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1、第四章 可逆直流调速系统,在实际生产中，许多生产机械不仅要求调速系统能够完成调速任务，而且还要求系统能够可逆运转，有些生产机械虽不要求可逆运行，但亦要求能进行快速电气制动。从直流电动机的工作原理可知，要使其制动或改变旋转方向，就必须改变电动机产生的电磁转矩的方向。将能够改变直流电动机转矩方向的系统，称为可逆调速系统。本章将介绍两类可逆控制方式：晶闸管-电动机可逆调速系统（V-M可逆系统）及直流脉宽可逆调速系统（PWM可逆系统）。,4.1 晶闸管-电动机可逆调速系统（V-M可逆系统）,4.1.1晶闸管-电动机可逆调速系统的基本结构根据直流电动机的电磁转矩公式 可知，改变电磁转矩方向有两种方案：保
2、持磁场方向不变，通过改变电枢电压极性使电流反向实现可逆运行的系统，称为电枢可逆系统；保持电枢电压极性不变，通过改变励磁电流方向实现可逆运行的系统，称为磁场可逆系统。,1.可逆运行的实现方法可逆运行的实现方法多 种多样，不同的生产机械可 根据各自的要求去选择，在 要求频繁快速正反转的生产 机械，目前广泛采用的是两 组晶闸管整流装置构成的可逆线路，如图4-1所示。一组供给正向电流，称之为VF组，另一组供给反向电流，称之为VR组。,图4-1两组晶闸管供电的可逆电路,当电动机正转时，由正组VF供电；反转时则由反组VR供电。两组晶闸管分别由两套触发脉冲控制，灵活地控制直流电动机正、反转和调速。但不允许两
3、组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路。为此对控制电路提出了严格的要求。对于由两组变流装置构成的可逆线路，按接线方式不同又可分为反并联连接和交叉连接两种线路。,由图4-2可见，交叉 连接和反并联连接在本 质上没有显著的差别， 不同的是，反并联连接 的两组晶闸管变流装置 的供电电源是共同的； 交叉连接的两组晶闸管 变流装置的供电电源是 彼此独立的，或是一台变压器的两套副绕组。,图4-2三相桥式电枢可逆线路,两个电源可以同相位，或者反相位，也可以相差30（即一组副绕组丫接，一组副绕组接）。这样在容量较大的设备上可实现多相整流，以减小晶闸管变流装置对电网波形畸变的影响。另外，交叉连接中，环流电
4、抗器只需要两个，而反并联连接中却要四个。但由于反并联连接只需一个电源，变压器利用率高、接线简单，目前在要求频繁快速起、制动的中、小容量的生产机械上采用电枢反并联线路较多。,2.电枢可逆系统及磁场可逆系统的比较 由晶闸管供电的直流调速系统，直流电动机的励磁功率约为电机额定功率的3%5%。反接励磁所需的两组晶闸管变流装置的容量，比在电枢可逆系统中所用晶闸管变流装置要小得多，从而可节省设备投资。但由于励磁回路电感大，时间常数较大，系统的快速性很差。而且反转过程中，当磁通减小时，应切断电枢电压，以免产生原来方向的转矩阻碍反向，此外要避免发生飞车现象。这样就增加了控制系统的复杂性。,此外对于中、小型系统
5、，以电枢回路中省去一套晶闸管变流装置的价格，往往不足以补偿在磁场可逆系统中增设的两套晶闸管及控制回路复杂化所增加的投资。因此，只有当电动机容量相当大，而且对快速性要求又不高时，才考虑采用磁场可逆系统。从考虑快速性和控制回路简单的角度出发，大多数设备以采用电枢可逆系统为宜，为此本章仅对电枢可逆系统进行分析。,4.1.2电枢可逆系统中的环流,由两组晶闸管变流装置组成的电枢可逆系统中，除了流经电枢支路的负载电流之外，还有一个只流经两组晶闸管变流装置之间的电流，这个电流称作环流。环流具有两重性:1、它增加了晶闸管变流装置的负担，环流太大时甚至会导致晶闸管损坏，应该加以限制；2、可以利用环流作为流过晶闸
6、管的基本负载电流，即使在电动机空载时也可以使晶闸管装置工作在电流连续区，避免了电流断续引起的非线性对系统静、动态性能的影响。, 环流的形成,Id,Ic,Ic 环流 Id 负载电流,环流可以分为静态环流及动态环流两大类。当可逆线路在一定的控制角下稳定工作时，所出现的环流称为静态环流，静态环流又可分为直流平均环流和瞬时脉动环流。只在系统处于过渡过程中，由于晶闸管触发相位发生突然改变时出现的环流，叫做动态环流。下面将进一步讨论静态环流问题，在此基础上引出几种典型的可逆调速系统。,环流分类,1. 直流平均环流的处理由于两组晶闸管变流装置输出直流平均电压不相等引起的环流称为直流平均环流。如果正组VF及反
7、组VR同时处于整流状态，就将形成所谓的直流平均环流，这种环流通过VF及VR将电源两相直接短路，会造成设备损坏。为了避免电源短路和确保不产生直流平均环流，有两种办法可循：,一种办法是在一组晶闸管工作时，用逻辑装置封锁另一组晶闸管装置的触发脉冲，从根本上切断环流通路，这称为逻辑无环流系统。另一种办法是在一组晶闸管装置在整流状态下工作时，让另一组晶闸管装置的触发脉冲处于逆变位置，亦即工作在待逆变状态，此时，两组变流装置的整流电压 和逆变电压 在环流回路内极性相反，如果在任何时刻都能满足下列条件：或者 （4-1） 则两组变流装置之间，就不会出现直流环流。,消除直流环流的方法,为了防止产生直流平均环流，
8、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 由式（4-1）， Ud0f = Ud0 max cosfUd0f = Ud0 max cosr其中 f 和r 分别为VF和VR的控制角。,由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压 Ud0max 是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有cos r = cos f 或 r + f = 180 如果反组的控制用逆变角 r 表示，则 f = r （4-2）,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
9、流，可采用 f r,式（4-1）的关系还可概括为 的关系。这种使整流组与待 逆变组之间始终保 持 的关系， 以消除直流平均环 流的控制方法，称 为配合控制。当采 用 配合控制 较容易，此时系统的移相控制特性如图4-3所示。,图4-3 可逆系统的移相控制特性,为了防止晶闸管在逆变状态工作时因逆变角太小，出现“逆变颠覆”现象，必须对最小逆变角min加以限制。为了严格保持配合控制，对min也要加以限制，使 。由以上分析可知，图4-3所示系统的移相控制特性，可以保证系统在各种运转过程中，始终维持 的关系，从而避免出现直流平均环流。实践中，还可以通过适当控制使线路中存在少量直流平均环流，因为它能起到改善
10、系统静、动态性能的作用。,2. 瞬时脉动环流的抑制采用 配合工作制可以消除直流平均环流，但仍有瞬时脉动环流存在。这是由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，整流组输出电压和逆变组输出电压的瞬时值并不相等，当整流组输出电压瞬时值大于逆变组输出电压瞬时值时，便产生正向瞬时电压差，从而产生瞬时脉动环流。该环流对系统一般来说是不利的，应当加以限制。通常采用的抑制方法是在环流回路中串入环流电抗器。,4.1.3有环流可逆调速系统,在 工作制配合控制下，可逆线路中没有直流平均环流，但始终存在瞬时脉动环流，这样的系统称为有环流可逆调速系统，它又可分为自然环流系统和可控环流系统。,1.自然环流可逆调速系统（1）系
11、统组成原理 如图4-4所示， 这种系统采用了 典型的转速、电 流双闭环控制方 案，为适应可逆 运行的要求，与 已介绍的不可逆 调速系统所不同的是：,图4-4自然环流系统原理图,1）具有正、反向转速给定信号。 2）转速调节器ASR和电流调节器ACR的输出端，均应设置双向限幅装置。 3）转速反馈信号 和电流反馈信号 应反映电机的转向和主回路电流的极性。 4）触发装置GTF和GTR分别向正组和反组晶闸管提供触发脉冲。如果采用锯齿波移相的触发器，其移相控制特性是线性的。 5）引入环流电抗器 以抑制瞬时脉动环流。, AR =“-” VR逆变,工作过程,正向运行过程：KF闭合， U*n=“+” U*i=“
12、-” Uc =“+”,电动机正向运行,VF整流, ,正向运行过程系统状态,有环流系统正向运行过程,-,-,P,n,（2） 系统制动过程分析,整个制动过程可以分为两个主要阶段，其中还有一些子阶段。主要阶段分为：I. 本组逆变阶段；II.它组制动阶段。现以正向制动为例，说明有环流可逆调速系统的制动过程。,I. 本组逆变阶段,在这阶段中，电流由正向负载电流下降到零，其方向未变，因此只能仍通过正组VF流通，具体过程如下： 发出停车（或反向）指令后，转速给定电压突变为零（或负值）； ASR输出跃变到正限幅值 +U*im ； ACR输出跃变成负限幅值 -Ucm ； VF由整流状态很快变成的逆变状态，同时反
13、组VR由待逆变状态转变成待整流状态。,在VF-M回路中，由于VF变成逆变状态，极性变负，而电机反电动势 E 极性未变，迫使电流迅速下降，主电路电感迅速释放储能，企图维持正向电流，这时,大部分能量通过 VF 回馈电网，所以称作“本组逆变阶段”。由于电流的迅速下降，这个阶段所占时间很短，转速来不及产生明显的变化，其波形图见图4-5中的阶段 I 。,本组逆变过程系统状态,Id,-,-,.它组制动阶段,当主电路电流下降过零时，本组逆变终止，第 I 阶段结束，转到反组 VR 工作，开始通过反组制动。从这时起，直到制动过程结束，统称“它组制动阶段”。它组制动阶段又可分成三个子阶段： 它组建流子阶段； 它组
14、逆变子阶段； 反向减流子阶段。,它组建流子阶段,（1）Id 过零并反向，直至到达 - Idm 以前，ACR并未脱离饱和状态，其输出仍为 - Ucm 。这时，VF和 VR 输出电压的大小都和本组逆变阶段一样，但由于本组逆变停止，电流变化延缓， 的数值略减，使,（2）反组VR由“待整流”进入整流，向主电路提供 Id 。由于反组整流电压 Ud0r 和反电动势 E 的极性相同，反向电流很快增长，电机处于反接制动状态，转速明显地降低，因此，又可称作“它组反接制动状态”。,反接制动过程系统状态,Id,-,-,它组逆变子阶段,当反向电流达到 Idm 并略有超调时，ACR输出电压 Uc 退出饱和，其数值很快减
15、小，又由负变正，然后再增大，使VR回到逆变状态，而 VF 变成待整流状态。此后，在ACR的调节作用下，力图维持接近最大的反向电流 Idm ，因而,电机在恒减速条件下回馈制动，把动能转换成电能，其中大部分通过 VR 逆变回馈电网，过渡过程波形为图4-10中的第 II2 阶段，称作“它组回馈制动阶段”或“它组逆变阶段”。由图可见，这个阶段所占的时间最长，是制动过程中的主要阶段。,它组回馈制动过程系统状态,-,-,反向减流子阶段,在这一阶段，转速下降得很低，无法再维持 -Idm，于是电流立即衰减。在电流衰减过程中，电感 L上的感应电压 LdId/dt 支持着反向电流，并释放出存储的磁能，与电动机断续释放出的动能一起通过VR逆变回馈电网。如果电机随即停止，整个制动过程到此结束。,M,VR,VF,-1,AR,GTR,GTF,Uc,ASR,ACR,U*n,+,-,Un,Ui,U*i,+,-,
