由晶闸管整流供电的可逆直流调速系统

直流调速系统运动控制系统第2章2.8由晶闸管整流供电的可逆直流调速系统2.8.1晶闸管—电动机系统的可逆线路2.8.2两组晶闸管可逆线路中的环流及其处理原则2.8.3有环流可逆调速系统2.8.4无环流可逆调速系统引言生产实际中，许多生产机械要求电动机能够正反转：1.能够频繁正反向运行2.能够快速停车引言本节专门研究由晶闸管整流装置供电的直流电动机可逆调速系统。

V-M系统的正反转问题。

★核心：环流问题！2.8.1晶闸管—电动机系统的可逆线路改变电动机电磁转矩Te方向的方法有两种：由转矩公式1.改变电枢电流Id的方向2.改变电机励磁磁通Φ的方向反接电枢可逆线路反接磁场可逆线路1.反接电枢可逆线路—第一类

KMF闭合，电动机正转；

KMR闭合，电动机反转。Ud+Id–IdM图2.80用接触器切换的可逆线路用接触器切换的可逆线路—特点1.简单、经济；2.接触器动作有噪声，使用寿命短；3.切换过程长，有死区；4.适用于不经常正反转的生产机械。1.反接电枢可逆线路—第二类

VT1、VT4导通，电动机正转；

VT2、VT3导通，电动机反转。Ud+Id–Id图2.81用晶闸管开关切换的可逆线路用晶闸管切换的可逆线路—特点1.克服了有触点电器的缺点；2.需要四个晶闸管作为开关，经济上无优点；3.在小容量可逆传动中有使用价值。1.反接电枢可逆线路—第三类正转时，由正组晶闸管装置VF供电；

反转时，由反组晶闸管装置VR供电。两套晶闸管供电的可逆线路MVRVFId-Id+--+--两套晶闸管供电的可逆线路—特点

两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。2.反接磁场可逆线路—第一类MVId+-V-if-+--KMFKMFKMRKMRif采用接触器切换的反接磁场可逆线路2.反接磁场可逆线路—第二类MVId+-VRVFIf-If+--+--两套晶闸管反并联的反接磁场可逆线路反接磁场的可逆线路—特点优点：供电装置功率小。由于励磁功率仅占电动机额定功率的1~5%，因此，采用励磁反接方案，所需晶闸管装置的容量小、投资少、效益高。缺点：改变转向时间长。由于励磁绕组的电感大，励磁反向的过程较慢；又因电动机不允许在失磁的情况下运行，因此系统控制相对复杂一些。（1）V-M系统的可逆线路可分为两大类：电枢反接可逆线路——电枢反接反向过程快，但需要较大容量的晶闸管装置；励磁反接可逆线路——励磁反接反向过程慢，控制相对复杂，但所需晶闸管装置容量小。3.反接电枢和反接磁场可逆系统的比较（2）每一类线路又可用不同的换向方式：接触器切换线路——适用于不经常正反转的生产机械；晶闸管开关切换线路——适用于中、小功率的可逆系统；两组晶闸管反并联线路——适用于各种可逆系统。2.8.2两组晶闸管可逆线路中的环流1.晶闸管装置的逆变状态与直流电动机的回馈制动逆变状态2.两组晶闸管可逆线路中的环流问题回馈制动环流(1)晶闸管装置的整流和逆变状态在电流连续的条件下，晶闸管装置的平均理想空载输出电压为α=0时的整流电压峰值交流电源一周内的脉波数1.晶闸管装置的逆变状态与直流电动机的

回馈制动α=0时整流平均电压最大值

V-M系统带位势性负载时的两种工作状态-+Ud0RM+-nEV--PIdR+-+--Ud0MnEV--PId整流状态逆变状态n-

nIdTe提升放下TL<90°>90°整流电动逆变发电①两种状态中电流方向不变；②整流装置输出平均电压极性相反；③整流状态时输出电能供给直流电机；④逆变状态时吸收电能，并把直流电能转换成交流电能送回电网——有源逆变。特点有源逆变：把直流电能逆变成交流电能后

送给电网；无源逆变：把直流电能逆变成交流电能后

送给负载。有源逆变与无源逆变①控制角>90°，使晶闸管整流装置直流侧产生一个负的平均电压-Ud，这是装置内部的条件；②外电路必须有一个直流电源，其极性与-Ud

的极性相同，但数值比|Ud0|稍大，以产生并维持逆变电流，这是装置的外部条件。

晶闸管工作于有源逆变状态的必要条件(2)直流电动机的回馈制动

回馈制动：改变电枢中电流的方向，电动机工作于发电状态，将机械能转变为电能，向电源发送。

自由停车、能耗制动、反接制动。P121注意：①回馈制动是最经济的制动方式；②回馈制动要求改变电枢中电流的方向，因此单组晶闸管整流装置无法完成回馈制动。

两组晶闸管反并联可逆线路PId-+Ud0fM+-EVF---+Ud0rVRRR-+Ud0rVRM+-nE--RPId-+Ud0fM+-nEVF--R正组反组

在可逆调速系统中，正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动，反转运行时同样可以利用正组晶闸管实现回馈制动。这样，采用两组晶闸管装置的反并联，就可实现电动机的四象限运行。

两组晶闸管反并联可逆线路的四象限运行表2.13V-M系统可逆线路的工作状态

V-M系统的工作状态正向运行正向制动反向运行反向制动电枢端电压极性++－－电枢电流极性+－－+电机旋转方向++－－电机运行状态电动回馈发电电动回馈发电晶闸管工作的组别和状态正组整流反组逆变反组整流正组逆变机械特性所在象限一二三四环流的定义：采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。2.两组晶闸管可逆线路中的环流问题(1)环流及其种类图2.86反并联可逆V-M系统中的环流MVRVFUd0f+--+Ud0rRrecRrecRa--~~IdIcIc

—环流，Id

—负载电流，Rrec—整流装置内阻环流的危害和利用危害：一般地说，环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏。利用：在保证晶闸管安全的情况下，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，①使电动机在空载或轻载时工作在晶闸管装置的电流连续区；②同时，少量环流可以保证电流无间断换向，加速反向时的过渡过程。

环流的分类

在不同情况下，会出现下列不同性质的环流：

(1)静态环流——两组可逆线路在一定控制角α下稳定工作时出现的环流。(2)动态环流——仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。

静态环流的分类静态环流又分为两类：直流平均环流——由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。瞬时脉动环流——两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因输出电压的瞬时值不等仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。(2)直流平均环流与配合控制MVRVFUd0f+--+Ud0rRrecRrecRa--~~Ic1.VF和VR均处于整流状态，Ud0f和Ud0r正负相连；2.VF整流、VR逆变，但|Ud0f|>|Ud0r|。+-

克服直流平均环流的两种方式封锁触发脉冲——在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作；采用配合控制——使一组晶闸管装置工作在整流状态，另一组则工作在逆变状态。MVRVFUd0f+-Ud0rRrecRrecRa--~~在任何时刻都能保证，Ud0f=-Ud0r+-

配合控制的基本思路

触发装置的移相特性

由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压Ud0max是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有cosr=–cosf或r+f=180如果反组的控制用逆变角r表示，则

f=

r

触发装置的移相特性图2.87触发装置的移相控制特性

-

UctmUct90o

rmin180o0oUctm90o0o180o

fmin

fmin

rmin

r

fGTRGTFUct

α=β配合控制电路MVRVFRrecRrec-1ARGTRGTFUctRaM图2.88α=β配合控制电路GTF--正组触发装置，GTR--反组触发装置，AR--反相器

(3)瞬时脉动环流及其抑制采用配合控制已经消除了直流平均环流，但是，由于晶闸管装置的输出电压是脉动的，造成整流与逆变电压波形上的差异，仍会出现瞬时电压的情况，从而仍能产生瞬时的脉动环流。这个瞬时脉动环流是自然存在的，因此配合控制有环流可逆系统又称作自然环流系统。

瞬时脉动环流举例三相半波反并联可逆线路~--Ud0fLc1RrecRrecUd0rVFVRIdIcpMabcABC++--Lc2

瞬时脉动环流举例瞬时电压差和瞬时脉动环流波形

整流组电压波形

逆变组电压波形abcaud0r0wtp2pUd0rwtIcpicpud0af

ud0fwtabca0p2pUd0f0arud0

瞬时脉动环流的抑制直流平均环流可以用配合控制消除，而瞬时脉动环流一般是始终存在的。为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，叫做环流电抗器，或称均衡电抗器。环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分量限制在负载额定电流的5%~10%来设计。~--Ud0fLc1RrecRrecUd0rVFVRMabcABC++--Lc2环流电抗器2.给定环流和可控环流的可逆调速系统2.8.3有环流可逆调速系统1.

=

配合控制的有环流可逆调速系统2.给定环流和可控环流的可逆调速系统1.

=

配合控制的有环流可逆调速系统(1)系统组成原理

MVRVF-1ARGTRGTFUctASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc----整流状态——

整流组为电动机提供能量，使电机处于电动运行状态，此时该组晶闸管装置处于整流状态。逆变状态——在制动时，当发出信号改变控制角后，同时降低了整流电压和逆变电压的幅值，一旦电机反电动势E>|Ud0r|=|Ud0f|，整流组电流将被截止，逆变组投入逆变工作，使电机产生回馈制动，将电能通过逆变组回馈电网。

=

控制的四种工作状态待逆变状态——当整流组工作时，逆变组除环流外并未流过负载电流，也就没有电能回馈电网，它只是处于“待逆变状态”，表示该组晶闸管装置是在逆变角控制下等待工作。待整流状态——当逆变组工作时，另一组在等待着整流，可称作处于“待整流状态”。

=

控制的四种工作状态

在任何时候，实际上只有一组晶闸管装置在工作，另一组则处于等待工作的状态。注意：+++----++IdPnMVRVF-1ARGTRGTFUctASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc----

正向运行过程分析KFKR+-电机正向运行，VF整流，VR待逆变整个制动过程可以分为两个主要阶段：

I.本桥逆变阶段——电流下降II.反桥制动阶段——转速下降现以正向制动为例，说明有环流可逆调速系统的制动过程。

制动过程分析+++----++Id0+--++IdMVRVF-1ARGTRGTFUctASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc----KFKR+-n-+本桥逆变，VF逆变，VR待整流

本桥逆变阶段-UctmU*im在VF-M回路中，由于VF变成逆变状态，极性变负，而电机反电动势E极性未变，迫使电流迅速下降，主电路电感迅速释放储能，企图维持正向电流，这时大部分能量通过VF回馈电网，所以称作“本桥逆变阶段”。由于电流的迅速下降，这个阶段所占时间很短，转速来不及产生明显的变化。-Idm

IdL

E

本桥逆变阶段动态响应过程-Uctm

ttt000Id

n

Uct

I+-+---+0+--++-IdnMVRVF-1ARGTRGTFASRACRU*n+-UnUi+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTAUc----KFKR+-

反桥制动阶段——A.反桥建流阶段(II1)-Uctm0Id

IdL

反桥建流，VR整流，VF待逆变，电机反接制动U*im

Id

过零并反向，直至到达-Idm

以前，ACR并未脱离饱和状态，其输出仍为-Uctm。由于本组逆变停止，电流变化延缓，的数值略减，使反组VR由“待整流”进入整流，向主电路提供–Id。由于反组整流电压Ud0r和反电动势E的极性相同，反向电流很快增长，电机处于反接制动状态，转速明显地降低。-Idm

IdL

E

反桥建流阶段(II1)动态响应过程ttt000Id

n

Uct

III1-Uctm

-Idm

+--+0+-IdnMVRVF-1ARGTRGTFASRACRU*n+-UnUi+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTAUc----KFKR+-

反桥制动阶段——B.反桥逆变阶段(II2)0Id

IdL

反桥逆变，VR逆变，VF待整流，电机回馈制动U*im-Idm

--+++-+-Uct当反向电流达到–Idm并略有超调时，ACR输出电压Uct退出饱和，其数值很快减小，又由负变正，然后再增大，使VR回到逆变状态，而VF变成待整流状态。电机在恒减速条件下回馈制动，把动能转换成电能，其中大部分通过VR逆变回馈电网。这个阶段所占时间最长，是制动过程的主要阶段。-Idm

IdL

E

反桥逆变阶段(II2)动态响应过程II2ttt000Id

n

Uct

III1-Uctm

+--+0+IdnMVRVF-1ARGTRGTFASRACRU*n+-UnUi+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTAUc----KFKR+-

反桥制动阶段——C.反向减流阶段(II3)0Id

IdL

反向减流，VR逆变，电机停车--+++-+-Uct00U*im000000t0Uct

在这一阶段，转速下降得很低，无法再维持-Idm，于是电流立即衰减。在电流衰减过程中，电感L上的感应电压LdId/dt支持着反向电流，并释放出存储的磁能，与电动机断续释放出的动能一起通过VR逆变回馈电网。-Idm

IdL

E

反向减流阶段(II3)动态响应过程II2III1-Uctm

II3ttt000Id

n

Uct

反向启动如果需要在制动后紧接着反转，Id=-Idm的过程就会延续下去，直到反向转速稳定时为止。正转制动和反转起动的过程是完全衔接起来的，没有间断或死区，这是有环流可逆调速系统的优点，适用于要求快速正反转的系统。

有环流系统可逆运行曲线IdL

Id

n

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

ttIVVVIt5

t6

-Idm

-IdL

n*

-n*

正向启动正向运行制动反向启动反向运行停车2.逻辑控制的无环流可逆调速系统2.8.4无环流可逆调速系统1.

错位控制的无环流可逆调速系统1.

错位控制的无环流可逆调速系统

概述有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，当工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求不很高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流控制可逆系统。2.

逻辑控制的无环流可逆调速系统当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬件）或逻辑算法（软件）去封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，以确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。逻辑控制的无环流可逆调速系统结构图2.102逻辑控制无环流可逆调速系统原理框图

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