矿井提升机电控系统讲座.doc

第一章 矿井提升机概述 第一节 提升机电力拖动的特点及对拖动控制装置的要求矿井提升机（又称绞车、卷扬机）是矿井生产的关键设备。提升机电控系统技术性能如何，将直接影响矿井生产的效率及安全。欲掌握提升机电控系统的原理，首先要了解提升机对电控系统的要求，以及各种电气传动方案的特点。 矿井提升机为往复运动的生产机械，有正向和反向提升，又有正向和反向下放。对于不同水平的提升，在每次提升循环中，容器的上升或下降的运动距离可能是相同的，也可能是不同的。在每一提升周期都要经过从起动、加速、等速、减速、爬行到停车的运动过程，因此提升机对电控系统一般有下述一些要求。1、要求满足四象限运行 设提升机正向提升时，拖动电动机工作在第一象限。而在减速下放时，如果是正力减速，拖动电动机也工作在第一象限，但如果为负力减速，则拖动电动机就工作在第二象限。同样当提升机反向提升时，拖动电动机工作在第三象限。而在减速下放时，如果是正力减速，拖动电动机也工作在第三象限，但如果为负力减速，则拖动电动机就工作在第四象限。因此，提升机的运行必须能满足四象限运行的要求。2、必须平滑调节速度且有精度较高的调节精度 提升工艺要求电控系统须能满足运送物料(达到额定速度)、运送人员(可能要求低于额定速度)、运送炸药(2ms)、检查运行(0.31.0ms)和低速爬行(0.10.5ms)等各种要求，所以要求提升机电控系统必须能平滑连续调节运行速度。 对于调速精度，为了在不同负载下的减速段的距离误差尽可能地小，要求提升机的静差率越小越好(一般在高速下)。这样可以使爬行段距离尽可能设计得小，来减少低速爬行段的时间，从而缩短提升周期，获得较大的提升能力。3、要求设置准确可靠的速度给定装置 提升工艺要求电控系统的加减速度平稳。根据安全规程，对矿井提升机的加、减速度都有一定的限制。对竖井来说，提物时加减速度小于1.2m/s2；提人时加减速度小于0.7m/s2；对斜井，提人时加减速度小于0.5m/s2。限制加速度的目的其一是为了减少人对加减速度的不适反应程度，其二是降低提升机加速时的电流冲击，提高提升设备的使用寿命。实际上矿井提升机系统是一个位置控制系统，提升容器在井筒中的什么位置该加速、等速、减速、爬行都有一定的要求。也就是说，必须根据提升容器在井筒中的位置确定给定的速度，这就是按行程原则产生速度给定信号。、要求设置行程显示与行程控制器 为了便于提升机司机操作与控制，电控系统应设置可靠的提升容器在井筒中的位置显示装置(俗称深度指示器)。老的深度显示常采用牌坊指针式或圆盘指针式深度显示装置；新的深度显示则采用数字显示。因此，要求提升机电控系统应设置有可靠的位置检测环节，能准确地检测出提升容器在井筒中与减速点开始、爬行、停车及过卷相对应的位置，以便控制提升机能可靠地减速、爬行、停车。为了可靠起见，通常一个位置要设置多只行程开关，以实现冗余控制。5、要求设置完善的故障监视装置 提升机对其电控系统的可靠性要求很高。这是因为提升机一旦出现故障，轻则影响生产，重则危及人员生命。电控装置的高可靠性表现在两个方面：一是电控系统质量好，故障少；二是出现故障后应能根据故障性质及时进行保护，并能对故障内容进行记忆和显示，以便能迅速排除故障。通常提升机故障监视内容少则几十项，多则百余项。6、要设置可靠的可调闸控制系统 可调闸是一套电气控制的液压调节机械闸系统，是提升安全运行的最后一道保护措施，因此要求闸系统的控制必须安全可靠。可调闸系统的控制通常分为工作制动（常称工作闸，由司机的制动手柄控制）和安全制动（常称为安全闸，由安全回路的继电器或PLC等逻辑控制）。工作制动是在手动操作或在自动操作方式下作为正常停车或定车手段。而安全制动是在系统出现故障时，使运行状态下的提升机快速减速停车、静止状态下不能松闸。安全制动又分为一级制动和二级制动。当提升容器在井筒中而离停车点较远时，若系统出现故障需要紧急制动时应采用二级制动。所谓二级制动，就是制动转矩不是一次全部加到闸盘上，而是分两次，使紧急制动时的减速度比较小，减速度较缓，对机械设备的损伤小，容器在紧急制动后要滑行一段距离才停下来。当提升容器在井筒中离停车点较近时，紧急制动时应采用一级制动。一级制动时制动转矩大、在紧急制动时滑行距离短。目前在先进的提升机上都装备有制动力可调的安全制动装置。第二节 提升机的电力拖动方案按提升机对电控系统的要求，常用的提升机电力拖动控制方案有以下几种。1、绕线型异步电动机转子回路串电阻提升系统在这种方案中，绕线型异步电动机转子回路串联附加电阻，利用控制器或磁力站对附加电阻进行不同的组合，改变其大小，达到调速目的。根据提升机调速性能的不同要求，常用电阻组合有五级、八级和十级等。级数越多，调速越平滑，但仍属于有级调速方式。该方案在加速阶段和低速运行时，大部分能量（转差能量）以热能的形式消耗在转子附加电阻上，系统运行效率低。在负力减速时，一般采用动力制动或低频制动，需要设置辅助电源和定子绕组的二次切换操作。由于受交流接触器容量的限制，目前单机运行功率不超过1000kW，双机不超过2000kW。这种方案的优点是它的结构简单、维护容易、操作方便，是目前我国中小型矿井的主流提升设备。2、双机拖动提升系统双机拖动是将两台同容量或不同容量的电动机通过一定的刚性连接方式，用两台电动机共同拖动一台提升机。与单机拖动相比，其优点是双机拖动可以扩大电动机的使用容量，减小电力拖动系统的转动惯量；可以根据负载情况，确定单机或双机的投入，以提高效率，增加系统可靠件；通过合理调节两机的工作状态，可以得到比单机更加平滑的加减速调节、良好的减速和爬行运行特性。缺点是控制设备多、复杂，维护量大。3、发电机电动机（GM）直流拖动可逆提升系统 GM（原称FD）直流拖动可逆提升系统是指由直流发电机G为直流电动机M提供幅值、极性可变的直流电源。直流电动机为它励方式，励磁电流恒定，通过改变直流发电机输出电压来改变直流电动机的转速。直流发电机由交流同步电动机拖动，通过改变直流发电机励磁电流大小改变输出电压，直流发电机的励磁电流是通过改变电机扩大机的励磁实现控制和调节的。这种方案的优点是可实现无级调速，电动状态与制动状态的切换是快速平滑的，能较好地满足四象限平滑调速的要求，通常采用速度闭环控制调速精度也比较高，无功冲击小，功率因数高，而且还可向电网提供超前无功功率，以改善电网的功率因数。这种方案在20世纪80年代以前的大中型矿井提升机系统中得到较好的应用。缺点是运行效率较低，因为功率变换的效率是同步电动机和直流发电动机两台电动机效率的乘积，通常变流机组的效率只有0.8左右(考虑直流发电动机组平时不停机)；占地面积大；噪声大；维护工作量大；耗费金属量大等。因此，目前这种传动形式的矿井提升系统中已被晶闸管电动机（VM）直流提升系统所取代。4、晶闸管电动机（VM）直流拖动可逆提升系统晶闸管电动机（VM）直流拖动可逆提升系统用静止的晶闸管整流器取代旋转变流器（发电动机组）为直流电动机供电，其效率、控制精度、运行特性及可靠性等均比GD系统大为提高，从20世纪80年代起就成为直流拖动提升机的主要方式。受电动机换向器和晶闸管变流器容量的限制，电动机的容量通常在4000kW以下。但当拖动容量大于1000kW和提升速度达10m/s以上时，根据我国的运行经验，一般考虑直流拖动。5、交交变频交流拖动可逆提升系统由于电力电子器件和微电子技术的发展，70年代的研究成果为交流电动机交交变频调速系统奠定了理论基础，80年代开始在矿井提升机上使用，特别是近年来交交变频器低速同步电动机调速在矿井提升系统中得到了较为普遍的应用，而且实现了多微机全数字控制，这种方案控制性能优良、运行效率高、单机容量大、体积小、系统惯量小和维护工作量少，已成为低速大容量矿井提升机传动的首选设备，目前单机传动功率已经达到50008000KW。在这种系统中通常采用的是将同步电动机转子外装，与摩擦式提升机的滚筒融合为一体，形成具有体积更小、重量更轻的机电一体化方案，可以明显地降低投资成本。但系统复杂，用到的新技术、新器件多，对运行现场的管理和维护技术人员的技术水平要求较高。第二章 提升机直流调速电力拖动与控制直流拖动在矿井提升中得到了广泛的应用，主要有直流发动机直流电动机系统（简称GM）系统和晶闸管变流器直流电动机系统（简称VM系统）两种类型，前者已逐渐被淘汰，因此本节仅以VM提升系统为例作介绍。第一节 直流电动机调速原理一、他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性是指在励磁电流 (或磁通)保持一定（通常为额定值）的情况下，电动机的电枢电压、转速与转矩（或电枢电流）之间的关系。由电动机学可知，直流电动机稳定运行时的基本方程为：电压方程 反电势方程 转矩方程 运动方程 （机械特性）式中转速；理想空载转速；机械特性的斜率；电枢电压；电枢电流；电枢回路总电阻；电动势常数；电动机每级磁通；转矩常数；电磁转矩，反电势。当电动机在额定参数下工作时，直流电动机稳定运行时的基本方程可以表示为其机械特性称为固有机械特性。如图1所示。图1 他励直流电动机固有机械特性二、调速方法从上式可以看出，当改变电枢电压、电枢回路电阻和励磁磁通时，都可以改变电动机的转速，因此直流电动机的调速通常有以下三种方法，即改变电枢电压调速、改变电枢回路电阻调速和改变磁通调速，而此时得到的机械特性称为人工机械特性。对于矿井直流提升系统，通常采用改变电枢电压的调速方法。第二节 VM直流拖动基本方案不论是交流还是直流提升，都要求提升机能在四象限运行。由上式可知，要改变直流电动机电磁转矩的大小，通常采用调节电枢电流的方案；那么要改变直流电动机转矩的极性，可采用改变电枢电流的极性或者改变直流他励电动机励磁电流的极性(即励磁磁通的极性)。目前矿井直流提升常用的方案基本上为磁场换向可逆逻辑无环流系统。在磁场换向系统中，电枢回路采用一套整流装置，而励磁回路则采用两套整流装置反并联连接，其主电路结构如图图2所示。图2 磁场换向VM直流拖动系统主回路接线图电动机转矩极性的改变是靠改变励磁电流的的极性实现的，如变流器1V工作时2V关闭为正向提升运行，反之即为反向运行。此外，在换向过程中，励磁电流由额定值下降到零时，如电枢电流依然存在，电动机将产生“飞车”现象。为了避免这种情况，通常在励磁电流下降到接近于零时，控制电枢电流也为零。电动机励磁回路的负载是大电感，时间常数大，电流的建立较慢，所以较之电枢换向系统快速性稍差。但矿井提升机对快速性的要求不是太高，也就是说并不要求转矩变化太快。因为急剧的转矩变化会造成过大的机械冲击，而且由于钢丝绳的弹性连接往往会引起剧烈振荡。当然，转矩的变化也不可太慢，否则会由于位能负载的作用造成提升机失控下坠，比较合适的转矩反向时间约在0.61.2s之间。为了满足这一要求，常采用“强迫励磁”的方法，即在建立磁场或反向过程中加35倍的励磁电压。由于磁场换向电枢回路用一套变流装置，虽然励磁回路用两套，但由于励磁功率通常只占电动机额定功率的3%5%，显然磁场换向所需变流装置的容量要小得多，考虑到经济上的这一优越性，目前这种方案在大容量矿井提升机直流电力拖动中得到广泛应用。一、磁场换向的VM直流电力拖动机械特性和运转状态1、系统机械特性系统开环机械特性和运转状态如图3所示。图3 磁场换向的VM系统开环机械特性及运转状态、运转状态提升机正向提升时，电枢变流器1V工作在整流状态，90。磁场变流器2V工作在整流状态，设励磁电流If为正向，且为额定励磁电流。在四象限运行中，电枢电流的极性始终保持不变，电动机的转矩极性由励磁电流的极性决定。因If为正向，所以电动机转矩极性为正向，电动机工作在正向电动状态。改变1V的控制角就可以调节电枢电压Ud的大小，从而达到调压调速的目的。在此运行状态，UdEd，能量是从交流电网经1V供给电动机的，运行状态与电枢换向系统相同。若电动机工作在负力减速或下放重物，关闭2V，使变流器3V工作在整流状态，If反向。因转速方向不变，则电动机的反电势Ed反向，让1V工作在逆变状态，且使UdEd，由于If已反向，电动机的转矩极性反向，电动机工作在正向发电制动状态，电能由电动机经1V(逆变成交流电)回馈交流电网。反向电动和反向制动状态的分析与上述类似。由于电枢电流Id方向不变，转矩的反向过程取决于励磁电流If的反向过程。而励磁回路的电磁惯性时间常数很大，一般达到2s以上，所以转矩的换向时间较电枢换向长。为了加快转矩的换向过程，通常在磁场换向系统中采取“强迫励磁”，将磁场反向时间缩短到0.61.2s。二、直流提升机对调速系统的控制要求及调速指标提升机对自动调速系统提出控制性能的要求一般包括静态调速指标和动态调速指标。静态调速指标，要求自动调速系统能在最高转速(一般指额定转速)和最低转速的范围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定。动态调速指标要求系统起动、制动快速而平稳；稳态运行时，对负载变化、电源电压波动等干扰因素要有较强的抵抗能力，即通常所说的抗干扰能力强。调速系统的静态品质好坏，可用下述的两个指标衡量：1、调速范围电动机在额定负载时提供的最高转速nmax与最低转速nmin之比称调速范围，表示为对于直流拖动系统，电动机的最高转速nmax就是电动机的额定转速ndN。2、静差率调速系统的静差率是指电动机在稳定工作时，负载由零增至额定值时，对应的静态速降ndN与理想空载转速n0之比：在设计时，要求的静差率是指低速运行时的静差率。D、s与ndN之间的关系可表示为式中 ndN电动机额定转速，rmin； s额定负载时，对应最低转速的静差率；ndN额定负载时的静态速降，rmin。矿井提升机的等速度一般为612ms，爬行速度一般为0.30.5ms，因此调速范围D1240。爬行阶段一般要求的静差率为s0.10.5。调速系统的动态品质一般用上升时间、超调量、调节时间等动态指标来衡量。为了使系统具有优良的静动态品质，设计时考虑系统的闭环控制，通过确当地选择调节器的形式和参数来满足静动态品质要求。第三节 基本知识简介一、PN结与电力二极管的工作原理图4为电力二极管的外形、结构和电气 图形符号。 图4 电力二极管的外形、结构和电气 图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号它是以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线及封装组成，外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装，基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。具有单向导电和不可控制的特点。二、晶闸管的结构与工作原理图5为晶闸管外形、结构和电气图形符号。 图5 晶闸管外形、结构和电气图形符号a)外形 b)结构 c)电气图形符号 图6 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b工作原理)图7 晶闸管的伏安特性特点：l 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。l 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。l 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。l 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。三、单相桥式全控整流电路1、电阻性负载 电路及波形如图8所示。 图8 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形2、阻感负载 图9 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 图9 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形特点：l 晶闸管移相范围为90。l 晶闸管承受的最大正反向电压均为峰值。 l 晶闸管导通角与无关，均为180，平均值和有效值分别为： 和 l 变压器二次侧电流 i2 的波形为正负各180的矩形波，其相位由角决定，有效I2 = Id 。3、反电动势-电阻、电感负载：如图10所示。图10 单相桥式全控整流电路接反电动势-电阻、电感负载时的电路及波形|u2| E 时，晶闸管承受正电压，才有导通的可能。导通之后直至 | u2| = E，id 即降至 0 使得晶闸管关断，此后 ud = E与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度 停止导电， 称为停止导电角。在 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。从波形上可见：l 电流续断-id 波形在一周期内有部分时间为 0 的情况；l 电流连续-id 波形在一周期内不出现为 0 的情况； l 当时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不能导通。为使晶闸管可靠导通，触发脉冲需足够的宽度，保证当 t = 时，晶闸管承受正电压，触发脉冲仍然存在，相当于触发角被推迟为，即 a = 。l 负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机 的机械特性将很软 。l 为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。只要电感量足够大，就可以满足导通角=180，输出电流连续平直，从而改善整流装置及电动机的工作条件。在这种条件下，整流电压ud和负载电流id波形与电感性负载电流连续时相同，ud的计算公式亦一样。波形如图11所示。图11 单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况四、三相半波可控整流电路l 交流测由三相电源供电。l 负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时用。l 基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路、双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在此基础上进行分析。1、电阻性负载三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及=0时的波形如图12所示。图12 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及=0时的波形电路的特点：l 变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。l 三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起为共阴极接法 。自然换相点：假设将电路中的晶闸管换作二极管，用VD表示，成为三相半波不可控整流电路。一周期中l 在t1t2期间，VD1导通，ud=ual 在t2t3期间，VD2导通，ud=ubl 在t3t4期间，VD3导通，ud=uc=0时的工作原理分析：变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量。晶闸管的电压波形，由3段组成：l 第1段，VT1导通期间，为一管压降，可近似为uT1=0l 第2段，在VT1关断后，VT2导通期间， uT1=ua-ub=uab，为一段线电压。l 第3段，在VT3导通期间，uT1=ua-uc=uac为另一段线电压。二极管换相时刻定义为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角的起点，即=0。 图13 =30时的波形=30时的波形负载电流处于连续和断续之间的临界状态，各相仍导电60。图14 30（60）的情况 30的情况负载电流断续，晶闸管导通角小于120，电流不连续。2、阻感负载特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。l 30时，整流电压波形与电阻负载时相同。l 30时，u2过零时，VT1不关断，直到VT2 的脉冲到来，才换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断ud波形中出现负的部分。l id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。l 阻感负载时的移相范围为90。如图15所示。图15 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及=60时的波形五、三相桥式全控整流电路三相桥是应用最为广泛的整流电路，如图16所示。图16 三相桥式全控整流电路原理图共阴极组：阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组：阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）导通顺序： VT1VT2VT3VT4VT5VT6自然换向时，每时刻导通的两个晶闸管分别对应阳极所接交流电压值最高的一个和阴极所接交流电压值最低的一个。1、电阻负载l 假设将电路中的晶闸管换作二极管，相当于晶闸管触发角a =0时。l 共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。l 共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低的一个导通。l 任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。图17 三相桥式全控整流电路带电阻负载 = 0时的波形晶闸管及输出整流电压的情况如表1所示6个晶闸管导通顺序 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6。表1 三相桥式全控整流电路电阻负载 = 0时晶闸管工作情况时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb三相桥式全控整流电路的特点（1）2个晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组 各1个，且不能为同1相器件。（2）对触发脉冲的要求：l 按VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6的顺序导通，相位依次差60。l 共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120。l 共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。l 同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6， VT5与VT2，脉冲相差180。（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。 （4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲。可采用两种方法：宽脉冲触发或双脉冲触发（常用）。（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。晶闸管一周期中有120处于通态，240处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的Ud波形相同。图18 三相桥式全控整流电路带电阻负载 = 30时的波形每一段导通晶闸管的编号仍符合表1的规律区别在于：晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成ud的每一段线电压因此推迟30，ud平均值降低。图19 三相桥式全控整流电路带电阻负载 = 60时的波形Ud波形中每段线电压的波形继续向后移，平均值降低。 = 60时Ud出现了零点。可见，当 60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续。图20 三相桥式全控整流电路带电阻负载 60时的波形当 60时，ud波形每60中有一段为零。一旦ud降为零，id也降为零，流过晶闸管的电流即降为零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，波形ud不能出现负值。带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是120。2、阻感负载晶闸管VT1导通段，iVT1波形由负载电流波id形决定，与ud波形不同。图21 三相桥式全控整流电路带阻感负载= 0时的波形图21 三相桥式全控整流电路带阻感负载= 30时的波形图中给出了变压器二次侧a相电流ia波形。当a 60时，ud波形均连续，电路的工作情况与带电阻负载十分相似：各晶闸管的通断情况输出整流电压ud波形 晶闸管承受的电压波形区别:l 负载不同时，同样的整流输出电压加在负载上，得到的负载电流id波形不同，电阻负载时id波形与的ud波形形状一样。l 组感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流id的波形可近似为一条水平线。 图21 三相桥式全控整流电路带阻感负载 = 90时的波形若电感知足够大，中正负面积相等，平均值近似为零。 60时：l 阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。 电阻负载时，ud波形不会出现负的部分。 阻感负载时，ud波形会出现负的部分。l 带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90。说明：l 在电流连续的情况下：l 三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时的电路如图22所示。在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为：图22 三相桥式全控整流电路带阻感和反电势负载的结构图六、有源逆变l 同一套晶闸管电路，既可工作在整流状态，也可工作在逆变状态。对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变，既可工作在整流状态又可工作在逆变状态，称为变流电路(装置)。l 变流装置工作在逆变状态时，如果其交流侧接在交流电源上，电源成为负载，把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网中去，这样的逆变叫“有源逆变”。 l 如果变流装置的交流侧不是接至交流电网，而是接至负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，这样的逆变称为“无源逆变” 。1、电能传输关系直流电动机作为负载工作时，如图23(a)所示变流器把交流电网电能变成直流电能供给电动机和电阻R消耗。直流电动机作为电源(发电机)工作时，直流电动机作为发电机工作时，如图23(b)、(c)所示 。直流电动机供出能量，变流器将直流电动机供出的直流能量的一部分变换为与电网同频率的交流能量送回电网，电阻R消耗一部分能量，直流电动机运行在发电制动状态。图23(c)所示，回路电流由两电势之和与回路的总电阻决定。这时两个电源都输出功率，消耗在回路电阻上，如回路电阻R很小，将有很大电流，相当于短路，这在实际工作中是不允许的。图23 电网和直流电动机间的能量转换2、单相有源逆变(a) 整流状态 (b) 逆变状态 图24 单相全控桥整流电路的两种工作状态 结论：整流电路工作于有源逆变状态的条件如下：l 变流器直流侧有直流电动势，其极性必须与晶闸管导通方向一致，改变励磁方向；l 变流器输出的直流平均电压必须为负值，即晶闸管触发角，且。3、三相有源逆变（1）三相半波有源逆变(a)整流状态下电压、电流波形 (b)逆变状态下电压、电流波形图25 三相半波相控电路的整流和有源逆变工作状态图26 三相半波相控电路输出电压ud及晶闸管T1两端的电压波形uT1（2）三相桥式逆变电路图27 三相桥式整流电路用工作于有源逆变状态时的波形4、逆变失败及最小逆变角的确定（1）触发电路工作不可靠（如三相半波有源逆变） (a)脉冲丢失（不触发） (b)触发脉冲延迟（a相电压高于b相）图28 逆变失败的原因（2） 晶闸管发生故障由于各种原因造成晶闸管故障，从而使晶闸管应该阻断时不能阻断，应该导通时不能导通，均会造成逆变失败，该b相导通而不导通，a相继续导通。图29 晶闸管发生故障（3） 交流电源发生异常在逆变工作状态时，如果交流电源突然停电、缺相或电源电压降低，由于直流电动势的存在，晶闸管仍可触发导通。此时变流器的交流侧由于失去了同直流电动势极性相反的交流电压，因此直流电动势将通过晶闸管使电路短路。 （4）换相裕量不足有源逆变电路设计时，如果对晶闸管换相时的换相重叠角考虑不够，就会造成换相裕量时间小于晶闸管关断时间，从而导致换相失败。图30 换相重叠角（触发a相时，换相还未结束，原导通的继续导通）（5） 最小逆变角的确定及常用方法逆变时允许采用的最小逆变角应为 晶闸管的关断时间（大的可达200300s）所对应的电角度（），称为恢复阻断角，一般45；为换相重叠角，大小可根据公式计算或查手册；为换相安全裕量角，一般510。第四节 磁场换向直流提升机可逆调速系统选用直流提升的功率一般都在2000kW左右，功率较大，为减少投资通常选用磁场换向的VM可逆调速系统。图31所示为一典型的磁场换向速度、电流双闭环逻辑无环流VM可逆调速系统的结构框图。下面将依次介绍系统各部分的原理及系统的工作原理。图31 磁场换向的VM可逆调速系统方框图1速度调节器ST； 2电流上升率限制器DXT(也称电流给定积分器)；3绝对值变换器JB；4电枢电流调节器LT；5倒相器DF；6、7顺序控制器SGT；8电枢触发装置CF；9变流器；10电流检测装置；11平波电抗器；12快速开关；13直流电动机；14测速发电动机；15整流变压器；16交流侧高压断路器；17励磁给定值调节器T；18符号变换器FB； 19方向记忆单元FJ；20零电流鉴别器JL；21延时单元；22励磁电流调节器FLT；23磁场触发装置CF；24电子开关；25磁场变流器；26励磁绕组；27磁场变流变压器；28导通角检测器J；29速度给定积分器GD一、系统组成各单元的名称已标注在图31中，系统有多个单元组成。主回路包括交流侧高压断路器、整流变压器、变流器、平波电抗器、直流快速开关、直流电动机、磁场变流器、磁场变流变压器等。电枢控制是由速度调节器和电流调节器组成的典型双闭环调节系统。励磁控制则是电流闭环控制系统。虚线框中的18、19、20、21等单元电路组成磁场控制逻辑电路，简称场控罗辑电路，其功能是实现励磁回路两组整流桥的无环流切换。二、电枢主回路及调节回路电枢主回路包括整流变压器、晶闸管整流桥、基本负载电阻、电抗器和直流快速开关等组成。1、整流变压器由于直流电动机电压等级和交流电网电压等级往往不能很好的匹配，通常需要将电网电压变换为所需要的电压水平。因此在大容量的系统中，需要在电网和变流器之间接入整流变压器。在图31所示的系统中，变流器采用双桥串联，两组桥都需通过变压器接入电网，所以选取了两台。当然也可以利用三线圈：一个原边，两个副边，分别接成星形和三角形，并使两变压器的副边输出在相位上错开30，这样可以使变流器输出612脉波的直流电压，以降低电流脉动。2、变流器（整流器）变流器采用双桥串联、顺序控制的方式，两组桥的触发脉冲与整流变压器一样错开30，理想情况下可以输出12脉波的直流电压，输出电压平滑，可以减少谐波和提高功率因数。由于晶闸管变流使得电流波形畸变，以及由于输人电流的相位滞后，使得变流器功率因数降低，高次谐波分量增大，给电网带来较大的“污染”。对于大容量高电压的电动机，如果采用两组晶闸管整流桥串联供电，并通过改变变压器联接方式，不仅可以减少谐波分量，提高功率因数，而且还可以降低对晶闸管耐压值的要求。图32为串联顺序控制的主电路接线方式，其中：。（1）串联顺序调节的工作原理图32串联顺序控制的主电路在图32中，变压器两个副边绕组电压相等，相位差30，而两组整流桥输出电压不一定相同，但输出电流始终相等，电枢电流为桥电流，而电枢电压为两桥输出电压的和。在整个控制过程中，仅有一个整流桥的触发控制角在变化，另一个整流桥的触发控制角保持在一个固定位置，即最大整流或最大逆变，这视电动机的工作状态而定。当一个整流桥处于最大整流状态，另一个整流桥处于最大逆变时，电动机电枢两端电压为零；当控制逆变桥的触发脉冲由最大逆变向最大整流方向移动时，在电枢两端可以得到从零到最大整流电压的电压；反之，当整流桥的触发脉冲由最大整流向最大逆变方向移动时，则可获得从零到最大逆变的电压，以吸收电动机发电状态的能量馈送给电网。整流波形如图33所示。图33 串联顺序控制的电压波形两组整流桥输出电压：其中：为变压器副边线电压的有效值；、分别为整流桥的触发控制角。根据触发角与功率因数的关系，可以得到不同触发角下功率因数的值，用图示法描述如图34所示。从图34中可以看出，与普通三相全控整流桥相比，采用串联顺序控制可以很大程度地减小无功功率，尤其是低速运行时的无功功率。图34有功和无功功率图示法图中虚线-三相桥式整流功率关系，实线-串联顺序控制功率关系，Q-顺序控制的无功功率，P-顺序控制的有功功率。图35双桥顺序控制器电路图（2）顺序控制器双桥串联顺序控制电路如图35所示，特性如图36所示。来自电枢LT的输出信号ULt被限制在010V之间，经倒相后的输出信号Udf为010V。倒相器DF的特性如图36(a)所示。Uk1=f(Udf)持性如图36(b)所示，Uk2=f(Udf)特性如图36(c)所示。每一个桥的触发整流特性如图36(d)所示。由图(a)、(b)特性可得Uk1 =f(ULt)、Uk2 =f(ULt)特性，如图36(e)所示。由图(d)、(e)特性可得Ud1 =f(ULt)、Ud2 =f(ULt)特性，如图36(f)所示。由Ud= Ud1 Ud2则可得总的触发整流特性Ud=f（ULt）。当ULt0V时，Ud=Udm；当ULt5V时，Ud=0V；当ULt10V时，Ud=Udm 。图36 双桥串联顺序控制特性3、基本负载电阻在图31所示图中，与电枢整流桥并联的电阻Rj1、Rj2称为基本负载电阻，其作用是为整流桥提供续流电流。通常在大容量的变流器中，对于大功率变流器，一般采用双窄脉冲触发，这样对于双桥串联供电的电枢回路，需要同时给出四个脉冲，两组桥才能运行，形成电枢电流。如果两组桥的触发脉冲不同步，两组桥就不能同步运行，就不能形成电枢电流。当设置了基本负载电阻后，每个桥通过基本负载电阻单独构成电流通路，每个桥都能形成电枢电流。保证了在触发脉冲不同步的情况下也能正常工作。若采用宽脉冲触发，可以不设置基本负载电阻。另外，在负载减半的情况下，可以采用一组桥工作、一组桥备用的运行方式。若一组桥故障时，另一组桥在半负载下也能正常运行。4、滤波电抗器滤波电抗器（也称平波电抗器）的主要作用是滤除电流的脉动成分（俗称滤波），并使电流连续以及限流。与单桥相比，双桥顺序控制的脉动频率提高了，谐波电压幅值也减小了，但脉动仍然存在。为限制电枢电流的谐波分量，使电枢电流断续范围尽可能小，仍需在电枢回路接入电抗器。但由于电感量与电流的脉动频率成反比，所以双桥顺序控制时，电抗器的电感量比单桥电路时小得多。另外，在提升系统中，要求电枢电流连续，因此选择滤波电抗器时还应满足电流连续的要求。三相全控整流桥和双桥顺序控制基波和谐波的关系如表2所示。表2三相全控整流桥和双桥顺序控制基波和谐波的关系整流桥类型三相全控整流桥双桥顺序控制脉波数612谐波电流频率与基波电流频率倍数fn=(6k1)f1fn =(12k1) f1谐波电流幅值与基波电流幅值的关系In=(1/n)I1In=(1/n)I1注：k正整数；fn谐波电流频率，f1基波电流频率；In谐波电流有效值，I1基波电流有效值在电枢回路发生短路故障时，由于流过电抗器的电流不能突变，减缓了瞬时大电流的产生，为其它保护动作赢得了时间。5、直流快速开关直流快速开关的作用是直流侧（直流电动机侧）过载和短路保护用，它的机构动作时间只有2ms，全部分段电弧时间不超过30ms，因此，当直流侧发生故障时，能在快速熔断器熔断之前动作，避免更换快速熔断器带来的麻烦和损失。6、电枢调节电路电枢调节电路为典型的双闭环调节系统。速度调节器ST和电枢电流调节器LT均为PI调节器，它们的主要作用是综合给定和反馈信号、改善系统的动静态性能。1）速度、电流双闭环调节速度、电流双闭环调速是VM提升系统最常用的结构形式，图31的磁场换向的VM可逆调速系统可以简化为如图37所示的速度、电流双闭环调速系统。速度调节器ST综合速度给定输入信号Ugn和速度反馈信号Ufn构成负反馈的速度闭环，称为外环。速度调节器ST的输出信号作为电流调节器LT的给定输入信号Ugi，电流调节器LT综合输入信号Ugi和电流反馈信号Ufi构成负反馈的电流闭环，称为内环。电流调节器LT的输出信号UK为晶闸管触发装置CF的移相控制信号，由它控制晶闸管的控制角以调节电枢电压。系统中用于控制的各种信号都转换为同一性质的电压信号。速度反馈信号是由与主提升直流电动机同轴连接的直流测速发动机及变换电路获取的，测速发动机的输出电压与转速成正比，可以表示为UfnKfnn(Kfn为速度反馈系数)。电流反馈信号由接于交流侧的电流互感器LH及变换电路获取，可表示为UfiKfiId(Kfi为电流反馈系数)。通过对速度调节器ST和电流调节器LT结构的选择和参数的计算，可设计出满足静动态性能指标的系统，一般速度和电流两个调节器均采用比例积分(PI)调节器。图37 转速、电流双闭环调速系统晶闸管触发装置应具有较宽范围的移相控制特性，满足整流和逆变的要求，移相控制特性如图38所示。要使变流器工作在整流状态，则UK为正极性。对于电流调节器LT，由于图38 触发电路的移相控制特性f(Uk)电流给定信号Ugi和电流反馈信号Ufi均加到LT的反相输入端，因此Ugi与Ufi的差值应为负极性。电动机处于电动状态时，Ugi应略大于Ufi，因此Ugi应为负极性，Ufi应为正极性。同理，Ugn应为正极性，Ufn应为负极性。实际系统中，为了限制最小控制角min和最小逆变角min ，LT的输出端设置正、负限幅电路。同样为限制电枢回路的最大允许电流Idm，ST的输出端也设置正、负限幅电路。为了实现提升机按速度图的要求运行，速度给定信号Ugn应按速度图进行设计。2）速度调节环的作用速度调节器是调速系统的主导调节器，能使实际转速跟随给定速度变化，如果采用PI调节器，可实现静态速度无静差；对负载变化起抗扰作用。当负载发生变化时，最终反映到电动机的速度上，速度的微小变化都使速度调节器输入端出现偏差，通过速度调节环的调节作用来消除偏差，从而使速度稳定在给定的值上；其输出限幅值决定允许的最大电流。3）电流调节环的作用限流。由于LT通常采用PI调节器，稳态时，UK为一恒值，则LT的输入电压U1UgiUfi0，所以UgiUfiKfiId ，Id Ugi/Kfi。在系统调整好后，Kfi为常数。因此，电枢电流的最大值IdmUgim/Kfi（Ugim为速度调节器输出电压限幅值，V），限制了速度调节器输出电压的限幅值Ugim，也就限制了电枢电流的最大值Idm。快速跟随。对于电流环，当Ugi为阶跃信号(对于图37，Ugi为负极性)时，经LT的比例积分作用，UK迅速增长，控制变流器的输出电压Ud，Ud随着迅速上升，电枢电流快速建立，电流反馈信号Ufi (正极性)同时增长，一旦UfiUgi。(指绝对值比较)，Ui为正，则UK下降，电枢电流下降。反馈调节的结果，使电枢电流趋于稳定。稳定时，Id Ugi/Kfi。电流环的动态响应时间一般在10ms左右。因此，电流环具有快速跟随的作用，也就是说电流环可以看成是一个小惯性随动系统。对电网电压变化具有抗干扰作用。在电流环处于稳定工作状态时，若电网电压突降(或突升)，则整流电压下降，导致电枢电流下降经电流反馈的调节作用，使电枢电流迅速恢复到原来的值，扰动恢复时间短，约为10ms。因此对速度的影响很小，因为电动机的机械惯性很大，在转速还没有来得及变化时，电枢电流已经恢复到原来的值了。4）各单元电路的工作原理绝对值变换器JB电枢电流环为电流负反馈调节系统，由于电流反馈信号是由电流互感器获取的交流电流信号通过整流而来，所以电枢电流反馈信号Ufdi始终为正，那么为了形成负反馈，电枢电流的给定信号Ugdi应始终为负。由于速度调节器输出的信号电压Ust的极性是变化的，如对应正向提升时为正，对应反向提升时就为负，为了满足电枢电流的给定电压Ugdi始终为负值的条件，必须将双极性的Ust变成始终为负极性的Ugdi，这就是绝对值变换器的作用。绝对值变换器JB的电路如图39所示，它有两级运放器组成，第一级N1组成检波器， 图39 绝对值变换器JB第二级N2组成加法器。当JB的输入信号Udxt为正极性时，N1的输出信号UA为负值，二极管D7导通、D8截止，使N1的反馈电阻接近零，Nl的放大倍数近似为零，UAUB0，而Udxt直接加到了N2的输入端，则有Ugdi=Udxt。当JB的输入信号Udxt为负极性时，N1的输出信号UA为正值，二极管D7截止、D8导通，Nl的放大倍数为1，即UBUdxt，而UA被嵌位近似等于UB，加在N2输入端的信号有三个UB、UA（UAUBUdxt）和Udxt。N2的输出信号Ugdi 为Ugdi=UAUBUdxt=2（UdxtUdxt = Udxt此时JB为放大倍数Kpl的同相放大器。所以，无论Udxt极性如何，Ugdi始终为负值。其输入输出特性如图39(b)所示。电流变化率限制器DXT(亦称导数限制器)电流变化率限制器的作用有两个：其一是限制电枢电流的变化率diddt。在电气上，限制diddt将较大改善直流电