有環(huán)流控制的可逆晶閘管-電動機系統(tǒng)

1、可逆調速系統(tǒng)和位置隨動系統(tǒng),電力拖動自動控制系統(tǒng),第 4 章,本章在前三章的基礎上進一步探討可逆調速系統(tǒng)和位置隨動系統(tǒng)?？紤]到大多數學校教學學時的限制和電氣工程及其自動化專業(yè)的一般教學需求，本課件選擇可逆調速系統(tǒng)為主要內容。,4.1 可逆直流調速系統(tǒng),內容提要問題的提出晶閘管-電動機系統(tǒng)的可逆線路晶閘管-電動機系統(tǒng)的回饋制動兩組晶閘管可逆線路中的環(huán)流有環(huán)流可逆調速系統(tǒng)無環(huán)流可逆調速系統(tǒng),4.1.0 問題的提出,有許

2、多生產機械要求電動機既能正轉，又能反轉，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，或者改變勵磁磁通的方向，都能夠改變直流電機的旋轉方向，這本來是很簡單的事。 然而當電機采用電力電子裝置供電時，由于電力電子器件的單向導電性，問題就變得復雜起來了，需要專用的可逆電力電子裝置和自動控制系統(tǒng)。,4.1.1 單片微

3、機控制的PWM可逆直流調速系統(tǒng),中、小功率的可逆直流調速系統(tǒng)多采用由電力電子功率開關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 可逆調速系統(tǒng)的主電路，其中功率開關器件采用 IGBT ，在小容量系統(tǒng)中則可用將IGBT、續(xù)流二極管、驅動電路以及過流、欠壓保護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—驅動電路模塊，內部含有光電隔離電路和開關放大電路；,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軟件中；TG—為測速發(fā)電機，當調速精度要求較高時可采用數字測速碼盤； TA—霍爾電流傳感器； 給定量 n*，I*d 和反饋量 n，Id 都已經是數字量。,系統(tǒng)控制,該原理圖的硬件結構如圖3-4

5、所示，控制系統(tǒng)一般采用轉速、電流雙閉環(huán)控制，電流環(huán)為內環(huán)，轉速環(huán)為外環(huán)，內環(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，但阻容值太大時會延緩動態(tài)響應，為此可采用硬件濾波與軟件濾波相結合的辦法。,系統(tǒng)控制（續(xù)）,當轉速給定信號在-n*max ~ 0 ~ +n*max 之間變化并達到穩(wěn)態(tài)后，由微機輸出的PWM信號占空比ρ在 0 ~ ½ ~ 0 的范圍內變化，使UPEM的輸出平均電壓

6、系數為 ? = –1 ~ 0 ~ +1 [參看式（1-20）]，實現雙極式可逆控制。,,,在變流中，為了避免同一橋臂上、下兩個電力電子器件同時導通而引起直流電源短路，在由 VT1、VT4 導通切換到 VT2、VT3 導通或反向切換時，必須留有死區(qū)時間。 對于功率晶體管，死區(qū)時間約需30µs；對于IGBT，死區(qū)時間約需5µs或更小些。,4.1.

7、2 有環(huán)流控制的可逆晶閘管-電動機系統(tǒng),一. V-M系統(tǒng)的可逆線路 根據電機理論，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的旋轉方向。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：（1）接觸器開關切換的可逆線路（2）晶閘管開關切換的可逆線路（3）兩組晶閘管裝置反并聯可逆線路,（1） 接觸

8、器開關切換的可逆線路,KMF閉合，電動機正轉； KMR閉合，電動機反轉。,,Ud,,+Id,–Id,,,,,,,,,,,（2）晶閘管開關切換的可逆線路,,VT1、VT4導通，電動機正轉； VT2、VT3導通，電動機反轉。,,晶閘管開關切換的可逆線路,,,,Ud,–Id,,,,,VT1,VT2,VT3,VT4,,+Id,,,,,,,,,,,接觸器切換可逆線路的特點,優(yōu)點： 僅需一組晶閘管裝置，簡單、經濟。缺點：有觸點切

9、換，開關壽命短； 需自由停車后才能反向，時間長。應用：不經常正反轉的生產機械。,（3）兩組晶閘管裝置反并聯可逆線路,較大功率的可逆直流調速系統(tǒng)多采用晶閘管-電動機系統(tǒng)。由于晶閘管的單向導電性，需要可逆運行時經常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯的可逆線路，如下圖所示。,,Id,b) 運行范圍,圖4-2 兩組晶閘管可控整流裝置反并聯可逆線路,兩組晶閘管裝置反并聯可逆供電方式,- n,a) 電路結構,,M,,,,

10、,,,,,,,,,,,VR,VF,Id,-Id,+,-,-,+,,,--,,,? 兩組晶閘管裝置可逆運行模式,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。 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格的要求。,2. 勵磁反接可逆線路,改變勵磁電流的方向也能

11、使電動機改變轉向。與電樞反接可逆線路一樣，可以采用接觸器開關或晶閘管開關切換方式，也可采用兩組晶閘管反并聯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,晶閘管反并聯勵磁反接可逆線路,,,,,,,,,,,,,,,VR,VF,Id,-Id,+,-,-,+,,,--,,,,? 勵磁反接的特點,優(yōu)點：供電裝置功率小。 由

12、于勵磁功率僅占電動機額定功率的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：改變轉向時間長。 由于勵磁繞組的電感大，勵磁反向的過程較慢；又因電動機不允許在失磁的情況下運行，因此系統(tǒng)控制相對復雜一些。,小 結,（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——適用于不經常正反轉的生產機械；晶閘管開關切換線路——適用于中、小功率的可逆系統(tǒng)；兩組晶閘管反并聯線路——適用于各種可逆系統(tǒng)。,二. 晶閘管-電動機系統(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）,當控制角為? ? 90°，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)；當控制角為? ? 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)在拖動起重機類型的負載時也可能出現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由電網向電動機提供能量。,,,Id,,,b）逆變狀態(tài)：放下重物? ? 90°，Ud0 ? E，n ? 0 由電動機向電網回饋能量。,,,Id,,c）機械特性,整流狀態(tài)： 電動機工作于第1象限；逆變狀態(tài)： 電動機工作于第4象限。,,TL,圖4-3 單組V

16、-M系統(tǒng)帶起重機類型負載時的整流和逆變狀態(tài),3. 兩組晶閘管裝置反并聯的整流和逆變,兩組晶閘管裝置反并聯可逆線路的整流和逆變狀態(tài)原理與此相同，只是出現逆變狀態(tài)的具體條件不一樣。 現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， ?f ? 90°，Ud0f ? E， n ? 0

17、 電機從電路輸入能量作電動運行。,,,,P,Id,,b) 反組晶閘管裝置VR逆變,當電動機需要回饋制動時，由于電機反電動勢的極性未變，要回饋電能必須產生反向電流，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 電機輸出電能實現回饋制動。,,,,P,Id,,c）機

18、械特性范圍,c) 機械特性運行范圍,? 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)的四象限運行,在可逆調速系統(tǒng)中，正轉運行時可利用反組晶閘管實現回饋制動，反轉運行時同樣可以利用正組晶閘管實現回饋制動。這樣，采用兩組晶閘管裝置的反并聯，就可實現電動機的四象限運行。 歸納起來，可將可逆線路正反轉時晶閘管裝置和電機的工作狀態(tài)列于表4-1中。,表4-1

19、V-M系統(tǒng)反并聯可逆線路的工作狀態(tài),? 反并聯的晶閘管裝置的其他應用,即使是不可逆的調速系統(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，兩組晶閘管裝置的容量大小可以不同，反組只在短時間內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。,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的可逆V-M系統(tǒng)，如果兩組裝置的整流電壓同時出現，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，如下圖中所示。,,? 環(huán)流的形成,Id,,,,Ic,,,,Ic — 環(huán)流Id — 負載電流,? 環(huán)流的危害和利用,危害：一般地說，這樣的環(huán)流對負載無益，徒然加重晶閘管和變壓器的負擔，消耗功率，環(huán)流太大時會導致晶閘管損壞，因此應該予以抑制或消除。利用：只要合理的對環(huán)流進行控制，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，會出現下列不同性質的環(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

22、因電壓波形不同，瞬時電壓差仍會產生脈動的環(huán)流，稱作瞬時脈動環(huán)流。,環(huán)流的分類（續(xù)）,（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相連，必然產生較大的直流平均環(huán)流。為了防止直流平均環(huán)流的產生，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,為了防止產生直流平均環(huán)流，應該當正組處于整流狀態(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（4-1），

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，當直流平均環(huán)流為零時，應有 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,為了實現配合控制，可將兩組晶閘管裝置的觸發(fā)脈沖零位都定在90°，即當控制電壓 Uc= 0 時，使 ?f = ?r = 90°，此時 Ud0f =

27、 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。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， 是經過反號器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，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) —— 實際上，這時逆變組除環(huán)流外并未流過負載電流，也就沒有電能回饋電網，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) ——只有在制動時，當發(fā)出信號改變控制角

29、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，使電機產生回饋制動，將電能通過逆變組回饋電網。,? = ? 控制的工作狀態(tài)（續(xù)）,待整流狀態(tài) ——同樣，當逆變組工作時，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)。,（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致換流失敗，出現“逆變顛覆”現象，必須在控制電路中采用限幅作用，形成最小逆變角?min保護。與此同時，對 ? 角也實施 ?min 保護，以免出現 Ud0f > Ud0r 而產生直流平均環(huán)流。通常取,3. 瞬時脈動環(huán)流及其抑制,（1） 瞬時的脈動環(huán)流產生的原因： 采用配合控制已

31、經消除了直流平均環(huán)流，但是，由于晶閘管裝置的輸出電壓是脈動的，造成整流與逆變電壓波形上的差異，仍會出現瞬時電壓的情況，從而仍能產生瞬時的脈動環(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）瞬時脈動環(huán)流產生情況舉例 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。 現以 ?f = ?r = 60°為例，分析三相零式反并聯可逆線路產生瞬時脈動環(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單。,? 三相零式反并聯可逆線路,,,,,,Id,,,,,,,,Icp,,,,,,,,,,? 三相零式反并聯的電壓波形,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,? 瞬時脈動環(huán)流的產生,正組整流電壓和反組逆變電壓之間的瞬時電壓差， ?ud0 = ud0f – ud0r 其波形繪于圖4-9d。由于這個瞬時電壓差的存在

33、，便在兩組晶閘管之間產生了瞬時脈動環(huán)流 icp，也繪在圖4-9d中。,,? 瞬時脈動環(huán)流的直流分量,由于晶閘管的內阻很小，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導電性，只能在一個方向脈動，所以瞬時脈動環(huán)流也有直流分量 Icp （見圖4-9d），但與平均電壓差所產生的直流平均環(huán)流在性質上是根本不同的。,（3）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

34、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4-9a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負載額定電流的5%~10%來設計。,? 環(huán)流電抗器的設置,三相零式反并聯可逆線路必須在正、反兩個回路中各設一個環(huán)流電抗器，因為其中總有一個電抗器會因流過直流負載電流而飽和，失去限流作用。例如： 在圖 4-9a 中當正組VF整流時，流過負載電流，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，當反組VR整流時，只能依靠 Lc1限制環(huán)流。,,在三相橋式反并聯可逆線路中，由于每一組橋又有兩條并聯的環(huán)流通道，總共要設置4個環(huán)流電抗器。,,,,,,,,,,,1,2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

36、,,,,,,,M,,,,,,,,,VF,VR,a,b,c,A,B,C,,,,,--,環(huán)流電抗器的設置（續(xù)）,~,,,,,,,,,,,,,環(huán)流電抗器的設置（續(xù)）,在三相橋式交叉連接可逆線路中，由于電源獨立，每一組橋只有一條環(huán)流通道，因此只要設置2個環(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的可逆線路，其中：? 正組晶閘管VF，由GTF控制觸發(fā)， ——

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

38、 反轉時， Un=“+”。,? 給定與檢測電路（電流）,電流反饋電壓：正轉時，Ui =“+”；反轉時，Ui =“-”。注意：由于電流反饋應能否反映極性，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速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中：?轉速調節(jié)器ASR控制轉速，設置雙向輸出限幅電路，以限制最大起制動電流；?電流調節(jié)器ACR控制電流，設置

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,采用同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路時，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。,,,反轉時： > 0， ? r< 90°，VR整流： Ud0r =“+”；Uc < 0， ? f < 90°，VF逆變： Ud0f =“-”。,正轉時：Uc > 0， ? f < 9

40、0°，VF整流： Ud0f =“+”； < 0， ? r < 90°，VR逆變： Ud0r =“-”。,停轉時：Uc = 0， ?r = ? f = 90°， Ud0f = Ud0r = 0。,? AR? =“-” ?VR逆變,3. 工作過程,正向運行過程：KF閉合， U*n=“+”? U*i=“-”? Uc =“+”,,??電動機正

41、向運行,————————?VF整流,??,,正向運行過程系統(tǒng)狀態(tài),,,有環(huán)流系統(tǒng)正向運行過程,,,--,--,P,n,,,,,制動過程,整個制動過程可以分為兩個主要階段，其中還有一些子階段。主要階段分為： I. 本組逆變階段； II.它組制動階段。 現以正向制動為例，說明有環(huán)流可逆調速系統(tǒng)的制動過程。,I. 本組逆變階段,在這階段中，電流由正向負載電流下降到零，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，轉速給定電壓突變?yōu)榱悖ɑ蜇撝担?；ASR輸出躍變到正限幅值 +U*im ；ACR輸出躍變成負限幅值 -Ucm ；VF由整流狀態(tài)很快變成的逆變狀態(tài)，同時反組VR由待逆變狀態(tài)轉變成待整流狀態(tài)。,,在VF-M回路中，由于VF變成逆變狀態(tài)，極性變負，而電機反電動勢 E 極性未變，迫使電流迅速下降，主電路電感迅速釋放儲能，企圖維持正向電流，這時,,大部分能量通過 VF 回饋電網，所

43、以稱作“本組逆變階段”。由于電流的迅速下降，這個階段所占時間很短，轉速來不及產生明顯的變化，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.它組制動階段,當主電路電流下降過零時，本組逆變終止，第 I 階段結束，轉到反組 VR 工作，開始通過反組制動。從這時起，直到制動過程結束，統(tǒng)稱“它組制動階段”。 它組制動階段又可分成三個子階段：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 - Idm 以前，ACR并未脫離飽和狀態(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， 的數值略減，使,,,,（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)，轉速

45、明顯地降低，因此，又可稱作“它組反接制動狀態(tài)”。,,反接制動過程系統(tǒng)狀態(tài),,,,,,,,,Id,,,,,--,--,,,,,它組逆變子階段,當反向電流達到 – Idm 并略有超調時，ACR輸出電壓 Uc 退出飽和，其數值很快減小，又由負變正，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的調節(jié)作用下，力圖維持接近最大的反向電流 – Idm ，因而,,,,電機在恒減速條件下回饋制動，把動能轉換成電能，其中大部分通

46、過 VR 逆變回饋電網，過渡過程波形為圖4-10中的第 II2 階段，稱作“它組回饋制動階段”或“它組逆變階段”。 由圖可見，這個階段所占的時間最長，是制動過程中的主要階段。,,它組回饋制動過程系統(tǒng)狀態(tài),,,,,,--,--,,,,,反向減流子階段,在這一階段，轉速下降得很低，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上的感應電壓 LdId/dt 支持著反向電流，并釋放出存儲的磁能

47、，與電動機斷續(xù)釋放出的動能一起通過VR逆變回饋電網。 如果電機隨即停止，整個制動過程到此結束。,,,,,,,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,,,,,--,--,,,,,,? 制動過程系統(tǒng)響應曲線,-Idm,IdL,-Ucm,E,圖4-10 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,反向起動,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。 由于正轉制動和反轉起動的過程完全銜接起來，沒有間斷或死區(qū)，這是有環(huán)流可逆調速系統(tǒng)的優(yōu)點，適用于要求快速正反轉的系統(tǒng)。,,

49、反向起動過程系統(tǒng)狀態(tài),,,,,--,--,,,,,? 有環(huán)流系統(tǒng)可逆運行曲線,4.1.3 無環(huán)流控制的可逆晶閘管-電動機系統(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，但設置幾個環(huán)流電抗器終究是個累贅。因此，當工藝過程對系統(tǒng)正反轉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)。,,? 系統(tǒng)分類 按照實現無環(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),在錯位控制的無環(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，當待逆變組的觸發(fā)脈沖來到時，它的晶閘管已經完全處于反向阻斷狀態(tài)，不可能導通，當然就不會產生瞬時脈動環(huán)流了。 鑒于目前錯位控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)實際應用已經較少，本課程不再詳細介紹。,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)結構、控制原理和電路設計。 （1）系統(tǒng)的組成 邏輯控制的無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)（以下簡稱“邏輯無環(huán)流系統(tǒng)”）的原理框圖示于下圖該系統(tǒng)結構的特點為：,,,? 邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)結構,圖4-11 邏輯控制無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)原理框圖,?系統(tǒng)結構的特點,主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯線路；由于沒有環(huán)流，不用設置環(huán)流電抗器；仍保留平波電抗器 Ld ，以保證穩(wěn)定運行時電流波形連續(xù)；控制系統(tǒng)

53、采用轉速、電流雙閉環(huán)方案；電流環(huán)分設兩個電流調節(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)結構的特點（續(xù)）,1ACR的給定信號經反號器AR作為2ACR的給定信號，因此電流反饋信號的極性不需要變化，可以采用不反映極性的電流檢測方法。為了保證不出現環(huán)流，設置了無環(huán)邏輯控制環(huán)節(jié)DLC，這是系統(tǒng)中的關鍵環(huán)節(jié)。它按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)，指揮系統(tǒng)進行正、反組的自動切換，其輸出信號 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,正向運行：,,--,--,,反向運行,,,--,--,2．無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié),（1）邏輯控制環(huán)節(jié)的設計要求DLC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：正向運行和反向制動時，電動機轉矩方向為正，即電流為正；反向運行和正向制動時，電動機轉矩方向為負，即電流為負。因此，應選擇轉矩信號作為DLC的輸入信號。,,由于ACR的

55、輸出信號正好代表了轉矩方向，即有：正向運行和反向制動時，U*i為正；反向運行和正向制動時，U*i為負。 又因為 U*I 極性的變化只表明系統(tǒng)轉矩反向的意圖，轉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。,DLC的輸出要求,正向運行：VF整流，開放VF，封鎖VR；反向制動：VF逆變，開放VF，封鎖VR；反向運行：VR整流，開放VR，封鎖VF；

56、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)：VF開放 — Ublf = 1，VF封鎖 — Ublf = 0；VR開放 — Ublr = 1，VR封鎖 — Ublr = 0。,? DLC的內部邏輯要求,對輸入信號進行轉換，將模擬量轉換為開關量；根據輸入信號，做出正確的邏輯判斷；為保證兩組晶閘管裝置可靠切換，需要有兩個延時時間：(1) t1延時 —— 關斷等待時間，以確認電流已經過零，而非因電流

57、脈動引起的誤信號；(2) t2延時 —— 觸發(fā)等待時間，以確保被關斷的晶閘管已恢復阻斷能力，防止其重新導通。,,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環(huán)流的可能。,（2）電路總體結構,這樣，根據上述分析DLC電路應具有如下結構：,（3）無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)的實現,無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)是邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，它的任務是：當需要切換到正組晶閘管VF工作時，封鎖反

58、組觸發(fā)脈沖而開放正組脈沖；當需要切換到反組VR工作時，封鎖正組而開放反組。通常都用數字控制，如數字邏輯電路、微機軟件、PLC等，用以實現同樣的邏輯控制關系。,,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)流可逆調速系統(tǒng)中，采用了兩個電流調節(jié)器和兩套觸發(fā)裝置分別控制正、反組晶閘管。實際上任何時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)，這時它的電流調節(jié)器和

59、觸發(fā)裝置都是等待狀態(tài)。采用模擬控制時，可以利用電子模擬開關選擇一套電流調節(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。 采用數字控制時，電子開關的任務可以用條件選擇程序來完成，實際系統(tǒng)都是邏輯選觸系統(tǒng)。此外，觸發(fā)裝置可采用由定時器進行移相控制的數字觸發(fā)器，或采用集成觸發(fā)電路。,4. 無環(huán)流系統(tǒng)可逆運

60、行曲線,5. 邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的評價,優(yōu)點：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備的容量；降低因換流失敗而造成的事故。缺點：由于延時造成了電流換向死區(qū)，影響 過渡過程的快速性。,本章小結,本章主要討論直流調速系統(tǒng)的可逆運行問題： 由于V-M系統(tǒng)中晶閘管的單向導電性，需要設置可逆線路來使電動機反向運行或制動，主要的可逆線路有電樞反接可逆線路；勵磁反接可逆線路；

61、 兩組晶閘管反并聯是大功率傳動系統(tǒng)的主要供電方式。,,在兩組晶閘管反并聯線路中，會出現環(huán)流，為此，需要采取措施抑制環(huán)流設置環(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工作。,,根據控制環(huán)流方式，直流可逆調速系統(tǒng)分為有環(huán)流可逆調速系統(tǒng)；無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)。,,學習要點：（1）掌握可逆線路的基本結構；（2）掌握V-M系統(tǒng)反并聯可逆線路4象限運行的各種工作狀態(tài)；（3）掌握可逆系統(tǒng)的