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1、第三章第三章 直流可逆调速系统直流可逆调速系统内容提要内容提要 本章主要介绍直流可逆调速系统的构成、直流可逆系统的回馈制动、有无环流时的可逆调速系统等内容。3.1 3.1 直流可逆调速系统的构成直流可逆调速系统的构成3.1.1 3.1.1 开关切换法开关切换法 在第一、二章讨论了单闭环和双闭环的直流调速系统都是不可逆的，在实际工作中，要求直流电机反转的情况是很多的。实现反转的最简单方法是采用图3-1所示的四个切换开关，当k1、k4合上，k2、k3断开时，电流由A流向B，电机正转；反之，当k1、k4断开，k2、k3合上时，电流由B流向A，电机反转。但是，在转向切换时要求快速、准确、安全，否则易造
2、成短路或切换时间过长。这种切换方式还存在噪声大、寿命低等缺点，不适合正反转频繁的应用场合。 图3-1 开关切换可逆电路 3.1.2 3.1.2 晶闸管反并联法晶闸管反并联法 晶闸管反并联法采用的是图3-2所示的两组晶闸管反并联电路。其工作原理是当一组晶闸管工作时，另一组晶闸管则处于逆变或阻断状态；换相时只要交换两组晶闸管的工作状态,即可实现正反转切换。准确控制切换的时刻，可以使电机工作在如图3-2(b)所示的、象限上。 图3-2 两组晶闸管反并联线路 在实际的可逆电路中，通常采用两组三相反并联方式，这时可以接成图3-3(a)、(b)所示的反并联或交叉连接线路。在图3-3(a)中的反并联线路中，
3、有两条回路，需要连接四个平波电抗器；而在图3-3(b)中的交叉连接线路中，只有一条回路，只需要连接两个平波电抗器。(a) 反并联线路 (b) 交叉连接线路图 3-3 三相桥式可逆线路3.1.3 3.1.3 励磁反接可逆线路励磁反接可逆线路 励磁反接可逆线路如图3-4所示。它的原理是将电动机的励磁线圈接在两组反并联线路中，电枢仍然用一组晶闸管驱动，通过改变励磁电流的方向来改变电动机转动的方向。这种方式需要在磁通弱磁时保证电枢电流为零，增加了系统的复杂性，不宜采用。图34 反并联励磁反接可逆线 3.2 晶闸管直流可逆系统的回馈制动 通过改变如图3-5所示的反组晶闸管的导通角使VR处于逆变状态，此时
4、电动机在反组回路中变成了发电机，向电网发电，电动机运行在图3-5(b)所示的第二象限的反组回馈制动状态。同理通过调节VF和VR的导通角，可以使电动机在四个象限中运行，它的工作状态见表3-1。 图3-5 可逆系统的电动与回馈制动表3-1 V-M可逆系统反并联线路的工作状态注意：上表中各量的极性均为以正向电动运行时为“+” 3.3 3.3 有环流的可逆调速系统有环流的可逆调速系统3.3.1 3.3.1 可逆系统中的环流可逆系统中的环流两组晶闸管反并联或交叉连接线路解决了直流电动机的频繁换向问题，但是这类线路还存在着是否能保证系统安全工作的环流问题。在如图3-6的反并联线路中，不流过电动机，而在两组
5、晶闸管之间流通的电流Ic即为环流。 图36 反并联可逆线路中的环流环流分为两大类：（）静态环流当可逆线路在一定的控制角下稳定工作时，所出现的环流叫做静态环流。静态环流又分为：直流平均环流和瞬时脉动环流。（）动态环流稳态运行时并不存在，只有当系统由一种工作状态过度到另一种工作状态时才出现的环流。环流容易造成短路，损坏晶闸管，使系统不能正常工作。因此，在可逆调速系统中，必须考虑如何抑制或消除环流的影响。 3.3.2 3.3.2 直流平均环流与配合控制直流平均环流与配合控制由图的反并联可逆线路可以看出，如果让正组晶闸管VF和反组晶闸管VR都处于整流状态，正组整流电压和反组整流电压正负相连，将造成电源
6、短路，此短路电流即为直流平均环流。为了防止产生直流平均环流，最好的解决办法是当正组晶闸管VF处于整流状态时，其整流电压=+,这时应该让反组晶闸管VR处于逆变状态，输出一个逆变电压把它顶住，即让=，而且幅值与相等。一般说来，只要实行了配合控制，就能保证消除直流平均环流。其中 ,和分别为正组晶闸管VF和反组晶闸管VR的控制角。 图3-7工作制配合控制的可逆线路 触发装置的移相控制特性3.3.3 3.3.3 瞬时脉动环流及其抑制瞬时脉动环流及其抑制由于两组晶闸管分别处于整流和逆变状态，所以正组晶闸管的瞬时电压与反组晶闸管的瞬时电压不同，存在瞬时电压差=,从而产生瞬时脉动环流。图3-7画出了三相零式反
7、并联可逆线路当=60（即=120）时的情况。图3-7 配合控制的三相零式反并联可逆线路的瞬时脉动环流图3-7 配合控制的三相零式反并联可逆线路的瞬时脉动环流为了限制瞬时脉动环流，在环流回路中串入电抗器，该电抗器叫做环流电抗器或均衡电抗器（如图3-7中的和）。环流电抗器并不是在任何时候都能起作用为了限制瞬时脉动环流，在环流回路中串入足够量的电抗器，以保证对瞬时脉动环流的限制。3.3.4 3.3.4 直流可调速系统的制动过程分析直流可调速系统的制动过程分析直流可逆调速系统的正反向切换过程包括正向制动过程和反向起动过程。起动过程与不可逆调速系统相同。下面分析可逆系统的制动过程，以图3-8所示的配合控
8、制为例分如下几个阶段讨论。图3-8 配合控制的有环流可逆调速系统 3.3.4.1 3.3.4.1 本桥逆变阶段本桥逆变阶段本桥逆变阶段是指换向时电流由正向负载电流+下降到零，其方向未变，只能通过正组晶闸管桥流通。为了把储存在电抗器磁场中的能量迅速释放，正向电流迅速衰减到零，这时正组桥处于逆变状态。3.3.4.2 3.3.4.2 反桥制动阶段反桥制动阶段当电动机电枢回路中的电流过零时，本桥逆变终止，的数值略减， E =电流开始反向。这时反组仍处于整流状态，在反组整流电压与反电动势E的共同作用下，反向电流很快增长，电动势承受反向制动。 制动过程各变量的波形见下图：图3-9 正向制动过程中各变量的波
9、形3.3.5 3.3.5 可控环流可逆调速系统可控环流可逆调速系统 为了更充分地利用可控环流可逆调速系统制动和反向过程的平滑性和连续性，最好能有电流波形连续的环流。当主回路电流可能断续时采用的控制方法，有意提供一个附加的直流平均环流，使电流连续；一旦主回路负载电流连续了，则设法形成的控制方法，遏制环流至零。这样根据实际情况来控制环流的大小和有无，扬环流之长而避其短，成为可控环流的可逆调速系统。其原理图见10。 图310 可控环流可逆调速系统原理图 3.4 3.4 无环流可逆调速系统无环流可逆调速系统上节分析的有环流的可逆调速系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但是设置几个环流电抗器会造成累赘。
10、因此，当工艺过程对系统过程特性的平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统，从生产可靠性能要求出发，采用既没有平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流可逆系统。实现无环流可逆系统的主要方法有逻辑控制无环流可逆系统和错位无环流系统，下面重点介绍实际中普遍采用的逻辑控制无环流系统。3.4.1 3.4.1 逻辑控制无环流系统的构成逻辑控制无环流系统的构成逻辑控制无环流系统的基本原理是当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，图311给出了逻辑控制无环流可逆调速系统的构成。图311 逻辑控制无环流可逆调速系统的构成3.4
11、.23.4.2可逆系统对无环流逻辑控制器的要求可逆系统对无环流逻辑控制器的要求逻辑控制器的任务是在正转时封锁反组脉冲，反转时封装正组脉冲。因此它有两个输出信号：一是封锁正组脉冲信号；另一是封锁反组脉冲信号。转速调节器ASR的输出信号的数值不仅能决定电机转矩（电流）的大小，而且它的极性也决定电机转矩方向。因此应该用作为逻辑切换的主令信号。同时以零电流检测信号作为逻辑切换的另一个指令信号。转矩极性鉴别和零电流检测是正、反组变流器切换的两个必不可少的指令信号，在经过必要的逻辑运算，就可以发出切换指令了。为了确保可靠切换，从发出逻辑切换指令到执行这个指令之间，还需要经过两段延时，即经过关断等待时间t1
12、后封锁原来工作的那组脉冲，再经过触发等待时间t2才能开放将要导通的一组的脉冲。 3.4.33.4.3逻辑控制无环流可逆调速系统的实现逻辑控制无环流可逆调速系统的实现 根据上述对无环流逻辑控制器的要求，逻辑控制器的输入是转矩极性鉴别和零电流信号，输出是封锁正组脉冲和封锁反向脉冲的信号，即由图312所示的电平检测、逻辑判断、延时电路和逻辑保护四部分组成, 图312 无环流逻辑控制器的组成电平检测 逻辑电路 延时电路 逻辑保护 转矩极性 零 电 流 封锁正组脉冲 封锁反组脉冲 如图313给出了8098单片机构成的。逻辑控制无环流的可逆调速系统的硬件结构图,转速采用PI控制。图313 逻辑控制的无环流可调速系统的实现
