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1、第第3章章 直流电动机直流电动机V-M可逆调速系统可逆调速系统3.1 V-M可逆系统主电路结构形式及工作状态可逆系统主电路结构形式及工作状态可逆系统的目的：获得电机四象限的运行特性（正、反转和电、制动）。可逆系统的目的：获得电机四象限的运行特性（正、反转和电、制动）。3.1.1 单组晶闸管供电切换电流极性的可逆电路单组晶闸管供电切换电流极性的可逆电路1切换电机电枢与电源之间连接极性切换电机电枢与电源之间连接极性Ud+IdIdM接触器开关切换的可逆线路接触器开关切换的可逆线路 KMF闭合，电动机正转；闭合，电动机正转； KMR闭合，电动机反转闭合，电动机反转。 接触器切换可逆线路的特点优点：优点
2、： 仅需一组晶闸管装置，简单、经济。仅需一组晶闸管装置，简单、经济。缺点：缺点：有触点切换，开关寿命短；有触点切换，开关寿命短； 需自由停车后才能反向，时间长。需自由停车后才能反向，时间长。应用：应用：不经常正反转的生产机械。不经常正反转的生产机械。晶闸管开关切换的可逆线路晶闸管开关切换的可逆线路UdIdMVT1VT2VT3VT4+Id VT1、VT4导通，电动机正转；导通，电动机正转； VT2、VT3导通，电动机反转。导通，电动机反转。适用于中、小功率的可逆系统适用于中、小功率的可逆系统2切换电机励磁电流切换电机励磁电流图3-2 切切换电动机励磁机励磁电流方向的可逆流方向的可逆电路路此方案比
3、较经济，但只能用于不太频繁切换的场合。此方案比较经济，但只能用于不太频繁切换的场合。 3.1.2 两组晶闸管供电的可逆电路两组晶闸管供电的可逆电路 两组晶闸管整流电路供电的可逆电路有两种连接方式，两组晶闸管整流电路供电的可逆电路有两种连接方式，反并联连接反并联连接及及交叉连接交叉连接。1反并联连接反并联连接图3-3 采用三相半波整流采用三相半波整流电路的反并路的反并联可逆可逆电路路a)主主电路路图1 b)主主电路路图2 c)简图图3-4 采用三相采用三相桥式式电路的反并路的反并联可逆可逆电路路a)主主电路路 b)简图2交叉连接交叉连接a) 三相半波电路构成的交叉可逆电路三相半波电路构成的交叉可
4、逆电路 b）三相桥式电路构成的交叉可逆电路三相桥式电路构成的交叉可逆电路 区别：区别：反并联连接反并联连接电路的两组整流桥电路的两组整流桥VF、VR使用的是同一个交流电源，使用的是同一个交流电源， 交叉连接交叉连接电路的两组整流桥电路的两组整流桥VF、VR使用的是无电气连接的两个独使用的是无电气连接的两个独立电源立电源 3.1.3 反并联可逆电路的工作状态反并联可逆电路的工作状态 双桥反并联连接的可逆电路有两种不同的工作模式：双桥反并联连接的可逆电路有两种不同的工作模式：无环流系统无环流系统和和有环流有环流系统系统。 环流是指不流过电动机（或负载）而直接在两组晶闸管整流桥之间流通环流是指不流过
5、电动机（或负载）而直接在两组晶闸管整流桥之间流通的电流。的电流。1无环流系统无环流系统优点：优点： 安全可靠，无环流，体积小。安全可靠，无环流，体积小。缺点：缺点： 存在换流死区，动态响应慢。存在换流死区，动态响应慢。主要特征：任何时刻都不让主要特征：任何时刻都不让VF、VR两组桥同时工作，两组桥同时工作， 若若VF工作，则工作，则VR封锁；若封锁；若VR工作，则工作，则VF封锁；或封锁；或VF、VR同时封锁。同时封锁。 以此使产生环流的必要条件不再存在。以此使产生环流的必要条件不再存在。2有环流系统有环流系统l 基本工作方式：基本工作方式：VF、VR同同时加触加触发脉冲信号，但脉冲信号，但它
6、它们的控制角的控制角满足足 ，其目的是使其目的是使两组整流桥输出同一个数值、同一个方向的两组整流桥输出同一个数值、同一个方向的Ud 。 这种控制方式称为这种控制方式称为配合控制。配合控制。 电动机工作状机工作状态正向正向电动正向制正向制动反向反向电动反向制反向制动工作象限工作象限转速速n、反反电势Ea、电压Ud转矩矩T，电枢枢电流流Ia+无坏流系无坏流系统正正组VF状状态整流整流封封锁封封锁逆逆变反反组VR状状态封封锁逆逆变整流整流封封锁有有环流系流系统正正组VF状状态整流整流待整流待整流待逆待逆变逆逆变反反组VR状状态待逆待逆变逆逆变整流整流待整流待整流l 哪一组真正工作由电流来决定，不工作
7、的那一组处于待逆变或待整流状况。哪一组真正工作由电流来决定，不工作的那一组处于待逆变或待整流状况。3.2 可逆电路中的环流及其抑制办法可逆电路中的环流及其抑制办法 3.2.1 环流及其种类环流及其种类 环流，是指不流过电动机或其它负载，而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。环流，是指不流过电动机或其它负载，而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。环流的存在会显著地加重晶闸管和变压器的负担，消耗无用的功率，环流太大时甚至环流的存在会显著地加重晶闸管和变压器的负担，消耗无用的功率，环流太大时甚至会导致晶闸管损坏，因此必须予以抑制。对环流的分析必须一分为二。会导致晶闸管损坏，因此必须予以抑制。对环流的
8、分析必须一分为二。 环流分类：环流分类： 反并反并联可逆可逆线路中的路中的环流流Ia负载电流流 Ic环流流静态环流：系统稳定工作时所出现的环流。静态环流：系统稳定工作时所出现的环流。动态环流：系统处于过渡过程中出现的环流。动态环流：系统处于过渡过程中出现的环流。直流平均环流直流平均环流瞬时脉动环流瞬时脉动环流静态环流静态环流动态环流动态环流3.2.2 直流平均环流产生的原因及消除办法直流平均环流产生的原因及消除办法1产生的原因产生的原因 正正组VF输出出为两端的两端的电势差即两个差即两个电源的直流平均源的直流平均电压差差为： 电压差如能产生直流平均环流则其流向与图中的电压差如能产生直流平均环流
9、则其流向与图中的Ic反向，反向，与晶闸管装置所允许的电流流动方向相反而实际不能流通。与晶闸管装置所允许的电流流动方向相反而实际不能流通。 可知，这时也不会产生直流平均环流。可知，这时也不会产生直流平均环流。产生直流平均环流产生直流平均环流Ic。由于两边电源的内阻都较小，很小的由于两边电源的内阻都较小，很小的 也会引起较大的直流平均环流，且也会引起较大的直流平均环流，且 是一个直流平是一个直流平均量，它无法依靠均量，它无法依靠电抗器来抑制抗器来抑制Ic的大小，只能靠改的大小，只能靠改变 来减弱或消除它。来减弱或消除它。2消除办法消除办法（1）使）使 略大于略大于1801800 0 （2）使）使反
10、反组输出出为1产生的原因产生的原因2抑制办法抑制办法晶闸管装置输出的电压是脉动晶闸管装置输出的电压是脉动的，正组整流电压的，正组整流电压UdoF和反组逆变和反组逆变电压电压UdoR的瞬时值并不相同，当整的瞬时值并不相同，当整流电压瞬时值大于逆变电压瞬时值流电压瞬时值大于逆变电压瞬时值时，便产生正向瞬时电压差，从而时，便产生正向瞬时电压差，从而产生瞬时环流。产生瞬时环流。 抑制瞬时脉动环流的办法是在抑制瞬时脉动环流的办法是在环流回路中串入电抗器，叫做环流回路中串入电抗器，叫做限环限环流电抗器流电抗器或称均衡电抗器，一般要或称均衡电抗器，一般要求把瞬时脉动环流中的直流分量求把瞬时脉动环流中的直流分
11、量Icp限制在负载额定电流的限制在负载额定电流的5%10%之之间。间。 图图3-7 三相半波反并联可逆电路及其三相半波反并联可逆电路及其 时的环流电压和电流时的环流电压和电流3.2.3 瞬时脉动环流产生原因及抑制办法瞬时脉动环流产生原因及抑制办法3环流电抗器的配置位置及数量环流电抗器的配置位置及数量连接方式接方式反并反并联连接接交叉交叉连接接整流整流电路形式路形式三相半波三相半波三相三相桥式式三相半波三相半波三相三相桥式式环流通路环流通路1211限限环流流电抗器个数抗器个数24223.3 有环流有环流V-M可逆调速系统可逆调速系统3.3.1 配合控制的反并联连接的有环流可逆调速系统配合控制的反
12、并联连接的有环流可逆调速系统1系统原理图系统原理图 三相桥式供电，三相桥式供电，2条环流通道，配备四个环流电抗器。条环流通道，配备四个环流电抗器。 可正反转，四象限运行。可正反转，四象限运行。4调节器输出双向限幅调节器输出双向限幅 2配合控制的实现配合控制的实现3信号双极性信号双极性通过放大倍数为通过放大倍数为1的反向放大器得到的反向放大器得到Uct，来实现来实现的配合控制。的配合控制。ASR设置限幅，限制最大动态电流，设置限幅，限制最大动态电流，ACR设置限幅，限制最小控制角设置限幅，限制最小控制角min和和 最小逆变角最小逆变角 min系统原理图系统原理图信号都是双极性的，信号都是双极性的
13、，相应的实际量都是可相应的实际量都是可反相或可反向的，这反相或可反向的，这正是四象限运行系统正是四象限运行系统的一个特征。的一个特征。 a图图 l VZ1限制反向输出电压的幅值限制反向输出电压的幅值 l VZ2限制反向输出电压的幅值限制反向输出电压的幅值调节器输出双向限幅电路调节器输出双向限幅电路 当当 VD - -kE 时，时，VC 0，VD1不起作用；不起作用；当当 VD- -kE 时，时，VC Ea时，时，Io0，电，电动机正向电动。电路的电压平衡方程为动机正向电动。电路的电压平衡方程为电动工作工作时，VT2、VD1并没有参与工作，去并没有参与工作，去掉掉这两个元件后，两个元件后，电路与
14、路与单象限工作象限工作电路完全路完全一致，是一个典型的降一致，是一个典型的降压斩波波电路。路。 lVT1、VT2互补工作，互补工作，VD2是是I0为正时的续为正时的续流二极管，流二极管，VD1是为是为I0为负时的续流二极管。为负时的续流二极管。l为了防止直流电源经为了防止直流电源经VT1、VT2直通短路，直通短路，GD2、GD1中应设延时电路以形成中应设延时电路以形成“死区死区”。 输出出电压平均平均值电动机最高空机最高空载转速是速是图图4-3 电流可反向两电流可反向两象限斩波调速系统象限斩波调速系统 正向制正向制动工况工况。当当UoEa 时，时，Io 反向反向 ，电动机工作在第，电动机工作在
15、第象限的回馈制象限的回馈制动状态。动状态。两象工作两象工作电路在路在发电状状态时的等效的等效电路路l l 可知，直流电机通过斩波器向直流电源输送电能（发电）时，可知，直流电机通过斩波器向直流电源输送电能（发电）时，可知，直流电机通过斩波器向直流电源输送电能（发电）时，可知，直流电机通过斩波器向直流电源输送电能（发电）时， Ea Ea 的范围是的范围是的范围是的范围是 0 0UdUd, , 转速范围是转速范围是转速范围是转速范围是 0 0 n n0max0max 。l l “ “能正常发电能正常发电能正常发电能正常发电” ”的要求是的要求是的要求是的要求是 Ea Ea Ea Ea Ea Ea E
16、a UdUdUdUd 。l l 若若若若 Ea Ea Ea Ea UdUdUdUd ，则发电电流不再可控，电流将变得很大而不允许。则发电电流不再可控，电流将变得很大而不允许。则发电电流不再可控，电流将变得很大而不允许。则发电电流不再可控，电流将变得很大而不允许。 l l 该电路用作发电运行，则发电机该电路用作发电运行，则发电机该电路用作发电运行，则发电机该电路用作发电运行，则发电机( ( ( (直流电机直流电机直流电机直流电机) ) ) )可变速发电，可变速发电，可变速发电，可变速发电， 在转速在转速在转速在转速0 0 0 0n n n n0max0max0max0max的范围内，都可向恒直流
17、电压源实现电流大小可控的发电。的范围内，都可向恒直流电压源实现电流大小可控的发电。的范围内，都可向恒直流电压源实现电流大小可控的发电。的范围内，都可向恒直流电压源实现电流大小可控的发电。 制动时，制动时，VT2或或VD1有电流，有电流，VT1和和VD2无电流。把不参与工作的无电流。把不参与工作的VT1、VD2去掉，可把电路重画于右图，图中按习惯去掉，可把电路重画于右图，图中按习惯画法把能量输入方即电机画在了左边。这画法把能量输入方即电机画在了左边。这就是典型的升压斩波器电路。就是典型的升压斩波器电路。电流的参考方向同前，实际为负值电流的参考方向同前，实际为负值 从上面的分析可知，图从上面的分析
18、可知，图4-3所示的电路可以实现正向回馈制动，制动时电流所示的电路可以实现正向回馈制动，制动时电流(转矩转矩)反向，其运行象限为反向，其运行象限为、象限。该电路称象限。该电路称电流可反向的两象限工作电路电流可反向的两象限工作电路。3) 波形分析及能量传递波形分析及能量传递图4-5 两象限工作两象限工作斩波波调速系速系统从从电动到制止到制止转换过程的程的电压电流波形及能量流波形及能量传递简图图4-6 电压可反向的两可反向的两象限工作象限工作电路路a) 电路路图 b) 工作象工作象限限电压可反向的两象限工作电路电压可反向的两象限工作电路3可四象限运行的电路可四象限运行的电路图4-7可四象限运行的可
19、四象限运行的斩波波调速速电路路 a） 电路路图 b)e）、象限波形象限波形图 f） 工作象限工作象限1.工作原理工作原理H型桥式斩波电路的工作模式非型桥式斩波电路的工作模式非常灵活，以最常用的可逆运行模式说常灵活，以最常用的可逆运行模式说明之。明之。VT1、VT2为一组，为一组，VT3、VT4为另一组，两组在一个为另一组，两组在一个PWM斩斩波周期内互补工作。波周期内互补工作。2.输出电压的平均值输出电压的平均值3.优点优点:调节连续平滑调节连续平滑 ，四象限工作。，四象限工作。 4.2 直流斩波调速系统直流斩波调速系统1系统原理图系统原理图l l 转速、电流双闭环转速、电流双闭环转速、电流双
20、闭环转速、电流双闭环 l l GMGMGMGM为载波（三角波或锯齿波）发生器为载波（三角波或锯齿波）发生器为载波（三角波或锯齿波）发生器为载波（三角波或锯齿波）发生器l l PWMPWM为脉宽调制单元，为脉宽调制单元，为脉宽调制单元，为脉宽调制单元， 其输入信号是控制电平其输入信号是控制电平其输入信号是控制电平其输入信号是控制电平UcUc，输出的是占空比为输出的是占空比为输出的是占空比为输出的是占空比为 的的的的PWMPWM信号信号信号信号l l GTGTGTGT为驱动电路为驱动电路为驱动电路为驱动电路, , , , 内应设置防止上下桥臂直通的内应设置防止上下桥臂直通的内应设置防止上下桥臂直通
21、的内应设置防止上下桥臂直通的“ “死区死区死区死区” ” 2交流电源供电时的制动交流电源供电时的制动l 泵升电压的产生原因泵升电压的产生原因 l 泵升电压的抑制与能耗制动泵升电压的抑制与能耗制动 图4-9限制限制泵升升电压的能耗制的能耗制动电路路 回馈制动状态时回馈制动状态时，机械能变成电能送回直流侧。这部分能量输入直流环节的机械能变成电能送回直流侧。这部分能量输入直流环节的滤波电容，对电容充电的结果是使电容器两端的电压不断地升高。滤波电容，对电容充电的结果是使电容器两端的电压不断地升高。 设正常工作时设正常工作时Ud=500V, C=2200uF,回馈电功率是回馈电功率是 P=2.2kW,1
22、秒钟后电容的电压值为秒钟后电容的电压值为Ux 抑制办法：抑制办法：2）能耗制动。）能耗制动。 见右图见右图1）回馈制动。）回馈制动。 改不控整流桥为能量能改不控整流桥为能量能双向流通的双向流通的PWM整流桥。整流桥。习习 题题1、电流可反向的两象限直流、电流可反向的两象限直流PWM调速系统稳态工作时，当直流调速系统稳态工作时，当直流斩波器输出电压的平均值大于电机反电势时，它工作在斩波器输出电压的平均值大于电机反电势时，它工作在 象限；象限；当输出电压的平均值小于电机反电势时，它工作在当输出电压的平均值小于电机反电势时，它工作在 象限。象限。2、直流斩波调速系统在回馈电流可控的回馈发电制动时，直流、直流斩波调速系统在回馈电流可控的回馈发电制动时，直流电动机的反电动势电动机的反电动势 直流电源的电压。直流电源的电压。（a）大于）大于 （b）等于）等于 （c）小于）小于 （d）不一定）不一定
