直流可逆調(diào)速系統(tǒng) 第四章 《自動控制技術(shù)（第二版）》

全國高級技工學(xué)校電氣自動化設(shè)備安裝與維修專業(yè)教材自動控制技術(shù)主編：李國偉孫華（第二版）158直流可逆調(diào)速系統(tǒng)第四章159第四章4－１

直流調(diào)速可逆線路4－２

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析4－３

直流調(diào)速器1604－１

直流調(diào)速可逆線路第四章161學(xué)習(xí)目標１.熟悉直流調(diào)速可逆線路結(jié)構(gòu)原理。２.了解電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析。３.熟悉常用直流調(diào)速器的結(jié)構(gòu)原理。1624－１直流調(diào)速可逆線路163第三章中討論的調(diào)速系統(tǒng)，電動機只能朝一個方向運轉(zhuǎn)，然而許多生產(chǎn)機械卻要求電動機既能正、反轉(zhuǎn)，又能快速制動，此時必須采用可逆調(diào)速系統(tǒng)。在直流電力拖動系統(tǒng)中，無論是正、反轉(zhuǎn)還是制動，均要求改變直流電動機轉(zhuǎn)矩的方向。由直流他勵電動機的轉(zhuǎn)矩Ｔ＝ＫｍΦＩｄ可知，要改變電動機轉(zhuǎn)矩的方向，有兩種方法：一是改變電樞電流Ｉｄ的方向，即改變電樞電壓Ｕｄ極性；二是改變電動機勵磁磁通Φ的方向，即改變勵磁電流的方向。通過改變電樞電壓極性實現(xiàn)可逆運行的系統(tǒng)，稱為電樞可逆系統(tǒng)；通過改變勵磁電流方向?qū)崿F(xiàn)可逆運行的系統(tǒng)，稱為磁場可逆系統(tǒng)。164一、電樞反接可逆線路對于經(jīng)常處于單方向運行，偶爾才需要反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械，可以只用一組晶閘管整流裝置給電動機電樞供電，再用接觸器切換加在電動機上整流電壓的極性即可。圖４－１所示為這種系統(tǒng)的線路圖。4－１直流調(diào)速可逆線路１.接觸器切換的可逆線路圖４－１用接觸器切換電樞極性的可逆電路165一、電樞反接可逆線路由圖可見，晶閘管整流裝置的輸出電壓Ｕｄ極性不變，總是上“＋”下“－”。當(dāng)正向接觸器ＫＭＦ吸合時，電動機端電壓為Ａ（＋），Ｂ（－），電動機正轉(zhuǎn)；如果反向接觸器ＫＭＲ吸合，電動機端電壓變成Ａ（－），Ｂ（＋），電動機反轉(zhuǎn)。這種方案比較簡單、經(jīng)濟。但是，接觸器頻繁切換時，其動作噪聲較大，使用壽命較低，動作時間長，所以只適用于不經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械。4－１直流調(diào)速可逆線路１.接觸器切換的可逆線路1664－１直流調(diào)速可逆線路一、電樞反接可逆線路２.晶閘管切換的可逆線路為了避免有觸點器件的缺點，可以采用無觸點的晶閘管開關(guān)代替接觸器，如圖４－２所示。當(dāng)ＶＴ１和ＶＴ２晶閘管開關(guān)導(dǎo)通時，電動機正轉(zhuǎn)；當(dāng)ＶＴ３和ＶＴ４晶閘管開關(guān)導(dǎo)通時，電動機反轉(zhuǎn)。這種方案除原有的一套晶閘管裝置外，還需多用四個晶閘管作開關(guān)，對其耐壓電流容量的要求比較高，經(jīng)濟上無明顯優(yōu)點，一般只適用于中小容量的系統(tǒng)。圖４－２用晶閘管切換的可逆電路1674－１直流調(diào)速可逆線路一、電樞反接可逆線路３.兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆線路對于頻繁要求正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械，常采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)的可逆線路，如圖４－３ａ所示。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。正、反向運行時拖動系統(tǒng)工作在Ⅰ、Ⅲ兩個象限中，如圖４－３ｂ所示。圖４－３兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路ａ）可逆線路ｂ）機械特性1684－１直流調(diào)速可逆線路一、電樞反接可逆線路３.兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆線路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、制動，正反轉(zhuǎn)和升降速。但在一般情況下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，對控制電路提出了嚴格要求。1694－１直流調(diào)速可逆線路３.兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆線路在上述反并聯(lián)線路中，兩組晶閘管的電源是共同的。如果有兩臺獨立的整流變壓器，或者一臺整流變壓器有兩套二次繞組，可以組成交叉連接的可逆線路。圖４－４所示為三相橋式反并聯(lián)線路（圖４－４ａ）和交叉連接線路（圖４－４ｂ和圖４－４ｃ）。圖４－４三相橋式可逆線路ａ）反并聯(lián)連接線路ｂ）、ｃ）交叉連接線路1704－１直流調(diào)速可逆線路３.兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆線路當(dāng)兩組晶閘管同時工作時，會產(chǎn)生不經(jīng)過負載而在兩組晶閘管裝置間流動的電流，該電流就是環(huán)流，如圖４－３中的電流Ｉｃ。環(huán)流會增加晶閘管和變壓器的負擔(dān)，環(huán)流太大時會導(dǎo)致晶閘管損壞，影響系統(tǒng)安全工作。但適量的環(huán)流，作為流過晶閘管的基本負載電流，能使電動機在空載或輕載時縮短晶閘管裝置供電的電流斷續(xù)區(qū)，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。在反并聯(lián)連接的可逆電路中，有兩條環(huán)流回路，需四個限制環(huán)流的電抗器；交叉連接的可逆電路只有一條環(huán)流回路，所以，只需兩只限制環(huán)流的電抗器。圖４－５用接觸器切換勵磁極性的可逆電路171二、勵磁反接可逆線路4－１直流調(diào)速可逆線路在磁場可逆線路中，電動機電樞只需要一組晶閘管整流裝置供電，而勵磁繞組則由另外的晶閘管裝置供電，像電樞反接可逆線路一樣，可以采用接觸器切換、晶閘管開關(guān)切換、反并聯(lián)或交叉連接線路中的任意一種方案來改變勵磁電流的方向。接觸器切換的勵磁可逆電路，對于經(jīng)常處于單方向運行偶爾才需要反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械，可以只用一組晶閘管整流裝置給電動機勵磁供電，再用接觸器切換加在電動機上整流電壓的極性。圖４－５所示為這種系統(tǒng)的線路圖。172二、勵磁反接可逆線路4－１直流調(diào)速可逆線路由圖可見，晶閘管整流裝置的輸出電壓Ｕｄ極性不變，總是上“＋”下“－”。當(dāng)正向接觸器ＫＭＦ吸合時，電動機勵磁端電壓為Ａ（＋），Ｂ（－），電動機正轉(zhuǎn)；如果反向接觸器ＫＭＲ吸合，電動機勵磁端電壓變成Ａ（－），Ｂ（＋），電動機反轉(zhuǎn)。這種方案比較簡單、經(jīng)濟。但是，接觸器頻繁切換時，噪聲較大，動作時間長，影響使用壽命，所以經(jīng)常采用晶閘管開關(guān)切換需要正反轉(zhuǎn)生產(chǎn)機械。173二、勵磁反接可逆線路4－１直流調(diào)速可逆線路由于勵磁功率只占電動機額定功率的１％～５％，顯然反接勵磁所需的晶閘管裝置容量要小得多。對于大容量電動機，勵磁反接的方案投資較少，在經(jīng)濟上是比較便宜的。但是，由于勵磁回路電感量大，時間常數(shù)較大，因此這種系統(tǒng)反向過程較慢。此外，在反向過程中，當(dāng)勵磁電流由額定值下降到零這段時間里，如果電樞電流依然存在，電動機將會產(chǎn)生超速（或稱飛車）現(xiàn)象。為了避免出現(xiàn)這種情況，應(yīng)在磁通減弱時保證電樞電流為零。這無疑增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，勵磁反接的方案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系統(tǒng)，例如，卷揚機、礦井提升機、電力機車等。174三、晶閘管—電動機可逆系統(tǒng)的工作狀態(tài)4－１直流調(diào)速可逆線路１.晶閘管裝置的整流和逆變狀態(tài)由單組晶閘管裝置供電的Ｖ－Ｍ系統(tǒng)，晶閘管裝置通常工作在整流狀態(tài)，為電動機的電動運行提供能量。但是，有的生產(chǎn)機械，例如，冷軋開卷機，在所加靜張力給定時，其控制角α＜９０°，晶閘管工作在整流狀態(tài)，產(chǎn)生一定的張力將鋼帶拉緊；當(dāng)開始軋鋼時，開卷機在鋼帶的拖動下運轉(zhuǎn)，而且保持一定的張力，因此開卷機處于發(fā)電狀態(tài)，這時晶閘管裝置工作在逆變狀態(tài)，控制角α＞９０°，通過晶閘管裝置將直流電能逆變輸送到交流電網(wǎng)，此時的Ｉｄ由電動機的電勢Ｅ提供并維持。1754－１直流調(diào)速可逆線路１.晶閘管裝置的整流和逆變狀態(tài)圖４－６所示為開卷機Ｖ－Ｍ系統(tǒng)整流和逆變狀態(tài)。圖４－６開卷機Ｖ－Ｍ系統(tǒng)整流和逆變狀態(tài)ａ）整流狀態(tài)ｂ）逆變狀態(tài)由此可見，同一套晶閘管裝置可以工作在整流狀態(tài)，也可以工作在逆變狀態(tài)。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，兩種狀態(tài)中電流方向不變，而電動機的端電壓的極性相反。因此，在整流狀態(tài)時向電動機輸出電能，而在逆變狀態(tài)時向電網(wǎng)回饋電能。1764－１直流調(diào)速可逆線路１.晶閘管裝置的整流和逆變狀態(tài)由上述分析可知，實現(xiàn)逆變要有兩個條件：（１）內(nèi)部條件控制角α＞９０°，使晶閘管整流裝置輸出的平均電壓Ｕｄ＜０。（２）外部條件必須有一個直流電源，其極性與－Ｕｄ的極性相同，數(shù)值應(yīng)比Ｕｄ的絕對值稍大，以產(chǎn)生和維持逆變電流。晶閘管裝置在上述條件下產(chǎn)生的逆變狀態(tài)稱作有源逆變。1774－１直流調(diào)速可逆線路２.Ｖ－Ｍ系統(tǒng)發(fā)電回饋制動在單組晶閘管—直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中，電動機只能工作在第Ⅰ和第Ⅳ象限。然而有不少生產(chǎn)機械在運行過程中需要快速地減速或停車，最經(jīng)濟的辦法就是回饋制動，使之工作在第Ⅱ象限。這樣一來，就要求電流能反向。因此，只有一組晶閘管顯然是不行的，因為在減速時，電動機轉(zhuǎn)向不變，即反電動勢Ｅ方向不變，而電流又不能反向，所以這組晶閘管裝置就不可能實現(xiàn)逆變，電動機也不能實現(xiàn)發(fā)電回饋制動。為此必須采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路。1784－１直流調(diào)速可逆線路３.兩組反并聯(lián)晶閘管—直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài)兩組反并聯(lián)晶閘管—直流電動機調(diào)速系統(tǒng)如圖４－７所示。它能實現(xiàn)四象限運行，是一種常用的可逆線路。圖４－７兩組反并聯(lián)晶閘管—直流電動機調(diào)速系統(tǒng)ａ）反并聯(lián)線路ｂ）機械特性1794－１直流調(diào)速可逆線路該系統(tǒng)的四種工作狀態(tài)見表４－１。３.兩組反并聯(lián)晶閘管—直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài)1804－１直流調(diào)速可逆線路該系統(tǒng)的四種工作狀態(tài)見表４－１。３.兩組反并聯(lián)晶閘管—直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài)1814－１直流調(diào)速可逆線路３.兩組反并聯(lián)晶閘管—直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài)（１）正向運行這時正組處于整流狀態(tài)，正組晶閘管裝置ＶＦ給電動機供電，電動機為電動狀態(tài)，從電網(wǎng)吸取電能，Ｕｄ＞Ｅ，其電磁轉(zhuǎn)矩Ｔ為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)運行在第Ⅰ象限。（２）正向制動利用控制電路切換到反組晶閘管ＶＲ，反組處于逆變狀態(tài)，反電動勢Ｅ大于反組逆變電壓Ｕｄ，電動機成為發(fā)電機，電能經(jīng)晶閘管回饋電網(wǎng)。這時電動機仍在正轉(zhuǎn)，但電流反向，電磁轉(zhuǎn)矩Ｔ反向，成為制動轉(zhuǎn)矩。這種情況稱為回饋制動，系統(tǒng)運行在第Ⅱ象限。依此類推，當(dāng)電動機反向運行和反向回饋制動時，系統(tǒng)運行在第Ⅲ和第Ⅳ象限。1824－１直流調(diào)速可逆線路３.兩組反并聯(lián)晶閘管—直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài)由此可見，即便是不可逆系統(tǒng)，電動機不要求反轉(zhuǎn)，但只要需要快速回饋制動，就應(yīng)有兩組反并聯(lián)的晶閘管裝置。正組作為整流供電，反組提供逆變制動。由于反組晶閘管只在短時間內(nèi)供給制動電流，并不提供穩(wěn)態(tài)運行電流，因而實際容量可以小一些。對于可逆系統(tǒng)來說，在正轉(zhuǎn)運行時可利用反組晶閘管實現(xiàn)回饋制動，反轉(zhuǎn)運行時同樣可利用正組晶閘管實現(xiàn)回饋制動，正反轉(zhuǎn)和制動的裝置合二為一，兩組晶閘管的容量自然就沒有區(qū)別了。4－2電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析第四章1831844－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析環(huán)流雖然有它有利的一面，但必須設(shè)置環(huán)流電抗器，會增加設(shè)備投資。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，特別是對于大容量的系統(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)流系統(tǒng)。無環(huán)流系統(tǒng)按實現(xiàn)無環(huán)流原理的不同分為兩大類：邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)和錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)。本節(jié)只討論邏輯控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)一組晶閘管工作時，用邏輯電路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)，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)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。1854－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析一、系統(tǒng)的組成和工作原理邏輯控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)（以下簡稱邏輯無環(huán)流系統(tǒng)）是目前在生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的可逆系統(tǒng)，其原理框圖如圖４－８所示。主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)連接，由于沒有環(huán)流，不用再設(shè)置環(huán)流電抗器。圖４－８邏輯控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖ＡＳＲ—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ＤＬＣ—無環(huán)流邏輯控制器ＡＲ—反相器ＡＣＲ１，ＡＣＲ２—正、反組電流調(diào)節(jié)器1864－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析一、系統(tǒng)的組成和工作原理但為了保證穩(wěn)定運行時電流波形的連續(xù)，仍應(yīng)保留平波電抗器Ｌｄ?？刂凭€路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，電流環(huán)分設(shè)了ＡＣＲ１和ＡＣＲ２兩個電流調(diào)節(jié)器。其中，ＡＣＲ１用來控制正組觸發(fā)裝置ＧＴＦ，ＡＣＲ２用來控制反組觸發(fā)裝置ＧＴＲ。ＡＣＲ１的給定信號為Ｕ*ｉ，這樣可以使電流反饋信號Ｕｉ的極性在正、反轉(zhuǎn)時都不必改變，從而可采用不反映極性的交流電流互感器。由于主電路不設(shè)均衡電抗器，一旦出現(xiàn)環(huán)流將造成嚴重的短路事故，所以對工作時的可靠性要求特別高。1874－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析一、系統(tǒng)的組成和工作原理為此，在邏輯無環(huán)流系統(tǒng)中設(shè)置了無環(huán)流邏輯控制器ＤＬＣ，這是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件，必須保證可靠地工作。它按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)指揮系統(tǒng)進行自動切換，或者允許正組發(fā)出觸發(fā)脈沖而封鎖反組，或者允許反組發(fā)出觸發(fā)脈沖而封鎖正組。在任何情況下，絕不允許兩組晶閘管同時開放，確保主電路沒有產(chǎn)生環(huán)流的可能。觸發(fā)脈沖的零位整定為αｆ０＝αｒ０＝９０°，用ＤＬＣ來控制兩組觸發(fā)脈沖的封鎖和開放。下面著重分析無環(huán)流邏輯控制器的工作過程。1884－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析二、可逆系統(tǒng)對無環(huán)流邏輯控制器的要求無環(huán)流邏輯控制器ＤＬＣ的基本任務(wù)是，根據(jù)系統(tǒng)工作情況要求，發(fā)出邏輯指令：在正組晶閘管ＶＦ工作時封鎖反組脈沖，在反組晶閘管ＶＲ工作時封鎖正組脈沖，二者必居其一，決不允許兩組脈沖同時開放，以確保主回路不產(chǎn)生環(huán)流。邏輯控制器的輸出信號是以“０”和“１”的數(shù)字信號形式來執(zhí)行兩種封鎖與開放的作用，“０”表示封鎖，“１”表示開放，二者不能同時為“１”。對于指揮邏輯控制器動作，系統(tǒng)反轉(zhuǎn)時應(yīng)該開放反組晶閘管，系統(tǒng)正轉(zhuǎn)制動（或減速）時，也要利用反組晶閘管的逆變狀態(tài)來實現(xiàn)回饋制動。1894－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析二、可逆系統(tǒng)對無環(huán)流邏輯控制器的要求在這兩種情況下都要開放反組，封鎖正組，但Ｕ*ｎ的極性在反轉(zhuǎn)時為負，正轉(zhuǎn)制動（或減速）時為零（或正），顯然不能用作邏輯切換的指令。從電動機的運行狀態(tài)看，反轉(zhuǎn)運行和正轉(zhuǎn)制動（或減速）的共同特征是，要求電動機產(chǎn)生負的轉(zhuǎn)矩，也就是在勵磁恒定時，要求有負的電流。由配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)制動過程的分析不難發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ＡＳＲ輸出的電流給定信號Ｕ*ｉ恰好可以擔(dān)當(dāng)這個任務(wù)。在反轉(zhuǎn)運行時，Ｕ*ｉ應(yīng)為正，在正轉(zhuǎn)制動時，Ｕ*ｉ也為正。Ｕ*ｉ的極性恰好反映了系統(tǒng)要產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩（電流）的意圖，可以用作邏輯切換的指令信號。1904－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析二、可逆系統(tǒng)對無環(huán)流邏輯控制器的要求由此可見，ＤＬＣ首先應(yīng)該鑒別電流給定信號Ｕ*ｉ的極性，當(dāng)Ｕ*ｉ由負變正時，先去封鎖正組，使Ｕｂｌｆ＝０，然后去開放反組使Ｕｂｌｒ＝１；反之，當(dāng)Ｕ*ｉ由正變負時，則應(yīng)先封鎖反組使Ｕｂｌｒ＝０，而后開放正組使Ｕｂｌｆ＝１。然而，僅用Ｕ*ｉ去控制ＤＬＣ切換是不夠的。因為Ｕ*ｉ極性的變化只是邏輯切換的必要條件，而不是充分條件。例如，當(dāng)系統(tǒng)正向運行需要制動時，Ｕ*ｉ由負變正標志著制動過程的開始，但當(dāng)實際電流尚未反向以前，仍須保持正組開放，以便進行本組逆變。1914－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析二、可逆系統(tǒng)對無環(huán)流邏輯控制器的要求只有在實際電流降到零的時候（通常是電流降到晶閘管的維持電流以下），才給ＤＬＣ發(fā)出命令，封鎖正組，開放反組，然后電流得以反向，通過反組進行回饋制動。因此，Ｕ*ｉ極性的變化只表明系統(tǒng)有了使轉(zhuǎn)矩（電流）反向的意圖，轉(zhuǎn)矩（電流）極性的真正改變還要滯后一段時間。等到電樞電流真正到零時，再發(fā)出一個“零電流檢測”信號Ｕ－ｆ０，然后才能發(fā)出正、反組切換指令。由此可見，電流給定極性鑒別信號和零電流檢測信號都是正、反組切換的前提，只有這兩個條件都具備，并經(jīng)過必要的邏輯判斷后，才可讓ＤＬＣ發(fā)出切換指令。1924－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析邏輯切換指令發(fā)出后并不能馬上執(zhí)行，還須經(jīng)過兩段延時時間，以確保系統(tǒng)可靠工作，這就是封鎖延時ｔ１和開放延時ｔ２。封鎖延時ｔ１是從發(fā)出切換指令到真正封鎖掉原工作組脈沖所需的等待時間。因為電流未降到零以前，其所含的脈動分量是時高時低的，如圖４－９所示。圖４－９零電流檢測及封鎖延時作用ａ）無封鎖延時造成逆變顛覆ｂ）設(shè)置封鎖延時可保證安全反向Ｉ０—零電流檢測器最小動作電流Ｕ２—零電流檢測器輸出信號Ｕｂｌｆ—正組脈沖封鎖信號Ｕｂｌｒ—反組脈沖封鎖信號ｔ１—封鎖延時1934－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析而零電流檢測總有一個最小動作電流Ｉ０，如果脈動電流瞬時值低于Ｉ０而實際上仍在連續(xù)變化，就將檢測到零電流信號發(fā)出封鎖本組脈沖，由于這時本組正處在逆變狀態(tài)，勢必會造成逆變顛覆。設(shè)置封鎖延時之后，檢測到的零電流信號等待一段時間ｔ１仍不見超過Ｉ０，說明電流確已斷開，這時再封鎖本組脈沖就不會有問題了。開放延時ｔ２是從封鎖原工作脈沖到開放另一組脈沖之間的等待時間。因為在封鎖原工作組脈沖時，已被觸發(fā)的晶閘管要到電流過零時才真正關(guān)斷，關(guān)斷之后還要過一段時間才能恢復(fù)阻斷能力。如果在這以前就開放另一組晶閘管，則可能造成兩組晶閘管同時導(dǎo)通，形成電源短路。為了防止出現(xiàn)這種事故，在發(fā)出封鎖本組脈沖信號之后，必須等待一段時間ｔ２，再開放另一組。1944－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析ＤＬＣ中還必須設(shè)置聯(lián)鎖保護電路，使其輸出Ｕｂｌｆ和Ｕｂｌｒ不能同時為“１”態(tài)，以保證兩組晶閘管的觸發(fā)脈沖不能同時開放。綜上所述，對ＤＬＣ的要求可歸納如下：（１）用電流給定信號Ｕ*ｉ作為轉(zhuǎn)矩極性鑒別信號，根據(jù)Ｕ*ｉ極性來決定開放哪一組觸發(fā)脈沖。但必須等到零電流檢測發(fā)出零電流信號后，方可正式發(fā)出邏輯切換指令。（２）發(fā)出切換指令之后，須經(jīng)過封鎖延時時間ｔ１才能封鎖原導(dǎo)通組脈沖，再經(jīng)過開放延時時間ｔ２后才能開放另一組脈沖。（３）無論在什么情況，兩組晶閘管絕對不允許同時加觸發(fā)脈沖。一組工作時，必須把另一組觸發(fā)脈沖封鎖住。1954－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析三、無環(huán)流邏輯切換裝置ＤＬＣ根據(jù)上述要求，ＤＬＣ的結(jié)構(gòu)及其輸入、輸出信號，如圖４－１０所示。輸入信號是轉(zhuǎn)矩極性鑒別信號Ｕ*ｉ

和零電流檢測信號Ｕｉ０，輸出信號是正組脈沖封鎖信號Ｕｂｌｆ和反組脈沖封鎖信號Ｕｂｌｒ。從功能上看，ＤＬＣ可分為電平檢測、邏輯判斷、延時和邏輯聯(lián)鎖保護四個部分。圖４－１０無環(huán)流邏輯控制器ＤＬＣ的功能及其信號圖４－１１帶有正反饋的運算放大器ａ）原理圖ｂ）結(jié)構(gòu)圖ｃ）繼電特性1964－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析１.電平檢測器轉(zhuǎn)矩極性鑒別信號Ｕ*ｉ和零電流檢測信號Ｕｉ０都是連續(xù)變化的模擬量，而邏輯判斷電路是用數(shù)字量“０”和“１”進行運算的，所以需要一個從模擬量轉(zhuǎn)換到數(shù)字量的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。電平檢測器就是一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。電平檢測器通常是用具有正反饋的運算放大器組成的，它工作在繼電狀態(tài)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)圖（圖４－１１ｂ），可求出閉環(huán)放大倍數(shù)為：1974－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析１.電平檢測器Ｋｖ———放大器開環(huán)放大倍數(shù)；Ｋ１———正反饋系數(shù)。當(dāng)ＫｖＫ１＞１時，放大器工作在繼電狀態(tài)，其輸入—輸出特性出現(xiàn)回環(huán)，如圖４－１１ｃ所示。假如所采用運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)Ｋｖ≈１×１０５，取輸入電阻Ｒ０＝２０ｋΩ，正反饋電阻Ｒ１＝２ＭΩ，則正反饋系數(shù)Ｋ１為：式中1984－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析１.電平檢測器設(shè)放大器限幅值為±１０Ｖ，若放大器原來處于負向深飽和狀態(tài)，則反饋到同相輸入端的電壓Ｕｆ＝Ｋ１Ｕｅｘｍ＝（１／１００）×（－１０Ｖ）＝－０.１Ｖ，折算到反相輸入端電壓應(yīng)為＋０.１Ｖ。為了使輸出從－１０Ｖ翻轉(zhuǎn)到＋１０Ｖ，必須在反相輸入端加負電壓，其絕對值稍大于０.１Ｖ，以抵消＋０.１Ｖ的作用；同理，Ｕｉｎ至少為＋０.１Ｖ，才能使輸出由＋１０Ｖ翻轉(zhuǎn)到－１０Ｖ，因此，其輸入—輸出特性出現(xiàn)回環(huán)?？梢娫诜糯笙禂?shù)Ｋｖ一定的情況下，改變正反饋強度（即Ｒ１的大?。┘纯筛淖兓丨h(huán)的寬度。Ｒ１越小，正反饋越強，回環(huán)越寬。因為：1994－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析１.電平檢測器所以回環(huán)寬度為：式中，Ｕｅｘｍ１和Ｕｅｘｍ２分別為正向和負向飽和輸出電壓。由于被檢測信號中難免會含有交流或干擾成分，為了避免誤動作，電平檢測器應(yīng)具有一定的環(huán)寬，以提高抗干擾能力。但如果回環(huán)太寬，則動作遲鈍，容易產(chǎn)生振蕩和超調(diào)。ＤＬＣ中的電平檢測器一般把環(huán)寬整定為０.２Ｖ左右。無環(huán)流邏輯裝置中有“轉(zhuǎn)矩極性鑒別器”和“零電流鑒別器”兩個電平檢測器，分別將Ｕ*ｉ

的極性和零電流檢測信號的有無，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量“１”或“０”，供邏輯判斷使用。如果采用正邏輯，那么高電平表示“１”，低電平表示“０”，則在圖４－１１ａ所示的輸出端加二極管進行零值鉗位。2004－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析如圖４－１２ａ所示。其輸入信號為ＡＳＲ的輸出Ｕ*ｉ，它是左右對稱的；其輸出則為轉(zhuǎn)矩極性信號ＵＴ，上下并不對稱。由于零電流鑒別器ＤＰＺ的輸入信號Ｕｉ０無極性變化，僅有大小的區(qū)別。若零電流檢測信號Ｕｉ０為正值，就需將回環(huán)特性移到縱坐標的右側(cè)，才能滿足要求。１.電平檢測器圖４－１２轉(zhuǎn)矩極性鑒別器ＤＰＴａ）原理圖ｂ）輸入—輸出特性2014－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析圖４－１３所示即為這種零電流鑒別器ＤＰＺ的原理圖和輸入—輸出特性。通過在放大器的反相輸入端引入偏移電壓－Ｕ１，從而使回環(huán)特性偏移到縱軸右側(cè)。若零電流檢測信號Ｕｉ０為負值，可在放大器反相輸入端引入偏移電壓＋Ｕ１，回環(huán)特性則偏移到縱軸左側(cè)。當(dāng)主回路有電流且連續(xù)時，Ｕｉ０為正值，而且較大，零電流鑒別器的輸出ＵＺ為“０”態(tài)，對應(yīng)于“無”零電流；當(dāng)主回路電流斷續(xù)時，Ｕｉ０雖然為正，但數(shù)值較小或為零，其輸出ＵＺ為“１”態(tài)，對應(yīng)于“有”零電流。圖４－１３零電流鑒別器ＤＰＺａ）原理圖ｂ）輸入—輸出特性202２.邏輯判斷電路邏輯判斷電路的作用是根據(jù)轉(zhuǎn)矩極性鑒別器ＤＰＴ和零電流鑒別器ＤＰＺ的輸出信號ＵＴ和ＵＺ的狀態(tài)，正確地確定正、反組脈沖封鎖信號ＵＦ和ＵＲ的狀態(tài)。至于ＵＦ和ＵＲ是用“１”態(tài)，還是用“０”態(tài)去封鎖觸發(fā)脈沖，這取決于觸發(fā)器或電子開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式?，F(xiàn)假定該指令信號為“１”態(tài)時開放脈沖，“０”態(tài)時封鎖脈沖，歸納各種情況下邏輯判斷電路的輸入、輸出狀態(tài)如下：Ｕ*ｉ為“－”時，ＵＴ為“１”，ＵＦ為“１”，開放正組脈沖；ＵＲ為“０”，封鎖反組脈沖。此時轉(zhuǎn)矩Ｔ為“＋”。Ｕ*ｉ為“＋”時，ＵＴ為“０”，ＵＲ為“１”，開放反組脈沖；ＵＦ為“０”，封鎖正組脈沖。此時轉(zhuǎn)矩Ｔ為“－”。主回路有電流（即“無”零電流）時，ＵＺ為“０”。主回路無電流（即“有”零電流）時，ＵＺ為“１”。2034－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析２.邏輯判斷電路根據(jù)可逆系統(tǒng)正、反向運行及啟、制動等各種工作狀態(tài)，提出對邏輯判斷電路的要求，見表４－２。2044－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析２.邏輯判斷電路2054－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析２.邏輯判斷電路例如，當(dāng)正向制動時，Ｕ*ｉ為“＋”，轉(zhuǎn)矩極性為“－”，ＵＴ＝“０”，當(dāng)正向電流下降但尚未反向之前，零電流鑒別器輸出ＵＺ＝“０”，這時要求正組仍開放，實行本組逆變，使電樞電流繼續(xù)下降，因此ＵＦ＝“１”，ＵＲ＝“０”；當(dāng)電樞電流下降到零時，ＵＺ＝“１”，正、反組進行切換，ＵＦ＝“０”，ＵＲ＝“１”；當(dāng)反組開放后，建立反向電流，進行反組逆變制動，ＵＺ又變成“０”，但ＵＦ和ＵＲ保持不變。去掉表４－２中的重復(fù)狀態(tài)，可得邏輯判斷電路的真值表，見表４－３。2064－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析２.邏輯判斷電路由左至右觀察真值表中數(shù)字量的變化，可以看出，當(dāng)ＵＴ變化以后，再等到ＵＺ＝１（即電流到零）時，邏輯判斷電路輸出才會翻轉(zhuǎn)。在任何時刻ＵＦ和ＵＲ都相反。根據(jù)真值表，可列出下列邏輯代數(shù)式：按照邏輯代數(shù)運算法則，上式可簡化為：為了使邏輯裝置具有較強的抗干擾能力，常采用ＨＴＬ與非門電路。這樣需將上式變成用與非門表示的形式，即：2074－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析２.邏輯判斷電路如果不愿意多用一個與非門以獲得ＵＴ，則公式（４－４）可化為：所以由公式（４－３）和公式（４－４），可以得出邏輯判斷電路，如圖４－１４所示。圖４－１４邏輯判斷電路2084－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析３.延時電路在邏輯判斷電路發(fā)出切換指令ＵＦ和ＵＲ之后，還必須經(jīng)過封鎖延時，所以在邏輯裝置中還必須設(shè)置延時電路。延時電路有多種，最簡單的延時電路是在ＨＴＬ與非門的輸入端加接二極管ＶＤ和電容Ｃ，如圖４－１５所示。圖４－１５接在ＨＴＬ與非門輸入端的延時電路2094－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析由圖４－１５可知，當(dāng)延時電路輸入端Ｕｉｎ由“０”變“１”時，由于二極管ＶＤ的隔離作用，電容Ｃ上的電壓不能突變，此時由＋１５Ｖ電源經(jīng)與非門中的Ｒ向Ｃ充電，ＵＣ由零開始按指數(shù)曲線逐漸上升，上升到與非門的開門電壓時，與非門的輸出開始翻轉(zhuǎn)，由“１”變“０”（設(shè)與非門的其他輸入端都是高電平）。這樣就使與非門的輸出由“１”變“０”得到延時，延時的時間和ＵＣ的上升速度有關(guān)，也就是和時間常數(shù)τ＝ＲＣ有關(guān)，改變電容的大小就可以得到不同的延時。延時時間ｔ可由下式計算：2104－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析Ｒ———充電回路電阻（在與非門內(nèi)）；Ｃ———外接電容的電容值；Ｕ———ＨＴＬ與非門的電源電壓，Ｕ＝１５Ｖ；ＵＣ———與非門開門電平，一般約為８.５Ｖ。根據(jù)所需的延時時間可計算相應(yīng)的電容值，設(shè)Ｕ＝１５Ｖ，ＵＣ＝８５Ｖ，Ｒ＝８.２ｋΩ，封鎖延時ｔ１＝３ｍｓ，開放延時ｔ２＝７ｍｓ，則：式中211由圖４－１５還可看出，當(dāng)延時電路輸入電壓Ｕｉｎ由“１”變?yōu)椤埃啊睍r，電容Ｃ通過二極管ＶＤ放電。由于放電回路時間常數(shù)很小，所以放電過程很短，幾乎是瞬時完成的。這樣當(dāng)Ｕｉｎ由“１”變?yōu)椤埃啊睍r，Ｕｅｘ立即由“０”變?yōu)椤埃薄倍鵁o延時?，F(xiàn)在的問題是，為了得到ｔ１和ｔ２兩段延時，相應(yīng)的兩個延時電路應(yīng)接在邏輯電路的哪個與非門上？要回答這個問題，須分析邏輯電路的動作過程。例如，從正組切換到反組，應(yīng)在ＵＴ從“１”變?yōu)椤埃啊保眨谟伞埃啊弊優(yōu)椤埃薄敝?，延時ｔ１使ＵＦ由“１”變?yōu)椤埃啊?，再延時ｔ２使ＵＲ由“０”變?yōu)椤埃薄薄Ｔ趫D４－１４所示的邏輯電路中，ＵＴ從“１”變?yōu)椤埃啊睍r，ＮＡ１的輸出已為“１”，這個“１”信號作用到ＮＡ２的一個輸入端，等到另一個輸入端的ＵＺ也由“０”變“１”時，ＮＡ２輸出隨即翻成“０”，而ＮＡ４輸出ＵＲ立即從“０”變成“１”，再經(jīng)過ＮＡ３使ＵＦ從“１”變?yōu)椤埃啊?，這里沒有任何延時當(dāng)然是不行的。212如果在ＵＲ翻轉(zhuǎn)以后，經(jīng)過延時電容Ｃ１再使ＮＡ３輸出ＵＦ從“１”變成“０”，這樣就有了封鎖延時ｔ１。另外，不讓ＮＡ４的輸出ＵＲ直接控制反組觸發(fā)電路，而是經(jīng)過帶延時電容Ｃ２（Ｃ２＝Ｃ１）的與非門ＮＡ６和非門ＮＡ８，由ＮＡ８的輸出ＵＲ′去封鎖反組脈沖，這樣在ＵＲ由“０”翻到“１”以后，經(jīng)過延時ｔ１＋ｔ２才開放反組脈沖，它比ＵＦ的翻轉(zhuǎn)又滯后了一段時間ｔ２。以上是從正組切換到反組的情況。從反組切換到正組也是一樣，相應(yīng)地還要增設(shè)另一套延時電容Ｃ１和Ｃ２，以及與非門ＮＡ５和非門ＮＡ７，ＮＡ７的輸出ＵＦ′才是真正封鎖正組脈沖的信號。增設(shè)延時電路后的邏輯電路，如圖４－１６所示。圖４－１６帶有延時環(huán)節(jié)的邏輯判斷電路2134－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析４.邏輯聯(lián)鎖保護電路系統(tǒng)正常工作時，邏輯電路的兩個輸出Ｕ′Ｆ和Ｕ′Ｒ總是相反的，以保證不出現(xiàn)兩組脈沖同時開放。但是，一旦電路發(fā)生故障，若出現(xiàn)Ｕ′Ｆ和Ｕ′Ｒ同時為“１”的情況，則會造成兩組晶閘管同時開放而導(dǎo)致電源短路。圖４－１７邏輯聯(lián)鎖保護電路為了避免這種事故，增設(shè)了邏輯聯(lián)鎖保護電路，如圖４－１７所示。2144－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析圖中點畫線框內(nèi)為觸發(fā)器封鎖電路接線示意圖。當(dāng)Ｕ′Ｆ和Ｕ′Ｒ正常時，一個為“１”，另一個為“０”，這時ＮＡ９的輸出點Ｂ的電位始終為“１”，則實際的脈沖封鎖Ｕｂｌｆ和Ｕｂｌｒ與Ｕ′Ｆ和Ｕ′Ｒ的狀態(tài)相同，一組開放，一組封鎖。圖４－１８

無環(huán)流邏輯切換裝置原理圖當(dāng)發(fā)生事故時，如果Ｕ′Ｆ和Ｕ′Ｒ同時為“１”，則ＮＡ９的輸出Ｂ點電位變?yōu)椤埃啊?，把Ｕｂｌｆ和Ｕｂｌｒ都拉到“０”，兩組脈沖同時封鎖，并發(fā)出“邏輯故障”信號。2154－2

電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析以上詳細地分析了邏輯無環(huán)流電樞可逆調(diào)速系統(tǒng)的基本方案和工作原理。它與有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)相比，主要優(yōu)點是：不需要設(shè)置環(huán)流電抗器，沒有附加的環(huán)流損耗，可減少變壓器和晶閘管裝置的設(shè)備容量；另外，因換流失敗而造成的事故率比有環(huán)流系統(tǒng)要低。不足之處是它有換向死區(qū)，影響過渡過程的快速性。4－3直流調(diào)速器第四章2162174－3直流調(diào)速器一、直流調(diào)速器的工作原理直流調(diào)速器是一種模塊式直流電動機調(diào)速裝置，集電源、控制、驅(qū)動電路于一體。直流調(diào)速器采用立體結(jié)構(gòu)布局，控制電路采用微功耗元件，用光電耦合器實現(xiàn)電流、電壓的隔離變換，電路的比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)用ＰＩＤ適配器調(diào)整。圖４－１９直流調(diào)速器外形直流調(diào)速器體積小、重量輕，可單獨使用也可直接安裝在直流電動機上構(gòu)成一體化直流調(diào)速電動機。常見的直流調(diào)速器外形如圖４－１９所示。2184－3直流調(diào)速器一、直流調(diào)速器的工作原理直流調(diào)速器的上端和交流電源連接，下端和直流電動機連接，直流調(diào)速器將交流電轉(zhuǎn)化成兩路輸出直流電源，一路輸入給直流電動機礪磁（定子），一路輸入給直流電動機電樞（轉(zhuǎn)子），直流調(diào)速器通過控制電樞直流電壓來調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速。同時，直流電動機給調(diào)速器一個反饋電流，調(diào)速器根據(jù)反饋電流來判斷直流電動機的轉(zhuǎn)速情況，必要時修正電樞電壓輸出，以此來再次調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。2194－3直流調(diào)速器二、常用直流調(diào)速器的外形結(jié)構(gòu)和工作方式隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，過去的模擬控制系統(tǒng)正在被數(shù)字控制系統(tǒng)所代替。在帶有微型計算機的通用全數(shù)字直流調(diào)速裝置中，在不改變硬件或改動很少的情況下，僅依靠軟件支持，就可以方便地實現(xiàn)各種調(diào)節(jié)和控制功能，因而，全數(shù)字直流調(diào)速裝置的可靠性和應(yīng)用的靈活性要明顯優(yōu)于模擬控制系統(tǒng)。常用的直流調(diào)速器有西門子直流調(diào)速器（６ＲＡ７０系列）、ＡＢＢ直流調(diào)速器（ＤＣＳ５００系列）、泰萊德自動化ＴＬＤＥ直流調(diào)速器（ＤＣ９００Ｃ型系列）和派克直流調(diào)速器（５９０Ｃ、５９０Ｐ系列）。本節(jié)以６ＲＡ７０系列通用全數(shù)字直流調(diào)速裝置為例進行介紹。2204－3直流調(diào)速器西門子６ＲＡ７０系列直流調(diào)速裝置為三相交流電源直接供電的全數(shù)字控制裝置，用于可調(diào)速直流電動機電樞和勵磁供電，裝置額定電流范圍為１５～２２００Ａ，可通過并聯(lián)西門子整流裝置進行擴展。１.外形結(jié)構(gòu)６ＲＡ７０系列直流調(diào)速裝置的規(guī)格型號不同，形狀尺寸也不同，如圖４－２０所示。圖４－２０西門子６ＲＡ７０外形圖2214－3直流調(diào)速器從功能上看，６ＲＡ７０系列直流調(diào)速裝置是由數(shù)字電子電路和晶閘管電路綜合構(gòu)成的一種電氣裝置，其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，各個單元容易拆裝，所以易于維護和保養(yǎng)。１.外形結(jié)構(gòu)裝置釆用模板化結(jié)構(gòu)，其基本模板包括功率模板、功率接口模板、電子板、簡易操作面板等。這些模板依次安裝在裝置內(nèi)部，如圖４－２１所示。圖４－２１６ＲＡ７０系列直流調(diào)速裝置模板安裝結(jié)構(gòu)2224－3直流調(diào)速器西門子６ＲＡ７０系列直流調(diào)速裝置配備一個簡易操作面板（ＰＭＵ），安裝在門上，如圖４－２２所示。簡易操作面板提供了啟動整流器、對整流器進行調(diào)整和設(shè)定以及顯示測量值的所有工具。控制面板由５位７段數(shù)碼管顯示器和三個狀態(tài)指示ＬＥＤ（發(fā)光二極管）以及三個參數(shù)控制鍵（Ｐ鍵、上