第四章-可逆控制和弱磁控制直流調速系統(tǒng)

第四章

可逆控制和弱磁控制的直流調速系統(tǒng)內容提要直流PWM可逆直流調速系統(tǒng)V-M可逆直流調速系統(tǒng)弱磁控制的直流調速系統(tǒng)電動機除電動轉矩外還須產生制動轉矩，實現(xiàn)生產機械快速的減速、停車與正反向運行等功能。在轉速和電磁轉矩的坐標系上，就是四象限運行的功能，這樣的調速系統(tǒng)需要正反轉，故稱可逆調速系統(tǒng)。調速系統(tǒng)的四象限運行4.1 直流PWM可逆調速系統(tǒng)可逆？！4.1 直流PWM可逆調速系統(tǒng)PWM變換器電路有多種形式，可分為不可逆與可逆兩大類，帶制動電流通路的不可逆PWM-直流電動機系統(tǒng)，其電流能夠反向。之所以不可逆是因為平均電壓始終大于零，因而轉速不能反向。如果要求轉速反向，需要改變PWM變換器輸出電壓的正負極性，使得直流電動機可以在四象限中運行，由此構成了可逆的PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)。4.1.1橋式可逆PWM變換器電動機負載較重：負載電流id1大，在續(xù)流階段電流仍維持正方向，電動機始終工作在第Ⅰ象限的電動狀態(tài)。負載很輕時：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，而反向開關器件導通，電樞電流反向，電動機處于制動狀態(tài)。id2電流中的線段3和4是工作在第Ⅱ象限的制動狀態(tài)。在一個開關周期內，當0≤t<ton時，UAB=US，電樞電流id沿回路1流通；當ton≤t<T時，驅動電壓反號，id沿回路2經(jīng)二極管續(xù)流，UAB=-US

。

,UAB的平均值為正，電動機正轉；反之則反轉。

,平均輸出電壓為零，電動機停止。4.1.1橋式可逆PWM變換器4.1.1橋式可逆PWM變換器雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為占空比ρ和電壓系數(shù)γ的關系為當ρ>1/2時，γ為正，電動機正轉；當ρ<1/2時，γ為負，電動機反轉；當ρ=1/2時，γ=0，電動機停止。4.1.1橋式可逆PWM變換器雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電動機在四象限運行；（3）電動機停止時有微振電流，能消除靜磨擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍大；（5）低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。雙極式控制方式的不足之處是：

在工作過程中，4個開關器件可能都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時。4.1.2直流PWM可逆直流調速系統(tǒng)轉速反向的過渡過程a點過渡到b點，Id從正向IdL降低為零。b點過渡到c點，Id從零反向上升到允許的制動電流-Idm。c點過渡到d點，回饋制動狀態(tài)，轉速將減速到0。d點過渡到e點，反向起動狀態(tài),轉速要超調，轉速環(huán)退飽和。在f點穩(wěn)定工作，電樞電流與負載電流-IdL相等。在坐標系上表示的電動機反向軌跡4.1.3直流PWM功率變換器的能量回饋橋式可逆直流脈寬調速系統(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圖微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調速系統(tǒng)硬件結構圖4.1.4單片微機控制的PWM可逆直流

調速系統(tǒng)4.2 V-M可逆直流調速系統(tǒng)4.2.1 V-M可逆直流調速系統(tǒng)的主回路及環(huán)流1．V-M可逆直流調速系統(tǒng)的主回路結構(a)提升工作，整流狀態(tài) (b)下放工作，逆變狀態(tài) (c)機械特性4.2 V-M可逆直流調速系統(tǒng)對于拖動位能性負載的起重機而言，采用單組晶閘管裝置就能實現(xiàn)重物的提升和下放。當α<90°時，平均整流電壓Ud0>E（E為電動機反電動勢），輸出整流電流Id，電動機產生電磁轉矩作電動運行，提升重物，這時電能從交流電網(wǎng)經(jīng)晶閘管裝置傳送給電動機，V-M系統(tǒng)運行于第Ⅰ象限。α>90°，Ud0為負，晶閘管裝置本身不能輸出電流，電機不能產生轉矩提升重物，只有靠重物本身的重量下降，迫使電機反轉，產生反向的電動勢-E。當|E|>|Ud0|時，產生Id，因而產生與提升重物同方向的轉矩，起制動作用，使重物平穩(wěn)下降。電動機處于反轉制動狀態(tài)，成為受重物拖動的發(fā)電機，將重物的位能轉化成電能，通過晶閘管裝置V回饋給電網(wǎng)，V則工作于有源逆變狀態(tài)，V-M系統(tǒng)運行于第Ⅳ象限。兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路對于需要電流反向的直流電動機可逆調速系統(tǒng)，必須使用兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)線路來實現(xiàn)可逆調速。電動機正轉時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉時，由反組晶閘管裝置VR供電。整流時的電壓輸出：逆變時的電壓輸出：正組晶閘管裝置VF整流狀態(tài)VF處于整流狀態(tài)

f90°，Ud0fE，

n

0電動機從電路輸入能量作電動運行，運行在第Ⅰ象限。VR逆變處于狀態(tài)r90°，E>|Ud0r|，

n

0電機輸出電能實現(xiàn)回饋制動，V-M系統(tǒng)工作在第二象限。2．V-M可逆直流調速系統(tǒng)中的環(huán)流問題兩組晶閘管整流裝置同時工作時，便會產生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流。反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流Id—負載電流Ic—環(huán)流Rrec—整流裝置內阻Ra—電樞電阻當環(huán)流為零時，應有或 如果反組的控制角用逆變角表示，則這稱作α=β配合控制。為了更可靠地消除直流平均環(huán)流，可采用α≥β2．V-M可逆直流調速系統(tǒng)中的環(huán)流問題如果讓正組VF和反組VR都處于整流狀態(tài)，兩組的直流平均電壓正負相連，必然產生較大的直流平均環(huán)流。應該在正組處于整流狀態(tài)、Ud0f為正時，強迫讓反組處于逆變狀態(tài)，使Ud0r為負，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。2．V-M可逆直流調速系統(tǒng)中的環(huán)流問題為了實現(xiàn)α=β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°。當控制電壓Uc=0時，使f

=

r

=90°，此時

Ud0f

=

Ud0r=0，電機處于停止狀態(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。是經(jīng)過反號器AR后獲得α=β配合控制特性4.2.2V-M可逆直流調速系統(tǒng)的控制1．配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)

在采用α=β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，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，從而仍能產生環(huán)流，這類因為瞬時的電壓差而產生的環(huán)流被稱為瞬時脈動環(huán)流。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，三相零式可逆線路和瞬時脈動環(huán)流回路(b)時整流電壓波形

(c)(時逆變電壓波形

)(d)瞬時電壓差和瞬時脈動環(huán)流波形

4.2.2V-M可逆直流調速系統(tǒng)的控制環(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)“待逆變狀態(tài)”“待整流狀態(tài)”直流平均環(huán)流和瞬時脈動環(huán)流都屬于靜態(tài)環(huán)流。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)。環(huán)流電抗可以按照把瞬時環(huán)流的直流分量限制在負載額定電流的5%~10%來設計。邏輯控制無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)原理框圖DLC—無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)，ZC—零電流檢測環(huán)節(jié)2．邏輯控制的無環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)2．邏輯控制的無環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)ASR的輸出信號Ui*代表了轉矩方向，反轉運行和正轉制動都需要電機產生負的轉矩，正轉運行和反轉制動都需要電機產生正的轉矩，Ui*的極性恰好反映了電機電磁轉矩方向的變化。采用Ui*作為邏輯控制環(huán)節(jié)的一個輸入信號，稱作“轉矩極性鑒別信號”。邏輯切換的必要條件邏輯切換的充分條件Ui*的極性已發(fā)生變化，表示了系統(tǒng)期望的轉矩極性，在實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。邏輯切換轉折點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”，邏輯控制切換程序的流程圖封鎖延時tabl

大約需要半個到一個脈波的時間。在封鎖觸發(fā)脈沖后，已導通的晶閘管要過一段時間后才能關斷，再過一段時間才能恢復阻斷能力。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通，產生環(huán)流。開放延時時間tdt

，一般應大于一個波頭的時間2．邏輯控制的無環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)4.2.3轉速反向的過渡過程分析系統(tǒng)制動過程的三個階段：(1)本組逆變階段：從a點到b點，電動機正向電流衰減階段，VF組工作；(2)它組整流階段：從b點到c點，電動機反向電流建立階段，VR組工作；(3)它組逆變階段：從c點到d點，電動機恒值電流制動階段，VR組工作。如果是反向起動，則從d點開始又一次地進入起動過程。4.2.3轉速反向的過渡過程分析配合控制有環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)正向制動過渡過程波形1.本組逆變階段Ⅰ在正向制動過程以前，電動機是處于正向電動穩(wěn)定工作狀態(tài)，對照圖4-14，由于ASR、ACR調節(jié)器的倒相作用，所以圖中參數(shù)的極性為：Un*(+)→Ui*(-)→Uc(+)。VF組是工作在整流狀態(tài)，稱它為本組；VR組是工作在待逆變狀態(tài)，稱它為它組。發(fā)出停車指令后，進入電動機制動過程中的正向電流衰減階段：Un*(=0)→ΔUn(-)→Ui*(=U*im)→Uc(=-Ucm)本組VF組由整流狀態(tài)很快變成βf=βmin的逆變狀態(tài)，它組VR組由待逆變狀態(tài)轉變成待整流狀態(tài)。電動機反電動勢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，大部分能量通過本組回饋電網(wǎng)，所以稱作“本組逆變階段”。2．它組整流階段Ⅱ當主電路電流下降過零時，本組逆變終止，第Ⅰ階段結束，轉到它組VR工作，開始通過它組制動。當時，它組VR由“待整流”進入整流，向主電路提供-Id。本組VF由“逆變”進入待逆變。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，電機處于反接制動狀態(tài)，稱作“它組反接制動階段”。3．它組逆變階段ⅢACR調節(jié)器退飽和的唯一途徑是反向電流Idm的超調，此超調表示了制動軌跡圖中的電動機恒值電流制動階段的開始：ACR的控制目標是維持Id=Idm。由于ACR是Ⅰ型系統(tǒng)，電流調節(jié)系統(tǒng)的擾動是電動機的反電動勢，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。電動機在恒減速條件下回饋制動，把屬于機械能的動能轉換成電能，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”。4．電機停止階段“它組反接制動階段”和“它組逆變階段”都是反組VR工作，直到制動結束，總稱它們?yōu)椤八M制動階段”。最后，轉速下降得很低，并略有反轉，ASR開始退飽和。于是，電流減小，電動機隨即停止。如果需要在制動后緊接著反轉，Id=-Idm的過程就會延續(xù)下去，直到反向轉速穩(wěn)定時為止。4.3 弱磁控制的直流調速系統(tǒng)變電樞電壓方法是從基速（即額定轉速）向下調速。在變壓調速范圍內，因為勵磁磁通不變，電磁轉矩Te=KmΦId，允許的轉矩也不會變，稱作“恒轉矩調速方式”。降低勵磁電流以減弱磁通是從基速向上調速。在弱磁調速范圍內，轉速越高，磁通越弱，容許的轉矩不得不減少，轉矩與轉速的乘積則不變，即允許功率不變，是為“恒功率調速方式”。當負載要求的調速范圍大時，就采用變壓和弱磁配合控制的辦法，即在基速以下保持磁通為額定值不變，只調節(jié)電樞電壓，而在基速以上則把電壓保持為額定值，減弱磁通升速，弱磁與調壓配合控制特性電樞電壓控制系統(tǒng)仍采用常規(guī)的轉速、電樞電流雙閉環(huán)控制。弱磁程度用勵磁電流閉環(huán)控制，勵磁電流調節(jié)器AFR一般采用PI調節(jié)器。當電動機在額定轉速以下變壓調速時，勵磁電流給定U*if=Uifn=βfifn，