電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)(第4版)-第4章 可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

1、第4章可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)2022/7/311內(nèi)容提要直流PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng) V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 2022/7/312內(nèi)容提要電動機除電動轉(zhuǎn)矩外還須產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)生產(chǎn)機械快速的減速、停車與正反向運行等功能。在轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的坐標(biāo)系上，就是四象限運行的功能這樣的調(diào)速系統(tǒng)需要正反轉(zhuǎn)，故稱可逆調(diào)速系統(tǒng)。2022/7/313內(nèi)容提要一般電動狀態(tài)/制動狀態(tài)/輕載狀態(tài)2022/7/3144.1直流PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)PWM變換器電路有多種形式，可分為不可逆與可逆兩大類，還有一種帶制動電流通路的不可逆PWM-直流電動機系統(tǒng)，其電

2、流能夠反向。之所以不可逆是因為平均電壓始終大于零，因而轉(zhuǎn)速不能反向。2022/7/3154.1直流PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)如果要求轉(zhuǎn)速反向，需要改變PWM變換器輸出電壓的正負極性，使得直流電動機可以在四象限中運行，由此構(gòu)成了可逆的PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)。2022/7/3164.1.1 橋式可逆PWM變換器2022/7/317在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0tton時，UAB=US，電樞電流id沿回路1流通；當(dāng)tontT/2, UAB的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)；反之則反轉(zhuǎn)。 ton =T/2,平均輸出電壓為零，電動機停止。 2022/7/3194.1.1 橋式可逆PWM變換器電動機負載較重的情況時，負載電流

3、id1大，在續(xù)流階段電流仍維持正方向，電動機始終工作在第象限的電動狀態(tài)。負載很輕時，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，于是二極管終止續(xù)流，而反向開關(guān)器件導(dǎo)通，電樞電流反向，電動機處于制動狀態(tài)。 id2電流中的線段3和4是工作在第象限的制動狀態(tài)。電樞電流的方向決定了電流是經(jīng)過續(xù)流二極管還是經(jīng)過開關(guān)器件流動2022/7/31104.1.1 橋式可逆PWM變換器雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為占空比和電壓系數(shù)的關(guān)系為 當(dāng)1/2時，為正，電動機正轉(zhuǎn)；當(dāng)1/2時， 為負，電動機反轉(zhuǎn)；當(dāng)=1/2時， =0，電動機停止。 2022/7/31114.1.1 橋式可逆PWM變換器雙極式控制的橋式

4、可逆PWM變換器有下列優(yōu)點：電流一定連續(xù)；可使電動機在四象限運行；電動機停止時有微振電流，能消除靜磨擦死區(qū)低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍大；低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。2022/7/31124.1.1 橋式可逆PWM變換器雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中，4個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。2022/7/31134.1.2 直流PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反向的過渡過程a點過渡到b點，Id從正向IdL降低為零。 b點過渡到c點 ， Id從零反向上升

5、到允許的制動電流-Idm 。c點過渡到d點 ，回饋制動狀態(tài)，轉(zhuǎn)速將減速到0 。2022/7/31144.1.2 直流PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反向的過渡過程d點過渡到e點 ，反向起動狀態(tài) ,轉(zhuǎn)速要超調(diào)，轉(zhuǎn)速環(huán)退飽和 。在f點穩(wěn)定工作，電樞電流與負載電流-IdL相等。2022/7/31154.1.3 直流PWM功率變換器的能量回饋2022/7/3116整流器 H型橋式PWM變換器 放電電阻 濾波大電容4.1.3 直流PWM功率變換器的能量回饋當(dāng)可逆系統(tǒng)進入制動狀態(tài)時，直流PWM功率變換器把機械能變?yōu)殡娔芑仞伒街绷鱾?cè)由于二極管整流器導(dǎo)電的單向性，電能不可能通過整流器送回交流電網(wǎng)，只能向濾波電容充電

6、，使電容兩端電壓升高，稱作泵升電壓。在大容量或負載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來限制泵升電壓，當(dāng)PWM控制器檢測到泵升電壓高于規(guī)定值時，開關(guān)器件VTb導(dǎo)通，使制動過程中多余的動能以銅耗的形式消耗在放電電阻中。2022/7/31174.1.3 直流PWM功率變換器的能量回饋如果在大容量的調(diào)速系統(tǒng)中希望實現(xiàn)電能回饋到交流電網(wǎng)，以取得更好的制動效果并且節(jié)能，可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的電能逆變后回饋電網(wǎng)在突加交流電源時，大電容量濾波電容C相當(dāng)于短路，會產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管。為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流電阻。合上電源后，經(jīng)過延時或當(dāng)直流電壓

7、達到一定值時，閉合接觸器觸點K把電阻短路，以免在運行中造成附加損耗。2022/7/31184.2V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)4.2.1V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主回路及環(huán)流V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主回路結(jié)構(gòu)對于拖動位能性負載的起重機而言，采用單組晶閘管裝置就能實現(xiàn)重物的提升和下放。當(dāng)E（E為電動機反電動勢），輸出整流電流Id，電動機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩作電動運行，提升重物，這時電能從交流電網(wǎng)經(jīng)晶閘管裝置傳送給電動機，V-M系統(tǒng)運行于第象限。 2022/7/31194.2.1V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主回路及環(huán)流2022/7/31204.2.1V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主回路及環(huán)流90，Ud0為負，晶閘管裝置本身不

8、能輸出電流，電機不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩提升重物，只有靠重物本身的重量下降，迫使電機反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生反向的電動勢-E。當(dāng)|E|Ud0|時，產(chǎn)生Id，因而產(chǎn)生與提升重物同方向的轉(zhuǎn)矩，起制動作用，使重物平穩(wěn)下降。電動機處于反轉(zhuǎn)制動狀態(tài)，成為受重物拖動的發(fā)電機，將重物的位能轉(zhuǎn)化成電能，通過晶閘管裝置V回饋給電網(wǎng)，V則工作于有源逆變狀態(tài)，V-M系統(tǒng)運行于第象限2022/7/31214.2.1V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主回路及環(huán)流對于需要電流反向的直流電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)，必須使用兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)線路來實現(xiàn)可逆調(diào)速。電動機正轉(zhuǎn)時，由正組晶閘管裝置VF供電反轉(zhuǎn)時，由反組晶閘管裝置VR供電。 2022/7/31224.2

9、.1V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主回路及環(huán)流VF處于整流狀態(tài)f E，n 0電動機從電路輸入能量作電動運行，運行在第象限。 2022/7/31234.2.1V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主回路及環(huán)流VR逆變處于狀態(tài) r 90，E |Ud0r|， n ud0r 的情況，從而仍能產(chǎn)生環(huán)流，這類因為瞬時的電壓差而產(chǎn)生的環(huán)流被稱為瞬時脈動環(huán)流。瞬時電壓差和瞬時脈動環(huán)流的大小因控制角的不同而異，以下分析三相零式反并聯(lián)可逆線路的情況 ，2022/7/31374.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制配合控制的三相零式反并聯(lián)可逆線路的瞬時脈動環(huán)流2022/7/3138 r =60的整流電壓波形r =120 r =120的

10、逆變電壓波形瞬時電壓差和和瞬時脈動環(huán)流波形2022/7/31394.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制2022/7/3140直流平均環(huán)流可以用配合控制消除，而瞬時脈動環(huán)流卻是自然存在的。為了抑制瞬時脈動環(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。4.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制2022/7/3141環(huán)流電抗的大小可以按照把瞬時環(huán)流的直流分量限制在負載額定電流的5%10%來設(shè)計。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)置四個環(huán)流電抗器，另外還需要一個平波電抗器。4.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制2022/7/3142在=配合控制

11、下，負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，在任何時候，實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)移相時，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。實際上，這時逆變組除環(huán)流外并未流過負載電流，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。4.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制2022/7/3143只有在制動時，當(dāng)發(fā)出信號改變控制角后，同時降低了ud0f和ud0r的幅值，一旦電機反電動勢E|ud0f|=|ud0r|，整流組電流將被截止，逆變組才真正投入逆變工作，使電機產(chǎn)生回饋制動，將電能通過逆變

12、組回饋電網(wǎng)。當(dāng)逆變組工作時，另一組也是在等待著整流，可稱作處于“待整流狀態(tài)”。4.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制2022/7/3144直流平均環(huán)流和瞬時脈動環(huán)流都屬于靜態(tài)環(huán)流，是兩組可逆線路在一定控制角下穩(wěn)態(tài)工作時出現(xiàn)的環(huán)流。還有一種動態(tài)環(huán)流，僅在可逆V-M系統(tǒng)處于過渡過程中可能出現(xiàn)。 環(huán)流電抗器 平波電抗器 4.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制2022/7/3145配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)原理框圖4.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制2022/7/3146邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng):當(dāng)可逆系統(tǒng)中一組晶閘管工作時（不論是整流工作還是逆變工作），用邏輯關(guān)系控制使另一組處于完全封鎖

13、狀態(tài)，徹底斷開環(huán)流的通路，確保兩組晶閘管不同時工作。被封鎖那組整流裝置的移相觸發(fā)環(huán)節(jié)應(yīng)有配合控制所對應(yīng)的輸入控制信號，其輸出觸發(fā)脈沖通過邏輯控制作用予以封鎖，可以認為是移相觸發(fā)環(huán)節(jié)處于“待工作”狀態(tài)，可根據(jù)需要隨時送出必要的脈沖信號4.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制2022/7/3147邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖4.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制2022/7/3148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)定運行時電流波形連續(xù)?？刂葡到y(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)方案。電流環(huán)分設(shè)兩個電流調(diào)節(jié)器，1ACR用來控制正組觸發(fā)

14、裝置GTF，2ACR控制反組觸發(fā)裝置GTR。4.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制2022/7/31491ACR的給定信號經(jīng)反號器AR作為2ACR的給定信號，可以采用不反映極性的電流檢測方法。新增的關(guān)鍵部件是無環(huán)邏輯控制環(huán)節(jié)DLC，它按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)，指揮系統(tǒng)進行正、反組的自動切換。 4.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制2022/7/3150邏輯切換的必要條件ASR的輸出信號Ui*代表了轉(zhuǎn)矩方向，反轉(zhuǎn)運行和正轉(zhuǎn)制動都需要電機產(chǎn)生負的轉(zhuǎn)矩，正轉(zhuǎn)運行和反轉(zhuǎn)制動都需要電機產(chǎn)生正的轉(zhuǎn)矩，Ui*的極性恰好反映了電機電磁轉(zhuǎn)矩方向的變化。采用Ui*作為邏輯控制環(huán)節(jié)的一個輸入信號，稱作“轉(zhuǎn)矩極性鑒別信

15、號”。 4.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制2022/7/3151邏輯切換的充分條件Ui*的極性已發(fā)生變化，表示了系統(tǒng)期望的轉(zhuǎn)矩極性，在實際電流方向還未改變之前，仍須保持原先的開放和封鎖組別。邏輯切換轉(zhuǎn)折點的特征是電流降低到零。因此要把電流到零信號作為邏輯控制環(huán)節(jié)的第二個輸入信號，稱作“零電流檢測信號”，4.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制2022/7/3152封鎖延時和開放延時由于主電流的實際波形是脈動的，如果脈動的主電流瞬時低于I0就立即發(fā)出零電流數(shù)字信號，實際上電流仍在連續(xù)地變化，突然封鎖觸發(fā)脈沖將產(chǎn)生逆變顛覆。 在檢測到零電流信號后等待一段時間，若仍不見主電流再超過I0 ，說明

16、電流確已終止，再封鎖本組脈沖。封鎖延時tabl 大約需要半個到一個脈波的時間。4.2.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制2022/7/3153封鎖延時和開放延時在封鎖觸發(fā)脈沖后，已導(dǎo)通的晶閘管要過一段時間后才能關(guān)斷，再過一段時間才能恢復(fù)阻斷能力。如果在此以前就開放它組脈沖，仍有可能造成兩組晶閘管同時導(dǎo)通，產(chǎn)生環(huán)流。 開放延時時間 tdt ，一般應(yīng)大于一個波頭的時間在邏輯控制環(huán)節(jié)的兩個輸出信號ublf和ublr之間必須有互相聯(lián)鎖的保護，決不允許出現(xiàn)兩組脈沖同時開放的狀態(tài)?，F(xiàn)在的邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)大多已經(jīng)用微機數(shù)字控制實現(xiàn)。 2022/7/31544.2.3 轉(zhuǎn)速反向的過渡過程分析系統(tǒng)制動過

17、程的三個階段：本組逆變階段：從a點到b點，電動機正向電流衰減階段，VF組工作；它組整流階段：從b點到c點，電動機反向電流建立階段，VR組工作；2022/7/31554.2.3 轉(zhuǎn)速反向的過渡過程分析系統(tǒng)制動過程的三個階段：它組逆變階段：從c點到d點 ，電動機恒值電流制動階段，VR組工作。如果是反向起動，則從d點開始又一次地進入起動過程。2022/7/3156=配合控制有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)正向制動過渡過程波形2022/7/31574.2.3 轉(zhuǎn)速反向的過渡過程分析本組逆變階段在正向制動過程以前，電動機是處于正向電動穩(wěn)定工作狀態(tài)，由于ASR、ACR調(diào)節(jié)器的倒相作用，所以圖中參數(shù)的極性為：Un*(

18、+) Ui*(-) Uc (+) 。VF組是工作在整流狀態(tài)，稱它為本組；VR組是工作在待逆變狀態(tài)，稱它為它組。發(fā)出停車指令后，進入電動機制動過程中的正向電流衰減階段：Un*(=0) Un(-) Ui*(=U*im) Uc(=-Ucm)2022/7/31584.2.3 轉(zhuǎn)速反向的過渡過程分析本組逆變階段本組VF組由整流狀態(tài)很快變成f=min的逆變狀態(tài)，它組VR組由待逆變狀態(tài)轉(zhuǎn)變成待整流狀態(tài)。電動機反電動勢E極性未變，迫使Id迅速下降，主電路電感迅速釋放儲能，企圖維持正向電流大部分能量通過本組回饋電網(wǎng)，所以稱作“本組逆變階段2022/7/31594.2.3 轉(zhuǎn)速反向的過渡過程分析它組整流階段當(dāng)主電

19、路電流下降過零時，本組逆變終止，第階段結(jié)束，轉(zhuǎn)到它組VR工作，開始通過它組制動。當(dāng) 時，它組VR由“待整流”進入整流，向主電路提供-Id。本組VF由“逆變”進入待逆變。 在它組整流電壓Udor和反電動勢E的同極性的情況下，反向電流很快增長，電機處于反接制動狀態(tài)，稱作 “它組反接制動階段”。2022/7/31604.2.3 轉(zhuǎn)速反向的過渡過程分析它組逆變階段ACR調(diào)節(jié)器退飽和的唯一途徑是反向電流Idm的超調(diào)，此超調(diào)表示了制動軌跡圖中的電動機恒值電流制動階段的開始：ACR的控制目標(biāo)是維持Id= Idm 。由于ACR是型系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)的擾動是電動機的反電動勢，它是一個線性漸減的擾動量，所以系統(tǒng)做

20、不到無靜差，而是接近于 -Idm 。 2022/7/31614.2.3 轉(zhuǎn)速反向的過渡過程分析它組逆變階段電動機在恒減速條件下回饋制動，把屬于機械能的動能轉(zhuǎn)換成電能，其中大部分通過VR逆變回饋電網(wǎng)，稱作“它組逆變階段”或“它組回饋制動階段”。2022/7/31624.2.3 轉(zhuǎn)速反向的過渡過程分析“它組反接制動階段”和“它組逆變階段”都是反組VR工作，直到制動結(jié)束，總稱它們?yōu)椤八M制動階段”。最后，轉(zhuǎn)速下降得很低，并略有反轉(zhuǎn)，ASR開始退飽和。于是，電流減小，電動機隨即停止。如果需要在制動后緊接著反轉(zhuǎn)，Id=-Idm的過程就會延續(xù)下去，直到反向轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時為止。2022/7/31634.3弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)變電樞電壓方法是從基速（即額定轉(zhuǎn)速）向下調(diào)速。在變壓調(diào)速范圍內(nèi)，因為勵磁磁通不變，電磁轉(zhuǎn)矩Te=KmId，允許的轉(zhuǎn)矩也不會變，稱作“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式”。降低勵磁電流以減弱磁通是從基速向上調(diào)速。在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，磁通越弱，容許的轉(zhuǎn)矩不得不減少，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積則不變，即允許功率不變，是為“恒功率調(diào)速方式”。2022/7/31644.3弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)負載要求的調(diào)速范圍大時，就采用變壓和弱磁配合控制的辦法，即在基速以下保持磁通為額定值不變，只調(diào)節(jié)電樞電壓，而在基速以上則把電壓保持為額定值，減弱磁通升速 202