运动控制-第四章

第 4 章 可逆可逆直流直流调速系统调速系统•问题的提出有许多生产机械要求电动机既能正转，又 能反转，而且常常还需要快速地起动和制动， 这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性 ，也就是说，需要可逆的调速系统•V-M系统可逆运行的实现•晶闸管可逆直流调速系统介绍•PWM可逆直流调速系统简介4.1 4.1 V-MV-M系统可逆运行的实现系统可逆运行的实现 一、知识回顾:电动机的工作状态电动机的工作状态可以用四象限图来加说明IdnMEIdn TeMEIdn TeMEIdn TeMEIdn TeM:正向电动M:反向制动M:反向电动M:正向制动4.1 4.1 V-MV-M系统可逆运行的实现系统可逆运行的实现 二、可逆运行的实现由图可知,电动机要实现反转和制动,其电流(即 转矩)必须反向!为此,要提供反向电流的通路,通常 采用反并联可逆电路.如图:•电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电 •电动机正向制动时，由VR提供反向电流；反向制动时，由VF提供正向电流MVRVFId-Id+--+--4.1 4.1 V-MV-M系统可逆运行的实现系统可逆运行的实现 三、反并联可逆线路中晶闸管装置的工作状态•晶闸管装置的整流与有源逆变–整流状态：α＜90° 逆变状态：α＞90° 当Ud0＞E时有电流Id 当|E| ＞|Ud0|时有电流Id 有源逆变的条件： α＞90°；有实际极性与相抵的直流电源。

MVFId+---EMVR-Id+---E说明： 1 Ud0=E时为待逆变状态→待整流状态 2逆变角的定义：α+β=180° 3逆变失败——触发脉冲丢失；β太小；——βmin限制 PP4.1 4.1 V-MV-M系统可逆运行的实现系统可逆运行的实现•电动机的制动方式： 制动 耗能制动 能耗制动——消耗电机的储能反接制动——外接能源一起消耗发电回馈制动 •V-M系统中电机制动时也要使用反并联电路，此时提 供反向电流的晶闸管装置处于逆变状态，实现了电机 的发电回馈制动IdnMEIdnTeMEIdnTeMEIdnTeMEIdnTeM:正向电动M:反向回馈制动M:反向电动M:正向回馈制动 V:反组逆变V:正组整流V:反组整流V:正组逆变4.1 4.1 V-MV-M系统可逆运行的实现系统可逆运行的实现 四、反并联电路中的环流 1. 环流及其种类环流及其种类•环流的定义采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组 装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直 接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流，如 下图中所示RrecRrecMVR VFUd0f+--+Ud0rRa--~~Id Ic4.1 4.1 V-MV-M系统可逆运行的实现系统可逆运行的实现•环流的种类 （1）静态环流 两组可逆线路在一定控制角下稳定工作 时出现的环流，其中又有两类：n直流平均环流——由晶闸管装置输出的直流平均电压 不等所产生的环流称作直流平均环流。

n瞬时脉动环流——两组晶闸管输出的直流平均电压差 为零，但因电压波形不同，瞬时电压差不等仍会产生 脉动的环流，称作瞬时脉动环流 （2）动态环流 仅在可逆V-M系统处于过渡过程中(α角变 化时)出现的环流 4.1 4.1 V-MV-M系统可逆运行的实现系统可逆运行的实现 2. 2.直流平均环流的消除与配合控制直流平均环流的消除与配合控制•配合控制原理为了防止产生直流平均环流，应该当正组处于整流状态时 ，强迫让反组处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆 变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零于是Ud0r = －Ud0f 而Ud0f = Ud0 max cosf Ud0r = Ud0 max cosr 所以 cos f = – cos r或  f +  r = 180  如果反组的控制用逆变角  r 表示，则  f =  r 由此可见，按照上式来控制就可以消除直流平均环流，这称作  =  配合控制。

为了更可靠地消除直流平均环流，可采用 f ≥  r4.1 4.1 V-MV-M系统可逆运行的实现系统可逆运行的实现 • =  配合控制移相特性与配合控制方法 =  配合控制系统的移相控制特性示于下图:•当控制电压 Uc= 0 时，使 f = r = 90°，此时 Ud0f = Ud0r = 0 ，电机处于停止状态•移相时(Uc增大时)，αf减小而αr增大(βr减小),使正组整流,反组逆变,在控 制过程中始终保持αf=βrUc  - UcmUc90o rmin180o 0oUcm90o0o 180o fmin fmin rmin  r fGTRGTFUc1rf为了防止晶闸管装置 在逆变状态工作中 “ 逆变颠覆”现象，采 取最小逆变角min保 护与此同时，对  角也实施 min 保护， 以免出现 Ud0f > Ud0r 而产生直流平均环流 通常取4.1 4.1 V-MV-M系统可逆运行的实现系统可逆运行的实现 3. 3. 瞬时脉动环流及其抑制瞬时脉动环流及其抑制•瞬时的脉动环流产生的原因•由于晶闸管装置的输出电压是脉动的，造成整流与逆变电 压瞬时电压不等的情况，从而产生瞬时的脉动环流。

现 以 f = r = 60°为例，分析三相零式反并联可逆线路在 = 工作制下产生瞬时脉动环流的情况，先看下页)•瞬时脉动环流的抑制•为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，叫 做环流电抗器，或称均衡电抗器，如下页图中的 Lc1和 Lc2 在三相桥式反并联可逆线路中，由于每一组桥又有两条 并联的环流通道，总共要设置4个环流电抗器如图:12MVFVRab cA B C~~--Ud0fLc1RrecRrecUd0rVFVRicpTMIdabcaud0rOw tp2pUd0rw tIcpicpud0f ud0fw tabcaOp2pUd0fOrud04.2 4.2 晶闸管可逆直流调速系统介绍晶闸管可逆直流调速系统介绍•一、  =  配合控制的有环流可逆V-M系统----1. 系统组成 MVRVF-1ARGTRGTFUc ASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc•主电路 •主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，其中 ：正组晶闸管VF，由GTF控制触发 ——正转时，VF整流；反转时，VF（待）逆变。

反组晶闸管VR，由GTR控制触发 ——反转时，VR整流；正转时，VR（待）逆变1. 系统组成 MVRVF-1ARGTRGTFUc ASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc•控制电路 控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，其中： 转速调节器ASR控制转速，设置双向输出限幅电路，以限 制最大起制动电流； 电流调节器ACR控制电流，设置双向输出限幅电路，以限 制最小控制角 min 与最小逆变角 min v 所以在可逆系统中ACR是会饱和的1. 系统组成 MVRVF-1ARGTRGTFUc ASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc•给定与检测电路（转速）根据可逆系统正反向运行的需要，给定电压、转速反馈电压、 电流反馈电压都应该能够反映正和负的极性这里：n给定电压：正转时，KF闭合， U*n=“+”；反转时，KR闭合， U*n=“-”n转速反馈：正转时， Un=“-”， 反转时， Un=“+”1. 系统组成 MVRVF-1ARGTRGTFUc ASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc•给定与检测电路（电流） 电流反馈电压：n正转时，Ui =“+”；n反转时，Ui =“-”。

注意：由于电流反馈应能否反映极性，因此图中的电流互感 器需采用直流电流互感器或霍尔变换器，以满足这一要求1. 系统组成 MVRVF-1ARGTRGTFUc ASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc2. α=β配合控制 方式的实现•采用前述移相控 制特性，如图所 示1. 系统组成 MVRVF-1ARGTRGTFUc ASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcUc  - UcmUc90o rmin180o 0oUcm90o0o 180o fmin fmin rmin  r fGTR GTFUc1rf•具体而言，就是在GTR前加一反号器AR使GTR的 控制电压为 于是有：n停转时 Uc = 0，r =  f = 90°，Ud0f = Ud0r = 0n正转时 Uc > 0，  f 0，  r< 90°，VR整流： Ud0r =“+”；Uc < 0，  f < 90°，VF逆变： Ud0f =“-”MVRVFRrecRrec-1ARGTRGTFUcRaUcUc  - UcmUc90o rmin180o 0oUcm90o0o 180o fmin fmin rmin  r fGTRGTFUc1rf4.2 4.2 晶闸管可逆直流调速系统介绍晶闸管可逆直流调速系统介绍 二、无环流控制的可逆晶闸管-电动机系统 1.系统分类 按照实现无环流控制原理的不同，无环 流可逆系统又有二大类：•逻辑控制无环流系统——当一组晶闸管工作时，用逻辑 电路（硬件）或逻辑算法（软件）去封锁另一组晶闸管的触 发脉冲，使它完全处于阻断状态，以确保两组晶闸管不同时 工作，从根本上切断了环流的通路——从“宏观”上切断 环流的通路。

•错位控制无环流系统——同样采用配合控制的触发移相 方法，但两组脉冲的关系是 r +  f = 300o，甚至是 r +  f = 360o，也就是说，初始相位整定在 r =  f = 150o或180o这 样，当待逆变组的触发脉冲来到时，它的晶闸管已经完全处 于反向阻断状态，不可能导通，当然就不会产生瞬时脉动环 流了——从“微观”上切断环流的通路二、二、无环流控制的可逆晶闸管无环流控制的可逆晶闸管- -电动机系统电动机系统2. 2.逻辑控制的无环流可逆系统逻辑控制的无环流可逆系统• •系统组成系统组成ASRDLC-1TAVRVFGTR2 ACRMTGGTF 1 ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0 LdAR----+• •系统结构的特点系统结构的特点 主电路采用两组晶闸管装置反并联线路n由于没有环流，不用设置环流电抗器n仍保留平波电抗器 Ld ，以保证稳定运行时电流波形连续 n控制系统采用转速、电流双闭环方案电流环分设两个电 流调节器，1ACR用来控制正组触发装置GTF，2ACR控制 反组触发装置GTRASRDLC-1TAVRVFGTR2 ACRMTGGTF 1 ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0 LdAR----+• •系统结构的特点系统结构的特点 q1ACR的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号，因此 电流反馈信号的极性不需要变化，可以采用不反映极性的电 流检测方法。

q为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控制环节DLC，这是 系统中的关键环节它按照系统的工作状态，指挥系统进行 正、反组的自动切换，其输出信号 Ublf 用来控制正组触发 脉冲的封锁或开放，Ub。