有環(huán)流控制的可逆晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

1、可逆調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動(dòng)系統(tǒng),電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng),第 4 章,本章在前三章的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討可逆調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動(dòng)系統(tǒng)。考慮到大多數(shù)學(xué)校教學(xué)學(xué)時(shí)的限制和電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一般教學(xué)需求，本課件選擇可逆調(diào)速系統(tǒng)為主要內(nèi)容。,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(dòng)機(jī)系統(tǒng)的可逆線路晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的回饋制動(dòng)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),4.1.0 問題的提出,有許

2、多生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速地起動(dòng)和制動(dòng)，這就需要電力拖動(dòng)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)。,4.1.0 問題的提出（續(xù)）,改變電樞電壓的極性，或者改變勵(lì)磁磁通的方向，都能夠改變直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，這本來是很簡(jiǎn)單的事。 然而當(dāng)電機(jī)采用電力電子裝置供電時(shí)，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(dòng)控制系統(tǒng)。,4.1.1 單片微

3、機(jī)控制的PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng),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，如本書第 1.3.1 節(jié)中第 2 小節(jié)所述。第1.3.4 節(jié)圖1-22 繪出了 PWM 可逆調(diào)速系統(tǒng)的主電路，其中功率開關(guān)器件采用 IGBT ，在小容量系統(tǒng)中則可用將IGBT、續(xù)流二極管、驅(qū)動(dòng)電路以及過流、欠壓保護(hù)等封裝在一起的智能功率模塊—IPM。,系統(tǒng)組成,圖4-1 PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖,系統(tǒng)組成（續(xù)）,圖

4、中UR—整流器；UPEM—橋式可逆電力電子變換器，主電路與圖1-22相同，須要注意的是，直流變換器必須是可逆的； GD—驅(qū)動(dòng)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(jī)軟件中；TG—為測(cè)速發(fā)電機(jī)，當(dāng)調(diào)速精度要求較高時(shí)可采用數(shù)字測(cè)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)控制,該原理圖的硬件結(jié)構(gòu)如圖3-4

5、所示，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(shí)會(huì)延緩動(dòng)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（續(xù)）,當(dāng)轉(zhuǎn)速給定信號(hào)在-n*max ~ 0 ~ +n*max 之間變化并達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，由微機(jī)輸出的PWM信號(hào)占空比ρ在 0 ~ ½ ~ 0 的范圍內(nèi)變化，使UPEM的輸出平均電壓

6、系數(shù)為 ? = –1 ~ 0 ~ +1 [參看式（1-20）]，實(shí)現(xiàn)雙極式可逆控制。,,,在變流中，為了避免同一橋臂上、下兩個(gè)電力電子器件同時(shí)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(shí)，必須留有死區(qū)時(shí)間。 對(duì)于功率晶體管，死區(qū)時(shí)間約需30µs；對(duì)于IGBT，死區(qū)時(shí)間約需5µs或更小些。,4.1.

7、2 有環(huán)流控制的可逆晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng),一. 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(lì)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(lì)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：（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） 接觸

8、器開關(guān)切換的可逆線路,KMF閉合，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)； KMR閉合，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。,,Ud,,+Id,–Id,,,,,,,,,,,（2）晶閘管開關(guān)切換的可逆線路,,VT1、VT4導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)； VT2、VT3導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。,,晶閘管開關(guān)切換的可逆線路,,,,Ud,–Id,,,,,VT1,VT2,VT3,VT4,,+Id,,,,,,,,,,,接觸器切換可逆線路的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 僅需一組晶閘管裝置，簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)：有觸點(diǎn)切

9、換，開關(guān)壽命短； 需自由停車后才能反向，時(shí)間長(zhǎng)。應(yīng)用：不經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。,（3）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(dòng)機(jī)系統(tǒng)。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，需要可逆運(yùn)行時(shí)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。,,Id,b) 運(yùn)行范圍,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,- n,a) 電路結(jié)構(gòu),,M,,,,

10、,,,,,,,,,,,VR,VF,Id,-Id,+,-,-,+,,,--,,,? 兩組晶閘管裝置可逆運(yùn)行模式,電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)機(jī)的起、制動(dòng)和升、降速。 但是，不允許讓兩組晶閘管同時(shí)處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路，因此對(duì)控制電路提出了嚴(yán)格的要求。,2. 勵(lì)磁反接可逆線路,改變勵(lì)磁電流的方向也能

11、使電動(dòng)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(lì)磁方向。 勵(lì)磁反接可逆線路見下圖，電動(dòng)機(jī)電樞用一組晶閘管裝置供電，勵(lì)磁繞組由另外的兩組晶閘管裝置供電。,,?勵(lì)磁反接可逆供電方式,晶閘管反并聯(lián)勵(lì)磁反接可逆線路,,,,,,,,,,,,,,,VR,VF,Id,-Id,+,-,-,+,,,--,,,,? 勵(lì)磁反接的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：供電裝置功率小。 由

12、于勵(lì)磁功率僅占電動(dòng)機(jī)額定功率的1~5%，因此，采用勵(lì)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(shí)間長(zhǎng)。 由于勵(lì)磁繞組的電感大，勵(lì)磁反向的過程較慢；又因電動(dòng)機(jī)不允許在失磁的情況下運(yùn)行，因此系統(tǒng)控制相對(duì)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(lì)磁反接可逆線路——?jiǎng)?lì)磁反接反向過程慢，控制相對(duì)復(fù)雜，但所需

13、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(dòng)機(jī)系統(tǒng)的回饋制動(dòng),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

14、（4-1）,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

15、閘管裝置供電的V-M系統(tǒng)在拖動(dòng)起重機(jī)類型的負(fù)載時(shí)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°，Ud0 ? E，n ? 0由電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)提供能量。,,,Id,,,b）逆變狀態(tài)：放下重物? ? 90°，Ud0 ? E，n ? 0 由電動(dòng)機(jī)向電網(wǎng)回饋能量。,,,Id,,c）機(jī)械特性,整流狀態(tài)： 電動(dòng)機(jī)工作于第1象限；逆變狀態(tài)： 電動(dòng)機(jī)工作于第4象限。,,TL,圖4-3 單組V

16、-M系統(tǒng)帶起重機(jī)類型負(fù)載時(shí)的整流和逆變狀態(tài),3. 兩組晶閘管裝置反并聯(lián)的整流和逆變,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。 現(xiàn)以正組晶閘管裝置整流和反組晶閘管裝置逆變?yōu)槔?，說明兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路的工作原理。,,,,a) 正組晶閘管裝置VF整流,VF處于整流狀態(tài)： 此時(shí)， ?f ? 90°，Ud0f ? E， n ? 0

17、 電機(jī)從電路輸入能量作電動(dòng)運(yùn)行。,,,,P,Id,,b) 反組晶閘管裝置VR逆變,當(dāng)電動(dòng)機(jī)需要回饋制動(dòng)時(shí)，由于電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)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(shí)，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(shí)，?r ? 90°，E > |Ud0r|， n ? 0 電機(jī)輸出電能實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。,,,,P,Id,,c）機(jī)

18、械特性范圍,c) 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(shí)可利用反組晶閘管實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)同樣可以利用正組晶閘管實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。這樣，采用兩組晶閘管裝置的反并聯(lián)，就可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行。 歸納起來，可將可逆線路正反轉(zhuǎn)時(shí)晶閘管裝置和電機(jī)的工作狀態(tài)列于表4-1中。,表4-1

19、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(dòng)，常常也采用兩組反并聯(lián)的晶閘管裝置，由正組提供電動(dòng)運(yùn)行所需的整流供電，反組只提供逆變制動(dòng)。 這時(shí)，兩組晶閘管裝置的容量大小可以不同，反組只在短時(shí)間內(nèi)給電動(dòng)機(jī)提供制動(dòng)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

20、： 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(shí)出現(xiàn)，便會(huì)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(duì)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(shí)會(huì)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(duì)環(huán)流進(jìn)行控制，保證

21、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(dòng)機(jī)在空載或輕載時(shí)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(duì)系統(tǒng)性能的影響。,? 環(huán)流的分類,在不同情況下，會(huì)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(shí)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(shí)脈動(dòng)環(huán)流——兩組晶閘管輸出的直流平均電壓差為零，但

22、因電壓波形不同，瞬時(shí)電壓差仍會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的環(huán)流，稱作瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流。,環(huán)流的分類（續(xù)）,（2）動(dòng)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。,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

23、措施，比如：采用封鎖觸發(fā)脈沖的方法，在任何時(shí)候，只允許一組晶閘管裝置工作；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(shí)，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 由式（4-1），

24、 Ud0f = Ud0 max cos?f Ud0f = Ud0 max cos?r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(shí)，應(yīng)有 cos? r = – cos? f或

25、 ? 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 ? =

26、 ? 配合控制。為了更可靠地消除直流平均環(huán)流，可采用 ? f ≥ ? r （4-5）,（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(shí)，使 ?f = ?r = 90°，此時(shí) Ud0f =

27、 Ud0r = 0 ，電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。增大控制電壓Uc 移相時(shí)，只要使兩組觸發(fā)裝置的控制電壓大小相等符號(hào)相反就可以了。這樣的觸發(fā)控制電路示于下圖。,（3）? = ? 配合控制電路,,在如圖電路中，用同一個(gè)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(hào)器AR后獲得的。,（4）? = ? 配合控制特性,? = ? 配合控制系統(tǒng)的移相控制特

28、性示于下圖。移相時(shí)，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。,,圖4-7 配合控制移相特性,? = ? 移相控制特性（續(xù)）,- Ucm,Uc,（5）? = ? 控制的工作狀態(tài),?待逆變狀態(tài) —— 實(shí)際上，這時(shí)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) ——只有在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)發(fā)出信號(hào)改變控制角

29、后，同時(shí)降低了整流電壓和逆變電壓的幅值，一旦電機(jī)反電動(dòng)勢(shì) 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(jī)產(chǎn)生回饋制動(dòng)，將電能通過逆變組回饋電網(wǎng)。,? = ? 控制的工作狀態(tài)（續(xù)）,待整流狀態(tài) ——同樣，當(dāng)逆變組工作時(shí)，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)載電流可以迅速地從正向到反向（或從反向到正向）平滑過渡，在

30、任何時(shí)候，實(shí)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)。,（6）最小逆變角限制,為了防止晶閘管裝置在逆變狀態(tài)工作中逆變角太小而導(dǎo)致?lián)Q流失敗，出現(xiàn)“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(shí)，對(duì) ? 角也實(shí)施 ?min 保護(hù)，以免出現(xiàn) Ud0f > Ud0r 而產(chǎn)生直流平均環(huán)流。通常取,3. 瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流及其抑制,（1） 瞬時(shí)的脈動(dòng)環(huán)流產(chǎn)生的原因： 采用配合控制已

31、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(dòng)的，造成整流與逆變電壓波形上的差異，仍會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)電壓的情況，從而仍能產(chǎn)生瞬時(shí)的脈動(dòng)環(huán)流。這個(gè)瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流是自然存在的，因此配合控制有環(huán)流可逆系統(tǒng)又稱作自然環(huán)流系統(tǒng)。,,（2）瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流產(chǎn)生情況舉例 瞬時(shí)電壓差和瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的大小因控制角的不同而異。 現(xiàn)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(shí)脈動(dòng)環(huán)流的情況

32、，這里采用零式線路的目的只是為了繪制波形簡(jiǎn)單。,? 三相零式反并聯(lián)可逆線路,,,,,,Id,,,,,,,,Icp,,,,,,,,,,? 三相零式反并聯(lián)的電壓波形,d) 瞬時(shí)電壓差和瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流波形,b)整流電壓波形,c) 逆變電壓波形,? 瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的產(chǎn)生,正組整流電壓和反組逆變電壓之間的瞬時(shí)電壓差， ?ud0 = ud0f – ud0r 其波形繪于圖4-9d。由于這個(gè)瞬時(shí)電壓差的存在

33、，便在兩組晶閘管之間產(chǎn)生了瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流 icp，也繪在圖4-9d中。,,? 瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的直流分量,由于晶閘管的內(nèi)阻很小，環(huán)流回路的阻抗主要是電感，所以不能突變，并且落后于?ud0 ；又由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕荒茉谝粋€(gè)方向脈動(dòng)，所以瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流也有直流分量 Icp （見圖4-9d），但與平均電壓差所產(chǎn)生的直流平均環(huán)流在性質(zhì)上是根本不同的。,（3）瞬時(shí)脈動(dòng)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(shí)脈動(dòng)環(huán)流卻是自然存在的。為了抑

34、制瞬時(shí)脈動(dòng)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4-9a中的 Lc1和 Lc2 。 環(huán)流電抗的大小可以按照把瞬時(shí)環(huán)流的直流分量限制在負(fù)載額定電流的5%~10%來設(shè)計(jì)。,? 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(gè)回路中各設(shè)一個(gè)環(huán)流電抗器，因?yàn)槠渲锌傆幸粋€(gè)電抗器會(huì)因流過直流負(fù)載電流而飽和，失去限流作用。例如： 在圖 4-9a 中當(dāng)正組VF整流時(shí)，流過負(fù)載電流，使 Lc1 鐵芯飽

35、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(shí)，只能依靠 Lc1限制環(huán)流。,,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(gè)環(huán)流電抗器。,,,,,,,,,,,1,2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

36、,,,,,,,M,,,,,,,,,VF,VR,a,b,c,A,B,C,,,,,--,環(huán)流電抗器的設(shè)置（續(xù)）,~,,,,,,,,,,,,,環(huán)流電抗器的設(shè)置（續(xù)）,在三相橋式交叉連接可逆線路中，由于電源獨(dú)立，每一組橋只有一條環(huán)流通道，因此只要設(shè)置2個(gè)環(huán)流電抗器。,,四. ? = ? 配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng),,,,,? 主電路,主電路采用兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯(lián)的可逆線路，其中：? 正組晶閘管VF，由GTF控制觸發(fā)， ——

37、正轉(zhuǎn)時(shí)，VF整流； ——反轉(zhuǎn)時(shí)，VF逆變。? 反組晶閘管VR，由GTR控制觸發(fā)， ——反轉(zhuǎn)時(shí)，VR整流； ——正轉(zhuǎn)時(shí)，VR逆變。,? 給定與檢測(cè)電路（轉(zhuǎn)速）,根據(jù)可逆系統(tǒng)正反向運(yùn)行的需要，給定電壓、轉(zhuǎn)速反饋電壓、電流反饋電壓都應(yīng)該能夠反映正和負(fù)的極性。這里給定電壓：正轉(zhuǎn)時(shí)，KF閉合， U*n=“+”； 反轉(zhuǎn)時(shí)，KR閉合， U*n=“-”。轉(zhuǎn)速反饋：正轉(zhuǎn)時(shí)， Un=“-”，

38、 反轉(zhuǎn)時(shí)， Un=“+”。,? 給定與檢測(cè)電路（電流）,電流反饋電壓：正轉(zhuǎn)時(shí)，Ui =“+”；反轉(zhuǎn)時(shí)，Ui =“-”。注意：由于電流反饋應(yīng)能否反映極性，因此圖中的電流互感器需采用直流電流互感器或霍爾變換器，以滿足這一要求。,? 控制電路,,控制電路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中：?轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR控制轉(zhuǎn)速，設(shè)置雙向輸出限幅電路，以限制最大起制動(dòng)電流；?電流調(diào)節(jié)器ACR控制電流，設(shè)置

39、雙向輸出限幅電路，以限制最小控制角 ?min 與最小逆變角 ?min 。,,2. 控制方式,采用同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路時(shí)，移相控制特性是線性的，兩組觸發(fā)裝置的控制特性如圖所示。,,,反轉(zhuǎn)時(shí)： > 0， ? r< 90°，VR整流： Ud0r =“+”；Uc < 0， ? f < 90°，VF逆變： Ud0f =“-”。,正轉(zhuǎn)時(shí)：Uc > 0， ? f < 9

40、0°，VF整流： Ud0f =“+”； < 0， ? r < 90°，VR逆變： Ud0r =“-”。,停轉(zhuǎn)時(shí)：Uc = 0， ?r = ? f = 90°， Ud0f = Ud0r = 0。,? AR? =“-” ?VR逆變,3. 工作過程,正向運(yùn)行過程：KF閉合， U*n=“+”? U*i=“-”? Uc =“+”,,??電動(dòng)機(jī)正

41、向運(yùn)行,————————?VF整流,??,,正向運(yùn)行過程系統(tǒng)狀態(tài),,,有環(huán)流系統(tǒng)正向運(yùn)行過程,,,--,--,P,n,,,,,制動(dòng)過程,整個(gè)制動(dòng)過程可以分為兩個(gè)主要階段，其中還有一些子階段。主要階段分為： I. 本組逆變階段； II.它組制動(dòng)階段。 現(xiàn)以正向制動(dòng)為例，說明有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的制動(dòng)過程。,I. 本組逆變階段,在這階段中，電流由正向負(fù)載電流下降到零，其方向未變，因此只能

42、仍通過正組VF流通，具體過程如下：發(fā)出停車（或反向）指令后，轉(zhuǎn)速給定電壓突變?yōu)榱悖ɑ蜇?fù)值）；ASR輸出躍變到正限幅值 +U*im ；ACR輸出躍變成負(fù)限幅值 -Ucm ；VF由整流狀態(tài)很快變成的逆變狀態(tài)，同時(shí)反組VR由待逆變狀態(tài)轉(zhuǎn)變成待整流狀態(tài)。,,在VF-M回路中，由于VF變成逆變狀態(tài)，極性變負(fù)，而電機(jī)反電動(dòng)勢(shì) E 極性未變，迫使電流迅速下降，主電路電感迅速釋放儲(chǔ)能，企圖維持正向電流，這時(shí),,大部分能量通過 VF 回饋電網(wǎng)，所

43、以稱作“本組逆變階段”。由于電流的迅速下降，這個(gè)階段所占時(shí)間很短，轉(zhuǎn)速來不及產(chǎn)生明顯的變化，其波形圖見圖4-10中的階段 I 。,,本組逆變過程系統(tǒng)狀態(tài),,,,,,Id,,,,,--,--,,,,,Ⅱ.它組制動(dòng)階段,當(dāng)主電路電流下降過零時(shí)，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(dòng)。從這時(shí)起，直到制動(dòng)過程結(jié)束，統(tǒng)稱“它組制動(dòng)階段”。 它組制動(dòng)階段又可分成三個(gè)子階段：它組建流子階段；它組逆變子階段；

44、反向減流子階段。,它組建流子階段,（1）Id 過零并反向，直至到達(dá) - Idm 以前，ACR并未脫離飽和狀態(tài)，其輸出仍為 - Ucm 。這時(shí)，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,,,,（2）反組VR由“待整流”進(jìn)入整流，向主電路提供 –Id 。 由于反組整流電壓 Ud0r 和反電動(dòng)勢(shì) E 的極性相同，反向電流很快增長(zhǎng)，電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速

45、明顯地降低，因此，又可稱作“它組反接制動(dòng)狀態(tài)”。,,反接制動(dòng)過程系統(tǒng)狀態(tài),,,,,,,,,Id,,,,,--,--,,,,,它組逆變子階段,當(dāng)反向電流達(dá)到 – Idm 并略有超調(diào)時(shí)，ACR輸出電壓 Uc 退出飽和，其數(shù)值很快減小，又由負(fù)變正，然后再增大，使VR回到逆變狀態(tài)，而 VF 變成待整流狀態(tài)。此后，在ACR的調(diào)節(jié)作用下，力圖維持接近最大的反向電流 – Idm ，因而,,,,電機(jī)在恒減速條件下回饋制動(dòng)，把動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，其中大部分通

46、過 VR 逆變回饋電網(wǎng)，過渡過程波形為圖4-10中的第 II2 階段，稱作“它組回饋制動(dòng)階段”或“它組逆變階段”。 由圖可見，這個(gè)階段所占的時(shí)間最長(zhǎng)，是制動(dòng)過程中的主要階段。,,它組回饋制動(dòng)過程系統(tǒng)狀態(tài),,,,,,--,--,,,,,反向減流子階段,在這一階段，轉(zhuǎn)速下降得很低，無法再維持 -Idm，于是電流立即衰減。 在電流衰減過程中，電感 L上的感應(yīng)電壓 LdId/dt 支持著反向電流，并釋放出存儲(chǔ)的磁能

47、，與電動(dòng)機(jī)斷續(xù)釋放出的動(dòng)能一起通過VR逆變回饋電網(wǎng)。 如果電機(jī)隨即停止，整個(gè)制動(dòng)過程到此結(jié)束。,,,,,,,M,,,,,,,VR,VF,,,,,,,,,,-1,,,,,,,,AR,GTR,GTF,Uc,,ASR,ACR,U*n,,+,-,,,,Un,Ui,U*i,+,-,,,,,,,,,,,,,,,TG,,,,,Lc1,Lc2,Lc3,Lc4,,,,,,,,,TM,TA,Ld,,,,Uc,,,,,,,,,,,,,Id,,,

48、,,反向減流過程系統(tǒng)狀態(tài),,0,,,,,--,--,,,,,,? 制動(dòng)過程系統(tǒng)響應(yīng)曲線,-Idm,IdL,-Ucm,E,圖4-10 配合控制有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)正向制動(dòng)過渡過程波形,反向起動(dòng),如果需要在制動(dòng)后緊接著反轉(zhuǎn)， Id = -Idm的過程就會(huì)延續(xù)下去，直到反向轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)為止。 由于正轉(zhuǎn)制動(dòng)和反轉(zhuǎn)起動(dòng)的過程完全銜接起來，沒有間斷或死區(qū)，這是有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，適用于要求快速正反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。,,

49、反向起動(dòng)過程系統(tǒng)狀態(tài),,,,,--,--,,,,,? 有環(huán)流系統(tǒng)可逆運(yùn)行曲線,4.1.3 無環(huán)流控制的可逆晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng),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(diǎn)，但設(shè)置幾個(gè)環(huán)流電抗器終究是個(gè)累贅。因此，當(dāng)工藝過程對(duì)系統(tǒng)正反轉(zhuǎn)的平滑過渡特性要求不很高時(shí)，特別是對(duì)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(shí)脈動(dòng)環(huán)流的無環(huán)流控制可逆系統(tǒng)。,,? 系統(tǒng)分類 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)

50、又有大類： 邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)； 錯(cuò)位控制無環(huán)流系統(tǒng)。,? 控制原理,邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng) 當(dāng)一組晶閘管工作時(shí)，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(shí)工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路，這就是邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)。,錯(cuò)位控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng),在錯(cuò)位控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)中，同樣采用配合控制的觸發(fā)移相方法，但兩組脈沖的關(guān)系是 ?r

51、+ ? 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(shí)，它的晶閘管已經(jīng)完全處于反向阻斷狀態(tài)，不可能導(dǎo)通，當(dāng)然就不會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流了。 鑒于目前錯(cuò)位控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)較少，本課程不再詳細(xì)介紹。,1. 邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng),本節(jié)將著重

52、討論邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制原理和電路設(shè)計(jì)。 （1）系統(tǒng)的組成 邏輯控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“邏輯無環(huán)流系統(tǒng)”）的原理框圖示于下圖該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為：,,,? 邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu),圖4-11 邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖,?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線路；由于沒有環(huán)流，不用設(shè)置環(huán)流電抗器；仍保留平波電抗器 Ld ，以保證穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電流波形連續(xù)；控制系統(tǒng)

53、采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)方案；電流環(huán)分設(shè)兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器，1ACR用來控制正組觸發(fā)裝置GTF，2ACR控制反組觸發(fā)裝置GTR；,?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（續(xù)）,1ACR的給定信號(hào)經(jīng)反號(hào)器AR作為2ACR的給定信號(hào)，因此電流反饋信號(hào)的極性不需要變化，可以采用不反映極性的電流檢測(cè)方法。為了保證不出現(xiàn)環(huán)流，設(shè)置了無環(huán)邏輯控制環(huán)節(jié)DLC，這是系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)，指揮系統(tǒng)進(jìn)行正、反組的自動(dòng)切換，其輸出信號(hào) Ublf 用來控制正組觸發(fā)脈

54、沖的封鎖或開放，Ublr 用來控制反組觸發(fā)脈沖的封鎖或開放。,,（2）工作原理,正向運(yùn)行：,,--,--,,反向運(yùn)行,,,--,--,2．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(jì)要求DLC的輸入要求： 分析V-M系統(tǒng)四象限運(yùn)行的特性，有如下共同特征：正向運(yùn)行和反向制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩方向?yàn)檎?，即電流為正；反向運(yùn)行和正向制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩方向?yàn)樨?fù)，即電流為負(fù)。因此，應(yīng)選擇轉(zhuǎn)矩信號(hào)作為DLC的輸入信號(hào)。,,由于ACR的

55、輸出信號(hào)正好代表了轉(zhuǎn)矩方向，即有：正向運(yùn)行和反向制動(dòng)時(shí)，U*i為正；反向運(yùn)行和正向制動(dòng)時(shí)，U*i為負(fù)。 又因?yàn)?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(shí)間。只有在實(shí)際電流過零時(shí)，才開始反向，因此，需要檢測(cè)零電流信號(hào)作為DLC的另一個(gè)輸入信號(hào)。,DLC的輸出要求,正向運(yùn)行：VF整流，開放VF，封鎖VR；反向制動(dòng)：VF逆變，開放VF，封鎖VR；反向運(yùn)行：VR整流，開放VR，封鎖VF；

56、正向制動(dòng)：VR逆變，開放VR，封鎖VF；因此，DLC的輸出有兩種狀態(tài)：VF開放 — Ublf = 1，VF封鎖 — Ublf = 0；VR開放 — Ublr = 1，VR封鎖 — Ublr = 0。,? DLC的內(nèi)部邏輯要求,對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為開關(guān)量；根據(jù)輸入信號(hào)，做出正確的邏輯判斷；為保證兩組晶閘管裝置可靠切換，需要有兩個(gè)延時(shí)時(shí)間：(1) t1延時(shí) —— 關(guān)斷等待時(shí)間，以確認(rèn)電流已經(jīng)過零，而非因電流

57、脈動(dòng)引起的誤信號(hào)；(2) t2延時(shí) —— 觸發(fā)等待時(shí)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。,,具有邏輯連鎖保護(hù)功能，以保證在任何情況下，兩個(gè)信號(hào)必須是相反的，決不容許兩組晶閘管同時(shí)開放脈沖，確保主電路沒有出現(xiàn)環(huán)流的可能。,（2）電路總體結(jié)構(gòu),這樣，根據(jù)上述分析DLC電路應(yīng)具有如下結(jié)構(gòu)：,（3）無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)的實(shí)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)，它的任務(wù)是：當(dāng)需要切換到正組晶閘管VF工作時(shí)，封鎖反

58、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(shí)，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(jī)軟件、PLC等，用以實(shí)現(xiàn)同樣的邏輯控制關(guān)系。,,軟件邏輯控制,圖4-12 邏輯控制切換程序流程圖,3. 邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的其他方案,在圖4-11的邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，采用了兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器和兩套觸發(fā)裝置分別控制正、反組晶閘管。實(shí)際上任何時(shí)刻都只有一組晶閘管在工作，另一組由于脈沖被封鎖而處于阻斷狀態(tài)，這時(shí)它的電流調(diào)節(jié)器和

59、觸發(fā)裝置都是等待狀態(tài)。采用模擬控制時(shí)，可以利用電子模擬開關(guān)選擇一套電流調(diào)節(jié)器和觸發(fā)裝置工作，另一套裝置就可以節(jié)省下來了。,邏輯選觸無環(huán)流可逆系統(tǒng),圖4-13 邏輯選觸無環(huán)流可逆系統(tǒng)的原理框圖,,圖中：SAF，SAR分別是正、反組電子模擬開關(guān)。 采用數(shù)字控制時(shí)，電子開關(guān)的任務(wù)可以用條件選擇程序來完成，實(shí)際系統(tǒng)都是邏輯選觸系統(tǒng)。此外，觸發(fā)裝置可采用由定時(shí)器進(jìn)行移相控制的數(shù)字觸發(fā)器，或采用集成觸發(fā)電路。,4. 無環(huán)流系統(tǒng)可逆運(yùn)

60、行曲線,5. 邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的評(píng)價(jià),優(yōu)點(diǎn)：省去環(huán)流電抗器，沒有附加的環(huán)流損耗；節(jié)省變壓器和晶閘管裝置等設(shè)備的容量；降低因換流失敗而造成的事故。缺點(diǎn)：由于延時(shí)造成了電流換向死區(qū)，影響 過渡過程的快速性。,本章小結(jié),本章主要討論直流調(diào)速系統(tǒng)的可逆運(yùn)行問題： 由于V-M系統(tǒng)中晶閘管的單向?qū)щ娦?，需要設(shè)置可逆線路來使電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)行或制動(dòng)，主要的可逆線路有電樞反接可逆線路；勵(lì)磁反接可逆線路；

61、 兩組晶閘管反并聯(lián)是大功率傳動(dòng)系統(tǒng)的主要供電方式。,,在兩組晶閘管反并聯(lián)線路中，會(huì)出現(xiàn)環(huán)流，為此，需要采取措施抑制環(huán)流設(shè)置環(huán)流電抗器；采取 ? = ? 配合控制方式；采取封鎖觸發(fā)脈沖的方式，使兩組晶閘管不能同時(shí)工作。,,根據(jù)控制環(huán)流方式，直流可逆調(diào)速系統(tǒng)分為有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)；無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。,,學(xué)習(xí)要點(diǎn)：（1）掌握可逆線路的基本結(jié)構(gòu)；（2）掌握V-M系統(tǒng)反并聯(lián)可逆線路4象限運(yùn)行的各種工作狀態(tài)；（3）掌握可逆系統(tǒng)的