《自動控制技術(shù)（第二版）》課件 李國偉 第4、5章 直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、異步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)

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)（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(biāo)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(jī)只能朝一個(gè)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，然而許多生產(chǎn)機(jī)械卻要求電動機(jī)既能正、反轉(zhuǎn)，又能快速制動，此時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)矩的方向。由直流他勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩Ｔ＝ＫｍΦＩｄ可知，要改變電動機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)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(yùn)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(yùn)行，偶爾才需要反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械，可以只用一組晶閘管整流裝置給電動機(jī)電樞供電，再用接觸器切換加在電動機(jī)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(shí)，電動機(jī)端電壓為Ａ（＋），Ｂ（－），電動機(jī)正轉(zhuǎn)；如果反向接觸器ＫＭＲ吸合，電動機(jī)端電壓變成Ａ（－），Ｂ（＋），電動機(jī)反轉(zhuǎn)。這種方案比較簡單、經(jīng)濟(jì)。但是，接觸器頻繁切換時(shí)，其動作噪聲較大，使用壽命較低，動作時(shí)間長，所以只適用于不經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)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(diǎn)器件的缺點(diǎn)，可以采用無觸點(diǎn)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(shí)，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)ＶＴ３和ＶＴ４晶閘管開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電動機(jī)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(gè)晶閘管作開關(guān)，對其耐壓電流容量的要求比較高，經(jīng)濟(jì)上無明顯優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(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。正、反向運(yùn)行時(shí)拖動系統(tǒng)工作在Ⅰ、Ⅲ兩個(gè)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(jī)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(jī)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(shí)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(yán)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(dú)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(shí)工作時(shí)，會產(chǎn)生不經(jīng)過負(fù)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(fù)擔(dān)，環(huán)流太大時(shí)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(fù)載電流，能使電動機(jī)在空載或輕載時(shí)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(gè)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(jī)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(yùn)行偶爾才需要反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械，可以只用一組晶閘管整流裝置給電動機(jī)勵磁供電，再用接觸器切換加在電動機(jī)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(shí)，電動機(jī)勵磁端電壓為Ａ（＋），Ｂ（－），電動機(jī)正轉(zhuǎn)；如果反向接觸器ＫＭＲ吸合，電動機(jī)勵磁端電壓變成Ａ（－），Ｂ（＋），電動機(jī)反轉(zhuǎn)。這種方案比較簡單、經(jīng)濟(jì)。但是，接觸器頻繁切換時(shí)，噪聲較大，動作時(shí)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(jī)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(jī)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(jī)，勵磁反接的方案投資較少，在經(jīng)濟(jì)上是比較便宜的。但是，由于勵磁回路電感量大，時(shí)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(shí)間里，如果電樞電流依然存在，電動機(jī)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(shí)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(yáng)機(jī)、礦井提升機(jī)、電力機(jī)車等。174三、晶閘管—電動機(jī)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(jī)的電動運(yùn)行提供能量。但是，有的生產(chǎn)機(jī)械，例如，冷軋開卷機(jī)，在所加靜張力給定時(shí)，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(shí)，開卷機(jī)在鋼帶的拖動下運(yùn)轉(zhuǎn)，而且保持一定的張力，因此開卷機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，這時(shí)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(shí)的Ｉｄ由電動機(jī)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(jī)Ｖ－Ｍ系統(tǒng)整流和逆變狀態(tài)。圖４－６開卷機(jī)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娦裕瑑煞N狀態(tài)中電流方向不變，而電動機(jī)的端電壓的極性相反。因此，在整流狀態(tài)時(shí)向電動機(jī)輸出電能，而在逆變狀態(tài)時(shí)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(shí)現(xiàn)逆變要有兩個(gè)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(gè)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，電動機(jī)只能工作在第Ⅰ和第Ⅳ象限。然而有不少生產(chǎn)機(jī)械在運(yùn)行過程中需要快速地減速或停車，最經(jīng)濟(jì)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?yàn)樵跍p速時(shí)，電動機(jī)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(shí)現(xiàn)逆變，電動機(jī)也不能實(shí)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(jī)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)如圖４－７所示。它能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)ａ）反并聯(lián)線路ｂ）機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài)（１）正向運(yùn)行這時(shí)正組處于整流狀態(tài)，正組晶閘管裝置ＶＦ給電動機(jī)供電，電動機(jī)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(yùn)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(jī)成為發(fā)電機(jī)，電能經(jīng)晶閘管回饋電網(wǎng)。這時(shí)電動機(jī)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(yùn)行在第Ⅱ象限。依此類推，當(dāng)電動機(jī)反向運(yùn)行和反向回饋制動時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)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(jī)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(jī)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(shí)間內(nèi)供給制動電流，并不提供穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流，因而實(shí)際容量可以小一些。對于可逆系統(tǒng)來說，在正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)可利用反組晶閘管實(shí)現(xiàn)回饋制動，反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)同樣可利用正組晶閘管實(shí)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(shí)，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(shí)脈動環(huán)流的無環(huán)流系統(tǒng)。無環(huán)流系統(tǒng)按實(shí)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(cuò)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(shí)，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(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(yùn)行時(shí)電流波形的連續(xù)，仍應(yīng)保留平波電抗器Ｌｄ。控制線路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，電流環(huán)分設(shè)了ＡＣＲ１和ＡＣＲ２兩個(gè)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(shí)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(yán)重的短路事故，所以對工作時(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)封鎖反組脈沖，在反組晶閘管ＶＲ工作時(shí)封鎖正組脈沖，二者必居其一，決不允許兩組脈沖同時(shí)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(shí)為“１”。對于指揮邏輯控制器動作，系統(tǒng)反轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)該開放反組晶閘管，系統(tǒng)正轉(zhuǎn)制動（或減速）時(shí)，也要利用反組晶閘管的逆變狀態(tài)來實(shí)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(shí)為負(fù)，正轉(zhuǎn)制動（或減速）時(shí)為零（或正），顯然不能用作邏輯切換的指令。從電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)看，反轉(zhuǎn)運(yùn)行和正轉(zhuǎn)制動（或減速）的共同特征是，要求電動機(jī)產(chǎn)生負(fù)的轉(zhuǎn)矩，也就是在勵磁恒定時(shí)，要求有負(fù)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(gè)任務(wù)。在反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，Ｕ*ｉ應(yīng)為正，在正轉(zhuǎn)制動時(shí)，Ｕ*ｉ也為正。Ｕ*ｉ的極性恰好反映了系統(tǒng)要產(chǎn)生負(fù)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(fù)變正時(shí)，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(fù)時(shí)，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?yàn)椋?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(yùn)行需要制動時(shí)，Ｕ*ｉ由負(fù)變正標(biāo)志著制動過程的開始，但當(dāng)實(shí)際電流尚未反向以前，仍須保持正組開放，以便進(jìn)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(shí)際電流降到零的時(shí)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(jìn)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(shí)間。等到電樞電流真正到零時(shí)，再發(fā)出一個(gè)“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(gè)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(shí)時(shí)間，以確保系統(tǒng)可靠工作，這就是封鎖延時(shí)ｔ１和開放延時(shí)ｔ２。封鎖延時(shí)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(shí)間。因?yàn)殡娏魑唇档搅阋郧?，其所含的脈動分量是時(shí)高時(shí)低的，如圖４－９所示。圖４－９零電流檢測及封鎖延時(shí)作用ａ）無封鎖延時(shí)造成逆變顛覆ｂ）設(shè)置封鎖延時(shí)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(shí)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(gè)最小動作電流Ｉ０，如果脈動電流瞬時(shí)值低于Ｉ０而實(shí)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(shí)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(shí)之后，檢測到的零電流信號等待一段時(shí)間ｔ１仍不見超過Ｉ０，說明電流確已斷開，這時(shí)再封鎖本組脈沖就不會有問題了。開放延時(shí)ｔ２是從封鎖原工作脈沖到開放另一組脈沖之間的等待時(shí)間。因?yàn)樵诜怄i原工作組脈沖時(shí)，已被觸發(fā)的晶閘管要到電流過零時(shí)才真正關(guān)斷，關(guān)斷之后還要過一段時(shí)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(shí)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(shí)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(hù)電路，使其輸出Ｕｂｌｆ和Ｕｂｌｒ不能同時(shí)為“１”態(tài)，以保證兩組晶閘管的觸發(fā)脈沖不能同時(shí)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(shí)時(shí)間ｔ１才能封鎖原導(dǎo)通組脈沖，再經(jīng)過開放延時(shí)時(shí)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(shí)加觸發(fā)脈沖。一組工作時(shí)，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(shí)和邏輯聯(lián)鎖保護(hù)四個(gè)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(yùn)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(jìn)行運(yùn)算的，所以需要一個(gè)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(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。電平檢測器通常是用具有正反饋的運(yùn)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(shí)，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(yùn)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(fù)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(fù)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(qiáng)度（即Ｒ１的大?。┘纯筛淖兓丨h(huán)的寬度。Ｒ１越小，正反饋越強(qiáng)，回環(huán)越寬。因?yàn)椋?994－2

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(fù)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(gè)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(jìn)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(biāo)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(fù)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(shí)，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(shí)，Ｕｉ０雖然為正，但數(shù)值較小或?yàn)榱?，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(shí)開放脈沖，“０”態(tài)時(shí)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(shí)，ＵＴ為“１”，ＵＦ為“１”，開放正組脈沖；ＵＲ為“０”，封鎖反組脈沖。此時(shí)轉(zhuǎn)矩Ｔ為“＋”。Ｕ*ｉ為“＋”時(shí)，ＵＴ為“０”，ＵＲ為“１”，開放反組脈沖；ＵＦ為“０”，封鎖正組脈沖。此時(shí)轉(zhuǎn)矩Ｔ為“－”。主回路有電流（即“無”零電流）時(shí)，ＵＺ為“０”。主回路無電流（即“有”零電流）時(shí)，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(yùn)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(shí)，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(shí)要求正組仍開放，實(shí)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(shí)，ＵＺ＝“１”，正、反組進(jìn)行切換，ＵＦ＝“０”，ＵＲ＝“１”；當(dāng)反組開放后，建立反向電流，進(jìn)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(shí)，邏輯判斷電路輸出才會翻轉(zhuǎn)。在任何時(shí)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(yùn)算法則，上式可簡化為：為了使邏輯裝置具有較強(qiáng)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(gè)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(shí)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(shí)，所以在邏輯裝置中還必須設(shè)置延時(shí)電路。延時(shí)電路有多種，最簡單的延時(shí)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(shí)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(shí)電路輸入端Ｕｉｎ由“０”變“１”時(shí)，由于二極管ＶＤ的隔離作用，電容Ｃ上的電壓不能突變，此時(shí)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(shí)，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(shí)，延時(shí)的時(shí)間和ＵＣ的上升速度有關(guān)，也就是和時(shí)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(shí)。延時(shí)時(shí)間ｔ可由下式計(jì)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(shí)時(shí)間可計(jì)算相應(yīng)的電容值，設(shè)Ｕ＝１５Ｖ，ＵＣ＝８５Ｖ，Ｒ＝８.２ｋΩ，封鎖延時(shí)ｔ１＝３ｍｓ，開放延時(shí)ｔ２＝７ｍｓ，則：式中211由圖４－１５還可看出，當(dāng)延時(shí)電路輸入電壓Ｕｉｎ由“１”變?yōu)椤埃啊睍r(shí)，電容Ｃ通過二極管ＶＤ放電。由于放電回路時(shí)間常數(shù)很小，所以放電過程很短，幾乎是瞬時(shí)完成的。這樣當(dāng)Ｕｉｎ由“１”變?yōu)椤埃啊睍r(shí)，Ｕｅｘ立即由“０”變?yōu)椤埃薄倍鵁o延時(shí)?，F(xiàn)在的問題是，為了得到ｔ１和ｔ２兩段延時(shí)，相應(yīng)的兩個(gè)延時(shí)電路應(yīng)接在邏輯電路的哪個(gè)與非門上？要回答這個(gè)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?，ＵＺ由“０”變?yōu)椤埃薄敝?，延時(shí)ｔ１使ＵＦ由“１”變?yōu)椤埃啊保傺訒r(shí)ｔ２使ＵＲ由“０”變?yōu)椤埃薄?。在圖４－１４所示的邏輯電路中，ＵＴ從“１”變?yōu)椤埃啊睍r(shí)，ＮＡ１的輸出已為“１”，這個(gè)“１”信號作用到ＮＡ２的一個(gè)輸入端，等到另一個(gè)輸入端的ＵＺ也由“０”變“１”時(shí)，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)椤埃啊保@里沒有任何延時(shí)當(dāng)然是不行的。212如果在ＵＲ翻轉(zhuǎn)以后，經(jīng)過延時(shí)電容Ｃ１再使ＮＡ３輸出ＵＦ從“１”變成“０”，這樣就有了封鎖延時(shí)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(shí)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(shí)ｔ１＋ｔ２才開放反組脈沖，它比ＵＦ的翻轉(zhuǎn)又滯后了一段時(shí)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(shí)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(shí)電路后的邏輯電路，如圖４－１６所示。圖４－１６帶有延時(shí)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(hù)電路系統(tǒng)正常工作時(shí)，邏輯電路的兩個(gè)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(shí)開放。但是，一旦電路發(fā)生故障，若出現(xiàn)Ｕ′Ｆ和Ｕ′Ｒ同時(shí)為“１”的情況，則會造成兩組晶閘管同時(shí)開放而導(dǎo)致電源短路。圖４－１７邏輯聯(lián)鎖保護(hù)電路為了避免這種事故，增設(shè)了邏輯聯(lián)鎖保護(hù)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(diǎn)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(shí)，一個(gè)為“１”，另一個(gè)為“０”，這時(shí)ＮＡ９的輸出點(diǎn)Ｂ的電位始終為“１”，則實(shí)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(shí)，如果Ｕ′Ｆ和Ｕ′Ｒ同時(shí)為“１”，則ＮＡ９的輸出Ｂ點(diǎn)電位變?yōu)椤埃啊?，把Ｕｂｌｆ和Ｕｂｌｒ都拉到“０”，兩組脈沖同時(shí)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(xì)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(diǎn)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(jī)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(shí)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(dú)使用也可直接安裝在直流電動機(jī)上構(gòu)成一體化直流調(diào)速電動機(jī)。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(jī)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(jī)礪磁（定子），一路輸入給直流電動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速。同時(shí)，直流電動機(jī)給調(diào)速器一個(gè)反饋電流，調(diào)速器根據(jù)反饋電流來判斷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速情況，必要時(shí)修正電樞電壓輸出，以此來再次調(diào)節(jié)電動機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)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(jìn)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(jī)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(jìn)行擴(kuò)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(gè)單元容易拆裝，所以易于維護(hù)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(gè)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(jìn)行調(diào)整和設(shè)定以及顯示測量值的所有工具?？刂泼姘逵桑滴唬范螖?shù)碼管顯示器和三個(gè)狀態(tài)指示ＬＥＤ（發(fā)光二極管）以及三個(gè)參數(shù)控制鍵（Ｐ鍵、上升鍵▲、下降鍵▼）組成。１.外形結(jié)構(gòu)（１）簡易操作面板圖４－２２門上的簡易操作面板2234－3直流調(diào)速器其中：Ｐ鍵用于在變址參數(shù)時(shí)，完成參數(shù)號（參數(shù)方式）、參數(shù)值（數(shù)值方式）和變址號（變址方式）之間的轉(zhuǎn)換；上升鍵（▲）用于控制參數(shù)方式時(shí)，選擇一個(gè)更高的參數(shù)號；下降鍵（▼）用于控制參數(shù)方式時(shí)，選擇一個(gè)較低的參數(shù)號。Ｒｕｎ綠色ＬＥＤ亮起，表示“轉(zhuǎn)矩方向激活”狀態(tài)；Ｒｅａｄｙ黃色ＬＥＤ亮起，表示“準(zhǔn)備好”狀態(tài)；Ｆａｕｌｔ紅色ＬＥＤ亮起，表示“出現(xiàn)故障”狀態(tài)；ＬＥＤ閃爍表示設(shè)備發(fā)出報(bào)警。１.外形結(jié)構(gòu)（１）簡易操作面板2244－3直流調(diào)速器此外，在簡易操作面板上還有一個(gè)控制信號接口Ｘ３００，與ＰＬＣ或ＰＣ機(jī)串口連接后，可以在中央控制中心或控制室對整流器進(jìn)行控制和操作。６ＲＡ７０系列直流調(diào)速裝置通過簡易操作面板更改設(shè)定值（參數(shù)），激活整流器功能或顯示測量值。在電子板電源電壓接通后，操作面板通常顯示６ＲＡ７０系列直流調(diào)速裝置當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)直流調(diào)速裝置處于故障／報(bào)警狀態(tài)時(shí)，顯示故障或報(bào)警號。１.外形結(jié)構(gòu)（１）簡易操作面板2254－3直流調(diào)速器１.外形結(jié)構(gòu)（２）電子板電子板上集成有ＣＰＵ處理器Ｃ１６３和Ｃ１６７、１０２４ＫＢ的ＦｌａｓｈＥＰＲＯＭ（快可擦只讀存儲器），雙處理器處理電樞回路、勵磁回路開環(huán)和閉環(huán)所有傳動控制功能?；倦娮影搴推渌糜诩夹g(shù)擴(kuò)展和串行接口的附加板位于電子箱內(nèi)。６ＲＡ７０系列直流調(diào)速裝置中內(nèi)置了豐富的工藝控制軟件模塊，無需編程只需提供必要的參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償控制、位置控制、壓力控制等工藝控制，不需要額外增加硬件投資。高性能的計(jì)算特性保證了傳動裝置優(yōu)良的動態(tài)性能，電流環(huán)的上升時(shí)間為６～９ｍｓ，速度環(huán)的上升時(shí)間為２５ｍｓ。2264－3直流調(diào)速器１.外形結(jié)構(gòu)（３）功率模塊６ＲＡ７０系列直流調(diào)速裝置的電樞回路采用三相橋式電路，單象限工作裝置的電樞由三相全控橋供電，四象限工作整流器通過兩個(gè)三相全控橋無環(huán)流反并聯(lián)連接電路供電；６ＲＡ７０系列直流調(diào)速裝置的勵磁回路采用單相半控橋電路。對于額定直流電流為１５～８５０Ａ（４００Ｖ電源電壓時(shí)為１２００Ａ）的整流器，電樞和勵磁回路的功率單元采用獨(dú)立晶閘管模塊結(jié)構(gòu)，散熱器是絕緣的。高于額定直流電流的整流器，電樞回路的功率單元由平板式晶閘管和散熱器構(gòu)成，其外部是帶電的。2274－3直流調(diào)速器１.外形結(jié)構(gòu)（４）接口和擴(kuò)展板除上述提到的基本模板外，６ＲＡ７０系列直流調(diào)速裝置的硬件可以通過模板化方式擴(kuò)展，如模擬量和開關(guān)量輸入和輸出擴(kuò)展板，裝置與裝置直接并聯(lián)的擴(kuò)展板，與上位機(jī)自動化ＰＬＣ系統(tǒng)通信的通信板以及針對各種工藝控制的工藝板。通過基本單元上的串行接口，應(yīng)用適當(dāng)?shù)能浖?，?biāo)準(zhǔn)的ＰＣ機(jī)也可以對整流器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。這個(gè)ＰＣ接口可用在啟動、停機(jī)維護(hù)和運(yùn)行診斷過程中。此外，整流器的軟件升級可通過這個(gè)接口，裝載存儲到閃存中。2284－3直流調(diào)速器２.工作方式６ＲＡ７０系列直流調(diào)速裝置可根據(jù)不同的應(yīng)用場合，選擇單象限或四象限工作，裝置本身帶有參數(shù)設(shè)定單元，不需要其他任何附加設(shè)備即可完成參數(shù)的設(shè)定，所有的控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視以及附加功能都由微處理器來實(shí)現(xiàn)?？蛇x擇給定值和反饋值為數(shù)字量或模擬量。６ＲＡ７０系列直流調(diào)速裝置的軟件采用ＦＬＡＳＨＥＰＲＯＭ存放，軟件升級方便快捷，通過使用基本裝置的串行接口寫入可以方便地更換?，F(xiàn)在，６ＲＡ７０系列直流調(diào)速裝置已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，控制器的核心器件已經(jīng)在國內(nèi)外得到可靠實(shí)例的證實(shí)，可靠性、安全性方面較有保障。感謝傾聽229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）230異步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)第五章231232第五章5－１

變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識5－２

變頻器的分類及工作原理5－３

轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)5－4

異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)5－5

異步電動機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)5－6

異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)5－１

變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識第五章233學(xué)習(xí)目標(biāo)１.熟悉變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識。２.掌握變頻器的分類及工作原理。３.熟悉轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理。４.了解異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理。５.了解異步電動機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理。６.了解異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理。2345-1變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識235由異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速ｎ＝６０ｆ１／ｐ（１－Ｓ）可知，當(dāng)極對數(shù)ｐ不變時(shí)，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速ｎ和電源頻率ｆ１成正比。連續(xù)地改變供電電源頻率，就可以平滑地調(diào)節(jié)電動機(jī)的速度。這種調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速。變頻調(diào)速具有很好的調(diào)速性能，在交流調(diào)速方式中具有重要的意義，應(yīng)用相當(dāng)廣泛，是可與直流雙閉環(huán)系統(tǒng)相競爭的調(diào)速方式。對于實(shí)際的生產(chǎn)機(jī)械，不但要求可以調(diào)速，而且要求有較好的調(diào)速性能。連續(xù)改變異步電動機(jī)的供電頻率，可以平滑地調(diào)速。由電機(jī)學(xué)可知，異步電動機(jī)有以下關(guān)系式：5-1變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識236式中，定子繞組匝數(shù)Ｎ１、定子繞組系數(shù)ＫＮ１為常數(shù)。在電源頻率ｆ１一定時(shí)，定子繞組感應(yīng)電動勢Ｅ１與產(chǎn)生它的氣隙合成磁通Φｍ成正比。忽略定子阻抗壓降時(shí)，定子電壓Ｕ１與Ｅ１近似相等。由式（５－１）可知，若Ｕ１不變，ｆ１與Φｍ成反比。如果ｆ１下降，則Φｍ增加，使磁路過飽和，勵磁電流迅速上升，鐵損增加，電動機(jī)效率降低，同時(shí)也使功率因數(shù)減小。如果ｆ１上升，則Φｍ減小，電磁轉(zhuǎn)矩減小，電動機(jī)的過載能力下降?？梢?，在調(diào)節(jié)ｆ１的同時(shí)，還要協(xié)調(diào)控制其他量，才可以使異步電動機(jī)具有較好的性能。一般是在調(diào)節(jié)ｆ１的同時(shí)，控制Ｕ１或定子電流Ｉ１。兩個(gè)被控量的協(xié)調(diào)關(guān)系不同時(shí)，有不同的機(jī)械特性。5-1變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識237一、保持Ｕ１／ｆ１恒定的控制方式一般生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載多為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。對恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，希望在調(diào)速過程中保持最大轉(zhuǎn)矩Ｔｍａｘ不變，即電動機(jī)的過載能力不變。由電機(jī)學(xué)可知，最大轉(zhuǎn)矩Ｔｍａｘ為：式中，Ｘ１和Ｘ２′為定子漏電抗和轉(zhuǎn)子漏電抗的折合值。若忽略定子電阻ｒ１，考慮到Ｘ１十Ｘ′２＝Ｘｋ＝２πｆ１（Ｌ１＋Ｌ′２），則Ｔｍａｘ∝（Ｕ１／ｆ１）２。所以，在從額定頻率（稱為基頻）向下調(diào)節(jié)ｆ１時(shí)，協(xié)調(diào)控制Ｕ１，使Ｕ１與ｆ１的比值保持不變，即可保證在調(diào)速過程中，電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變。該方式稱為恒壓頻比控制方式。5-1變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識238一、保持Ｕ１／ｆ１恒定的控制方式在頻率較高時(shí)，定子電阻ｒ１相對于短路電抗Ｘｋ來說可以忽略（因?yàn)椋兀搿兀妫保?。在調(diào)節(jié)ｆ１的同時(shí)，調(diào)節(jié)Ｕ１，并保持Ｕ１／ｆ１＝常數(shù)，即可使Ｔｍａｘ不變。但是在頻率較低時(shí)，ｒ１相對Ｘｋ來說不能忽略。此時(shí)，即使保持壓頻比恒定，Φｍ也要減小，從而使最大轉(zhuǎn)矩Ｔｍａｘ減小。電動機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，過載能力隨轉(zhuǎn)速ｎ的降低而降低。因此，這種控制方式的變頻調(diào)速只適用于風(fēng)機(jī)類負(fù)載，或是輕載啟動且要求調(diào)速范圍較小的場合。對于要求調(diào)速范圍大的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，希望在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)保持最大轉(zhuǎn)矩不變，即Φｍ不變，由公式（５－１）看出，可以采用Ｅ１／ｆ１＝常數(shù)的控制方式，也稱為恒磁通控制方式。5-1變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識239由于異步電動機(jī)的感應(yīng)電動勢Ｅ１不好測量和控制，所以在實(shí)際應(yīng)用中，多采用補(bǔ)償?shù)霓k法。隨著ｆ１的降低，適當(dāng)提高Ｕｌ，以補(bǔ)償ｒ１上的壓降，等效地滿足Ｅｌ／ｆ１＝常數(shù)，以達(dá)到維持最大轉(zhuǎn)矩不變的目的。圖５－１所示的曲線１為Ｕ１／ｆ１＝常數(shù)時(shí)的Ｕ１與ｆ１的關(guān)系曲線；曲線２是隨ｆ１的降低，逐漸增加補(bǔ)償量時(shí)的Ｕｌ與ｆ１的關(guān)系曲線；曲線３所示的補(bǔ)償情況，除與曲線２有相同作用外，考慮到低頻空載時(shí)，由于電阻壓降減小，應(yīng)減少補(bǔ)償量，否則將使電動機(jī)磁通Φｍ增大，導(dǎo)致磁路過飽和帶來的問題，故Ｕｌ與ｆ１的曲線是折線。具體如何選擇這一曲線，要根據(jù)生產(chǎn)工藝要求而定。圖５－１恒磁通變頻調(diào)速時(shí)的補(bǔ)償特性2405-1變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識二、恒功率控制方式電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時(shí)，電源頻率將大于額定頻率，如按以上控制方式，定子電壓要相應(yīng)地高于額定電壓，這是不允許的。因此，在基頻以上應(yīng)采取恒功率控制方式。這與直流電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以上，采用恒壓弱磁調(diào)速相似。此時(shí)，由于定子電壓限制在允許范圍內(nèi)，頻率升高，致使氣隙磁通減小，轉(zhuǎn)矩減小，但因?yàn)檗D(zhuǎn)速上升了，所以屬恒功率性質(zhì)。只要滿足Ｕ２１／ｆ１為常數(shù)的條件，即可達(dá)到恒功率調(diào)速。實(shí)際在基頻以上調(diào)速時(shí)，是保持Ｕ１為額定值不變，而只升高頻率，所以為近似恒功率調(diào)速。綜上所述，一般在基頻以下采用Ｕ１／ｆ１為常數(shù)或Ｅ１／ｆ１為常數(shù)的控制方式，基頻以上采用恒功率控制方式。因此，要有針對性地研究機(jī)械特性。2415-1變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識三、機(jī)械特性由ｎ０＝６０ｆ１／ｐ可知，由不同的ｎ０可得到不同的機(jī)械特性。若再得知最大轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律和機(jī)械特性運(yùn)行段的斜率，即可大致畫出變頻調(diào)速的機(jī)械特性。１.最大轉(zhuǎn)矩當(dāng)ｆ１從基頻向下調(diào)，而數(shù)值較高時(shí)，ｒ１可忽略，Ｔｍａｘ∝Ｕ１／ｆ１，按壓頻比恒定的控制方式調(diào)速，最大轉(zhuǎn)矩基本保持不變。當(dāng)ｆ１數(shù)值較低時(shí)，ｒ１不可忽略，由公式（５－２）可見，最大轉(zhuǎn)矩將減小。這是因?yàn)樵冢颍鄙袭a(chǎn)生的壓降使得定子電動勢Ｅ１進(jìn)一步降低，氣隙磁通Φｍ減小，所以，即使保持Ｕ１／ｆ１＝常數(shù)，也不能保持Φｍ不變，致使最大轉(zhuǎn)矩Ｔｍａｘ減小。ｆ１下降越多，對ｒ１的影響越大，Ｔｍａｘ減小越多。為了提高低速時(shí)電動機(jī)的過載能力，必須適當(dāng)?shù)靥岣撸眨?，采用Ｅ１／ｆ１＝常?shù)的控制方式。當(dāng)從基頻向上調(diào)時(shí)，Ｕｌ保持額定值不變，ｆ１增加，Φｍ減小，Ｔｍａｘ隨之減小。2425-1變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識三、機(jī)械特性２.運(yùn)行段的斜率由電機(jī)學(xué)可知，臨界轉(zhuǎn)差率Ｓｍ為：又因?yàn)檗D(zhuǎn)速ｎ＝ｎ０（１－Ｓ），所以對應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速降為：可見Δｎｍ與頻率ｆ１無關(guān)。因此，無論在基頻以下還是基頻以上調(diào)速時(shí)，機(jī)械特性都是平行上下移動的。到頻率ｆ１很低時(shí)，ｒ１不可以忽略，Δｎｍ減小，機(jī)械特性更硬些。2435-1變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識２.運(yùn)行段的斜率根據(jù)以上分析，可以定性畫出如圖５－２ａ所示的機(jī)械特性。當(dāng)異步電動機(jī)在某一頻率下運(yùn)行時(shí)，如果將頻率迅速降低，ｎ０下降的幅度較大，使轉(zhuǎn)差率Ｓ變負(fù)，則可以使電動機(jī)過渡到回饋制動狀態(tài)，此時(shí)電動機(jī)運(yùn)行在第二象限，同直流電動機(jī)一樣，向電網(wǎng)回送電能。在減速過程中，如果始終保持頻率比轉(zhuǎn)速ｎ下降得快，即ｎ０比ｎ下降得快，電動機(jī)可以一直在回饋制動狀態(tài)下運(yùn)行，如圖５－２ｂ所示。這種減速和停車都是很經(jīng)濟(jì)的。圖５－２異步電動機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性ａ）機(jī)械特性ｂ）電動與發(fā)電狀態(tài)5－2變頻器的分類及工作原理第五章2442455－2變頻器的分類及工作原理變頻器的任務(wù)是把電壓和頻率恒定的電網(wǎng)電壓變成電壓和頻率可調(diào)的交流電。大多數(shù)情況下，是將工頻（５０Ｈｚ）交流電轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?、頻率可調(diào)的交流電。一、變頻器的分類１.按變換環(huán)節(jié)分類按變換環(huán)節(jié)不同，變頻器一般分類如下：2465－2變頻器的分類及工作原理（１）交—交變頻器把頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源。其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有中間環(huán)節(jié)，故變換效率高，但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍窄，一般為額定頻率的１／２以下（０～ｆＮ／２），故它主要用于容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。（２）交—直—交變頻器先把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率和電壓可調(diào)的三相交流電。由于把直流電逆變成交流電的環(huán)節(jié)較易控制，因此，在頻率的調(diào)節(jié)范圍，以及改善變頻后電動機(jī)的特性等方面都具有明顯的優(yōu)勢。該類變頻器目前得到了廣泛應(yīng)用。一、變頻器的分類１.按變換環(huán)節(jié)分類2475－2變頻器的分類及工作原理１）交—直—交變頻器按直流環(huán)節(jié)的儲能方式分①電流型直流環(huán)節(jié)的儲能元件是電感線圈Ｌ。②電壓型直流環(huán)節(jié)的儲能元件是電容器Ｃ。２）交—直—交變頻器按電壓的調(diào)制方式分１.按變換環(huán)節(jié)分類①ＰＡＭ（脈幅調(diào)制）變頻器輸出電壓的大小通過改變直流電壓的大小來進(jìn)行調(diào)制。在中小容量變頻器中，這種方式已經(jīng)不再使用。采用ＰＡＭ方式調(diào)節(jié)電壓時(shí)，變頻器輸出電壓波形如圖５－３所示。圖５－３采用ＰＡＭ方式調(diào)壓輸出的波形2485－2變頻器的分類及工作原理２）交—直—交變頻器按電壓的調(diào)制方式分１.按變換環(huán)節(jié)分類②ＰＷＭ（脈寬調(diào)制）變頻器輸出電壓的大小通過改變輸出脈沖的占空比來進(jìn)行調(diào)制。目前普遍應(yīng)用的是占空比按正弦規(guī)律安排的正弦波脈寬調(diào)制（ＳＰＷＭ）方式。采用ＰＷＭ方式調(diào)節(jié)電壓時(shí)，變頻器輸電壓波形如圖５－４所示。圖５－４采用ＰＷＭ方式調(diào)壓輸出的波形ａ）調(diào)制原理ｂ）輸出電壓波形2495－2變頻器的分類及工作原理（１）Ｕ／ｆ控制變頻器２.按控制方式分類Ｕ／ｆ控制又稱恒壓頻比控制，其特點(diǎn)是對變頻器輸出的電壓和頻率同時(shí)進(jìn)行控制。在電動機(jī)的額定頻率（即變頻器的基本頻率）以下調(diào)速時(shí)，通過保持Ｕ／ｆ恒定使電動機(jī)獲得所需的轉(zhuǎn)矩特性。這種控制方式的變頻器成本低，多用于精度要求不高的場合。（２）轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器轉(zhuǎn)差頻率控制也稱ＳＦ控制。轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器是通過電動機(jī)、速度傳感器構(gòu)成的速度反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其輸出頻率由電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差頻率之和自動設(shè)定，在調(diào)速控制的同時(shí)控制輸出轉(zhuǎn)矩。與Ｕ／ｆ控制相比，采用閉環(huán)控制，調(diào)速精度和動態(tài)特性較優(yōu)。但由于需要在電動機(jī)軸上安裝速度傳感器，并依據(jù)電動機(jī)特性調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差，通用性較差。2505－2變頻器的分類及工作原理（３）矢量控制變頻器矢量控制簡稱ＶＣ，是對交流電動機(jī)的一種新的控制思想和控制技術(shù)，也是異步電動機(jī)的一種理想調(diào)速方法。矢量控制的基本思想是將異步電動機(jī)等效成直流電動機(jī)模型，利用直流電動機(jī)雙閉環(huán)控制思想控制異步電動機(jī)。矢量控制方式使得異步電動機(jī)的高性能成為可能，所以在許多精密或快速控制領(lǐng)域得到應(yīng)用。（４）直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制簡稱ＤＴＣ，它是把轉(zhuǎn)矩直接作為控制量來控制。直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息，控制上對除定子電阻以外的所有電動機(jī)參數(shù)變化具有良好的魯棒性（即系統(tǒng)在不確定性的擾動下，保持某種性能不變的能力），能方便實(shí)現(xiàn)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。2515－2變頻器的分類及工作原理（１）通用變頻器３.按用途分類通用變頻器的特點(diǎn)是其通用性，通用變頻器目前根據(jù)應(yīng)用場合不同向兩個(gè)方向發(fā)展，一是低成本的簡易型通用變頻器；二是多功能的高性能通用變頻器。簡易型通用變頻器是一種以節(jié)能為主要目的簡化了一些系統(tǒng)功能的通用變頻器。它主要應(yīng)用于水泵、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)等對系統(tǒng)調(diào)速性能要求不高的場合，具有體積小、價(jià)格低等優(yōu)勢。高性能通用變頻器在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了變頻器在應(yīng)用中可能出現(xiàn)的各種需要，并為滿足這些需要在系統(tǒng)軟件和硬件方面做了相應(yīng)的準(zhǔn)備。在使用時(shí)，用戶可以根據(jù)負(fù)載特性選擇算法并對變頻器的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，也可以根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇廠家所提供的各種備用選件來滿足系統(tǒng)的特殊需要。2525－2變頻器的分類及工作原理（２）專用變頻器３.按用途分類１）高性能專用變頻器隨著控制理論、交流調(diào)速理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動機(jī)的矢量控制得到發(fā)展，矢量控制變頻器及其專用電動機(jī)構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)的性能已經(jīng)達(dá)到和超過了直流伺服系統(tǒng)。此外，由于異步電動機(jī)還具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)簡單等許多直流伺服電動機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，因此，在高速、高精度的控制要求下，這種高性能交流伺服變頻器正在逐步代替直流伺服系統(tǒng)。２）高頻變頻器在超精密機(jī)械加工中常要用到高速電動機(jī)。為了滿足其驅(qū)動的需要，出現(xiàn)了采用ＰＡＭ控制的高頻變頻器，其輸出主頻可達(dá)３ｋＨｚ，驅(qū)動兩極異步電動機(jī)時(shí)的最高轉(zhuǎn)速為１８００００ｒ／ｍｉｎ。2535－2變頻器的分類及工作原理（２）專用變頻器３.按用途分類３）高壓變頻器高壓變頻器一般是大容量的變頻器，最高功率可達(dá)５０００ｋＷ，電壓等級為３ｋＶ、６ｋＶ和１０ｋＶ。高壓大容量變頻器主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是用低壓變頻器通過升降壓變壓器構(gòu)成，稱為“高—低—高”式變壓變頻器，亦稱為間接式高壓變頻器。另一種采用大容量ＩＧＢＴ絕緣柵雙極晶閘管或ＩＧＣＴ集成門極換流晶閘管串聯(lián)方式，不經(jīng)變壓器直接將高壓電源整流為直流，再逆變輸出高壓，稱為“高—高”式高壓變頻器，亦稱為直接式高壓變頻器。2545－2變頻器的分類及工作原理主要指電壓和相數(shù)。在我國中小容量變頻器中，輸入電壓的額定值有以下幾種（均為線電壓）：（１）３８０Ｖ，三相這是絕大多數(shù)。（２）２２０Ｖ，三相主要用于某些進(jìn)口設(shè)備中。（３）２２０Ｖ，單相主要用于家用小容量變頻器中。此外，對輸入側(cè)電源電壓的頻率也都做了規(guī)定，通常都是工頻５０Ｈｚ或６０Ｈｚ。二、變頻器的額定值和頻率指標(biāo)１.輸入側(cè)的額定值2555－2變頻器的分類及工作原理（１）輸出電壓ＵＮ由于變頻器在變頻的同時(shí)也要變壓，所以，輸出電壓的額定值是指輸出電壓中的最大值。在大多數(shù)情況下，它就是輸出頻率等于電動機(jī)額定頻率時(shí)的輸出電壓值。通常輸出電壓的額定值總是和輸入電壓相等。（２）輸出電流ＩＮ是指允許長時(shí)間輸出的最大電流，是用戶在選擇變頻器時(shí)的主要依據(jù)。（３）輸出容量ＳＮＳＮ取決于ＵＮ和ＩＮ的乘積。二、變頻器的額定值和頻率指標(biāo)２.輸出側(cè)的額定值2565－2變頻器的分類及工作原理（４）配用電動機(jī)容量ＰＮ對于變頻器說明書中規(guī)定的配用電動機(jī)容量，需說明如下：１）它是根據(jù)下式估算的結(jié)果：２.輸出側(cè)的額定值式中ηＭ———電動機(jī)的效率；

ｃｏｓφＭ———電動機(jī)的功率因數(shù)。由于電動機(jī)容量的標(biāo)稱值一般是比較統(tǒng)一的，但ηＭ和ｃｏｓφＭ值卻很不一致，所以，配用電動機(jī)容量相同的不同品牌的變頻器的容量常常不相同。２）說明書中的配用電動機(jī)容量，僅對長期連續(xù)負(fù)載適用，對于各種變動負(fù)載則不適用。（５）過載能力。變頻器的過載能力是指其輸出電流超過額定電流的允許范圍和時(shí)間。大多數(shù)變頻器都規(guī)定為１５０％ＩＮ，１ｍｉｎ。ＰＮ＝ＳＮηＭｃｏｓφＭ2575－2變頻器的分類及工作原理（１）頻率范圍。即變頻器輸出的最高頻率ｆｍａｘ和最低頻率ｆｍｉｎ。各種變頻器規(guī)定的頻率范圍不盡一致。通常最低工作頻率為０１～１Ｈｚ，最高工作頻率為２００～５００Ｈｚ。（２）頻率精度。指變頻器輸出頻率的準(zhǔn)確程度。由變頻器的實(shí)際輸出頻率與給定頻率之間的最大誤差與最高工作頻率之比的百分?jǐn)?shù)來表示。通常，由數(shù)字量給定時(shí)的頻率精度約比模擬量給定時(shí)的頻率精度高一個(gè)數(shù)量級。（３）頻率分辨率。指輸出頻率的最小改變量，即每相鄰兩擋頻率之間的最小差值。３.頻率指標(biāo)2585－2變頻器的分類及工作原理下面以單相逆變電路為例介紹頻率可調(diào)的基本原理。圖５－５ａ所示為單相逆變電路原理圖。直流電壓Ｕｄ經(jīng)過由四個(gè)晶閘管元件組成的橋式電路，接在負(fù)載上（即交流電動機(jī)的某一相上），元件１和元件４，元件２和元件３按一定的頻率輪流導(dǎo)通時(shí)，在負(fù)載上即可得到該頻率下的方波交流電壓，其波形如圖５－５ｂ所示。三、變頻器的工作原理圖５－５單相逆變電路ａ）原理圖ｂ）波形圖2595－2變頻器的分類及工作原理電路中串入電感，可使負(fù)載端電壓近似成正弦波?？刂圃?dǎo)通和關(guān)斷的周期Ｔ，即可得到不同頻率的交流電壓，達(dá)到變頻的目的。這也是在交—直—交變頻器中，逆變器輸出交流電頻率可調(diào)的基本原理。由上述分析可以看出，人為地控制逆變器輸出交流電的頻率，就是要控制元件的導(dǎo)通和關(guān)斷。在逆變器中，用到的晶閘管或者晶體管，都是作為開關(guān)元件使用的。因此，它們要有可靠的導(dǎo)通和關(guān)斷能力。對于晶閘管，只要其正負(fù)極間有正向電壓，并且在門極加載正的觸發(fā)信號，即可使之導(dǎo)通。晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通，門極就失去控制作用，要使它截止，必須在正負(fù)極間施加反向電壓或使陽極電流小于維持電流。三、變頻器的工作原理2605－2變頻器的分類及工作原理因此，在交—直—交變頻器的逆變器中，需要設(shè)專門的強(qiáng)迫換流電路，以保證晶閘管按時(shí)關(guān)斷。故此，由晶閘管半控元件組成的逆變器，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。到２０世紀(jì)９０年代，全控功率開關(guān)元件，如可關(guān)斷晶閘管ＧＴＯ、大功率晶體管ＧＴＲ、絕緣門極雙極型晶體管ＩＧＢＴ等，已經(jīng)在中、小功率逆變器中取代了普通晶閘管，這些開關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷都很容易控制，不需要強(qiáng)迫換流電路，從而使逆變器結(jié)構(gòu)大為簡化。三、變頻器的工作原理2615－2變頻器的分類及工作原理三、變頻器的工作原理圖５－６所示為三相交—交變頻系統(tǒng)的原理圖。如果使左右兩組晶閘管輪流向交流電動機(jī)供電，交流電動機(jī)的定子上即可得到交流電壓，兩組晶閘管切換得快，則電壓頻率高，反之則頻率低。這就是交—交變頻器的工作原理。圖５－６三相交—交變頻系統(tǒng)原理圖2625－2變頻器的分類及工作原理交—交變頻器的主要優(yōu)點(diǎn)是只進(jìn)行一次能量變換，所以效率較高，而且晶閘管靠電源電壓自然換流，不需要設(shè)置強(qiáng)迫換流裝置。其缺點(diǎn)是所用開關(guān)元件多。從圖５－６可以看出，單相要用兩組三相橋，需要１２只開關(guān)元件，三相交—交變頻器則需要３６只開關(guān)元件。另外，這種變頻器輸出電壓的頻率調(diào)節(jié)范圍在電源頻率的１／３以下，最高不超過１／２，所以限制了它的應(yīng)用場合。一般用于低速、大功率的調(diào)速系統(tǒng)中。三、變頻器的工作原理2635－2變頻器的分類及工作原理不論交—直—交變頻器還是交—交變頻器，根據(jù)變頻電源的性質(zhì)，又可分為電壓型變頻器和電流型變頻器。如果變頻電源接近理想的電壓源，稱為電壓型變頻器，也稱為電壓源變頻器；如果變頻電源接近理想的電流源，則稱為電流型變頻器，也稱為電流源變頻器。四、電壓型變頻器和電流型變頻器2645－2變頻器的分類及工作原理圖５－７所示是交—直—交變頻器向異步電動機(jī)供電的主回路結(jié)構(gòu)圖。圖中，ＵＲ表示整流器，ＵＩ表示逆變器，ＣＶＣＦ表示恒壓恒頻電源，ＶＶＶＦ表示變壓變頻電源。圖５－７ａ所示的中間環(huán)節(jié)是大電容器濾波，使直流側(cè)電壓Ｕｄ接近恒定，變頻器的輸出電壓隨之恒定，相當(dāng)于理想的電壓源，稱為交—直—交電壓型變頻器。四、電壓型變頻器和電流型變頻器圖５－７交—直—交變頻器向異步電動機(jī)供電的主回路結(jié)構(gòu)ａ）使用電容濾波ｂ）使用電抗器濾波2655－2變頻器的分類及工作原理由于采用大電容濾波，直流側(cè)電壓恒定，輸出電壓為矩形波，輸出電流由矩形波電壓和電動機(jī)正弦波電動勢之差產(chǎn)生，所以其波形接近正弦波。又因?yàn)槟孀兤鞯闹绷鱾?cè)電壓極性固定，不能實(shí)現(xiàn)反饋制動。若需要反饋制動時(shí)，必須在整流側(cè)反并聯(lián)一組晶閘管，供逆變時(shí)使用，逆變器通過反饋二極管工作在整流狀態(tài)；附加的一組晶閘管工作在逆變狀態(tài)，向電網(wǎng)反饋電能。四、電壓型變頻器和電流型變頻器266圖５－７ｂ所示的中間環(huán)節(jié)是電感很大的電抗器濾波器，電源阻抗大，直流環(huán)節(jié)中的電流Ｉｄ可近似恒定，逆變器輸出電流隨之恒定，相當(dāng)于理想的電流源，稱為交—直—交電流型變頻器。它的逆變器輸出電流波形為矩形波，輸出電壓波形由電動機(jī)正弦波電動勢決定，所以近似為正弦波。這種變頻器可以實(shí)現(xiàn)反饋制動，反饋制動時(shí)，主回路電流Ｉｄ方向不變，而電壓Ｕｄ極性改變，整流器工作于逆變狀態(tài)，逆變器工作在整流狀態(tài)，從而使主回路在不增加任何元件的條件下，電動機(jī)能自動地從電動狀態(tài)進(jìn)入反饋制動狀態(tài)。這是該變頻器的突出優(yōu)點(diǎn)。對于交—直—交變頻器，恒壓恒頻電源本身具有電壓源性質(zhì)，所以在不加濾波裝置時(shí)，變頻器就是電壓型的。如果在交—直—交變頻器中，人為串入大電感電抗器，它就具有電流源性質(zhì)，稱為交—直—交電流型變頻器。2675－2變頻器的分類及工作原理由以上分析可以看出，電壓型變頻器和電流型變頻器的主要區(qū)別在于，兩者對無功能量的處理方法不同。兩者技術(shù)特點(diǎn)的比較，見表５－１。2685－2變頻器的分類及工作原理圖５－８所示為三相橋式逆變器的基本結(jié)構(gòu)，圖中ＶＤ１～ＶＤ６為續(xù)流二極管，ＶＴ１～ＶＴ６為主晶閘管。按照變頻器工作方式的不同，三相橋式逆變器分為１８０°導(dǎo)通型和１２０°導(dǎo)通型。五、１８０°導(dǎo)通型逆變器和１２０°導(dǎo)通型逆變器１.１８０°導(dǎo)通型逆變器電動機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，在逆變器中晶閘管的導(dǎo)通順序是從ＶＴ１到ＶＴ６，如圖５－９ａ所示。每個(gè)觸發(fā)脈沖相隔６０°電角度，每個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間為１８０°電角度。在逆變器中，任何瞬間都有三個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通。2695－2變頻器的分類及工作原理１.１８０°導(dǎo)通型逆變器晶閘管之間的換流是在同一橋臂的上、下兩個(gè)晶閘管間進(jìn)行的，即在ＶＴ１－ＶＴ４，ＶＴ３－ＶＴ６，ＶＴ５－ＶＴ２之間進(jìn)行相互換流。各區(qū)間的等效電路如圖５－９ｂ所示。設(shè)負(fù)載為星形聯(lián)結(jié)，逆變器的換流是瞬間完成的，以中性點(diǎn)Ｏ點(diǎn)電位為參考點(diǎn)，則晶閘管順序?qū)〞r(shí)的相電壓波形如圖５－９ｃ所示。圖５－９１８０°導(dǎo)通型逆變器等效電路及電壓波形2705－2變頻器的分類及工作原理１.１８０°導(dǎo)通型逆變器例如，在區(qū)間①中，ＶＴ１，ＶＴ５和ＶＴ６導(dǎo)通，由其等效電路知，ｕＡＯ＝ｕＣＯ＝Ｕ／３，ｕＢＯ＝－２Ｕ／３；在區(qū)間②中，ＶＴ１，ＶＴ２和ＶＴ６導(dǎo)通，ｕＡＯ＝２Ｕ／３，ｕＢＯ＝ｕＣＯ＝－Ｕ／３；在區(qū)間③中，ＶＴ１，ＶＴ２和ＶＴ３導(dǎo)通，ｕＡＯ＝ｕＢＯ＝Ｕ／３，ｕＣＯ＝－２Ｕ／３；區(qū)間④～⑥與以上相同，只是電源極性相反?？梢钥闯鱿嚯妷翰ㄐ螢殡A梯波。因線電壓為兩個(gè)相電壓之差，有ｕＡＢ＝ｕＡＯ－ｕＢＯ，ｕＢＣ＝ｕＢＯ－ｕＣＯ，ｕＣＡ＝ｕＣＯ－ｕＡＯ，可得如圖５－９ｄ所示的矩形波，各相之間互差１２０°，三相對稱。因?yàn)轭l率ｆ＝１／Ｔ，所以改變周期時(shí)間Ｔ，就可以改變逆變器輸出的交流電壓頻率ｆ；而Ｕ的大小受控制角α控制，改變α可以改變Ｕ?？梢娔孀兤骺梢宰儔鹤冾l，也可以單獨(dú)進(jìn)行調(diào)節(jié)，二者可分別控制。2715－2變頻器的分類及工作原理１.１８０°導(dǎo)通型逆變器由圖５－９所示的波形圖，可以求出線電壓的有效值ＵＡＢ和相電壓的有效值ＵＡＯ為：線電壓有效值與相電壓有效值之比剛好等于

３。二者都不是正弦波，可以用傅里葉級數(shù)進(jìn)行諧波分析。分析結(jié)果除基波外，不含３次和３的倍數(shù)次諧波，只含有５，７，１１，…高次諧波，對電動機(jī)的運(yùn)行影響不大，只會使電壓波形有些畸變，同時(shí)會增加電動機(jī)的諧波損耗。因?yàn)樵谝陨戏治鲞^程中，忽略了換流過程和逆變電路中的壓降，所以實(shí)際的電壓波形與上面的分析結(jié)果稍有出入。2725－2變頻器的分類及工作原理２.１２０°導(dǎo)通型逆變器電動機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，逆變器中晶閘管的導(dǎo)通順序仍是ＶＴ１到ＶＴ６，各觸發(fā)脈沖相隔６０°電角度，只是每個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間為１２０°電角度，因此任何瞬間有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，它們的換流在相鄰橋臂間進(jìn)行。這樣同一橋臂上兩個(gè)晶閘管的導(dǎo)通有６０°間隔，不易造成短路，比１８０°導(dǎo)通型逆變器換流安全。１２０°導(dǎo)通型逆變中，晶閘管的導(dǎo)通順序、各區(qū)間的等效電路及相電壓、線電壓波形如圖５－１０所示。從圖中可見，相電壓是幅值為Ｕ／２的矩形波，線電壓是幅值為Ｕ的梯形波。用同樣方法可求得線電壓有效值ＵＡＢ和相電壓有效值ＵＡＯ分別為：ＵＡＢ＝０.７０７Ｕ，ＵＡＯ＝０.４０９Ｕ。2735－2變頻器的分類及工作原理２.１２０°導(dǎo)通型逆變器比較兩種導(dǎo)通方式可知：在１２０°導(dǎo)通型和１８０°導(dǎo)通型逆變器中，開關(guān)元件的導(dǎo)通順序和觸發(fā)脈沖間隔是一樣的，之所以有不同的導(dǎo)通時(shí)間，完全是因?yàn)閾Q相的原理不同所致。前者是在相鄰橋臂間進(jìn)行，后者是在一個(gè)橋臂的上、下元件間進(jìn)行。由于導(dǎo)通時(shí)間不同，前者的電壓有效值低于后者。5－3轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)第五章2742755－3轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)一、交—直—交電壓型逆變器的頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)１.輸出電壓控制方式圖５－１１所示為交—直—交電壓型逆變器三種輸出電壓的控制方式。圖５－１１交—直—交電壓型逆變器的輸出電壓控制方式ａ）可控整流器調(diào)壓ｂ）直流斬波器調(diào)壓ｃ）ＰＷＭ逆變器調(diào)壓2765－3轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)１.輸出電壓控制方式（１）可控整流器調(diào)壓這種控制方式是通過控制可控整流器的控制角α實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的，其結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，是一般調(diào)速系統(tǒng)中常用的輸出電壓控制方式。但是在輸出電壓較低時(shí)，功率因數(shù)低，同時(shí)由于整流電路后面是較大的濾波電容，在動態(tài)過程中，直流電壓的過渡過程時(shí)間延長，影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。（２）直流斬波器調(diào)壓不可控整流電路輸出恒壓直流電壓，經(jīng)過直流斬波器，將恒壓直流電壓變成可調(diào)直流電壓，這樣就克服了第一種方式中低速時(shí)功率因數(shù)低的問題，也降低了整流器的成本。但是，由于直流斬波器輸出的是脈沖形式的電壓，需要再次濾波才能得到較為平直的直流電壓，加上斬波器本身，因此增加了直流回路的成本和線路的復(fù)雜性。2775－3轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)１.輸出電壓控制方式上面兩種輸出電壓控制方式還有個(gè)共同的問題，就是逆變器輸出的變頻電壓波形為矩形波，其中含有較多的諧波成分。（３）ＰＷＭ逆變器調(diào)壓即把逆變器輸出的矩形波電壓變成一系列寬度可調(diào)的脈沖列，改變脈沖列中各個(gè)脈沖的寬度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。這種方式下逆變器既調(diào)壓又調(diào)頻，所以整流器可采用不可控整流。更重要的是，采用ＰＷＭ控制技術(shù)可以消除逆變器輸出電壓中的低次諧波，大大降低輸出電壓中的諧波成分，使輸出電壓波形更接近正弦波。很顯然，它不僅克服了前兩種方式存在的動態(tài)響應(yīng)慢、輸出電壓中諧波成分大的共同問題，還克服了第一種方式存在的功率因數(shù)低的問題，因此在高性能的變頻調(diào)速系統(tǒng)中被廣泛采用。它的缺點(diǎn)是控制較復(fù)雜，對主回路逆變器開關(guān)元件的工作頻率要求較高。2785－3轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)１）ＳＰＷＭ波形按照正弦規(guī)律變化的脈寬調(diào)制稱為正弦波脈寬調(diào)制（ＳＰＷＭ），產(chǎn)生的調(diào)制波是按照正弦規(guī)律變化的等幅而不等寬的矩形脈沖列，如圖５－１２所示。