第四章-可逆調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動(dòng)系統(tǒng)

可逆調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動(dòng)系統(tǒng) 第4章 本章在前三章的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討可逆調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動(dòng)系統(tǒng) 考慮到大多數(shù)學(xué)校教學(xué)學(xué)時(shí)的限制和電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一般教學(xué)需求 本課件選擇可逆調(diào)速系統(tǒng)為主要內(nèi)容 4 1可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 內(nèi)容提要問題的提出晶閘管 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的可逆線路晶閘管 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的回饋制動(dòng)兩組晶閘管可逆線路中的環(huán)流有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng) 4 1 0問題的提出 有許多生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)既能正轉(zhuǎn) 又能反轉(zhuǎn) 而且常常還需要快速地起動(dòng)和制動(dòng) 這就需要電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行的特性 也就是說(shuō) 需要可逆的調(diào)速系統(tǒng) 4 1 0問題的提出 續(xù) 改變電樞電壓的極性 或者改變勵(lì)磁磁通的方向 都能夠改變直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向 這本來(lái)是很簡(jiǎn)單的事 然而當(dāng)電機(jī)采用電力電子裝置供電時(shí) 由于電力電子器件的單向?qū)щ娦?問題就變得復(fù)雜起來(lái)了 需要專用的可逆電力電子裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng) 4 1 1單片微機(jī)控制的PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 中 小功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用由電力電子功率開關(guān)器件組成的橋式可逆PWM變換器 如本書第1 3 1節(jié)中第2小節(jié)所述 第1 3 4節(jié)圖1 22繪出了PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)的主電路 其中功率開關(guān)器件采用IGBT 在小容量系統(tǒng)中則可用將IGBT 續(xù)流二極管 驅(qū)動(dòng)電路以及過流 欠壓保護(hù)等封裝在一起的智能功率模塊 IPM 系統(tǒng)組成 圖4 1PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 系統(tǒng)組成 續(xù) 圖中UR 整流器 UPEM 橋式可逆電力電子變換器 主電路與圖1 22相同 須要注意的是 直流變換器必須是可逆的 GD 驅(qū)動(dòng)電路模塊 內(nèi)部含有光電隔離電路和開關(guān)放大電路 系統(tǒng)組成 續(xù) UPW PWM波生成環(huán)節(jié) 其算法包含在單片微機(jī)軟件中 TG 為測(cè)速發(fā)電機(jī) 當(dāng)調(diào)速精度要求較高時(shí)可采用數(shù)字測(cè)速碼盤 TA 霍爾電流傳感器 給定量n I d和反饋量n Id都已經(jīng)是數(shù)字量 系統(tǒng)控制 該原理圖的硬件結(jié)構(gòu)如圖3 4所示 控制系統(tǒng)一般采用轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)控制 電流環(huán)為內(nèi)環(huán) 轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán) 內(nèi)環(huán)的采樣周期小于外環(huán)的采樣周期 無(wú)論是電流采樣值還是轉(zhuǎn)速采樣值都有交流分量 常采用阻容電路濾波 但阻容值太大時(shí)會(huì)延緩動(dòng)態(tài)響應(yīng) 為此可采用硬件濾波與軟件濾波相結(jié)合的辦法 系統(tǒng)控制 續(xù) 當(dāng)轉(zhuǎn)速給定信號(hào)在 n max 0 n max之間變化并達(dá)到穩(wěn)態(tài)后 由微機(jī)輸出的PWM信號(hào)占空比 在0 0的范圍內(nèi)變化 使UPEM的輸出平均電壓系數(shù)為 1 0 1 參看式 1 20 實(shí)現(xiàn)雙極式可逆控制 在變流中 為了避免同一橋臂上 下兩個(gè)電力電子器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流電源短路 在由VT1 VT4導(dǎo)通切換到VT2 VT3導(dǎo)通或反向切換時(shí) 必須留有死區(qū)時(shí)間 對(duì)于功率晶體管 死區(qū)時(shí)間約需30 s 對(duì)于IGBT 死區(qū)時(shí)間約需5 s或更小些 4 1 2有環(huán)流控制的可逆晶閘管 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 一 V M系統(tǒng)的可逆線路根據(jù)電機(jī)理論 改變電樞電壓的極性 或者改變勵(lì)磁磁通的方向 都能夠改變直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向 因此 V M系統(tǒng)的可逆線路有兩種方式 電樞反接可逆線路 勵(lì)磁反接可逆線路 1 電樞反接可逆線路 電樞反接可逆線路的形式有多種 這里介紹如下3種方式 1 接觸器開關(guān)切換的可逆線路 2 晶閘管開關(guān)切換的可逆線路 3 兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路 1 接觸器開關(guān)切換的可逆線路 KMF閉合 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn) KMR閉合 電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) Ud Id Id 2 晶閘管開關(guān)切換的可逆線路 VT1 VT4導(dǎo)通 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn) VT2 VT3導(dǎo)通 電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) 晶閘管開關(guān)切換的可逆線路 Ud Id VT1 VT2 VT3 VT4 Id 接觸器切換可逆線路的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 僅需一組晶閘管裝置 簡(jiǎn)單 經(jīng)濟(jì) 缺點(diǎn) 有觸點(diǎn)切換 開關(guān)壽命短 需自由停車后才能反向 時(shí)間長(zhǎng) 應(yīng)用 不經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械 3 兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路 較大功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用晶閘管 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 由于晶閘管的單向?qū)щ娦?需要可逆運(yùn)行時(shí)經(jīng)常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路 如下圖所示 Id b 運(yùn)行范圍 圖4 2兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路 兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆供電方式 n a 電路結(jié)構(gòu) M VR VF Id Id 兩組晶閘管裝置可逆運(yùn)行模式 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí) 由正組晶閘管裝置VF供電 反轉(zhuǎn)時(shí) 由反組晶閘管裝置VR供電 兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制 都能靈活地控制電動(dòng)機(jī)的起 制動(dòng)和升 降速 但是 不允許讓兩組晶閘管同時(shí)處于整流狀態(tài) 否則將造成電源短路 因此對(duì)控制電路提出了嚴(yán)格的要求 2 勵(lì)磁反接可逆線路 改變勵(lì)磁電流的方向也能使電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)向 與電樞反接可逆線路一樣 可以采用接觸器開關(guān)或晶閘管開關(guān)切換方式 也可采用兩組晶閘管反并聯(lián)供電方式來(lái)改變勵(lì)磁方向 勵(lì)磁反接可逆線路見下圖 電動(dòng)機(jī)電樞用一組晶閘管裝置供電 勵(lì)磁繞組由另外的兩組晶閘管裝置供電 勵(lì)磁反接可逆供電方式 晶閘管反并聯(lián)勵(lì)磁反接可逆線路 VR VF Id Id 勵(lì)磁反接的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 供電裝置功率小 由于勵(lì)磁功率僅占電動(dòng)機(jī)額定功率的1 5 因此 采用勵(lì)磁反接方案 所需晶閘管裝置的容量小 投資少 效益高 缺點(diǎn) 改變轉(zhuǎn)向時(shí)間長(zhǎng) 由于勵(lì)磁繞組的電感大 勵(lì)磁反向的過程較慢 又因電動(dòng)機(jī)不允許在失磁的情況下運(yùn)行 因此系統(tǒng)控制相對(duì)復(fù)雜一些 小結(jié) 1 V M系統(tǒng)的可逆線路可分為兩大類 電樞反接可逆線路 電樞反接反向過程快 但需要較大容量的晶閘管裝置 勵(lì)磁反接可逆線路 勵(lì)磁反接反向過程慢 控制相對(duì)復(fù)雜 但所需晶閘管裝置容量小 2 每一類線路又可用不同的換向方式 接觸器切換線路 適用于不經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械 晶閘管開關(guān)切換線路 適用于中 小功率的可逆系統(tǒng) 兩組晶閘管反并聯(lián)線路 適用于各種可逆系統(tǒng) 二 晶閘管 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的回饋制動(dòng) 1 晶閘管裝置的整流和逆變狀態(tài)在兩組晶閘管反并聯(lián)線路的V M系統(tǒng)中 晶閘管裝置可以工作在整流或有源逆變狀態(tài) 在電流連續(xù)的條件下 晶閘管裝置的平均理想空載輸出電壓為 4 1 當(dāng)控制角為 90 晶閘管裝置處于整流狀態(tài) 當(dāng)控制角為 90 晶閘管裝置處于逆變狀態(tài) 因此在整流狀態(tài)中 Ud0為正值 在逆變狀態(tài)中 Ud0為負(fù)值 為了方便起見 定義逆變角 180 則逆變電壓公式可改寫為Ud0 Ud0maxcos 4 2 逆變電壓公式 2 單組晶閘管裝置的有源逆變 單組晶閘管裝置供電的V M系統(tǒng)在拖動(dòng)起重機(jī)類型的負(fù)載時(shí)也可能出現(xiàn)整流和有源逆變狀態(tài) a 整流狀態(tài) 提升重物 90 Ud0 E n 0由電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)提供能量 Id b 逆變狀態(tài) 放下重物 90 Ud0 E n 0由電動(dòng)機(jī)向電網(wǎng)回饋能量 Id c 機(jī)械特性 整流狀態(tài) 電動(dòng)機(jī)工作于第1象限 逆變狀態(tài) 電動(dòng)機(jī)工作于第4象限 TL 圖4 3單組V M系統(tǒng)帶起重機(jī)類型負(fù)載時(shí)的整流和逆變狀態(tài) 3 兩組晶閘管裝置反并聯(lián)的整流和逆變 兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路的整流和逆變狀態(tài)原理與此相同 只是出現(xiàn)逆變狀態(tài)的具體條件不一樣 現(xiàn)以正組晶閘管裝置整流和反組晶閘管裝置逆變?yōu)槔?說(shuō)明兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路的工作原理 a 正組晶閘管裝置VF整流 VF處于整流狀態(tài) 此時(shí) f 90 Ud0f E n 0電機(jī)從電路輸入能量作電動(dòng)運(yùn)行 P Id b 反組晶閘管裝置VR逆變 當(dāng)電動(dòng)機(jī)需要回饋制動(dòng)時(shí) 由于電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的極性未變 要回饋電能必須產(chǎn)生反向電流 而反向電流是不可能通過VF流通的 這時(shí) 可以利用控制電路切換到反組晶閘管裝置VR 并使它工作在逆變狀態(tài) VR逆變處于狀態(tài) 此時(shí) r 90 E Ud0r n 0電機(jī)輸出電能實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng) P Id c 機(jī)械特性范圍 c 機(jī)械特性運(yùn)行范圍 整流狀態(tài) V M系統(tǒng)工作在第一象限 逆變狀態(tài) V M系統(tǒng)工作在第二象限 4 V M系統(tǒng)的四象限運(yùn)行 在可逆調(diào)速系統(tǒng)中 正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)可利用反組晶閘管實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng) 反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)同樣可以利用正組晶閘管實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng) 這樣 采用兩組晶閘管裝置的反并聯(lián) 就可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行 歸納起來(lái) 可將可逆線路正反轉(zhuǎn)時(shí)晶閘管裝置和電機(jī)的工作狀態(tài)列于表4 1中 表4 1V M系統(tǒng)反并聯(lián)可逆線路的工作狀態(tài) 反并聯(lián)的晶閘管裝置的其他應(yīng)用 即使是不可逆的調(diào)速系統(tǒng) 只要是需要快速的回饋制動(dòng) 常常也采用兩組反并聯(lián)的晶閘管裝置 由正組提供電動(dòng)運(yùn)行所需的整流供電 反組只提供逆變制動(dòng) 這時(shí) 兩組晶閘管裝置的容量大小可以不同 反組只在短時(shí)間內(nèi)給電動(dòng)機(jī)提供制動(dòng)電流 并不提供穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的電流 實(shí)際采用的容量可以小一些 三 可逆V M系統(tǒng)中的環(huán)流問題 1 環(huán)流及其種類環(huán)流的定義 采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V M系統(tǒng) 如果兩組裝置的整流電壓同時(shí)出現(xiàn) 便會(huì)產(chǎn)生不流過負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流 稱作環(huán)流 如下圖中所示 環(huán)流的形成 Id Ic Ic 環(huán)流Id 負(fù)載電流 環(huán)流的危害和利用 危害 一般地說(shuō) 這樣的環(huán)流對(duì)負(fù)載無(wú)益 徒然加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān) 消耗功率 環(huán)流太大時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶閘管損壞 因此應(yīng)該予以抑制或消除 利用 只要合理的對(duì)環(huán)流進(jìn)行控制 保證晶閘管的安全工作 可以利用環(huán)流作為流過晶閘管的基本負(fù)載電流 使電動(dòng)機(jī)在空載或輕載時(shí)可工作在晶閘管裝置的電流連續(xù)區(qū) 以避免電流斷續(xù)引起的非線性對(duì)系統(tǒng)性能的影響 環(huán)流的分類 在不同情況下 會(huì)出現(xiàn)下列不同性質(zhì)的環(huán)流 1 靜態(tài)環(huán)流 兩組可逆線路在一定控制角下穩(wěn)定工作時(shí)出現(xiàn)的環(huán)流 其中又有兩類 直流平均環(huán)流 由晶閘管裝置輸出的直流平均電壓所產(chǎn)生的環(huán)流稱作直流平均環(huán)流 瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流 兩組晶閘管輸出的直流平均電壓差為零 但因電壓波形不同 瞬時(shí)電壓差仍會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的環(huán)流 稱作瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流 環(huán)流的分類 續(xù) 2 動(dòng)態(tài)環(huán)流 僅在可逆V M系統(tǒng)處于過渡過程中出現(xiàn)的環(huán)流 這里 主要分析靜態(tài)環(huán)流的形成原因 并討論其控制方法和抑制措施 2 直流平均環(huán)流與配合控制 在兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V M系統(tǒng)中 如果讓正組VF和反組VR都處于整流狀態(tài) 兩組的直流平均電壓正負(fù)相連 必然產(chǎn)生較大的直流平均環(huán)流 為了防止直流平均環(huán)流的產(chǎn)生 需要采取必要的措施 比如 采用封鎖觸發(fā)脈沖的方法 在任何時(shí)候 只允許一組晶閘管裝置工作 采用配合控制的策略 使一組晶閘管裝置工作在整流狀態(tài) 另一組則工作在逆變狀態(tài) 1 配合控制原理 為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流 應(yīng)該當(dāng)正組處于整流狀態(tài)時(shí) 強(qiáng)迫讓反組處于逆變狀態(tài) 且控制其幅值與之相等 用逆變電壓把整流電壓頂住 則直流平均環(huán)流為零 于是Ud0r Ud0f由式 4 1 Ud0f Ud0maxcos fUd0f Ud0maxcos r其中 f和 r分別為VF和VR的控制角 由于兩組晶閘管裝置相同 兩組的最大輸出電壓Ud0max是一樣的 因此 當(dāng)直流平均環(huán)流為零時(shí) 應(yīng)有cos r cos f或 r f 180 4 3 如果反組的控制用逆變角 r表示 則 f r 4 4 由此可見 按照式 4 4 來(lái)控制就可以消除直流平均環(huán)流 這稱作 配合控制 為了更可靠地消除直流平均環(huán)流 可采用 f r 4 5 2 配合控制方法 為了實(shí)現(xiàn)配合控制 可將兩組晶閘管裝置的觸發(fā)脈沖零位都定在90 即當(dāng)控制電壓Uc 0時(shí) 使 f r 90 此時(shí)Ud0f Ud0r 0 電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài) 增大控制電壓Uc移相時(shí) 只要使兩組觸發(fā)裝置的控制電壓大小相等符號(hào)相反就可以了 這樣的觸發(fā)控制電路示于下圖 3 配合控制電路 在如圖電路中 用同一個(gè)控制電壓去控制兩組觸發(fā)裝置 正組觸發(fā)裝置GTF由Uc直接控制 而反組觸發(fā)裝置GTR由控制 是經(jīng)過反號(hào)器AR后獲得的 4 配合控制特性 配合控制系統(tǒng)的移相控制特性示于下圖 移相時(shí) 如果一組晶閘管裝置處于整流狀態(tài) 另一組便處于逆變狀態(tài) 這是指控制角的工作狀態(tài)而言的 圖4 7配合控制移相特性 移相控制特性 續(xù) Ucm Uc 5 控制的工作狀態(tài) 待逆變狀態(tài) 實(shí)際上 這時(shí)逆變組除環(huán)流外并未流過負(fù)載電流 也就沒有電能回饋電網(wǎng) 確切地說(shuō) 它只是處于 待逆變狀態(tài) 表示該組晶閘管裝置是在逆變角控制下等待工作 逆變狀態(tài) 只有在制動(dòng)時(shí) 當(dāng)發(fā)出信號(hào)改變控制角后 同時(shí)降低了整流電壓和逆變電壓的幅值 一旦電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E Ud0r Ud0f 整流組電流將被截止 逆變組才真正投入逆變工作 使電機(jī)產(chǎn)生回饋制動(dòng) 將電能通過逆變組回饋電網(wǎng) 控制的工作狀態(tài) 續(xù) 待整流狀態(tài) 同樣 當(dāng)逆變組工作時(shí) 另一組也是在等待著整流 可稱作處于 待整流狀態(tài) 所以 在 配合控制下 負(fù)載電流可以迅速地從正向到反向 或從反向到正向 平滑過渡 在任何時(shí)候 實(shí)際上只有一組晶閘管裝置在工作 另一組則處于等待工作的狀態(tài) 6 最小逆變角限制 為了防止晶閘管裝置在逆變狀態(tài)工作中逆變角太小而導(dǎo)致?lián)Q流失敗 出現(xiàn) 逆變顛覆 現(xiàn)象 必須在控制電路中采用限幅作用 形成最小逆變角 min保護(hù) 與此同時(shí) 對(duì) 角也實(shí)施 min保護(hù) 以免出現(xiàn)Ud0f Ud0r而產(chǎn)生直流平均環(huán)流 通常取 3 瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流及其抑制 1 瞬時(shí)的脈動(dòng)環(huán)流產(chǎn)生的原因 采用配合控制已經(jīng)消除了直流平均環(huán)流 但是 由于晶閘管裝置的輸出電壓是脈動(dòng)的 造成整流與逆變電壓波形上的差異 仍會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)電壓的情況 從而仍能產(chǎn)生瞬時(shí)的脈動(dòng)環(huán)流 這個(gè)瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流是自然存在的 因此配合控制有環(huán)流可逆系統(tǒng)又稱作自然環(huán)流系統(tǒng) 2 瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流產(chǎn)生情況舉例瞬時(shí)電壓差和瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的大小因控制角的不同而異 現(xiàn)以 f r 60 為例 分析三相零式反并聯(lián)可逆線路產(chǎn)生瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的情況 這里采用零式線路的目的只是為了繪制波形簡(jiǎn)單 三相零式反并聯(lián)可逆線路 Id Icp 三相零式反并聯(lián)的電壓波形 d 瞬時(shí)電壓差和瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流波形 b 整流電壓波形 c 逆變電壓波形 瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的產(chǎn)生 正組整流電壓和反組逆變電壓之間的瞬時(shí)電壓差 ud0 ud0f ud0r其波形繪于圖4 9d 由于這個(gè)瞬時(shí)電壓差的存在 便在兩組晶閘管之間產(chǎn)生了瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流icp 也繪在圖4 9d中 瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的直流分量 由于晶閘管的內(nèi)阻很小 環(huán)流回路的阻抗主要是電感 所以不能突變 并且落后于 ud0 又由于晶閘管的單向?qū)щ娦?只能在一個(gè)方向脈動(dòng) 所以瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流也有直流分量Icp 見圖4 9d 但與平均電壓差所產(chǎn)生的直流平均環(huán)流在性質(zhì)上是根本不同的 3 瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的抑制 直流平均環(huán)流可以用配合控制消除 而瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流卻是自然存在的 為了抑制瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流 可在環(huán)流回路中串入電抗器 叫做環(huán)流電抗器 或稱均衡電抗器 如圖4 9a中的Lc1和Lc2 環(huán)流電抗的大小可以按照把瞬時(shí)環(huán)流的直流分量限制在負(fù)載額定電流的5 10 來(lái)設(shè)計(jì) 環(huán)流電抗器的設(shè)置 三相零式反并聯(lián)可逆線路必須在正 反兩個(gè)回路中各設(shè)一個(gè)環(huán)流電抗器 因?yàn)槠渲锌傆幸粋€(gè)電抗器會(huì)因流過直流負(fù)載電流而飽和 失去限流作用 例如 在圖4 9a中當(dāng)正組VF整流時(shí) 流過負(fù)載電流 使Lc1鐵芯飽和 只能依靠在逆變回路中的Lc2限制環(huán)流 同理 當(dāng)反組VR整流時(shí) 只能依靠Lc1限制環(huán)流 在三相橋式反并聯(lián)可逆線路中 由于每一組橋又有兩條并聯(lián)的環(huán)流通道 總共要設(shè)置4個(gè)環(huán)流電抗器 1 2 M VF VR a b c A B C 環(huán)流電抗器的設(shè)置 續(xù) 環(huán)流電抗器的設(shè)置 續(xù) 在三相橋式交叉連接可逆線路中 由于電源獨(dú)立 每一組橋只有一條環(huán)流通道 因此只要設(shè)置2個(gè)環(huán)流電抗器 四 配合控制的有環(huán)流可逆V M系統(tǒng) 主電路 主電路采用兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯(lián)的可逆線路 其中 正組晶閘管VF 由GTF控制觸發(fā) 正轉(zhuǎn)時(shí) VF整流 反轉(zhuǎn)時(shí) VF逆變 反組晶閘管VR 由GTR控制觸發(fā) 反轉(zhuǎn)時(shí) VR整流 正轉(zhuǎn)時(shí) VR逆變 給定與檢測(cè)電路 轉(zhuǎn)速 根據(jù)可逆系統(tǒng)正反向運(yùn)行的需要 給定電壓 轉(zhuǎn)速反饋電壓 電流反饋電壓都應(yīng)該能夠反映正和負(fù)的極性 這里給定電壓 正轉(zhuǎn)時(shí) KF閉合 U n 反轉(zhuǎn)時(shí) KR閉合 U n 轉(zhuǎn)速反饋 正轉(zhuǎn)時(shí) Un 反轉(zhuǎn)時(shí) Un 給定與檢測(cè)電路 電流 電流反饋電壓 正轉(zhuǎn)時(shí) Ui 反轉(zhuǎn)時(shí) Ui 注意 由于電流反饋應(yīng)能否反映極性 因此圖中的電流互感器需采用直流電流互感器或霍爾變換器 以滿足這一要求 控制電路 控制電路采用典型的轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)系統(tǒng) 其中 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR控制轉(zhuǎn)速 設(shè)置雙向輸出限幅電路 以限制最大起制動(dòng)電流 電流調(diào)節(jié)器ACR控制電流 設(shè)置雙向輸出限幅電路 以限制最小控制角 min與最小逆變角 min 2 控制方式 采用同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路時(shí) 移相控制特性是線性的 兩組觸發(fā)裝置的控制特性如圖所示 反轉(zhuǎn)時(shí) 0 r 90 VR整流 Ud0r Uc 0 f 90 VF逆變 Ud0f 正轉(zhuǎn)時(shí) Uc 0 f 90 VF整流 Ud0f 0 r 90 VR逆變 Ud0r 停轉(zhuǎn)時(shí) Uc 0 r f 90 Ud0f Ud0r 0 AR VR逆變 3 工作過程 正向運(yùn)行過程 KF閉合 U n U i Uc 電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)行 VF整流 正向運(yùn)行過程系統(tǒng)狀態(tài) 有環(huán)流系統(tǒng)正向運(yùn)行過程 P n 制動(dòng)過程 整個(gè)制動(dòng)過程可以分為兩個(gè)主要階段 其中還有一些子階段 主要階段分為 I 本組逆變階段 II 它組制動(dòng)階段 現(xiàn)以正向制動(dòng)為例 說(shuō)明有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的制動(dòng)過程 I 本組逆變階段 在這階段中 電流由正向負(fù)載電流下降到零 其方向未變 因此只能仍通過正組VF流通 具體過程如下 發(fā)出停車 或反向 指令后 轉(zhuǎn)速給定電壓突變?yōu)榱?或負(fù)值 ASR輸出躍變到正限幅值 U im ACR輸出躍變成負(fù)限幅值 Ucm VF由整流狀態(tài)很快變成的逆變狀態(tài) 同時(shí)反組VR由待逆變狀態(tài)轉(zhuǎn)變成待整流狀態(tài) 在VF M回路中 由于VF變成逆變狀態(tài) 極性變負(fù) 而電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E極性未變 迫使電流迅速下降 主電路電感迅速釋放儲(chǔ)能 企圖維持正向電流 這時(shí) 大部分能量通過VF回饋電網(wǎng) 所以稱作 本組逆變階段 由于電流的迅速下降 這個(gè)階段所占時(shí)間很短 轉(zhuǎn)速來(lái)不及產(chǎn)生明顯的變化 其波形圖見圖4 10中的階段I 本組逆變過程系統(tǒng)狀態(tài) Id 它組制動(dòng)階段 當(dāng)主電路電流下降過零時(shí) 本組逆變終止 第I階段結(jié)束 轉(zhuǎn)到反組VR工作 開始通過反組制動(dòng) 從這時(shí)起 直到制動(dòng)過程結(jié)束 統(tǒng)稱 它組制動(dòng)階段 它組制動(dòng)階段又可分成三個(gè)子階段 它組建流子階段 它組逆變子階段 反向減流子階段 它組建流子階段 1 Id過零并反向 直至到達(dá) Idm以前 ACR并未脫離飽和狀態(tài) 其輸出仍為 Ucm 這時(shí) VF和VR輸出電壓的大小都和本組逆變階段一樣 但由于本組逆變停止 電流變化延緩 的數(shù)值略減 使 2 反組VR由 待整流 進(jìn)入整流 向主電路提供 Id 由于反組整流電壓Ud0r和反電動(dòng)勢(shì)E的極性相同 反向電流很快增長(zhǎng) 電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài) 轉(zhuǎn)速明顯地降低 因此 又可稱作 它組反接制動(dòng)狀態(tài) 反接制動(dòng)過程系統(tǒng)狀態(tài) Id 它組逆變子階段 當(dāng)反向電流達(dá)到 Idm并略有超調(diào)時(shí) ACR輸出電壓Uc退出飽和 其數(shù)值很快減小 又由負(fù)變正 然后再增大 使VR回到逆變狀態(tài) 而VF變成待整流狀態(tài) 此后 在ACR的調(diào)節(jié)作用下 力圖維持接近最大的反向電流 Idm 因而 電機(jī)在恒減速條件下回饋制動(dòng) 把動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能 其中大部分通過VR逆變回饋電網(wǎng) 過渡過程波形為圖4 10中的第II2階段 稱作 它組回饋制動(dòng)階段 或 它組逆變階段 由圖可見 這個(gè)階段所占的時(shí)間最長(zhǎng) 是制動(dòng)過程中的主要階段 它組回饋制動(dòng)過程系統(tǒng)狀態(tài) 反向減流子階段 在這一階段 轉(zhuǎn)速下降得很低 無(wú)法再維持 Idm 于是電流立即衰減 在電流衰減過程中 電感L上的感應(yīng)電壓LdId dt支持著反向電流 并釋放出存儲(chǔ)的磁能 與電動(dòng)機(jī)斷續(xù)釋放出的動(dòng)能一起通過VR逆變回饋電網(wǎng) 如果電機(jī)隨即停止 整個(gè)制動(dòng)過程到此結(jié)束 M VR VF 1 AR GTR GTF Uc ASR ACR U n Un Ui U i TG Lc1 Lc2 Lc3 Lc4 TM TA Ld Uc Id 反向減流過程系統(tǒng)狀態(tài) 0 制動(dòng)過程系統(tǒng)響應(yīng)曲線 Idm IdL Ucm E 圖4 10配合控制有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)正向制動(dòng)過渡過程波形 反向起動(dòng) 如果需要在制動(dòng)后緊接著反轉(zhuǎn) Id Idm的過程就會(huì)延續(xù)下去 直到反向轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)為止 由于正轉(zhuǎn)制動(dòng)和反轉(zhuǎn)起動(dòng)的過程完全銜接起來(lái) 沒有間斷或死區(qū) 這是有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 適用于要求快速正反轉(zhuǎn)的系統(tǒng) 反向起動(dòng)過程系統(tǒng)狀態(tài) 有環(huán)流系統(tǒng)可逆運(yùn)行曲線 4 1 3無(wú)環(huán)流控制的可逆晶閘管 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 概述有環(huán)流可逆系統(tǒng)雖然具有反向快 過渡平滑等優(yōu)點(diǎn) 但設(shè)置幾個(gè)環(huán)流電抗器終究是個(gè)累贅 因此 當(dāng)工藝過程對(duì)系統(tǒng)正反轉(zhuǎn)的平滑過渡特性要求不很高時(shí) 特別是對(duì)于大容量的系統(tǒng) 常采用既沒有直流平均環(huán)流又沒有瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的無(wú)環(huán)流控制可逆系統(tǒng) 系統(tǒng)分類按照實(shí)現(xiàn)無(wú)環(huán)流控制原理的不同 無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)又有大類 邏輯控制無(wú)環(huán)流系統(tǒng) 錯(cuò)位控制無(wú)環(huán)流系統(tǒng) 控制原理 邏輯控制的無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)當(dāng)一組晶閘管工作時(shí) 用邏輯電路 硬件 或邏輯算法 軟件 去封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖 使它完全處于阻斷狀態(tài) 以確保兩組晶閘管不同時(shí)工作 從根本上切斷了環(huán)流的通路 這就是邏輯控制的無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng) 錯(cuò)位控制的無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng) 在錯(cuò)位控制的無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)中 同樣采用配合控制的觸發(fā)移相方法 但兩組脈沖的關(guān)系是 r f 300 甚至是 r f 360 也就是說(shuō) 初始相位整定在 r f 150 或180 這樣 當(dāng)待逆變組的觸發(fā)脈沖來(lái)到時(shí) 它的晶閘管已經(jīng)完全處于反向阻斷狀態(tài) 不可能導(dǎo)通 當(dāng)然就不會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流了 鑒于目前錯(cuò)位控制的無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)較少 本課程不再詳細(xì)介紹 1 邏輯控制的無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng) 本節(jié)將著重討論邏輯控制的無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 控制原理和電路設(shè)計(jì) 1 系統(tǒng)的組成邏輯控制的無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng) 以下簡(jiǎn)稱 邏輯無(wú)環(huán)流系統(tǒng) 的原理框圖示于下圖該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為 邏輯控制無(wú)環(huán)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖4 11邏輯控制無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線路 由于沒有環(huán)流 不用設(shè)置環(huán)流電抗器 仍保留平波電抗器Ld 以保證穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電流波形連續(xù) 控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)方案 電流環(huán)分設(shè)兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器 1ACR用來(lái)控制正組觸發(fā)裝置GTF 2ACR控制反組觸發(fā)裝置GTR 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 續(xù) 1ACR的給定信號(hào)經(jīng)反號(hào)器AR作為2ACR的給定信號(hào) 因此電流反饋信號(hào)的極性不需要變化 可以采用不反映極性的電流檢測(cè)方法 為了保證不出現(xiàn)環(huán)流 設(shè)置了無(wú)環(huán)邏輯控制環(huán)節(jié)DLC 這是系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 它按照系統(tǒng)的工作狀態(tài) 指揮系統(tǒng)進(jìn)行正 反組的自動(dòng)切換 其輸出信號(hào)Ublf用來(lái)控制正組觸發(fā)脈沖的封鎖或開放 Ublr用來(lái)控制反組觸發(fā)脈沖的封鎖或開放 2 工作原理 正向運(yùn)行 反向運(yùn)行 2 無(wú)環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié) 1 邏輯控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)要求DLC的輸入要求 分析V M系統(tǒng)四象限運(yùn)行的特性 有如下共同特征 正向運(yùn)行和反向制動(dòng)時(shí) 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩方向?yàn)檎?即電流為正 反向運(yùn)行和正向制動(dòng)時(shí) 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩方向?yàn)樨?fù) 即電流為負(fù) 因此 應(yīng)選擇轉(zhuǎn)矩信號(hào)作為DLC的輸入信號(hào) 由于ACR的輸出信號(hào)正好代表了轉(zhuǎn)矩方向 即有 正向運(yùn)行和反向制動(dòng)時(shí) U i為正 反向運(yùn)行和正向制動(dòng)時(shí) U i為負(fù) 又因?yàn)閁 I極性的變化只表明系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩反向的意圖 轉(zhuǎn)矩極性的真正變換還要滯后一段時(shí)間 只有在實(shí)際電流過零時(shí) 才開始反向 因此 需要檢測(cè)零電流信號(hào)作為DLC的另一個(gè)輸入信號(hào) DLC的輸出要求 正向運(yùn)行 VF整流 開放VF 封鎖VR 反向制動(dòng) VF逆變 開放VF 封鎖VR 反向運(yùn)行 VR整流 開放VR 封鎖VF 正向制動(dòng) VR逆變 開放VR 封鎖VF 因此 DLC的輸出有兩種狀態(tài) VF開放 Ublf 1 VF封鎖 Ublf 0 VR開放 Ublr 1 VR封鎖 Ublr 0 DLC的內(nèi)部邏輯要求 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換 將模擬量轉(zhuǎn)換為開關(guān)量 根據(jù)輸入信號(hào) 做出正確的邏輯判斷 為保證