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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：
2、保持磁场方向不变，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
3、许两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，
4、环流电抗器只需要两个，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
5、型系统，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
6、作为流过晶闸管的基本负载电流，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。,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及反组VR同时处于整流状态，就将形成所谓的直流平均环
7、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。,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
8、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
9、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
10、，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。,电动机正向运行时，转速给定值 为正值，经ASR使ACR输出移相控制信号 为“+”，GTF输出触发脉冲 ，正组VF处于整流状态，电动机正向运转。与此相对应， 经反号器AR使反组触发器GTR的移相控
11、制信号 为“-”，反组输出的触发脉冲 ，且 ，反组VR处于待逆变状态。由于系统在 配合控制工作制下工作，系统无直流平均环流。而系统中的脉动环流，由环流电抗器 限制。,（2）制动过程分析 双闭环可逆调速系统起动过程与双闭环不可逆调速系统的起动过程相同。当一组变流装置处于整流状态时，另一组处于待逆变状态，这并不影响整流组和电动机的工作状态。但可逆系统的制动过程却与不可逆系统有显著的区别。整个制动过程可根据电流方向的不同分成两个主要阶段：本桥逆变阶段和他桥制动阶段。,1) 本桥（VF）逆变阶段 在本桥逆变过程中，电动机反电势E与主回路电流方向相反，电动机仍然处于电动状态。系统各量变化如图4-5中第I
12、段。 2)他桥（VR）制动阶段 主回路电流下降到零之后，本桥逆变结束，主回路电流由本桥（正组VF）转到他桥（反组VR）。系统由本桥逆变转入他桥制动阶段。在他桥投入工作后，根据系统中各物理量的变化情况，又分为以下几个阶段： (1)他桥（VR）建流阶段 ；(2)他桥（VR）逆变阶段 (3)反接制动阶段,图4-5自然环流系统制动过程波形,2. 可控环流可逆调速系统 从变流装置的设备容量、有功或无功损耗和系统的安全等角度来看，无论是直流平均环流，还是瞬时脉动环流，都不是我们所希望的。但是环流还有其有利的一面，它的存在可防止晶闸管变流装置的电流断续，保证过渡特性平滑。为此又提出一种给定环流系统，即在两套
13、晶闸管变流装置之间，保留一个较小的恒定直流环流，使电动机在轻载时电流连续、静特性平滑。但是理想的环流变化规律是轻载时有些环流，保证电流连续；,而当负载大到一定数值以后使环流减少到零。亦即环流随负载变化，随着负载增加而逐渐减少到零（负载大时有环流是有害而无利的）。在这种思想指导下，又出现了可控环流系统。实际上有几种可控环流线路，其中以交叉反馈系统最为实用，如图4-6所示。,图4-6 交叉反馈可控环流系统,图4-6与图4-4所示的然环流系统的主要区别是： （1）主回路采用交叉连接线路。变压器有两个副绕组，其中一组接成丫形，另一组接成形。 （2）在交叉反馈可控环流系统中，除了转速调节器ASR和电枢电
14、流调节器ACR之外，还设有两个环流调节器1ALR和2ALR。 由图4-6可知，该系统的电枢电流调节与环流调节是各自独立进行的。各调节环的参数可以根据各自调节对象进行选择，从而获得较为理想的动态品质。,当转速给定 时， ASR和ACR的输出均为零。此时1ALR的给定信号只有 ，并且1ALR的比例系数为+1，故其输出 为正值。触发器GTF输出触发脉冲出现在小于90位置，正组VF处于整流状态；2ALR的给定信号只有 ，由于其比例系数为1，故输出 亦为正值，触发器GTR输出触发脉冲也出现在小于90位置，反组VR也处于整流状态。如果系统参数完全对称，环流给定信号的绝对值相等，且数值较小，那么此时VF和V
15、R均处于微导通的整流状态，并输出相等的直流环流，即 ，此时的环流值为最大值。,电动机正转时，转速给定 为正，ASR输出 为负，ACR的输出 为正，致使1ALR的输入正向增加，+ 增加，正组VF触发脉冲由零位往前移， 使 增加；2ALR的输入信号也正向增加，但由于2ALR是反相器，故其输出 由正值减小，甚至变成负值。反组VR的触发脉冲由零位后移，甚至进入逆变位置，但反组的逆变电压 小于正组的整流电压 。因此，在两组变流装置之间仍然存在着由正组流向反组的直流环流 。此时正组变流装置输出电流 ，反组变流装置输出电流 ，电动机的电枢电流为 。,4.1.4无环流可逆调速系统,在有环流系统中，不仅系统的过
16、渡特性平滑，而且由于两组晶闸管变流装置同时工作，两组变流装置之间切换时不存在控制死区。因而，除系统过渡特性更加平滑之外，还有快速性能好的优点。但是在有环流系统中、需设置笨重而价格昂贵的环流电抗器，而且环流将造成额外的有功和无功损耗，因此除工艺对过渡特性平滑性要求较高及对过渡过程要求快的系统采用有环流系统之外，一般多采用无环流系统。,依据实现无环流原理的不同，无环流可逆系统可分为两种：逻辑控制无环流系统和错位控制无环流系统。错位控制无环流系统的基本控制思路借用 配合控制的有环流系统的控制，当一组晶闸管整流时，让另一组晶闸管处于待逆变状态，但是两组触发脉冲的零位错开得比较远，彻底杜绝了脉动环流的产生；而逻辑控
