可逆調(diào)速系統(tǒng)的可逆調(diào)速

第一章可逆調(diào)速系統(tǒng)理論1.1可逆運(yùn)行及可逆電路電動機(jī)可逆運(yùn)行的本質(zhì)是電磁轉(zhuǎn)矩可逆，所以實現(xiàn)可逆運(yùn)行的關(guān)鍵是使電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩改變方向。由電動機(jī)的工作原理可知，直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T廣3轉(zhuǎn)矩方向有磁場方向和電樞電壓的極性共同決定。磁場方向不變，通過改變電樞電壓極性實現(xiàn)可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，叫電樞可逆調(diào)速系統(tǒng);電樞電壓極性不變，通過改變勵磁電流方向，實現(xiàn)可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，叫磁場可逆調(diào)速系統(tǒng)。與此相對應(yīng)，晶閘管一一電動機(jī)系統(tǒng)的可逆調(diào)速就有兩種方式，即電樞反接可逆電路和勵磁反接可逆電路。1.1.1電樞反接可逆線路采用兩組晶閘管裝置供電的可逆線路如圖1-1所示。圖1-1兩組晶閘管分別有兩套觸發(fā)器控制，當(dāng)正組晶閘管裝置VF向電動機(jī)供電時，提供正電樞電流^，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)反組晶閘管裝置VR向電動機(jī)供電時提供反向電樞電流一/d，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。兩組晶閘管裝置供電的可逆線路在連接上又有兩種形式：反并聯(lián)和交叉連接，如圖1-2所示。兩者的差別在于反并聯(lián)線路中的兩組晶閘管由同一個交流電源供電，且要有四個限制環(huán)流的電抗器，而交叉連接線路由兩個獨(dú)立的交流電源供電。只要兩個限制環(huán)流的電抗器。這里所說的兩個獨(dú)立的交流電源可以是兩臺整流變壓器，也可以是一臺整流變壓器的兩個二次繞組。由兩組晶閘管組成的電樞可逆線路，具有切換速度快、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，在要求頻繁、快速正反轉(zhuǎn)的可逆系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，是可逆系統(tǒng)的主要型式。

(a)(b)

圖1-21.1.2勵磁反接可逆線路要使直流電動機(jī)反轉(zhuǎn)，除了改變電樞電壓極性外，改變勵磁電流方向也能使直流電動機(jī)反轉(zhuǎn)。因此又有勵磁反接可逆線路，如圖1-3所示。這時電動機(jī)電樞只要用一組晶閘管裝置供電并調(diào)速，如圖1-3（a）所示，而勵磁繞組則由另外的兩組晶閘管裝置反并聯(lián)供電，想電樞反接可逆線路一樣，可采用反并聯(lián)或交叉連接中的任意一種方案來改變其勵磁電流的方向。

(b)由于勵磁功率只占電動機(jī)額定功率的1%~5%,顯然勵磁反接所需的晶閘管容量裝置容量要比電樞反接可逆裝置小的多，只要在電樞回路中用一組大容量的裝置就夠了，這對于大容量的調(diào)速系統(tǒng)，勵磁反接的方案投資較少。但由于勵磁繞組的電感較大，勵磁電流的反向過程要比電樞電流的反向過程慢的多，此外，在反向過程中，當(dāng)勵磁電流由額定值下降到零這段時間里，如果電樞電流依然存在，電動機(jī)將會出現(xiàn)弱磁升速的現(xiàn)象，這在生產(chǎn)工藝上是不允許的。因此勵磁反接的方案只適用于對快速性要求不高，正反轉(zhuǎn)不太頻繁的大容量可逆系統(tǒng)，例如卷揚(yáng)機(jī)、電力機(jī)車等。1.2回饋制動1.2.1電動機(jī)的兩種工作狀態(tài)我們知道，直流他勵電動機(jī)無論是正傳還是反轉(zhuǎn)，都可以有兩種工作狀態(tài)，一種是電動狀態(tài)，一種是制動狀態(tài)。電動運(yùn)行狀態(tài)，是指電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方向與電動機(jī)轉(zhuǎn)速方向相同，此時，電網(wǎng)給電動機(jī)輸入能量，并轉(zhuǎn)換為負(fù)載的動能。制動運(yùn)行狀態(tài)，是指電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方向與電動機(jī)轉(zhuǎn)速方向相反，此時，電動機(jī)將動能轉(zhuǎn)換為電能輸出，如果將此電能回送給電網(wǎng)，則這種制動就叫做回饋制動。勵磁磁通方向恒定時，電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的方向就是電樞電流的方向，轉(zhuǎn)速的方向也就是反電動勢的方向。所以常用電樞電流和反電動勢E方向的相對關(guān)系來表示電動機(jī)的電動運(yùn)行狀態(tài)和制動運(yùn)行狀態(tài)。1.2.2晶閘管裝置的兩種工作狀態(tài)晶閘管也有兩種工作狀態(tài)，一種是整流狀態(tài)，另一種是逆變狀態(tài)。下面結(jié)合一個具體實例說明如下：在一組晶閘管組成的全控整流電路中，電動機(jī)帶位能負(fù)載，當(dāng)控制角a<90°時，晶閘管裝置直流側(cè)輸出的理想空載電壓％0為正，且七0>礦所以能輸出整流電流?使電動機(jī)產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩而將重物提升，這時電能從交流電網(wǎng)經(jīng)晶閘管裝置輸送給電動機(jī)，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)。當(dāng)重物放下時，必須將控制角a移到大于90°，這時晶閘管裝置直流側(cè)輸出的理想空載電壓變?yōu)樨?fù)值。電動機(jī)在重物作用下被拉向反轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生反向的電動勢T，當(dāng)E>Ud0時，將產(chǎn)生電流和轉(zhuǎn)矩，它們的方向仍和提升重物時一樣，但此時由于轉(zhuǎn)速已反向，故電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)橹苿愚D(zhuǎn)矩，以阻止重物下降太快，電動機(jī)處于反轉(zhuǎn)制動狀態(tài)，同時電動機(jī)將重物的位能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)晶閘管裝置回饋到電網(wǎng)，晶閘管裝置處于逆變狀態(tài)。由上面分析可知，同一套晶閘管裝置可以工作在整流狀態(tài)，也可以工作在逆變狀態(tài)。兩種狀態(tài)中電流方向不變，而輸出電壓的極性相反。整流狀態(tài)時輸出電能，而逆變狀態(tài)時回饋電能。這樣的逆變成為“有源逆變”。1.2.3電動機(jī)的回饋制動及系統(tǒng)實現(xiàn)要使電動機(jī)快速減速或停車，最經(jīng)濟(jì)有效的方法就是采用回饋制動，將制動期間釋放的能量通過晶閘管裝置回送到電網(wǎng)。上面的分析已表明，電動機(jī)回饋制動時，晶閘管裝置必須工作在逆變狀態(tài)。實現(xiàn)回饋制動，從電動機(jī)方面看，要么改變轉(zhuǎn)速的方向，要么改變電磁轉(zhuǎn)矩（即電樞電流）的方向。而任何負(fù)載在減速制動過程中，轉(zhuǎn)速方向都不變，所以要實現(xiàn)回饋制動，必須設(shè)法改變電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的方向，即改變電樞電流的方向。對于單組V-M系統(tǒng)，要想改變電樞電流方向是不可能的，也就是說利用一組晶閘管不能實現(xiàn)帶非位能負(fù)載系統(tǒng)的回饋制動。但是，我們可以利用兩組晶閘管裝置組成的可逆線路實現(xiàn)直流電動機(jī)的快速回饋制動，即電機(jī)制動時，原工作于整流狀態(tài)的一組晶閘管裝置待整流，利用另外一組反并聯(lián)的晶閘管裝置逆變，實現(xiàn)電動機(jī)的回饋制動，如圖1-3所示。圖1-3（a）表示正組VF給電動機(jī)供電，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，輸出整流電壓Ud0f（極性如圖），電動機(jī)吸收能量作電動運(yùn)行。當(dāng)需要回饋制動時，通過控制電路切換到反組晶閘管裝置VR如圖1-3（b）并使其工作于逆變狀態(tài)，輸出逆變電壓7d0f（極性如圖），由于這時電動機(jī)的反電動勢極性未改變，當(dāng)E略大于皓時，產(chǎn)生反向電流一匕而實現(xiàn)回饋制動，這時電動機(jī)釋放的等量經(jīng)晶閘管裝置VR回饋到電網(wǎng)。

(b)

圖1-3由此可見即使是不可逆系統(tǒng)，只要是要求快速回饋制動，也應(yīng)有兩組反并聯(lián)(或叉聯(lián))的晶閘管裝置，正組作為整流供電，反組提供逆變制動。這時反組晶閘管只在短時間內(nèi)給電動機(jī)提供反向制動電流，并不提供穩(wěn)定運(yùn)行電流，因而其容量可以小一些。對于兩組晶閘管供電的可逆系統(tǒng)，在正轉(zhuǎn)和制動的裝置合二為一，兩組晶閘管的容量自然就沒有區(qū)別了。把可逆線路正反轉(zhuǎn)及回饋制動的晶閘管和電動機(jī)的工作狀態(tài)歸納起來，可列成表1-1。

V-M系統(tǒng)的工作狀態(tài)正向運(yùn)行正向制動反向運(yùn)行反向制動電樞端電壓極性++--電樞電流極性+--+電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向++--電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)電動回饋制動電動回饋制動晶閘管工作組別和狀態(tài)正組整流反組逆變反組整流正組逆變機(jī)械特性所在象限IIImW表1-1V-M系統(tǒng)可逆線路的工作狀態(tài)1.3可逆調(diào)速系統(tǒng)中的環(huán)流分析1.3.1環(huán)流的利弊及其種類所謂環(huán)流是指不流過電動機(jī)或負(fù)載，而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流如圖1-4在空載或輕載時保持電流連續(xù)，避免電流斷續(xù)對系統(tǒng)靜、動態(tài)性能的影響；可逆系統(tǒng)中的少量的環(huán)流，可以保證電流無換向死區(qū)，加快過渡過程。環(huán)流的缺點(diǎn)：環(huán)流的存在會顯著地加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗無功功率，環(huán)流太大時甚至?xí)p壞晶閘管，為此必須予以抑制。在實際系統(tǒng)中，要充分利用環(huán)流的有利面而避免其不利面。環(huán)流可分為兩大類：一、 靜態(tài)環(huán)流。當(dāng)晶閘管裝置在一定的控制角下穩(wěn)定工作時，可逆線路中出現(xiàn)的環(huán)流叫靜態(tài)環(huán)流。靜態(tài)環(huán)流又可分為直流平均環(huán)流和瞬時脈動環(huán)流。由于兩組晶閘管裝置之間存在正向直流電壓差而產(chǎn)生的環(huán)流稱為直流平均環(huán)流;由于整流電壓和逆變電壓瞬時值不相等而產(chǎn)生的環(huán)流稱為瞬時脈動環(huán)流。二、 動態(tài)環(huán)流。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時并不存在，只在系統(tǒng)處于過度過程中出現(xiàn)的環(huán)流，叫動態(tài)環(huán)流。這里僅對系統(tǒng)影響較大的靜態(tài)環(huán)流作定性分析。下面以反并聯(lián)線路為例來分析靜態(tài)環(huán)流。1.3.2直流平均環(huán)流與配合控制直流平均環(huán)流產(chǎn)生的原因。在圖1-4的反并聯(lián)可逆線路中，如果正組晶閘管VF和反組晶閘管VR都處于整流狀態(tài)，且正組整流電壓Ud0f和反組整流電壓Ud0r正負(fù)相連，將造成直流電流源短路，此時短路電流即為直流平均環(huán)流。消除直流平均環(huán)流的措施。為防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，最好的結(jié)局辦法是：當(dāng)正組晶閘管VF處于整流狀態(tài)輸出電壓Ud0f時，讓反組晶閘管處于逆變狀態(tài)，輸出一個逆變電壓Ud0r把%頂住。設(shè)VF組處于整流狀態(tài)，即％＜90°，則Ud0f=Ud0maxcosaf；對應(yīng)的VR組處于逆變狀態(tài)，即原＜90°，則Ud0r=Ud0maxcos4。此時°d0f與Ud0r極性相反，但其數(shù)值又有如下三種情況：若兩組觸發(fā)脈沖相位之間滿足af＜么，則^0f＞匕0r。由于兩組晶閘管裝置的內(nèi)阻很小，即使不大的直流電壓差也會導(dǎo)致很大的直流環(huán)流。若兩組觸發(fā)脈沖相位之間滿足af=么，則七0f=氣0r。由于主回路無直流電壓差，所以無直流環(huán)流。若兩組觸發(fā)脈沖相位之間滿足af＞么，則^0f＞七0r。兩組晶閘管之間存在反向直流電壓差，由于正組晶閘管的單向?qū)щ娦裕划a(chǎn)生直流環(huán)流。同理，若VF處于逆變狀態(tài)，VR處于整流狀態(tài)。同樣可以分析出％＜Pr時有直流環(huán)流af＞Pr時無直流環(huán)流。所以，在兩組晶閘管組成的可逆線路中，消除直流環(huán)流的方法是使a產(chǎn)隊，即整流組的觸發(fā)角大于或等于逆變組的逆變角。a=6工作制的配合控制實現(xiàn)消除直流環(huán)流的原理實現(xiàn)方法。實現(xiàn)a=6工作制的配合控制比較容易，只要將兩組觸發(fā)脈沖的零位都整定在90°，并且使兩組觸發(fā)裝置的移相控制電壓大小相等、極性相反即可。所謂觸發(fā)脈沖的零位，就是指控制電壓Uct=0時，調(diào)節(jié)偏置電壓使觸發(fā)脈沖的初始相位確定在％0=匕0=90°，此時兩組晶閘管的整流和逆變電壓均為0。這樣的觸發(fā)控制電路示于圖1-44，它用同一個控制電壓^t去控制兩組觸發(fā)裝置，即正組觸發(fā)裝置GTF由。征直接控制，而反組觸發(fā)裝置GTR由。征控制，%=~Uct，是經(jīng)過反號器AR后的到的。移相控制特性。同步信號為鋸齒波的兩組觸發(fā)裝置的移相控制特性示于圖 1-45。當(dāng)Uct=0時，af=Pr=90°，觸發(fā)脈沖在90°的零位；當(dāng)qt＞0時，正組控制角虧＜90°，正組晶閘管處于整流狀態(tài)，而反組控制角原＜90°，反組晶閘管處于逆變狀態(tài)。因為％t=~Uct，所以St移相過程中，始終保持了^=Pr，Cof=~Ud0r。為了防止晶閘管有源逆變器因逆變角6太小而發(fā)生逆變顛覆事故，必須在控制電路中設(shè)置限制最小逆變角#min的保護(hù)環(huán)節(jié)。為保持a=6的配合控制，對％in也要加以限制使％in=#min。通常?。n=#min=30°。脈動環(huán)流及其抑制，當(dāng)采用amin=#min配合控制時，整流器和逆變器輸出的直流平均電壓是相等的，因而沒有直流平均環(huán)流。然而，此時晶閘管裝置輸出的瞬時電壓是不相等的，當(dāng)正組整流電壓瞬時值”d0f大于反組逆變電壓瞬時值”d0r時，產(chǎn)生瞬時電壓差A(yù)"#。，從而產(chǎn)生瞬時環(huán)流。控制角不同時，瞬時電壓差和瞬時環(huán)流也不同。圖1-46畫出三相零式反并聯(lián)可逆線路當(dāng)％=兒=60。時的情況，圖1-46（b）是正組瞬時整流電壓”d0f的波形，圖1-46（c）是反組瞬時逆變電壓％0r的波形。圖中陰影線的部分是a相整流和b相逆變時的電壓，顯然其瞬時值并不相等，而其平均值卻相等。瞬時電壓差A(yù)ud0=ud0f-ud0r，其波形繪于圖1-46（d）。由于這個瞬時電壓差的存在，便在兩組晶閘管之間產(chǎn)生的瞬時脈動環(huán)流/cp。圖1-46（a）繪出a相整流和b相逆變時的瞬時環(huán)流回路，由于晶閘管裝置的內(nèi)阻^很小，環(huán)流回路的阻抗主要是電感，所以y不能突變，并且落后于Aud0；又由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，icp只能在一個方向脈動，所以稱作瞬時脈動環(huán)流。但這個瞬時脈動環(huán)流存在直流分量婦，顯然婦和平均電壓差所產(chǎn)生的直流環(huán)流是有根本區(qū)別的。脈動環(huán)流的抑制。直流平均環(huán)流可以用a>p的配合控制來消除，而抑制瞬時脈動環(huán)流的辦法是在環(huán)流回路中串入電抗器，叫環(huán)流電抗器或稱均衡電抗器，如圖1-46(a)中的1和%，一般要求把瞬時脈動環(huán)流中的直流分量四限制在負(fù)載額定電流的5%?10%之間。環(huán)