《運動控制系統(tǒng)》課件第3章

第3章晶閘管-電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)

3.1晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)可逆運行方案3.2兩組晶閘管可逆線路中的環(huán)流及其處理原則3.3有環(huán)流控制的可逆V-M系統(tǒng)3.4無環(huán)流控制的可逆V-M系統(tǒng)習(xí)題與思考題3.1晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)可逆運行方案3.1.1問題的提出在生產(chǎn)實際中，有許多生產(chǎn)機械要求電動機既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常在減速和停車時還需要有制動作用，以縮短制動時間。例如可逆軋機的主傳動和壓下裝置、電弧爐的提升機構(gòu)、龍門刨床工作臺的傳動機構(gòu)、礦井卷揚機、電梯等，都要求電動機頻繁快速地正、反向運行。還有一類生產(chǎn)機械，雖然并不需要電動機可逆旋轉(zhuǎn)，但卻需要電動機快速停車，例如薄板連軋機的卷取機傳動機構(gòu)。上述兩類生產(chǎn)機械的拖動系統(tǒng)，都要求電動機能夠較快地制動。從直流電動機的工作原理可知，要使其制動或改變旋轉(zhuǎn)方向，就必須改變電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向，這時必須采用可逆自動調(diào)速系統(tǒng)。前面關(guān)于直流調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能的分析和設(shè)計中，并未涉及電動機的運行方向問題，所討論的電動機系統(tǒng)都是朝著一個方向旋轉(zhuǎn)的。這一章專門研究直流電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)。改變電樞電壓的極性，或者改變勵磁磁通的方向，都能夠改變直流電機的旋轉(zhuǎn)方向，這本來是很簡單的事。然而當(dāng)電機采用電力電子裝置供電時，由于電力電子器件具有單向?qū)щ娦裕瑔栴}就變得復(fù)雜起來了，需要專用的可逆電力電子裝置和自動控制系統(tǒng)。中、小功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用橋式可逆PWM變換器（見本書第4章），功率較大的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)多采用V-M電源。由于晶閘管具有不可控關(guān)斷特性，因而其可逆調(diào)速系統(tǒng)相對較復(fù)雜。3.1.2可逆直流調(diào)速系統(tǒng)電路實現(xiàn)方式在沒有外力作用下，若要改變直流電機轉(zhuǎn)速，根據(jù)直流電機轉(zhuǎn)矩表達式Te=CmΦIa可知，改變勵磁磁通Φ或改變電樞電流Ia均可改變電機轉(zhuǎn)矩方向，從而達到改變轉(zhuǎn)矩的目的。因此，直流電機可逆線路有兩種方式：電樞反接可逆線路和勵磁反接可逆線路。

1.電樞反接可逆線路電樞反接，改變電樞電流方向，從而可以改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向。電樞反接可逆線路的形式有多種，這里介紹如下4種：接觸器開關(guān)切換的可逆線路，晶閘管開關(guān)切換的可逆線路，兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路，H橋式PWM可逆線路。

(1)接觸器開關(guān)切換的可逆線路：接觸器KMF閉合，電動機正轉(zhuǎn)；接觸器KMR閉合，電動機反轉(zhuǎn)。接觸器開關(guān)切換可逆線路(如圖3-1所示)僅需四個切換開關(guān)，簡單、經(jīng)濟，但是在轉(zhuǎn)向切換時要求快速、準確、安全，否則容易造成短路或切換時間過長。這種切換方式還存在噪聲大、壽命低等缺點，不適合正、反轉(zhuǎn)頻繁的應(yīng)用場合。圖3-1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：為了避免有觸點電器的上述缺點，可采用無觸點的晶閘管開關(guān)（VT1~VT4）來代替有觸點開關(guān)，如圖3-2所示。VT1、VT4導(dǎo)通，電動機正轉(zhuǎn)；VT2、VT3導(dǎo)通，電動機反轉(zhuǎn)。這種方案雖然克服了有觸點電器的缺點，但是需要四個作為開關(guān)使用的晶閘管，在經(jīng)濟上沒有明顯優(yōu)勢，技術(shù)上也存在一定缺陷，只是在某些小容量可逆?zhèn)鲃又胁庞惺褂脙r值。圖3-2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:較大功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用晶閘管-電動機系統(tǒng)，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，故需要可逆運行時經(jīng)常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，如圖3-3所示。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機的啟動、制動和升速、降速。但是，不允許兩組晶閘管同時處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路，因此這種線路對控制電路提出了嚴格的要求。圖3-3兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路

(a)電路結(jié)構(gòu)；(b)運行范圍（4）H橋式PWM可逆線路：在中小功率PWM直流調(diào)速系統(tǒng)中，功率器件為全控型器件，可很方便地實現(xiàn)四象限運行。如圖3-4所示，正向運行時，VT1、VT4導(dǎo)通與VD2、VD3續(xù)流相互配合，電流id分別沿回路1、2流通；反向運行時，VT2、VT3導(dǎo)通與VD1、VD4續(xù)流相互配合，電流id分別沿回路3、4流通。兩種運行方案相互配合，很容易實現(xiàn)四象限運行；但所用功率器件較多，電路復(fù)雜。H橋式PWM可逆線路多用于中小功率且需四象限運行的場合，詳見本書第4章。圖3-4

H橋式PWM可逆線路

2.勵磁反接可逆線路對于勵磁反接可逆線路，通過改變勵磁電流的方向，也可改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向，改變勵磁電流的方向也能使電動機改變轉(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)供電方式來改變勵磁方向。勵磁反接可逆線路見圖3-5，電動機電樞用一組晶閘管裝置供電，勵磁繞組由另外的兩組晶閘管裝置供電。圖3-5勵磁反接可逆線路

(a)電動機電樞回路；(b)勵磁繞組回路勵磁反接具有供電裝置功率小的優(yōu)點。由于勵磁功率僅占電動機額定功率的1%~5%，因而采用勵磁反接方案，所需晶閘管裝置的容量小、投資少、效益高。但是勵磁反接需要較長的時間來改變轉(zhuǎn)向，且由于勵磁繞組的電感大，因而勵磁反向的過程較慢。又因電動機不允許在失磁的情況下運行，因此系統(tǒng)控制相對復(fù)雜一些。3.1.3反接電樞和反接磁場可逆系統(tǒng)的比較反接電樞可逆系統(tǒng)改變的是電樞電流的方向，由于電樞回路電感較小，反向過程進行很快，因而適用于頻繁啟、制動且要求過渡過程盡量短的生產(chǎn)機械。但是這種方案需要兩套容量較大的晶閘管變流器，投資往往較大，特別是在大容量可逆系統(tǒng)中這種缺點尤為突出。反接磁場可逆系統(tǒng)所需的直流供電電源容量要小得多，只在電樞回路中用一套大容量的晶閘管變流器就夠了。這樣，對于大容量電動機，反接磁場的方案投資較小，在經(jīng)濟上是比較便宜的。但是，由于電動機勵磁繞組的電感較大，因而勵磁電流反向的過程要比反接電樞方案慢得多。為了盡可能較快地反向，常采用“強迫勵磁”的方法，當(dāng)然這樣設(shè)備容量要相應(yīng)增加。此外，反接磁場可逆系統(tǒng)在反向過程中，在電動機勵磁電流由額定值下降到零這段時間里，應(yīng)保證電樞電流為零，以免產(chǎn)生原來方向的轉(zhuǎn)矩，阻礙反向。如果電樞電流依然存在，電動機將會出現(xiàn)弱磁升速的現(xiàn)象，這在生產(chǎn)工藝上也是不允許的。這樣就增加了反向過程的死區(qū)，也增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，反接磁場可逆系統(tǒng)只適用于對快速性要求不高，正、反轉(zhuǎn)不太頻繁的大容量可逆?zhèn)鲃又?，如卷揚機、電力機車等。3.2兩組晶閘管可逆線路中的環(huán)流及其處理原則3.2.1晶閘管裝置的逆變狀態(tài)與直流電動機的回饋制動

1.晶閘管裝置的整流和逆變狀態(tài)在V-M可逆調(diào)速系統(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

當(dāng)控制角α<90°時，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，Ud0為正值，由電網(wǎng)向電動機提供能量;當(dāng)控制角α>90°時，晶閘管裝置處于逆變狀態(tài)，Ud0為負值，能量由電動機回饋流向電網(wǎng)。為了方便起見，定義逆變角β=180°－α，則逆變電壓公式可改寫為

Ud0=－Ud0maxcosβ

（3-2）（3-1）

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)在拖動起重機類型的負載時也可能出現(xiàn)整流和有源逆變狀態(tài)，如圖3-6所示。

1）整流狀態(tài)在圖3-6(a)中，當(dāng)α<90°時，平均整流電壓Ud0為正，且理想空載Ud0>E（E為電機反電動勢），所以輸出整流電流Id，使電機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Te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V傳送給電機，V處于整流狀態(tài)，V-M系統(tǒng)運行于第一象限(見圖3-6(c))。

2）逆變狀態(tài)在圖3-6(b)中，當(dāng)α>90°時，Ud0為負，晶閘管裝置本身不能輸出電流，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)，感生反向的電動勢－E，圖中標明了它的極性。當(dāng)|E|>|Ud0|時，可以產(chǎn)生與圖3-6(a)中同方向的電流，因而產(chǎn)生與提升重物同方向的轉(zhuǎn)矩，起制動作用，阻止重物使它不要下降得太快。這時電機處于帶位勢性負載反轉(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則工作于逆變狀態(tài)，V-M系統(tǒng)運行于第四象限(見圖3-6(c))。圖3-6單組V-M系統(tǒng)帶起重機類負載時的整流和逆變狀態(tài)

(a)整流狀態(tài)（提升）;(b)逆變狀態(tài)（下放）;(c)機械特性

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)原理與單組晶閘管線路相同，只是出現(xiàn)逆變狀態(tài)的具體條件不一樣?，F(xiàn)以正組晶閘管裝置整流和反組晶閘管裝置逆變?yōu)槔?，說明兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路的工作原理。圖3-7(a)表示正組晶閘管裝置VF給電動機供電，VF處于整流狀態(tài)，輸出理想空載整流電壓Ud0f的極性如圖所示，電機從電路輸入能量作電動運行，V-M系統(tǒng)工作在第一象限(見圖3-7(c))，和圖3-6(a)的整流狀態(tài)完全一樣。當(dāng)電動機需要回饋制動時，由于電機反電動勢的極性未變，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，可以利用控制電路切換到反組晶閘管裝置VR(見圖3-7(b))，并使它工作在逆變狀態(tài)，產(chǎn)生圖中所示極性的逆變電壓Ud0r，當(dāng)E>|Ud0r|時，反向電流－Id便通過VR流通，電機輸出電能實現(xiàn)回饋制動，V-M系統(tǒng)工作在第二象限(見圖3-7(c))，這與圖3-6(b)、(c)所示的逆變狀態(tài)就不一樣了。圖3-7兩組晶閘管反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)

(a)正組整流電動運行；(b)反組逆變回饋制動；(c)機械特性運行范圍在可逆調(diào)速系統(tǒng)中，正轉(zhuǎn)運行時可利用反組晶閘管實現(xiàn)回饋制動，反轉(zhuǎn)運行時同樣可以利用正組晶閘管實現(xiàn)回饋制動。將可逆線路正、反轉(zhuǎn)時晶閘管裝置和電機的工作狀態(tài)歸納于表3-1中。表3-1

V-M系統(tǒng)反并聯(lián)可逆線路的工作狀態(tài)即使是不可逆的調(diào)速系統(tǒng)，只要需要快速的回饋制動，常常也采用兩組反并聯(lián)的晶閘管裝置，由正組提供電動運行所需的整流供電，反組只提供逆變制動。這時，兩組晶閘管裝置的容量大小可以不同。反組只在短時間內(nèi)給電動機提供制動電流，并不提供穩(wěn)態(tài)運行的電流，實際采用的容量可以小一些。3.2.2可逆系統(tǒng)中的環(huán)流分析

1.環(huán)流及其種類采用兩組晶閘管反并聯(lián)或交叉連接是可逆V-M系統(tǒng)中比較典型的線路，它解決了電動機頻繁正、反轉(zhuǎn)運行和回饋制動中電能的回饋通道問題。但是，如果兩組裝置的整流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱為環(huán)流，如圖3-8中的Ic。一般來說，這樣的環(huán)流對負載無益，徒然加重晶閘管和變壓器的負擔(dān)，消耗功率，環(huán)流太大時還會導(dǎo)致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除。

但環(huán)流也并非一無是處，只要控制得好，保證晶閘管安全工作，可以利用環(huán)流作為保證電動機在空載或輕載時使晶閘管工作的最小電流連續(xù)，避免了電流斷續(xù)引起的非線性現(xiàn)象對系統(tǒng)靜、動態(tài)性能的影響。而且在可逆系統(tǒng)中存在少量環(huán)流，可以保證電流的無間斷反向，加快反向時的過渡過程。在實際系統(tǒng)中，要充分利用環(huán)流的有利方面，避免其不利方面。圖3-8反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流

1）靜態(tài)環(huán)流靜態(tài)環(huán)流為兩組可逆線路在一定控制角下穩(wěn)定工作時出現(xiàn)的環(huán)流，其又分為兩類。

(1)直流平均環(huán)流：由晶閘管裝置輸出的直流平均電壓差所產(chǎn)生的環(huán)流。

(2)瞬時脈動環(huán)流：兩組晶閘管輸出的直流平均電壓差雖為零，但因電壓波形不同，瞬時電壓差仍會產(chǎn)生脈動的環(huán)流，稱為瞬時脈動環(huán)流。

2）動態(tài)環(huán)流動態(tài)環(huán)流是僅在可逆V-M系統(tǒng)處于過渡過程中出現(xiàn)的環(huán)流。這里只對系統(tǒng)影響較大的靜態(tài)環(huán)流進行定性分析。下面以反并聯(lián)線路為例來分析靜態(tài)環(huán)流。

2.直流平均環(huán)流與配合控制由圖3-8可以看出，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相連，則必然產(chǎn)生較大的直流平均環(huán)流。為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應(yīng)該在正組處于整流狀態(tài)、Ud0f為正值時，強迫讓反組處于逆變狀態(tài)，Ud0r為負值且幅值與Ud0f相等，使逆變電壓Ud0r與整流電壓Ud0f相抵消，則直流平均環(huán)流為零。于是Ud0r=－Ud0f

由式（3-1），有Ud0f=Ud0maxcosαf

Ud0r=Ud0maxcosαr

其中αf和αr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，應(yīng)有cosαr=－cosαf

或

αr+αf=180°（3-3）如果反組的控制角用逆變角βr表示，則

αf=βr

（3-4）由此可見，按照式（3-4）來控制就可以消除直流平均環(huán)流，這稱為α=β配合控制。為了更可靠地消除直流平均環(huán)流，可采用

αf≥βr

（3-5）為了實現(xiàn)α=β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，使αf0=βr0=αr0=90°，此時Ud0f=Ud0r=0，電機處于停止?fàn)顟B(tài)。增大移相控制電壓Uc時，只要使兩組觸發(fā)裝置的控制電壓大小相等符號相反就可以了，這樣的觸發(fā)控制電路示于圖3-9。用同一個控制電壓Uc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=－Uc控制，是經(jīng)過反號器AR后獲得的。圖3-9

α=β配合控制電路采用同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路時，移相控制特性是線性的，兩組觸發(fā)裝置的控制特性都畫在圖3-10中。當(dāng)控制電壓Uc=0時，αf和αr都調(diào)整在90°。增大Uc時，αf減小而αr增大，或βr減小，使正組整流而反組逆變，在控制過程中始終保持αf=βr。反轉(zhuǎn)時，則應(yīng)保持αr=βf。為了防止晶閘管裝置在逆變狀態(tài)工作中逆變角β太小而導(dǎo)致?lián)Q流失敗，出現(xiàn)“逆變顛覆”現(xiàn)象，必須在控制電路中進行限幅，形成最小逆變角βmin保護。與此同時，對α角也實施αmin保護，以免出現(xiàn)α<β而產(chǎn)生直流平均環(huán)流。通常取αmin=βmin=30°，其值視晶閘管器件的阻斷時間而定。圖3-10

α=β配合控制特性

3.瞬時脈動環(huán)流及其抑制

1）瞬時脈動環(huán)流產(chǎn)生的原因既然采用α=β配合控制已經(jīng)消除了直流平均環(huán)流，為什么還存在“有環(huán)流”系統(tǒng)呢？這是因為αf=βr能使Ud0f=－Ud0r。這只是就電壓的平均值而言的，由于整流與逆變電壓波形上的差異，因而仍會出現(xiàn)瞬時電壓ud0f>－ud0r的情況，從而仍能產(chǎn)生瞬時的脈動環(huán)流。這個瞬時脈動環(huán)流是自然存在的，因此α=β配合控制有環(huán)流可逆系統(tǒng)又稱為自然環(huán)流系統(tǒng)。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，圖3-11中以αf=βr=60°（即αr=120°）為例繪出了三相零式反并聯(lián)可逆線路的情況，這里采用零式線路的目的只是為了繪制波形簡單。圖3-11

α=β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（αf=βr=60°）

(a)三相零式可逆線路和瞬時脈動環(huán)流回路；

(b)αf=60°時整流電壓ud0f波形；

(c)βr=60°(αr=120°)時逆變電壓ud0r波形;

(d)瞬時電壓差Δud0和瞬時脈動環(huán)流icp波形圖3-11(a)是三相零式可逆線路和a相整流與b相逆變時的瞬時脈動環(huán)流流通的回路。圖3-11(b)是正組瞬時整流電壓ud0f的波形，以正半波兩相電壓波形的交點為自然換向點，αf=60°。圖3-11(c)是反組瞬時逆變電壓ud0r的波形，以負半波兩相電壓波形的交點為自然換向點，βr=60°或αr=120°。圖中陰影部分是a相整流和b相逆變時的電壓，顯然其瞬時值并不相等，而其平均值卻相同。正組整流電壓和反組逆變電壓之間的瞬時電壓差Δud0=ud0f－ud0r，其波形繪于圖3-11(d)。由于這個瞬時電壓差的存在，便在兩組晶閘管之間產(chǎn)生了瞬時脈動環(huán)流icp，也繪在圖3-11(d)中。由于晶閘管的內(nèi)阻Rrec很小，環(huán)流回路的阻抗主要是電感，所以icp不能突變，并且落后于Δud0；又由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，icp只能在一個方向脈動，所以瞬時脈動環(huán)流也有直流分量Icp(見圖3-11(d))，但Icp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。

2)脈動環(huán)流的抑制直流平均環(huán)流可以用α≥β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，如圖3-11(a)中的Lc1和Lc2。環(huán)流電抗的大小可以按照把瞬時環(huán)流的直流分量Icp限制在負載額定電流的5%~10%來設(shè)計。環(huán)流電抗器的電感量及其接法因整流電路而異，可參考有關(guān)晶閘管電路的書籍或手冊。環(huán)流電抗器并不是在任何時刻都能起作用的，所以在三相零式可逆線路中，正、反兩個回路各設(shè)一個環(huán)流電抗器，它們在環(huán)流回路中是串聯(lián)的，但是其中總有一個電抗器因流過直流負載電流而飽和。如圖3-11(a)所示正組整流時，Lc1因流過負載電流Id而使鐵芯飽和，失去了限制環(huán)流的作用，只能依靠在逆變回路中沒有負載電流流過的Lc2限制瞬時脈動環(huán)流。在三相零式反并聯(lián)可逆線路運行時總有一組晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，因此必須設(shè)置兩個環(huán)流電抗器。3.3有環(huán)流控制的可逆V-M系統(tǒng)3.3.1

α=β配合控制的有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)在α=β配合控制下，電樞可逆系統(tǒng)中雖然可以消除直流平均環(huán)流，但是有瞬時脈動環(huán)流存在，所以這樣的系統(tǒng)稱為有（脈動）環(huán)流可逆系統(tǒng)。如果這種系統(tǒng)不施加其他控制，則這個瞬時脈動環(huán)流是自然存在的，因此又稱為自然環(huán)流系統(tǒng)。圖3-12

α=β配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)原理框圖

1.系統(tǒng)的組成

α=β配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)原理框圖如圖3-12所示，主電路采用兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯(lián)的線路，有兩條并聯(lián)的環(huán)流通路，要用四個環(huán)流電抗器Lc1、Lc2、Lc3和Lc4。由于環(huán)流電抗器流過較大的負載電流會飽和，因而在電樞回路中還要另外設(shè)置一個體積較大的平波電抗器Ld。控制線路采用典型的電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器都設(shè)置了雙向輸出限幅，以限制最大動態(tài)電流和最小控制角αmin與最小逆變角βmin。為了在任何控制角時都保持αf－αr=180°的配合關(guān)系，應(yīng)始終保持＝－Uct，在GTR之前加放大倍數(shù)為1的反號器AR，可以滿足這一要求。根據(jù)可逆系統(tǒng)正反運行的需要，給定電壓應(yīng)有正負極性(可由繼電器KF和KR來切換)，調(diào)節(jié)器輸出電壓對此能做出相應(yīng)的極性變化。為了保證轉(zhuǎn)速和電流的負反饋，必須使反饋信號也能反映出相應(yīng)的極性。測速發(fā)電機產(chǎn)生的反饋電壓極性隨電動機轉(zhuǎn)向改變而改變(值得注意的是電流反饋，簡單地采用一套交流互感器或直流互感器都不能反映極性，反映電流反饋極性的方案有多種)。圖3-12中繪出的是采用霍爾電流變換器直接檢測直流電流的方法。

2.系統(tǒng)的工作原理正向運行時，正向繼電器KF接通，轉(zhuǎn)速給定值為正值，經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器輸出移相控制信號Uct為正，正組觸發(fā)器GTF輸出的觸發(fā)脈沖控制角αf<90°，正組變流裝置VF處于整流狀態(tài)，電動機正向運行。+Uct經(jīng)反號器AR使反組觸發(fā)器GTR的移相控制信號為負，反組輸出的觸發(fā)脈沖控制角αr>90°或βr<90°，且αf=βr，反組變流裝置VR處于待逆變狀態(tài)。所謂待逆變，就是逆變組除環(huán)流外并不流過負載電流，也沒有電能回饋電網(wǎng)，這種工作狀態(tài)稱為待逆變。同理，反向繼電器KR接通，轉(zhuǎn)速給定值為負值，反組變流裝置VR處于整流狀態(tài)，正組變流裝置VF處于待逆變狀態(tài)，電動機反向運行。

α=β工作制配合控制系統(tǒng)的觸發(fā)移相特性如圖3-10所示。在進行觸發(fā)移相時，當(dāng)一組晶閘管裝置處于整流狀態(tài)時，另一組便處于逆變狀態(tài)(控制角的工作狀態(tài))。這時逆變組除環(huán)流外并不流過負載電流，故沒有電能回饋電網(wǎng)，處于“待逆變狀態(tài)”。當(dāng)需要逆變組工作時，只要改變控制角，降低|Ud0f|和|Ud0r|，一旦電動機的反電動勢E>|Ud0r|=|Ud0f|時，整流組電流將截止，逆變組就能立即投入真正的逆變狀態(tài)，電動機進入回饋制動狀態(tài)，將能量回饋電網(wǎng)。實際上當(dāng)逆變組回饋電能時，另一組也處于待整流狀態(tài)，但不進行電能整流。所以在α=β配合控制下，負載電流按正反兩個方向平滑過渡，任何時候，它們總是一組晶閘管裝置在工作，另一組處于等待狀態(tài)。盡管α=β配合控制有很多優(yōu)點，但在實際系統(tǒng)中，由于參數(shù)的變化、元件的老化或其他干擾作用，控制角可能偏離α=β的關(guān)系。一旦變成α<β，則整流電壓將大于逆變電壓(即使電壓差很小)，由于均衡電抗器對直流不起作用，故仍將產(chǎn)生較大的直流平均環(huán)流，如果沒有有效的控制措施，這種情況是很危險的。為了避免這種危險，在調(diào)整零位時應(yīng)留出一定的裕度，使α略大于β，例如α=β+φ,零位應(yīng)調(diào)整為

則這樣，任何時候整流電壓均小于逆變電壓，可以保證不產(chǎn)生直流平均環(huán)流，瞬時電壓差產(chǎn)生的瞬時脈動環(huán)流也會降低。φ不應(yīng)過大，否則會產(chǎn)生兩個問題:一是顯著地縮小了移相范圍(因為βmin是調(diào)整好的，而現(xiàn)在αmin必須大于βmin，造成αmin比原來更大了)，使晶閘管容量得不到充分的利用；二是造成明顯的控制死區(qū)，例如在啟動時α從零位移到α=90°,這一段時間內(nèi)，整流電壓一直為零。3.3.2制動過程分析可逆系統(tǒng)的啟動過程與不可逆系統(tǒng)相同，但制動過程有其特點。反轉(zhuǎn)過程是正向制動過程與反向啟動過程的銜接，整個正向制動過程可按電流方向的不同分成兩個主要階段。在第一階段中，電流Id由正向負載電流(+IdL)下降到零，其方向未變，只能通過正組晶閘管裝置VF流通，這時正組處于逆變狀態(tài)，所以稱為“本組逆變階段”。在第二階段，電流的方向變負，由零變到負向最大電流(－Idm)，這時電流流過反組晶閘管裝置VR，所以稱為“它組制動階段”。在本組逆變階段中電流降落，而在它組制動階段中轉(zhuǎn)速降落。下面對每個階段作進一步的分析。

1.本組逆變階段系統(tǒng)正向運行時各主要部位的電位極性如圖3-13(a)所示。其中轉(zhuǎn)速給定電壓為正，轉(zhuǎn)速反饋電壓Un為負，ASR的輸入偏差電壓ΔUn=－Un為正。由于ASR的倒相作用，其輸出為負，電流反饋Ui為正，ACR輸入偏差電壓ΔUi=－Ui為負。經(jīng)ACR倒相輸出的控制電壓Uct為正，為負。根據(jù)圖3-10的觸發(fā)移相特性可知，此時αf<90°，即正組整流；而αr>90°時為反組待逆變狀態(tài)。主電路在忽略環(huán)流電抗器對負載電流變化的影響下，圖3-13中用箭頭表示能量的流向，其中雙線箭頭表示電能主要由正組晶閘管VF輸送給電動機。圖3-13

α=β配合控制有環(huán)流可逆系統(tǒng)正向制動各階段中各處電位的極性和能量流向(a)正向運行，正組整流；(b)本組逆變階段Ⅰ：正組逆變，反組待整流；(c)它組建流子階段Ⅱ1：反組整流，正組待逆變，電動機反接制動;(d)它組逆變子階段Ⅱ2：反組逆變，正組待逆變，電動機回饋制動；(e)反向減流子階段Ⅱ3：反組逆變（或有一段整流），電動機停車發(fā)出停車(或反向)指令后，轉(zhuǎn)速給定電壓突變?yōu)榱?或負)。由于轉(zhuǎn)速反饋電壓Un極性仍為負，所以ΔUn為負，則ASR飽和，輸出躍變到正限幅值。這時電樞電流方向還沒有來得及改變，電流反饋電壓Ui的極性仍為正，ACR在+Ui合成信號的輸入下，輸出電壓Uct躍變成負的限幅值(－Uctm)，使正組VF由整流狀態(tài)很快變成的βf=βmin逆變狀態(tài)，同時反組VR由待逆變狀態(tài)變成待整流狀態(tài)。圖3-13(b)中表示了這時調(diào)速系統(tǒng)各處電位的極性和主電路中能量的流向。在負載電流回路中，由于正組晶閘管由整流變成逆變，Ud0f的極性反過來了，而電動機反電動勢E的極性未變，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，在主電路總電感L兩端感應(yīng)出很大的電壓，其極性如圖3-13(b)所示。這時

（3-6）由于電感L釋放的磁場能量維持正向電流，大部分能量通過VF回饋電網(wǎng)，因而反組VR并不能真正輸出整流電流。在這一階段中投入逆變工作的仍是原來處于整流狀態(tài)工作的VF裝置，故稱其為本組逆變階段。由于電流的迅速下降，因而這個階段所占的時間很短，轉(zhuǎn)速來不及產(chǎn)生明顯的變化，本組逆變階段標為Ⅰ，其波形如圖3-14所示。圖3-14

α=β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

2.它組制動階段當(dāng)主回路電流Id下降過零時，本組逆變終止，轉(zhuǎn)到反組VR工作，Id反向。從這時起，直到制動結(jié)束，稱為“它組制動階段”。它組制動過程中能量流向的變化可分成三個子階段，如圖3-14所示，波形分別標以Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3。

1）它組建流子階段Ⅱ1

在這個階段中，從Id過零并反向直至到達－Idm以前，電流反饋電壓Ui為負，但其輸出值小于（ΔUi=－Ui>0），因此ACR并未脫離飽和狀態(tài)，其輸出電壓Uct仍為－Uctm，這時，Ud0f和Ud0r的大小都和本組逆變階段一樣。但由于的數(shù)值略有減小，使（3-7）因而反組VR由待整流狀態(tài)進入整流狀態(tài)，向主電路提供－Id。由于反組整流電壓Ud0r和反電動勢E的極性相同，因而反向電流－Id很快增長，電機處于反接制動狀態(tài)，轉(zhuǎn)速明顯降低，而正組VF則處于待逆變狀態(tài)。在這個子階段中，VR將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔埽瑫r電動機也將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，除去電阻上消耗的電能以外，大部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍艽鎯υ陔姼蠰中。這一階段各處電位極性和能量流向見圖3-13(c),過渡過程波形見圖3-14的Ⅱ1階段。

2）它組逆變子階段Ⅱ2

當(dāng)反向電流達到－Idm并略有超調(diào)時，ACR輸出電壓Uct退出飽和，其數(shù)值很快減小，又由負變正，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（3-8）使電機在恒減速條件下回饋制動，把動能轉(zhuǎn)換成電能，其中大部分電能通過VR逆變回饋電網(wǎng)。由于電流恒定，因而電感中的磁能基本不變。這一階段各處電位極性和能量流向如圖3-13(d)所示，過渡過程波形見圖3-14中的Ⅱ2階段。由圖可知，這個階段所占的時間最長，是制動過程中的主要階段。

3）反向減流子階段Ⅱ3

在它組逆變階段中，電壓Uct、Ud0r、反電動勢E和轉(zhuǎn)速n這幾個量是同步線性衰減的(如圖3-14所示)，由于要克服Rrec和Ra上的壓降，因而總是E>Ud0r，才能維持－Idm基本恒定。當(dāng)Ud0r=0時，E仍繼續(xù)下降，這時就無法維持－Idm不變了，于是電流立即衰減，開始了反向減流子階段。在電流衰減過程中，電感L上的感應(yīng)電壓支持著反向電流，并釋放出存儲的磁能，與電動機斷續(xù)釋放出的動能一起通過VR逆變回饋電網(wǎng)，如圖3-13(e)所示，箭頭代表能量流向。如果電動機很快停止，則整個制動過程到此結(jié)束。如果由于各種可能的因素，電動機并未立即停止，則可能在最后一小段時間里出現(xiàn)一些變化。其一是Uct=0后可能反向，則Ud0r也反向，反組又變成整流；其二是n=0后可能反向，Un也反向，才使ASR退出飽和。圖3-13(e)所示的虛線箭頭表示這些變化所伴隨的能量流向，在圖3-14所示的波形圖中也用虛線表示了這些變化。從上述分析和波形圖中可以看出，正向制動過程主要是通過反組逆變回饋制動，這時電動機的轉(zhuǎn)速在最大減速下衰減到零，只在制動的開始和末尾經(jīng)歷一些不同的狀態(tài)。如果制動后緊接著反向啟動，則只要將Id=－Idm的時間再延長下去，直到反向轉(zhuǎn)速穩(wěn)定為止。制動和啟動過程完全銜接起來，沒有任何間斷或死區(qū)，這是有環(huán)流可逆系統(tǒng)的突出優(yōu)點，特別適用于要求快速正、反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。其缺點是需要添置環(huán)流電抗器，而且晶閘管等元件都要負擔(dān)負載電流和環(huán)流，因此有環(huán)流可逆系統(tǒng)只適用于中小容量的系統(tǒng)。3.3.3給定環(huán)流和可控環(huán)流的V-M可逆調(diào)速系統(tǒng)前已述及，直流環(huán)流除了其不利的一面外還有其有利的一面，為了充分利用有環(huán)流可逆系統(tǒng)制動和反向過程的平滑性和連續(xù)性，最好能有使電流波形連續(xù)的環(huán)流，于是提出了給定環(huán)流的V-M可逆調(diào)速系統(tǒng)和可控環(huán)流的V-M可逆調(diào)速系統(tǒng)。

1.給定環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)圖3-15所示為給定環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，主電路常采用兩組三相橋式晶閘管整流電路交叉連接的可逆線路，這樣只要設(shè)置兩個均衡電抗器（兩組三相橋式晶閘管整流電路反并聯(lián)連接需要四個均衡電抗器）?？刂凭€路仍為典型的電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)，但是為了能對環(huán)流加以控制，設(shè)置了兩個電流調(diào)節(jié)器ACR1和ACR2，用兩個電流互感器TAF和TAR從交流側(cè)分別檢測兩組晶閘管裝置中通過的電流，構(gòu)成正、反向各自獨立的電流閉環(huán)。為了使兩個電流調(diào)節(jié)器得到極性相反的給定信號，經(jīng)過放大倍數(shù)為1的反號器AR輸出作為ACR2的電流給定。更能表明這種系統(tǒng)特征的是在每個電流調(diào)節(jié)器的輸入端都加上固定的環(huán)流給定信號<0，在控制回路中加入二極管VD1和VD2對和進行選擇。圖3-15給定環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理圖當(dāng)轉(zhuǎn)速給定電壓=0時，由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR得到的電流給定信號也為零，即=

=0。兩個電流調(diào)節(jié)器ACR1和ACR2的輸入只有環(huán)流給定電壓－，依靠電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用，使兩組晶閘管同時處于微微導(dǎo)通的整流狀態(tài)，輸出相等的電流If=Ir=（給定環(huán)流），在原有的瞬時脈動環(huán)流之外，又加上恒定的直流平均環(huán)流，其大小通常為額定電流的5%~10%，而電動機的電樞電流Id=If－Ir=0。正向運行時，>0，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電流給定電壓<0，二極管VD1導(dǎo)通，負的加在正組電流調(diào)節(jié)器ACR1上，使正組觸發(fā)器GTF輸出脈沖向前移，正組控制角αf更小，輸出電壓Ud0f升高，正組VF中流過的電流If也增大；與此同時，反組的電流給定電壓>0，二極管VD2截止，反組電流調(diào)節(jié)器ACR2的給定信號仍為－。由于Ud0f升高，If也增大，使電動機正向啟動并穩(wěn)定在與給定電壓相應(yīng)的轉(zhuǎn)速上。同時，流過反組的電流也增加，電流反饋信號使反組觸發(fā)脈沖被移到逆變區(qū)。穩(wěn)態(tài)情況下，Ud0f=Ud0r，正組電流If=Id+，反組電流Ir=，其反饋信號Ui恰好等于環(huán)流給定電壓|－

|。因此，正組電流環(huán)處于負載電流調(diào)節(jié)狀態(tài)，反組電流環(huán)處于環(huán)流調(diào)節(jié)狀態(tài)。反向運行時，反組VR供給負載電流Id，而正組VF只流過環(huán)流，反組整流而正組待逆變，兩個電流調(diào)節(jié)器的工作也恰好與正向運行的情況相反。從上面的分析可知，無論是正向運行，還是反向運行，環(huán)流給定電壓極性始終為負，電流反饋信號Ui始終為正，電流檢測可以選用不反映電流極性的交流電流互感器或直流電流互感器，這是兩個電流調(diào)節(jié)器帶來的好處。

2.可控環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)上述給定環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，環(huán)流給定值是固定的，無論正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)或者停止，始終存在著直流平均環(huán)流。實際上我們只希望在空載或輕載運行以及正反向切換過程中產(chǎn)生一定的直流平均環(huán)流，以避免電流的斷續(xù)。當(dāng)負載較重，電流較大且本來已經(jīng)連續(xù)時，再加上固定的直流平均環(huán)流就是有害而無益了。希望當(dāng)電動機的負載電流較小時，有一定的直流平均環(huán)流，而隨著負載電流逐漸加大，直流平均環(huán)流隨之減小，當(dāng)負載電流大到一定程度時，就使直流平均環(huán)流自動消失。圖3-16所示就是使環(huán)流能按照預(yù)期規(guī)律自動調(diào)節(jié)的可控環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。圖3-16可控環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖3-16所示的可控環(huán)流系統(tǒng)的控制線路大部分與圖3-15所示的給定環(huán)流系統(tǒng)相同，只是在二極管VD1和VD2上各并聯(lián)了一個電阻R和電容C構(gòu)成環(huán)流遏制回路。為了說明其作用和對環(huán)流進行定量分析，圖3-17給出了可控環(huán)流系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器信號綜合情況。圖3-17可控環(huán)流系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器與二極管VD并聯(lián)的電阻R的作用是：對于工作在整流狀態(tài)承擔(dān)電樞電流調(diào)節(jié)的那組晶閘管來說，電流調(diào)節(jié)器給定電壓為負，二極管VD導(dǎo)通，并聯(lián)電阻R對它的工作情況不會產(chǎn)生任何影響。但是對于處于待逆變狀態(tài)承擔(dān)環(huán)流調(diào)節(jié)任務(wù)的那組晶閘管來說，其電流調(diào)節(jié)器給定電壓為正，二極管VD是截止的，但是正的電壓通過與VD并聯(lián)的電阻R加到電流調(diào)節(jié)器的輸入端，對環(huán)流給定信號<0產(chǎn)生抵消作用，抵消的程度取決于電流給定信號的大小。穩(wěn)態(tài)時，電流給定信號基本上和負載電流成正比，因此，當(dāng)負載電流小時，正的不足以抵消負的，所以逆變組有很小的直流平均環(huán)流流過，電樞電流Id等于兩組晶閘管中流過的電流之差；隨著負載電流的增大，正的繼續(xù)增大，抵消負的的程度增大，當(dāng)負載電流大到一定程度時，=|

|，環(huán)流就完全被遏制住了。這時整流組流過負載電流，逆變組則無電流流過。并聯(lián)電容C可對遏制環(huán)流的動態(tài)過程起加快作用?？煽丨h(huán)流的大小可以按實際需要來確定，其定量計算方法如下。在圖3-17中，假定輸入回路的電阻都是R0，通過虛地點A輸入的電流應(yīng)該基本上是零，當(dāng)電動機處于正向穩(wěn)態(tài)運行時，對ACR1和ACR2可以分別列出下列方程式：對于正組電流調(diào)節(jié)器ACR1，<0，VD1導(dǎo)通，因此

所以

（3-9）（3-10）對于反組電流調(diào)節(jié)器ACR2，>0，VD2截止，則

所以

（3-11）（3-12）設(shè)兩組電流反饋系數(shù)相同，都是β，則Uif=βIfUir=βIr分別代入式（3-10）和式（3-12），得

（3-13）（3-14）電機停止時，=0，則

這就是環(huán)流給定值。（3-15）當(dāng)電動機正向運行，負載電流增大到一定程度時，環(huán)流完全被遏制住，Ir=0，由式（3-14）可知，這時的電流給定信號為

代入式（3-13），則得（3-16）（3-17）式（3-17）表明，當(dāng)整流電流增大到空載給定環(huán)流的倍時，直流平均環(huán)流就為零了。例如，給定環(huán)流為10%Inom，并要求整流電流增大到25%Inom時將環(huán)流遏制到零，則環(huán)流給定電壓應(yīng)整定為而電阻R應(yīng)按下式選擇

則R=0.5R0

3.交叉反饋可控環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)上述可控環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)存在如下缺點：（1）兩個電流調(diào)節(jié)器ACR1和ACR2交替進行負載電流控制和環(huán)流控制，每個電流調(diào)節(jié)器都要承擔(dān)對負載電流和環(huán)流的調(diào)節(jié)任務(wù)，但是負載電流回路和環(huán)流回路的參數(shù)是完全不同的，要使兩個電流調(diào)節(jié)器同時滿足負載電流回路和環(huán)流回路的要求，使負載電流和環(huán)流的調(diào)節(jié)過程同時具有良好的動態(tài)品質(zhì)，這是不可能的，除非賦予電流調(diào)節(jié)器自適應(yīng)能力。（2）環(huán)流給定值隨電流給定值而不是隨負載電流實際值Id的增長而減小，但Id的變化一般均滯后于的變化。這樣，在動態(tài)過程中就可能造成配合失誤，使環(huán)流變化規(guī)律發(fā)生混亂，影響系統(tǒng)過渡過程的平滑性。（3）由式（3-13）和式（3-14）可知，當(dāng)存在環(huán)流時，電流給定信號與負載實際電流之間的靜態(tài)關(guān)系為

但當(dāng)環(huán)流被完全遏制之后，二者的關(guān)系變?yōu)椋?-18）（3-19）由此可知，在有環(huán)流和無環(huán)流兩種工作狀態(tài)下，電流給定值與負載實際電流Id之間的靜態(tài)關(guān)系是不同的，這表明兩種工作狀態(tài)下負載電流調(diào)節(jié)環(huán)的靜態(tài)放大系數(shù)不同，相當(dāng)于在控制系統(tǒng)中引入了一個明顯的非線性因素，對調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能將產(chǎn)生直接影響。鑒于以上情況，可以采用圖3-18所示的交叉反饋可控環(huán)流系統(tǒng)。圖3-18交叉反饋可控環(huán)流系統(tǒng)原理圖在該系統(tǒng)中，ASR是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ACR是負載電流調(diào)節(jié)器，它的反饋信號取自兩組晶閘管整流裝置流過的電流之差，因此反映負載電流的大小和極性。此外，還有兩個環(huán)流調(diào)節(jié)器ALR1和ALR2，它們的輸入信號有ACR的輸出、環(huán)流給定信號+、－和交叉電流反饋信號Uif和－Uir。ALR1和ALR2為比例調(diào)節(jié)器，ALR1的比例系數(shù)為+1，ALR2的比例系數(shù)為－1。當(dāng)>0時，經(jīng)ALR1輸出+Uctf控制正組晶閘管的觸發(fā)器，而經(jīng)ALR2反號的作用，正好將與正組相反的控制信號－Uctr送給反組晶閘管的觸發(fā)器。兩組觸發(fā)脈沖可以定相在αf0=αr0=90°,當(dāng)負載電流為零時，可以調(diào)節(jié)+和－，使系統(tǒng)產(chǎn)生一個連續(xù)的環(huán)流；當(dāng)負載電流增大時，借助于電流的交叉反饋，可以使工作在逆變狀態(tài)的那組晶間管的觸發(fā)脈沖隨負載電流成比例后移，減小環(huán)流甚至到零。這種可控環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)，其負載電流和環(huán)流分別用不同的調(diào)節(jié)器進行控制，各調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以根據(jù)各自的被控對象的參數(shù)進行選擇，可以保證兩者的調(diào)節(jié)過程都具有比較理想的動態(tài)品質(zhì)。3.4無環(huán)流控制的可逆V-M系統(tǒng)有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)具有反向快、過渡平滑等優(yōu)點，但是要設(shè)置笨重而昂貴的限制環(huán)流的均衡電抗器。因此，當(dāng)工藝過程對系統(tǒng)過渡特性的平滑性要求不高時，特別是對于大容量系統(tǒng)，從生產(chǎn)可靠性要求出發(fā)，常采用既沒有直流平均環(huán)流又沒有瞬時脈動環(huán)流的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛，種類繁多，按實現(xiàn)無環(huán)流原理的不同，可以分為兩大類：錯位控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)和邏輯控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。環(huán)流產(chǎn)生的根本原因是兩組晶閘管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此，要消除環(huán)流就要消除形成環(huán)流的通路。由于晶閘管導(dǎo)通的條件有兩個，即元件兩端加有正向陽極電壓的同時在門極加有正向觸發(fā)脈沖，兩者缺一不可。錯位控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)有正向觸發(fā)脈沖時逆變組晶閘管總處在反向陽極電壓下，邏輯控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)則用邏輯電路封鎖逆變組晶閘管的觸發(fā)脈沖，這兩種不同的指導(dǎo)思想引出了兩類不同的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。3.4.1錯位控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)上面我們曾經(jīng)提到，改變可逆線路的零位整定，即把兩組晶閘管裝置的工作相位關(guān)系進行錯動，可促使環(huán)流發(fā)生變化，這就是錯位控制法。前面介紹過的可控環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)，實際上就采用了錯位的方法對環(huán)流進行控制，當(dāng)負載電流大到一定程度之后，系統(tǒng)即工作在錯位無環(huán)流狀態(tài)，利用環(huán)流控制環(huán)自動改變錯位量來控制環(huán)流，使環(huán)流按照需要的規(guī)律變化。而現(xiàn)在要討論的錯位控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)（以下簡稱“錯位無環(huán)流系統(tǒng)”）則始終使兩組晶閘管裝置工作在錯位狀態(tài)，采用固定錯位來消除靜態(tài)環(huán)流。

1.靜態(tài)環(huán)流的錯位消除原理在錯位無環(huán)流系統(tǒng)中，是利用觸發(fā)脈沖初始相位的錯位整定來消除靜態(tài)環(huán)流的。為了說明靜態(tài)環(huán)流的錯位消除原理，我們以圖3-19所示的三相全控橋式反并聯(lián)可逆電路為例來分析觸發(fā)脈沖的初始相位與環(huán)流之間的關(guān)系，所得結(jié)論對于其他形式的主回路接線方式基本上也是適用的。在三相全控橋式反并聯(lián)可逆電路中，環(huán)流有兩條通路：一條環(huán)流通路由VF組中的共陰極晶閘管1、3、5和VR組中的共陽極晶閘管4′、6′、2′構(gòu)成；另一條環(huán)流通路則由VF組中的共陽極晶閘管4、6、2和VR組中的共陰極晶閘管1′、3′、5′構(gòu)成。兩條通路是完全對稱的，所以只研究其中一條就可以了，我們現(xiàn)在只討論前一條環(huán)流通路。圖3-19三相全控橋式反并聯(lián)可逆電路在自然環(huán)流系統(tǒng)中，采用α=β配合控制，把觸發(fā)脈沖的初始相位（零位）整定在αf0=αr0=90°的位置。這時，在不同觸發(fā)脈沖相位下的環(huán)流電壓（瞬時電壓差）ΔUd0與瞬時脈動環(huán)流icp的波形如圖3-20（a）所示。在任何控制角下都存在瞬時脈動環(huán)流。若將觸發(fā)脈沖的相位從α=β錯開，使α>β，則環(huán)流就會受到不同程度的抑制。例如，把零位向后移，將初始相位整定在αf0=αr0=120°，則一組的控制角α比另一組的逆變角β永遠大60°。這時，在不同觸發(fā)脈沖相位下的瞬時電壓差Δud0

和瞬時脈動環(huán)流icp的波形如圖3-20（b）所示。由圖可以看出，系統(tǒng)在零位時沒有環(huán)流，但當(dāng)α為其他某些數(shù)值時仍會出現(xiàn)瞬時脈動環(huán)流。圖3-20觸發(fā)脈沖初始相位整定與環(huán)流之間的關(guān)系(a)αf0=αr0=90°;(b)αf0=αr0=120°;(c)αf0=αr0=150°

需要說明，在晶閘管整流電路中，觸發(fā)脈沖的極限有效移相范圍是α=0°~180°。因此，在錯位無環(huán)流系統(tǒng)中，當(dāng)α>180°時，脈沖自然消失，因此，在圖3-20中，當(dāng)某一組的α>180°時，只有另一組晶閘管有觸發(fā)脈沖，此時肯定沒有環(huán)流。如果再將初始相位后移，移到αf0=αr0=150°，則瞬時電壓差Δud0的波形如圖3-20（c）所示，無論α在什么位置，都不會出現(xiàn)正向瞬時電壓差，也就不可能產(chǎn)生瞬時脈動環(huán)流。深入研究圖3-20中的波形可以發(fā)現(xiàn)有無靜態(tài)環(huán)流的一些規(guī)律。以第一條環(huán)流通路中由電源a相到b相的回路為例，由于晶閘管元件的單向?qū)щ娦?，只有?dāng)晶閘管1和6′均處于觸發(fā)導(dǎo)通狀態(tài)，而且存在正向瞬時電壓差，即ua>ub的瞬間時，才有可能產(chǎn)生a、b相間的瞬時脈動環(huán)流。由圖3-20可以看出，在0°~120°區(qū)間，都是ua>ub，因此，只要晶閘管1和6′的脈沖同時出現(xiàn)在120°線的左側(cè)，即αfa<120°，αrb<180°，就一定會產(chǎn)生a、b相間的環(huán)流。同理，在0°~180°區(qū)間，都是ua

>uc，只要αfa<180°，αrc<120°，必定有a、c相間的環(huán)流。對于其他任意兩相間，都可以得出類似的結(jié)論，b、c間和c、a間的情況與a、b間一樣，b、a間和c、b間的情況與a、c間一樣。歸納起來，實行配合控制時，移相過程只要符合下列任何一種條件：

就一定會產(chǎn)生靜態(tài)環(huán)流。如果是在這兩種條件之外，就可以沒有靜態(tài)環(huán)流了?；蚋鶕?jù)上述關(guān)系，可以作出如圖3-21所示的有無靜態(tài)環(huán)流的分界線。圖中的陰影區(qū)為有環(huán)流區(qū)，陰影區(qū)以外是無環(huán)流區(qū)。對于α=β配合控制可逆系統(tǒng)，觸發(fā)脈沖的初始相位整定在αf0=αr0=90°，即圖3-21中的O1點，調(diào)速時αf和αr的關(guān)系按線性變化，則控制角的配合特性為αf+αr=180°，即圖中的直線AO1B，這時，系統(tǒng)在整個工作范圍內(nèi)都是有環(huán)流的。如果既要消除靜態(tài)環(huán)流，又想保持配合控制的關(guān)系，即αf+αr為常量，則應(yīng)將配合特性平行上移至無環(huán)流區(qū)。由圖3-21可見，無環(huán)流的臨界狀況是直線CO2D，此時零位整定在O2點，即αf0=αr0=150°，配合特性為αf+αr=300°，這時，系統(tǒng)在整個工作范圍內(nèi)都是無環(huán)流的。但是，這種臨界狀態(tài)是不可靠的，一旦參數(shù)變化，使控制角減小，破壞了這種配合關(guān)系，就可能在某些范圍內(nèi)又出現(xiàn)環(huán)流。因此，為了確保不產(chǎn)生環(huán)流，實際系統(tǒng)常將零位整定在圖3-21中O3的位置，即αf0=αr0=180°，其配合特性如直線EO3F所示，方程式為αf+αr=360°。這種整定方法既安全可靠，又調(diào)整方便。圖3-21正、反組控制角的配合特性及無環(huán)流區(qū)當(dāng)錯位控制系統(tǒng)的零位整定在180°時，若采用鋸齒波觸發(fā)器，則移相特性如圖3-22所示。這時，如果一組脈沖的相位小于180°，另一組脈沖的相位必定大于180°。大于180°的觸發(fā)脈沖對系統(tǒng)沒有任何作用，因此常常只讓它停留在180°處，或使大于180°的脈沖自動消失。圖3-22中控制角超過180°的移相特性用虛線表示。圖3-22

αf0=αr0=180°時錯位無環(huán)流系統(tǒng)的移相特性

2.帶電壓內(nèi)環(huán)的錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)錯位控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖3-23所示。從整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式上看，除增設(shè)了電壓內(nèi)環(huán)和沒有了限制環(huán)流的均衡電抗器之外，與圖3-12所示的α=β配合控制的有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)沒有任何區(qū)別。它們之間的原則性區(qū)別在于觸發(fā)脈沖初始相位的整定值不同，但這一點在系統(tǒng)原理框圖上是看不出來的。圖3-23錯位控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖在錯位無環(huán)流系統(tǒng)中，采用電壓內(nèi)環(huán)（或電流變化率內(nèi)環(huán)）是很普遍的，也是必不可少的，它擔(dān)負著非常重要的任務(wù)。（1）電壓內(nèi)環(huán)（或電流變化率內(nèi)環(huán)）的第一個重要作用是縮小反向時的電壓死區(qū)，加快系統(tǒng)的切換過程。（2）電壓內(nèi)環(huán)的第二個重要作用是防止動態(tài)環(huán)流，保證電流安全換向。（3）電壓內(nèi)環(huán)（或電流變化率內(nèi)環(huán)）在一定程度上可以抑制電流斷續(xù)等非線性因素的影響，提高系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。在錯位無環(huán)流系統(tǒng)中，兩組晶閘管觸發(fā)脈沖的初始相位都整定在180°，兩組的移相控制特性相對于縱軸完全對稱（見圖3-22），也就是說，兩組晶閘管的工作范圍是按照Uct的極性來劃分的。

Uct為正時正組工作，Uct為負時反組工作。利用這一特點，可以省掉一套觸發(fā)裝置，即只用一套觸發(fā)裝置按照電壓調(diào)節(jié)器AVR輸出電壓Uct的極性有選擇地去觸發(fā)正組或反組晶閘管，從而構(gòu)成錯位選觸無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)，這只要通過極性鑒別器和電子開關(guān)來選擇就可以了，這種系統(tǒng)又稱為脈沖切換式錯位無環(huán)流系統(tǒng)。3.4.2邏輯控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)有環(huán)流可逆系統(tǒng)雖然具有反向快、過渡平滑等優(yōu)點，但設(shè)置幾個環(huán)流電抗器終究比較麻煩。因此，當(dāng)工藝過程對系統(tǒng)正反轉(zhuǎn)的平滑過渡特性要求不很高時，特別是對于大容量的系統(tǒng)，常采用既沒有直流平均環(huán)流又沒有瞬時脈動環(huán)流的無環(huán)流控制可逆系統(tǒng)。當(dāng)一組晶閘管工作時，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工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路，這就是邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)。DLC—無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)圖3-24邏輯控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

1.邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)（以下簡稱“邏輯無環(huán)流系統(tǒng)”）的原理框圖示于圖3-24。主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)電路，由于沒有環(huán)流，因而不用設(shè)置環(huán)流電抗器，但為了保證穩(wěn)定運行時電流波形連續(xù)，仍應(yīng)保留平波電抗器Ld?？刂葡到y(tǒng)采用典型的電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)，為了便于采用不反映極性的電流檢測方法，如圖3-24中所畫的交流互感器和整流器，可以為正反向電流環(huán)分別設(shè)置一個電流調(diào)節(jié)器，ACR1用來控制正組觸發(fā)裝置GTF，ACR2控制反組觸發(fā)裝置GTR，ACR1的給定信號經(jīng)反號器AR作為ACR2的給定信號。為了保證不出現(xiàn)環(huán)流，設(shè)置了無環(huán)流邏輯控制環(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)進行正、反組的自動切換，其輸出信號Ublf用來控制正組觸發(fā)脈沖的封鎖或開放，Ublr用來控制反組觸發(fā)脈沖的封鎖或開放。在任何情況下，兩個信號必須是相反的，決不允許兩組晶閘管同時開放脈沖，以確保主電路沒有出現(xiàn)環(huán)流的可能。但是，和自然環(huán)流系統(tǒng)一樣，觸發(fā)脈沖的零位仍整定在αf0=αr0=90°，移相方法仍采用α=β配合控制。

2.無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)是邏輯無環(huán)流系