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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a）用接触器切）用接触器切换 b)用用晶晶闸管开关切管开关切换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3.1.2 两组晶闸管供电
2、的可逆电路两组晶闸管供电的可逆电路 两种连接方式，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。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) 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使用的是使用的是同一个交流电源同一个交流电源， 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使用的是无电气连
3、接的两个独立电源两个独立电源 主要特征：主要特征：任何时刻都不让任何时刻都不让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。 以此使以此使产生环流的必要条件不再存在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脉冲信号，但控制角但控制角满足足 ，目的是使两组整目的是使两组整流桥输出同一个数值、同一个方向的流桥输出同一个数值、同一个方向的Ud 。称为称为配合控制。配合控制。 电动机机M工作状工作状态正向正向电动正向制正
4、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+无无环流系流系统正正组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 哪组真正工作由电流决定哪组真正工作由电流决定;不工作的处于不工作的处于”待逆变或待整流状况。待逆变或待整流状况。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：
5、缺点： 存在换流死区，动态响应慢。存在换流死区，动态响应慢。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。对环流的分析必须一分为二。 环流分类：环流分类
6、： 反并反并联可逆可逆线路中路中的的环流流IcIa负载电流流 静态环流：静态环流：系统稳定工作时系统稳定工作时所出现的环流。所出现的环流。动态环流：系统处于动态环流：系统处于过渡过程中过渡过程中出现的环流。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：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则其流向与图中的Ic反向，反向，与晶闸管装
7、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。这时不会产生直流平均环流这时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）使反反组输出：出：1产生的原因产生的原因2抑制办法抑制办法晶闸管装
8、置输出的电压是脉动晶闸管装置输出的电压是脉动的，正组的，正组VF的的udoF和反组和反组VF的的udoR的的瞬时值并不相同瞬时值并不相同，当当VR的瞬时值的瞬时值大于大于VF的瞬时值时的瞬时值时，便产生正向瞬，便产生正向瞬时电压差，从而产生瞬时环流。时电压差，从而产生瞬时环流。 在环流回路中串入电抗器，叫做在环流回路中串入电抗器，叫做限环流电抗器限环流电抗器或称或称均衡电抗器均衡电抗器。一般要求把瞬时脉动环流中的直一般要求把瞬时脉动环流中的直流分量流分量Icp限制在负载额定电流的限制在负载额定电流的5%10%之间之间。 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
9、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。
10、 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，相信号都是双极性的，相应的实际量都是可反相应的实际量都是可反相或可反向的，这是四象或可反向的，这是四象限运行系统的一个特征。限运行系统的一个特征。 1 1正向稳
11、态运行阶段（正向稳态运行阶段（t =0t =0t1t1）2 2本组逆变阶段（本组逆变阶段（t=t1t=t1t2t2）5 5他组逆变阶段他组逆变阶段(t = t4(t = t4t5)t5)6 6转速超调阶段（转速超调阶段（t = t5t = t5t6t6）3 3他组建流阶段他组建流阶段(t = t2(t = t2t3)t3)4 4电流超调阶段（电流超调阶段（t = t3t = t3t4t4）3.3.2 正向回馈制动过程分析正向回馈制动过程分析 在可四象限运行的调速系在可四象限运行的调速系统中，正向回馈制动过程的统中，正向回馈制动过程的分析具有普遍的典型意义。分析具有普遍的典型意义。 1.系统原理
12、图系统原理图正向运行时，正向运行时， 为负。为负。 环流给定电压环流给定电压 3.3.3 可控环流可逆调速系统可控环流可逆调速系统2.工作原理工作原理3.优点优点 当主回路电流可能断续时，当主回路电流可能断续时，采用采用 的控的控制方式时有意提供一个附加的制方式时有意提供一个附加的直流平均环流，使电流连续。直流平均环流，使电流连续。一旦负载电流连续了，则一旦负载电流连续了，则设法形成设法形成 的控制方式，遏制环流至的控制方式，遏制环流至零。零。 充分利用了环流的有利一面，充分利用了环流的有利一面，避开了电流断续区，使系统避开了电流断续区，使系统在正反向过渡过程中没有死在正反向过渡过程中没有死区
13、，提高了快速性。区，提高了快速性。同时又克服了环流不利的一面，减少了环流的损耗。同时又克服了环流不利的一面，减少了环流的损耗。所以在各种对快速性要求较高的可逆调速系统和随动系统中得到了广泛的应用。所以在各种对快速性要求较高的可逆调速系统和随动系统中得到了广泛的应用。零电流检测电路零电流检测电路 极性鉴别器极性鉴别器 电平转换电路电平转换电路 几个单元电路（后续章节中要用到）几个单元电路（后续章节中要用到）例：在图例：在图8-1、图、图8-9，图，图9-17中中例：在图例：在图9-33中中第第4章章 直流电动机直流斩波调速系统直流电动机直流斩波调速系统1.主电路结构简单，功率元件少。主电路结构简
14、单，功率元件少。2.开关频率高，电流容易连续，谐波分量少，电机损耗和发热小。开关频率高，电流容易连续，谐波分量少，电机损耗和发热小。3.低速性能好，稳速精度高，调速范围宽。低速性能好，稳速精度高，调速范围宽。4.动态响应好，抗扰能力强。动态响应好，抗扰能力强。5.功率元件开关状态，导通损耗小，装置效率高。功率元件开关状态，导通损耗小，装置效率高。6.直流电源采取不控整流时，电网功率因素高。直流电源采取不控整流时，电网功率因素高。 直流斩波器依靠的直流斩波器依靠的是脉冲宽度调制是脉冲宽度调制（PWM）的工作方式，的工作方式， 因此因此 直流斩波调速系统直流斩波调速系统也称也称直流脉宽调速系统直流
15、脉宽调速系统。V-M的固有问题：的固有问题：与与V-M相比，直流斩波调速系统的优越性：相比，直流斩波调速系统的优越性：1.存在电流的谐波分量，深调速时转矩脉动大。存在电流的谐波分量，深调速时转矩脉动大。2.深调速时功率因素低，限制了调速范围。深调速时功率因素低，限制了调速范围。3.平波电抗器限制了系统的快速性。平波电抗器限制了系统的快速性。a)电源是直流源是直流电源源 b)电源是交流源是交流电源源 直流直流电动机直流机直流斩波波调速系速系统框框图1单象限工作电路单象限工作电路a)集集电极极输出出电路路 b)发射极射极输出出电路路 c)波形波形图 d)工作象限工作象限4.1 直流斩波调速系统主电
16、路直流斩波调速系统主电路图4-2 单象限工作的直流象限工作的直流斩波波调速系速系统主主电路及工作波形路及工作波形2电流可反向的二象限工作电路电流可反向的二象限工作电路1).主电路的结构形式主电路的结构形式2).工作原理工作原理 正向正向电动工况工况。当。当UoEa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I
17、0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
18、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 Ea 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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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的内应设置防止上下桥臂直通的“死区死区死区死区” 问题：数学模型（动问题：数学模型（动静结构图）？时间静结构图）？时间常数？常数？2交流电源
24、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，机械能变成电能送回直流侧。这部分能量输入直流环节的回馈制动状态时，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。
