电力拖动自动控制系统-运动控制系统：第4章 可逆控制和弱磁控制的直流调速系统

中国地质大学自动化学院自动控制系第一篇直流调速系统

第4章可逆控制和弱磁控制的直流调速系统电动机除电动转矩外，还须产生制动转矩，实现生产机械的快速减速、停车与正反向运行等功能在转速和电磁转矩坐标系统上，就是四象限运行的功能这样的调速系统需要正反转，故称可逆调速系统改变电枢电压极性、励磁磁通方向实现对电机旋转方向的改变很简单，难点是电力电子器件电流方向的反向2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)22023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院目录V-M可逆直流调速系统直流PWM可逆调速系统弱磁控制的直流调速系统陈鑫(chenxin@)34.1直流PWM可逆调速系统桥式PWM可逆调速系统可逆PWM变换器最常用的是桥式（亦称H形）电路着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器图中：

H型桥式可逆PWM变换器2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)4正向电动运行波形

第1阶段：在0≤

t≤

ton

期间，Ug1

、Ug4为正，VT1

、VT4导通，Ug2

、Ug3为负，VT2

、VT3截止，电流id

沿回路1流通，电动机M两端电压UAB=+Us

；第2阶段：在ton

≤

t≤

T期间，Ug1

、Ug4为负，VT1

、VT4截止，VD2

、VD3续流，并钳位使VT2

、VT3保持截止，电流id

沿回路2流通，电动机M两端电压UAB=–Us

；桥式PWM可逆调速系统-正向运行4.1直流PWM可逆调速系统

第1阶段：在ton

≤t

≤T

期间，Ug2

、Ug3

为正，VT2

、VT3导通，Ug1

、Ug4为负，使VT1

、VT4保持截止，电流–id

沿回路3流通，电动机M两端电压UAB=–Us；

第2阶段：在

0≤

t≤

ton

期间，Ug2、

Ug3为负VT2

、VT3截止，VD1

、VD4

续流，并钳位使VT1

、VT4截止，电流–id

沿回路4流通，电动机M两端电压UAB=+Us

；桥式PWM可逆调速系统-反向运行4.1直流PWM可逆调速系统双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为

注意：这里

的计算公式与不可逆变换器中的公式就不一样了。调速时，

的可调范围为0~1，则–1<

<+1。当

>0.5时，

为正，电机正转当

<0.5时，

为负，电机反转

当

=0.5时，

=0，电机停止当电机停止时电枢电压并不为零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，产生交变电流。交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，但增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。桥式PWM可逆调速系统-输出电压2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)74.1直流PWM可逆调速系统双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：

1）电流一定连续

2）可使电机在四象限运行

3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区

4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右

5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通双极式控制方式的不足之处：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时

桥式PWM可逆调速系统-性能评价2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)84.1直流PWM可逆调速系统直流PWM可逆调速系统转速反向的过渡过程a点过渡到b点，Id从正向IdL降到零b点过渡到c点，Id反向上升到Idmc点过渡到d点，转速减小到0，电机回馈制动d点过渡到e点，转速超调，转速环退饱和在f点稳定工作，电流为-IdL2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)94.1直流PWM可逆调速系统注意负载时反抗性恒转矩负载直流PWM功率变换器的能量回馈由于二极管单向导电性，电机制动状态时，电能不能回馈电网，只能向滤波电容充电，称作泵生电压为限制泵生电压，需要开关器件VTb控制能量释放回路，使多余动能以铜耗形式释放在电阻Rb上2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)104.1直流PWM可逆调速系统整流器不可控滤波电容在启动时为限制充电电流，串入限流电阻R0单片微机控制的PWM可逆直流调速系统2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)114.1直流PWM可逆调速系统三相交流电转直流后，经直流PWM变换器得到可调直流电压检测回路：

模拟量：电压、电流、温度

数字量：转速具备故障检测功能，报障系统安全常用单片微机

单组晶闸管装置供电的V-M系统在拖动起重机类型的负载时也可能出现整流和有源逆变状态。

90°，Ud0

E，n

0由电网向电动机提供能量-+Ud0RM+-nEV--PId（2）逆变状态放下重物

90°，Ud0

E，n

0

由电动机向电网回馈能量

+-+--Ud0RMnEV--P（1）整流状态提升重物V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－单组晶闸管位能性负载2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)124.2V-M可逆直流调速系统整流状态

电动机工作于第一象限逆变状态电动机工作于第四象限-nnIdTe提升放下TLOV-M可逆直流调速系统的主回路及环流－单组晶闸管位能性负载2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)134.2V-M可逆直流调速系统V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－两组晶闸管反并联2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)144.2V-M可逆直流调速系统由于晶闸管单向导电性，如果需要电流反向，必须使用两组晶闸管整流装置反并联实现可逆调速需要两套触发装置不允许两组晶闸管同时处于整流状态，否则短路当VF和VR的触发延迟角都满足不经过电机即构成电流回路，形成短路！V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－两组晶闸管反并联2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)154.2V-M可逆直流调速系统触发延迟角决定了晶闸管处于整流或有源逆变状态晶闸管装置平均理想空载输出电压为整流时，Ud0为正值；逆变时，Ud0为负值定义逆变角，则有逆变电压V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－两组晶闸管反并联R-+Ud0fM+-nEVF--PId+-+--Ud0rRMnEVR--P-Ida)正组整流电动从电网输入能量b)反组逆变回馈制动注意，这时有Id-Idn反组逆变回馈制动正组整流电动运动Oc)机械特性允许范围2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)164.2V-M可逆直流调速系统V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－两组晶闸管反并联R-+Ud0fM+-nEVF--PId+-+--Ud0rRMnEVR--P-Ida)正组整流电动从电网输入能量b)反组逆变回馈制动注意，这时有2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)174.2V-M可逆直流调速系统即使不是可逆调速系统，只要是需要快速回馈制动，常常也采用两组反并联晶闸管装置，正组提供电动运行的整流供电，反组提供逆变制动V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－环流问题MVRVFUd0f+--+Ud0rRrecRrecRa--~~IdIc反并联可逆系统中的环流2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)184.2V-M可逆直流调速系统环流——两组整流装置同时工作时可能产生不流过负载（电机）而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流缺陷：消耗功率，环流太大会损坏晶闸管V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－环流问题环流的分类：静态环流：两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流直流平均环流：由晶闸管输出的直流平均电压所产生的环流称为直流平均环流；瞬时脉动环流：两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称为瞬时脉动环流。动态环流：仅在V-M系统处于过渡过程中出现的环流，本书不讨论2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)194.2V-M可逆直流调速系统V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－环流问题MVRVFUd0f+--+Ud0rRrecRrecRa--~~IdIc反并联可逆系统中的环流2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)204.2V-M可逆直流调速系统抑制直流平均环流即为可靠消除环流，往往采用VF和VR总是分别处于整流和逆变状态，且电压方向同向等值，使平均环流为0MVRVFRrecRrec-1ARGTRGTFUcRaMV-M可逆直流调速系统的主回路及环流－环流问题α＝β配合控制电路GTF-正组触发装置GTR-反组触发装置AR-反号器2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)214.2V-M可逆直流调速系统抑制直流平均环流设定两组晶闸管触发脉冲零位控制电压移相时，两组触发装置控制电压大小相等，符号相反增加一个反号器V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－环流问题180o0o

-

UcmUc90o

rminUcm90o0o180o

fmin

fmin

rmin

r

fGTRGTFUc1

r

fα＝β配合控制特性2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)224.2V-M可逆直流调速系统抑制直流平均环流正组整流反组逆变为了防止“逆变颠覆”，必须在控制电路中进行限幅，形成最小逆变角为了防止出现而产生直流平均环流，形成通常由于触发不可靠造成换相失败引起交流与直流电源顺极性串联而短路V-M可逆直流调速系统的控制-有环流可逆V-M系统三相零式可逆线路和瞬时脉动环流回路2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)234.2V-M可逆直流调速系统

配合只能消除直流平均环流瞬时脉动环流——因为瞬时电压差而产生的环流由于瞬时脉动环流自然产生，因此也称为配合控制有环流可逆系统，自然环流系统

abcaud0rOwtp2pUd0rwtIcpicp

ud0af

ud0fwtabcaOp2pUd0fOar

ud0V-M可逆直流调速系统的控制-有环流可逆V-M系统abcaud0rOwtp2pUd0rwtIcpicp

ud0af

ud0fwtabcaOp2pUd0fOar

ud0αf＝βr=600时的电压、瞬时电压差及瞬时脉动环流2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)244.2V-M可逆直流调速系统正组整流，反组逆变，且有

但其瞬时压差不为零，即

在两组晶闸管之间产生脉动环流

脉动环流特点：

由于环路阻抗主要是电感，不能突变，相位上落后，而且晶闸管单向导通，只能在一个方向脉动，形成直流分量

与直流平均环流在性质上是不同的！V-M可逆直流调速系统的控制-有环流可逆V-M系统2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)254.2V-M可逆直流调速系统抑制瞬时脉动环流，串入环流电抗器将瞬时环流直流分量限制在负载额定电流的5%~10%由于整流特性，两个电抗器总有一个因为流过负载电流而饱和为滤平系统电流，设计平波电抗器

MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcV-M可逆直流调速系统的控制-有环流可逆V-M系统α＝β配合控制的三相桥式有环流可逆V-M系统原理图2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)264.2V-M可逆直流调速系统设置四个环流电抗器正组整流时由于逆变组除环流外没有负载电流，因此处于待逆变状态V-M可逆直流调速系统的控制-有环流可逆V-M系统α＝β配合控制的三相桥式有环流可逆V-M系统原理图2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)274.2V-M可逆直流调速系统MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc设置四个环流电抗器当

逆变组投入逆变正组处于待整流状态V-M可逆直流调速系统的控制-有环流可逆V-M系统α＝β配合控制的三相桥式有环流可逆V-M系统原理图2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)284.2V-M可逆直流调速系统有环流可逆系统

优点：反向快、过渡平滑

缺点：多个电抗器当工艺对正反转平滑性要求不高，常采用无环流可逆系统——

既没有直流环流，又没有瞬时脉动环流逻辑控制无环流可逆系统——

利用逻辑关系控制，实现当一组晶闸管工作时（不论是整流还是逆变），使另一组处于完全封闭状态逻辑控制的目的是封锁一组晶闸管的触发脉冲输出，而输入触发脉冲扔遵循V-M可逆直流调速系统的控制-无环流可逆V-M系统逻辑控制的无环流可逆调速系统原理框图2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)294.2V-M可逆直流调速系统

ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR----+ZC转速、电流双环控制仅一个平波电抗器双电流调节器反号器形成双电流独立控制，不需要电流极性检测，采用交流互感器检测电流V-M可逆直流调速系统的控制-无环流可逆V-M系统逻辑控制的无环流可逆调速系统原理框图2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)304.2V-M可逆直流调速系统

ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR----+ZC无环流逻辑控制环节DLC控制信号控制正组触发

控制信号控制反组触发逻辑控制的充要条件：

必要条件：ASR输出信号的极性——转矩极性鉴别信号

充分条件：电枢电流真正到零——零电流检测信号由于实际电流是脉动的，瞬时穿过0位并不能表示电流已经稳定到0封锁时间tdbl:检测到电流不超过最小电流I0时开始计时，约半个到一个脉波时间，三相桥式约为2~3ms开放延时tdt：为了防止两组晶闸管同时导通，设置开放延时时间tdt，一般大于一个波头的时间，对三相桥式可取5~7ms逻辑互锁信号：保证两个输出信号

之间绝不会出现两组脉冲同时开发V-M可逆直流调速系统的控制-无环流可逆V-M系统2023/10/30陈鑫(chenxin@)4.2V-M可逆直流调速系统制动过渡过程分析过渡过程分为三个阶段本组逆变阶段：

正向电流衰减，VF组工作它组制动阶段它组整流阶段：

反向电流建立，VR组工作它组逆变阶段：

恒值电流制动，VR工作2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)324.2V-M可逆直流调速系统陈鑫(chenxin@)332023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcId+-+-+++--4.2V-M可逆直流调速系统制动过渡过程分析——本组整流、正向运动有环流系统正向运行过程VF工作在整流状态VR工作在待逆变状态陈鑫(chenxin@)342023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcId+4.2V-M可逆直流调速系统制动过渡过程分析——本组逆变、正向运动有环流系统本组逆变过程VF工作在逆变状态VR工作在待整流状态Id迅速下降，主电路电感释放储能0+---+++陈鑫(chenxin@)352023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcId4.2V-M可逆直流调速系统制动过渡过程分析——它组制动、正向运动有环流系统它组整流过程VR工作在整流状态Id迅速反向上升，直到反向超调0+--+++++略减陈鑫(chenxin@)362023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcId4.2V-M可逆直流调速系统制动过渡过程分析——它组制动、正向运动有环流系统它组逆变过程VF工作在待整流状态VR工作在逆变状态0++++++--ACR调节器退饱和维持制动过渡过程分析过渡过程分为三个阶段本组逆变阶段（I）它组制动阶段它组整流阶段（II）它组逆变阶段（III）2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)374.2V-M可逆直流调速系统变电枢电压方法是从基速（即额定转速）向下调速。在变压调速范围内，因为励磁磁通不变，电磁转矩Te=KmΦId，允许的转矩也不会变，称作“恒转矩调速方式”降低励磁电流以减弱磁通是从基速向上调速。在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许的转矩不得不减少，转矩与转速的乘积则不变，即允许功率不变，是为“恒功率调速方式”当负载要求的调速范围大时，就采用变压和弱磁配合控制的办法，即在基速以下保持磁通为额定值不变，只调节电枢电压，而在基速以上则把电压保持为额定值，减弱磁通升速

2023/10/30中国地质大学（武汉）自动化学院陈鑫(chenxin@)3