反向運行：VR整流，開放VR，封鎖VF； l正向制動：VR逆變，開放VR，封鎖VF； 因此，DLC的輸出有兩種狀態(tài)： nVF開放 Ublf = 1，VF封鎖 Ublf = 0； nVR開放 Ublr = 1，VR封鎖 Ub

20、lr = 0。 DLC的內(nèi)部邏輯要求 l對輸入信號進行轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為開關(guān)量； l根據(jù)輸入信號，做出正確的邏輯判斷； l為保證兩組晶閘管裝置可靠切換，需要有兩個延時時間： 封鎖延時和開放延時 (1) 封鎖延時 tdb1 關(guān)斷等待時間，以確認(rèn)電流已經(jīng)過零， 而非因電流脈動引起的誤信號； (2) 開放延時tdt 觸發(fā)等待時間，以確保被關(guān)斷的晶閘 管已恢復(fù)阻斷能力，防止其重新導(dǎo)通。 l具有邏輯連鎖保護功能，以保證在任何情況 下，兩個信號必須是相反的，決不容許兩組 晶閘管同時開放脈沖，確保主電路沒有出現(xiàn) 環(huán)流的可能。 (2) 無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)的實現(xiàn) 無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)是邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的關(guān)鍵 環(huán)節(jié)

21、，它的任務(wù)是：當(dāng)需要切換到正組晶閘管VF 工作時，封鎖反組觸發(fā)脈沖而開放正組脈沖；當(dāng)需 要切換到反組VR工作時，封鎖正組而開放反組。 通常都用數(shù)字控制，如數(shù)字邏輯電路、微機軟件、 PLC等，用以實現(xiàn)同樣的邏輯控制關(guān)系。 軟件邏輯控制 圖4-16 邏輯控制切換程序流程圖 開始 Ui*極性變化？ 電流過零？ 發(fā)出邏輯 切換指令 封鎖延時tdbl 封鎖本組脈沖 開放延時tdt 開放它組脈沖 繼續(xù)開放 本組脈沖 互鎖保護 N N Y Y 4.2.3 轉(zhuǎn)速反向的過渡過程分析 整個制動過程可以分為三個主要階段： 1） 本組逆變階段； 2）它組整流階段； 3）它組逆變階段。 現(xiàn)以正向制動為例，說明可逆調(diào)速系

22、統(tǒng)的制動過程。 1.本組逆變階段 M VR VF -1 ARGTR GTF Uc ASRACR U*n + - Un Ui U*i + - TG Lc1 Lc2 Lc3 Lc4 TM TA Ld Uc KF KR + - + + - - - - + + Id 0+- - + + - - 2 .它組整流階段 當(dāng)主電路電流下降過零時，本組逆變終止，第 I 階段 結(jié)束，轉(zhuǎn)到反組 VR 工作，開始通過反組制動。從這時 起，直到制動過程結(jié)束，統(tǒng)稱“它組制動階段”。 它組制動階段又可分成2個子階段： l它組整流階段； l它組逆變階段； （1）Id 過零并反向，直至到達 - Idm 以前，ACR并未脫離飽

23、和狀態(tài)，其輸出仍為 - Ucm 。這時，VF和 VR 輸出電壓的大 小都和本組逆變階段一樣，但由于本組逆變停止，電流變化 延緩， 的數(shù)值略減，使 d0rd0f d d d UUE t I L t I L d d d （2）反組VR由“待整流”進入整流，向主電路提供 Id 。 由于反組整流電壓 Ud0r 和反電動勢 E 的極性相同， 反向電流很快增長，電機處于反接制動狀態(tài)，轉(zhuǎn)速明顯 地降低，因此，又可稱作“它組反接制動狀態(tài)”。 它組反接制動過程系統(tǒng)狀態(tài) + - M VR VF -1 ARGTR GTF Uc ASRACR U*n + - Un Ui U*i + - TG Lc1 Lc2 Lc3 Lc4 TM TA Ld Uc KF KR + - + + - - - -+ 0+- - + + Id - - 3. 它組逆變階段 當(dāng)反向電流達到 Idm 并略有超調(diào)時，ACR輸出電 壓 Uc 退出飽和，其數(shù)值很快