電力拖動自動控制系統(tǒng)第四章答案

可逆調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動系統(tǒng)

電力拖動自動控制系統(tǒng)第4章2023/2/52

本章在前三章的基礎上進一步探討可逆調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動系統(tǒng)?？紤]到大多數(shù)學校教學學時的限制和電氣工程及其自動化專業(yè)的一般教學需求，本課件選擇可逆調(diào)速系統(tǒng)為主要內(nèi)容。2023/2/534.1可逆直流調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容提要問題的提出晶閘管-電動機系統(tǒng)的可逆線路晶閘管-電動機系統(tǒng)的回饋制動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)無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)2023/2/544.1.0問題的提出

有許多生產(chǎn)機械要求電動機既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速地起動和制動，這就需要電力拖動系統(tǒng)具有四象限運行的特性，也就是說，需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。2023/2/55

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。然而當電機采用電力電子裝置供電時，由于電力電子器件的單向?qū)щ娦裕瑔栴}就變得復雜起來了，需要專用的可逆電力電子裝置和自動控制系統(tǒng)。2023/2/564.1.1微機控制的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器件組成的橋式可逆PWM變換器。其中功率開關器件采用IGBT，在小容量系統(tǒng)中則可用將IGBT、續(xù)流二極管、驅(qū)動電路以及過流、欠壓保護等封裝在一起的智能功率模塊—IPM。2023年2月5日7橋式可逆PWM變換器

可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖1-20所示。這時，電動機M兩端電壓的極性隨開關器件柵極驅(qū)動電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆PWM變換器。2023年2月5日8+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-18橋式可逆PWM變換器H形主電路結(jié)構2023年2月5日9

雙極式控制方式（1）正向運行：第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，Ug1、

Ug4為正，VT1

、VT4導通，Ug2、

Ug3為負，VT2

、

VT3截止，電流id

沿回路1流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us

；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug1、

Ug4為負，VT1

、VT4截止，VD2

、

VD3續(xù)流，并鉗位使VT2

、

VT3保持截止，電流id沿回路2流通，電動機M兩端電壓UAB=–Us

；2023年2月5日10

雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運行：第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，Ug2、

Ug3為負，VT2

、VT3截止，VD1

、VD4

續(xù)流，并鉗位使VT1

、VT4截止，電流–id

沿回路4流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us

；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug2、

Ug3為正，VT2

、VT3導通，Ug1、

Ug4為負，使VT1

、VT4保持截止，電流–id

沿回路3流通，電動機M兩端電壓UAB=–Us

；2023年2月5日11

輸出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOb)正向電動運行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOc)反向電動運行波形2023年2月5日12

輸出平均電壓

雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為

（1-19）

如果占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中

=2

–

1

（1-20）注意：這里的計算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。

—占空比，

=ton/T=tonf=Ud/Us為PWM電壓系數(shù)2023年2月5日13

調(diào)速范圍

調(diào)速時，的可調(diào)范圍為0~1，–1<<+1。當>0.5時，為正，電機正轉(zhuǎn)；當<0.5時，為負，電機反轉(zhuǎn)；當=0.5時，

=0，電機停止。2023年2月5日14注意：

當電機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機的損耗，這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。2023年2月5日15

性能評價

雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機在四象限運行；（3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)調(diào)速范圍可達1:20000左右；（5）低速時，每個開關器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。2023年2月5日16

性能評價（續(xù)）

雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中，4個開關器件可能都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，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，應設置邏輯延時。2023/2/517

系統(tǒng)組成圖4-1PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖2023/2/518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，需要注意的是，直流變換器必須是可逆的；GD—驅(qū)動電路模塊，內(nèi)部含有光電隔離電路和開關放大電路；2023/2/519系統(tǒng)組成（續(xù)）UPW—PWM波生成環(huán)節(jié)，其算法包含在微機軟件中；TG—為測速發(fā)電機，當調(diào)速精度要求較高時可采用數(shù)字測速碼盤；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。2023/2/520

系統(tǒng)控制

該原理圖的硬件結(jié)構如圖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，但阻容值太大時會延緩動態(tài)響應，為此可采用硬件濾波與軟件濾波相結(jié)合的辦法。2023/2/521系統(tǒng)控制（續(xù)）

當轉(zhuǎn)速給定信號在-n*max~0~+n*max之間變化并達到穩(wěn)態(tài)后，由微機輸出的PWM信號占空比ρ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）]，實現(xiàn)雙極式可逆控制。2023/2/522

在變流中，為了避免同一橋臂上、下兩個電力電子器件同時導通而引起直流電源短路，在由VT1、VT4導通切換到VT2、VT3導通或反向切換時，必須留有死區(qū)時間。對于功率晶體管，死區(qū)時間約需30μs；對于IGBT，死區(qū)時間約需5μs或更小些。2023/2/5234.1.2有環(huán)流控制的可逆晶閘管-電動機系統(tǒng)一.V-M系統(tǒng)的可逆線路根據(jù)電機理論，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。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；勵磁反接可逆線路。2023/2/5241.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）接觸器開關切換的可逆線路（2）晶閘管開關切換的可逆線路（3）兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路2023/2/525（1）接觸器開關切換的可逆線路KMF閉合，電動機正轉(zhuǎn)；

KMR閉合，電動機反轉(zhuǎn)。Ud+Id–IdM2023/2/526

接觸器切換可逆線路的特點優(yōu)點：僅需一組晶閘管裝置，簡單、經(jīng)濟。缺點：有觸點切換，開關壽命短；需自由停車后才能反向，時間長。應用：不經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械。2023/2/527（2）晶閘管開關切換的可逆線路VT1、VT4導通，電動機正轉(zhuǎn)；

VT2、VT3導通，電動機反轉(zhuǎn)。晶閘管開關切換的可逆線路Ud–IdMVT1VT2VT3VT4+Id2023/2/528（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?，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，如下圖所示。2023/2/529Idb)運行范圍圖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-IdnO正向反向a)電路結(jié)構MVRVFId-Id+--+--2023/2/530兩組晶閘管裝置可逆運行模式電動機正轉(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。

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起、制動和升、降速。但是，不允許讓兩組晶閘管同時處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路，因此對控制電路提出了嚴格的要求。

2023/2/5312.勵磁反接可逆線路

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或晶閘管開關切換方式，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下圖，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。2023/2/532勵磁反接可逆供電方式晶閘管反并聯(lián)勵磁反接可逆線路MVId+-VRVFId-Id+--+--2023/2/533勵磁反接的特點優(yōu)點：供電裝置功率小。由于勵磁功率僅占電動機額定功率的1~5%，因此，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。缺點：改變轉(zhuǎn)向時間長。由于勵磁繞組的電感大，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)控制相對復雜一些。2023/2/534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；勵磁反接可逆線路——勵磁反接反向過程慢，控制相對復雜，但所需晶閘管裝置容量小。2023/2/535（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)機械；晶閘管開關切換線路——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)。2023/2/536二.晶閘管-電動機系統(tǒng)的回饋制動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）

2023/2/537當控制角為90°，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)；當控制角為

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2023/2/538-+Ud0RM+-nEV--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)。

a）整流狀態(tài)：提升重物，90°，Ud0E，n

0由電網(wǎng)向電動機提供能量。PId2023/2/539+-+--Ud0RMnEV--b）逆變狀態(tài)：放下重物90°，Ud0E，n0

由電動機向電網(wǎng)回饋能量。

PId2023/2/540n-nIdTe提升放下c）機械特性整流狀態(tài)：電動機工作于第1象限；逆變狀態(tài)：電動機工作于第4象限。TL圖4-3單組V-M系統(tǒng)帶起重機類型負載時的整流和逆變狀態(tài)

2023/2/5413.兩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?，說明兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路的工作原理。2023/2/542圖4-4兩組晶閘管反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)的正組整流和反組逆變狀態(tài)R-+Ud0fM+-nEVF--a)正組整流電動運行

a)正組晶閘管裝置VF整流VF處于整流狀態(tài)：此時，f90°，Ud0fE，

n

0

電機從電路輸入能量作電動運行。PId2023/2/543b)反組晶閘管裝置VR逆變

當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，并使它工作在逆變狀態(tài)。2023/2/544b)兩組晶閘管反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)的反組逆變狀態(tài)+-+--Ud0rRMnEVR--VR逆變處于狀態(tài)：

此時，r90°，E>|Ud0r|，n

0

電機輸出電能實現(xiàn)回饋制動。PId2023/2/545c）機械特性范圍Id-Idn反組逆變回饋制動正組整流電動運動c)機械特性運行范圍

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。2023/2/5464.V-M系統(tǒng)的四象限運行

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。這樣，采用兩組晶閘管裝置的反并聯(lián)，就可實現(xiàn)電動機的四象限運行。歸納起來，可將可逆線路正反轉(zhuǎn)時晶閘管裝置和電機的工作狀態(tài)列于表4-1中。

2023/2/547表4-1V-M系統(tǒng)反并聯(lián)可逆線路的工作狀態(tài)

V-M系統(tǒng)的工作狀態(tài)正向運行正向制動反向運行反向制動電樞端電壓極性++－－電樞電流極性+－－+電機旋轉(zhuǎn)方向++－－電機運行狀態(tài)電動回饋發(fā)電電動回饋發(fā)電晶閘管工作的組別和狀態(tài)正組整流反組逆變反組整流正組逆變機械特性所在象限一二三四2023/2/548反并聯(lián)的晶閘管裝置的其他應用

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，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。2023/2/549三.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，稱作環(huán)流，如下圖中所示。2023/2/550圖4-5

反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流

MVRVFUd0f+--+Ud0rRrecRrecRa--~~環(huán)流的形成IdIcIc

—環(huán)流Id

—負載電流

2023/2/551環(huán)流的危害和利用危害：一般地說，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，消耗功率，環(huán)流太大時會導致晶閘管損壞，因此應該予以抑制或消除。利用：只要合理的對環(huán)流進行控制，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載電流，使電動機在空載或輕載時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)引起的非線性對系統(tǒng)性能的影響。2023/2/552環(huán)流的分類

在不同情況下，會出現(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。瞬時脈動環(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，瞬時電壓差仍會產(chǎn)生脈動的環(huán)流，稱作瞬時脈動環(huán)流。

2023/2/553環(huán)流的分類（續(xù)）（2）動態(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。2023/2/5542.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)。2023/2/555（1）配合控制原理

為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應該當正組處于整流狀態(tài)時，強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=Ud0maxcosf

Ud0r=Ud0maxcosr其中f

和r

分別為VF和VR的控制角。2023/2/556

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，當直流平均環(huán)流為零時，應有

cosr=–cosf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）

2023/2/557

由此可見，按照式（4-4）來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）

（既是逆變電壓大于整流電壓?。?023/2/558（2）配合控制方法

為了實現(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°，即當控制電壓Uc=0時，使f

=r

=90°，此時Ud0f

=Ud0r

=

0

，電機處于停止狀態(tài)。增大控制電壓Uc

移相時，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)控制電路示于下圖。2023/2/559圖4-6=配合控制電路GTF--正組觸發(fā)裝置GTR--反組觸發(fā)裝置AR--反號器

MVRVFRrecRrec-1ARGTRGTFUcRaM（3）

=

配合控制電路2023/2/560

在如圖電路中，用同一個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)過反號器AR后獲得的。

2023/2/561（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，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。2023/2/562圖4-7配合控制移相特性

=

移相控制特性（續(xù)）

-

UcmUc90o

rmin180o0oUcm90o0o180o

fmin

fmin

rmin

r

fCTRCTFUc12023/2/563（5）

=

控制的工作狀態(tài)待逆變狀態(tài)——實際上，這時逆變組除環(huán)流外并未流過負載電流，也就沒有電能回饋電網(wǎng)，確切地說，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)——只有在制動時，當發(fā)出信號改變控制角后，同時降低了整流電壓和逆變電壓的幅值，一旦電機反電動勢E>|Ud0r|=|Ud0f|，整流組電流將被截止，逆變組才真正投入逆變工作，使電機產(chǎn)生回饋制動，將電能通過逆變組回饋電網(wǎng)。2023/2/564=

控制的工作狀態(tài)（續(xù)）待整流狀態(tài)——同樣，當逆變組工作時，另一組也是在等待著整流，可稱作處于“待整流狀態(tài)”。

所以，在

=

配合控制下，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)。2023/2/565（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。與此同時，對

角也實施min

保護，以免出現(xiàn)Ud0f

>

Ud0r

而產(chǎn)生直流平均環(huán)流。通常取2023/2/5663.瞬時脈動環(huán)流及其抑制（1）瞬時的脈動環(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的，造成整流與逆變電壓波形上的差異，仍會出現(xiàn)瞬時電壓的情況，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，因此配合控制有環(huán)流可逆系統(tǒng)又稱作自然環(huán)流系統(tǒng)。2023/2/567（2）瞬時脈動環(huán)流產(chǎn)生情況舉例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?，F(xiàn)以f

=

r

=60°為例，分析三相零式反并聯(lián)可逆線路產(chǎn)生瞬時脈動環(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單。2023/2/568圖4-9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a)三相零式可逆線路和瞬時脈動環(huán)流回路

~--Ud0fLc1RrecRrecUd0rVFVR

三相零式反并聯(lián)可逆線路IdIcp（a）2023/2/569三相零式反并聯(lián)的電壓波形d)瞬時電壓差和瞬時脈動環(huán)流波形

b)整流電壓波形

c)逆變電壓波形abcaud0r0wtp2pUd0rwtIcpicpud0af

ud0fwtabca0p2pUd0f0arud0圖4-92023/2/570

瞬時脈動環(huán)流的產(chǎn)生

正組整流電壓和反組逆變電壓之間的瞬時電壓差，

ud0=ud0f–ud0r

其波形繪于圖4-9d。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4-9d中。2023/2/571

瞬時脈動環(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?，只能在一個方向脈動，所以瞬時脈動環(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。2023/2/572（3）瞬時脈動環(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4-9a中的Lc1和Lc2

。環(huán)流電抗的大小可以按照把瞬時環(huán)流的直流分量限制在負載額定電流的5%~10%來設計。2023/2/573環(huán)流電抗器的設置

三相零式反并聯(lián)可逆線路必須在正、反兩個回路中各設一個環(huán)流電抗器，因為其中總有一個電抗器會因流過直流負載電流而飽和，失去限流作用。例如：在圖4-9a中當正組VF整流時，流過負載電流，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，當反組VR整流時，只能依靠Lc1限制環(huán)流。2023/2/574

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，總共要設置4個環(huán)流電抗器。12MVFVRabcABC--環(huán)流電抗器的設置（續(xù)）~2023/2/575MVFVRabcABCa'b'c'--~~環(huán)流電抗器的設置（續(xù)）在三相橋式交叉連接可逆線路中，由于電源獨立，每一組橋只有一條環(huán)流通道，因此只要設置2個環(huán)流電抗器。2023/2/576四.=

配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)1.系統(tǒng)組成

MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc----2023/2/577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，VF整流；

——反轉(zhuǎn)時，VF逆變。反組晶閘管VR，由GTR控制觸發(fā)，

——反轉(zhuǎn)時，VR整流；

——正轉(zhuǎn)時，VR逆變。2023/2/578給定與檢測電路（轉(zhuǎn)速）

根據(jù)可逆系統(tǒng)正反向運行的需要，給定電壓、轉(zhuǎn)速反饋電壓、電流反饋電壓都應該能夠反映正和負的極性。這里給定電壓：正轉(zhuǎn)時，KF閉合，U*n=“+”；反轉(zhuǎn)時，KR閉合，U*n=“-”。轉(zhuǎn)速反饋：正轉(zhuǎn)時，Un=“-”，反轉(zhuǎn)時，Un=“+”。2023/2/579給定與檢測電路（電流）電流反饋電壓：正轉(zhuǎn)時，Ui

=“+”；反轉(zhuǎn)時，Ui

=“-”。注意：由于電流反饋應能否反映極性，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。2023/2/580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，設置雙向輸出限幅電路，以限制最大起制動電流；電流調(diào)節(jié)器ACR控制電流，設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

。2023/2/5812.控制方式

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)裝置的控制特性如圖所示。

rmin180o0o-

UcmUcmUc90o90o0o180o

fmin

fmin

rmin

r

fCTRCTFUc12023/2/582反轉(zhuǎn)時：

>0，

r<90°，VR整流：Ud0r=“+”；Uc<

0，f

<

90°，VF逆變：Ud0f

=“-”。正轉(zhuǎn)時：Uc>0，

f

<90°，VF整流：Ud0f

=“+”；

<0，r

<90°，VR逆變：Ud0r

=“-”。停轉(zhuǎn)時：Uc=0，r=

f

=

90°，

Ud0f

=Ud0r=0。2023/2/583AR=“-”VR逆變3.工作過程正向運行過程：KF閉合，U*n=“+”

U*i=“-”

Uc

=“+”電動機正向運行————————VF整流注意：ASR、ACR、轉(zhuǎn)速反饋為反號2023/2/584正向運行過程系統(tǒng)狀態(tài)+++----++Id有環(huán)流系統(tǒng)正向運行過程MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc----Pn2023/2/585

制動過程

整個制動過程可以分為兩個主要階段，其中還有一些子階段。主要階段分為：

I.本組逆變階段；

II.它組制動階段。現(xiàn)以正向制動為例，說明有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的制動過程。2023/2/586I.本組逆變階段（VF:整流狀態(tài)→逆變狀態(tài))

在這階段中，電流由正向負載電流下降到零，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)榱悖ɑ蜇撝担籄SR輸出躍變到正限幅值+U*im

；ACR輸出躍變成負限幅值-Ucm

；VF由整流狀態(tài)很快變成的逆變狀態(tài)，同時反組VR由待逆變狀態(tài)轉(zhuǎn)變成待整流狀態(tài)。2023/2/587在VF-M回路中，由于VF變成逆變狀態(tài)，極性變負，而電機反電動勢E極性未變，迫使電流迅速下降，主電路電感迅速釋放儲能，企圖維持正向電流，這時

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，這個階段所占時間很短，轉(zhuǎn)速來不及產(chǎn)生明顯的變化，其波形圖見圖4-10中的階段I。2023/2/588tttOOOId

n

Uc

制動過程系統(tǒng)響應曲線III1II2II3-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)正向制動過渡過程波形2023/2/589本組逆變過程系統(tǒng)狀態(tài)MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc+++----++Id0+--++----2023/2/590Ⅱ.它組制動階段

當主電路電流下降過零時，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。從這時起，直到制動過程結(jié)束，統(tǒng)稱“它組制動階段”。它組制動階段又可分成三個子階段：它組建流“子階段”；它組逆變“子階段”；反向減流“子階段”。2023/2/591

它組建流子階段

（1）Id

過零并反向，直至到達-Idm

以前，ACR并未脫離飽和狀態(tài)，其輸出仍為-Ucm

。這時，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2023/2/592（2）反組VR由“待整流”進入整流，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，反向電流很快增長，電機處于反接制動狀態(tài)，轉(zhuǎn)速明顯地降低，因此，又可稱作“它組反接制動狀態(tài)”。2023/2/593tttOOOId

n

Uc

制動過程系統(tǒng)響應曲線III1II2II3-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)正向制動過渡過程波形2023/2/594反接制動過程系統(tǒng)狀態(tài)+-MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc+++----+0+--++Id----2023/2/595它組逆變子階段

當反向電流達到–Idm

并略有超調(diào)時，ACR輸出電壓Uc

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2023/2/596tttOOOId

n

Uc

制動過程系統(tǒng)響應曲線III1II2II3-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)正向制動過渡過程波形2023/2/597

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“它組回饋制動階段”或“它組逆變階段”。由圖可見，這個階段所占的時間最長，是制動過程中的主要階段。2023/2/598

它組回饋制動過程系統(tǒng)狀態(tài)+-MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc+++----+0+--++Id+-+-----2023/2/599反向減流子階段

在這一階段，轉(zhuǎn)速下降得很低，無法再維持-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)。如果電機隨即停止，整個制動過程到此結(jié)束。2023/2/5100+-MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc+++----+0+--++Id+-+-

反向減流過程系統(tǒng)狀態(tài)0000000----2023/2/5101tttOOOId

n

Uc

制動過程系統(tǒng)響應曲線III1II2II3-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)正向制動過渡過程波形2023/2/5102

反向起動

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。由于正轉(zhuǎn)制動和反轉(zhuǎn)起動的過程完全銜接起來，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，適用于要求快速正反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。2023/2/5103MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc+++----++Id0+--++反向起動過程系統(tǒng)狀態(tài)Id-+-+--00-+-+-+----2023/2/5104IdL

Id

n

Idm

OOIIIIIIt4t3

t2

t1

ttIVVVIt5t6-Idm

-IdL

n*

-n*

有環(huán)流系統(tǒng)可逆運行曲線2023/2/51054.1.3無環(huán)流控制的可逆晶閘管-電動機系統(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，但是要設置幾個環(huán)流電抗器。因此，當工藝過程對系統(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)。2023/2/5106系統(tǒng)分類

按照實現(xiàn)無環(huán)流控制原理的不同，無環(huán)流可逆系統(tǒng)又有大類：邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)；錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)。

2023/2/5107控制原理邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)

當一組晶閘管工作時，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)。2023/2/5108

錯位控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)

在錯位控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)中，同樣采用配合控制的觸發(fā)移相方法，但兩組脈沖的關系是r

+f

=300°，甚至是r

+f

=360

°，也就是說，初始相位整定在r

=f

=150°或180°。這樣，當待逆變組的觸發(fā)脈沖來到時，它的晶閘管已經(jīng)完全處于反向阻斷狀態(tài)，不可能導通，當然就不會產(chǎn)生瞬時脈動環(huán)流了。鑒于目前錯位控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)實際應用已經(jīng)較少，本課程不再詳細介紹。2023/2/51091.邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)

本節(jié)將著重討論邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構、控制原理和電路設計。

（1）系統(tǒng)的組成

邏輯控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)（以下簡稱“邏輯無環(huán)流系統(tǒng)”）的原理框圖示于下圖該系統(tǒng)結(jié)構的特點為：2023/2/5110邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)結(jié)構圖4-11邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR----+2023/2/5111系統(tǒng)結(jié)構的特點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)；控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)方案；電流環(huán)分設兩個電流調(diào)節(jié)器，1ACR用來控制正組觸發(fā)裝置GTF，2ACR控制反組觸發(fā)裝置GTR；2023/2/5112系統(tǒng)結(jié)構的特點（續(xù)）1ACR的給定信號經(jīng)反號器AR作為2ACR的給定信號，因此電流反饋信號的極性不需要變化，可以采用不反映極性的電流檢測方法。為了保證不出現(xiàn)環(huán)流，設置了無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)DLC，這是系統(tǒng)中的關鍵環(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。2023/2/5113

ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR（2）工作原理正向運行：+-++--+-++----2023/2/5114

ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR

反向運行----++++++----2023/2/51152．無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)（1）邏輯控制環(huán)節(jié)的設計要求DLC的輸入要求：

分析V-M系統(tǒng)四象限運行的特性，有如下共同特征：正向運行和反向制動時，電動機轉(zhuǎn)矩方向為正，即電流為正；反向運行和正向制動時，電動機轉(zhuǎn)矩方向為負，即電流為負。因此，應選擇轉(zhuǎn)矩信號作為DLC的輸入信號。2023/2/5116

由于ACR的輸出信號正好代表了轉(zhuǎn)矩方向，即有：正向運行和反向制動時，