电力拖动自动控制系统：运动控制系统：第四章

1、可逆控制和弱磁控制的直流调速系统,电力拖动自动控制系统,第 4 章,内容提要,直流PWM可逆调速系统 V-M可逆直流调速系统 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。,4.1直流PWM可逆调速系统,1. 桥式PWM可逆调速系统,可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图所示。 电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常

2、用的双极式控制的可逆PWM变换器。,H型桥式可逆PWM变换器,4.1直流PWM可逆调速系统,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 ；,1.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

3、，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 ；,1.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 （4-1） = 2 1 （4-2） 注意：这里 的计算公式与不可逆变换器中的公式就

4、不一样了。,调速时， 的可调范围为01， 则 10.5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。,1.桥式PWM可逆调速系统-输出电压,4.1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

5、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。,1.桥式PWM可逆调速系统-性能评价,4.1直流PWM可逆调速系统,2.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Idm； c点过渡到d点，转速减小到0； d点过渡到e点，转速超调，转速环

6、退饱和； 在f点稳定工作，电流为-IdL 。,4.1直流PWM可逆调速系统,3.直流PWM功率变换器的能量回馈,桥式可逆直流脉宽调速系统主电路原理图,4.1直流PWM可逆调速系统,4.单片微机控制的PWM可逆直流调速系统,4.2 V-M可逆直流调速系统,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。,（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。,（1）整流状态 提升重物,1.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,4.2 V-M可逆直流调速系统,整流状

7、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,1.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,4.2 V-M可逆直流调速系统,1.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,两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路,4.2 V-M可逆直流调速系统,1.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,a)正组整流电动,b)反组逆变回馈制动,c)机械特性允许范围,4.2 V-M可逆直流调速系统,1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流环流问题,反并联可逆系统中的环流,4.2 V-M可逆直流调速系统,1.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：

8、 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。,4.2 V-M可逆直流调速系统,1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流环流问题,配合控制电路,GTF-正组触发装置 GTR-反组触发装置 AR-反号器,4.2 V-M可逆直流调速系统,1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流环流问题,配合控制特性,4.2 V-M可逆直流调速系统,2

9、.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,4.2 V-M可逆直流调速系统,2.V-M可逆直流调速系统的控制-有环流可逆V-M系统,fr=600时的电压、瞬时电压差及瞬时脉动环流,4.2 V-M可逆直流调速系统,2.V-M可逆直流调速系统的控制-有环流可逆V-M系统,配合控制的有环流可逆V-M系统原理图,4.2 V-M可逆直流调速系统,2.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,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23ms。 为了防止两组晶闸

10、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57ms。,2.V-M可逆直流调速系统的控制-无环流可逆V-M系统,4.2 V-M可逆直流调速系统,4.2 V-M可逆直流调速系统,3.制动过渡过程分析,有环流系统正向运行过程,-,-,n,4.2 V-M可逆直流调速系统,Id,-,-,本组逆变过程,3.制动过渡过程分析,4.2 V-M可逆直流调速系统,Id,-,-,它组整流流过程,3.制动过渡过程分析,4.2 V-M可逆直流调速系统,Id,-,-,它组逆变过程,3.制动过渡过程分析,4.2 V-M可逆直流调速系统,3.制动过渡过程分析,过渡过程分为三个阶段 本组逆变阶段

11、 它组制动阶段 它组整流阶段 它组逆变阶段,4.3 弱磁控制的直流调速系统,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=KmId，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，,4.3 弱磁控制的直流调速系统,图4-18 弱磁与调压配合控制特性,1.弱磁与调压的配合控制,4.3 弱磁控制的直流调速系统,图4-19 带有励磁电流闭环的弱磁与调压的配合控制直流调速系统 AFR励磁电流调节器 UPEF励磁电力电子变换器,2.励磁电流的闭环控制,4.3 弱磁控制的直流调速系统,2.励磁电流的闭环控制,图4-20 弱磁过程直流电动机的动态结构图,4.3 弱