电力拖动自动控制系统第三章

1、第三章 可逆调速系统,本章提要,问题的提出 晶闸管-电动机( V-M )系统的可逆线路 晶闸管-电动机( V-M )系统的回馈制动 两组晶闸管可逆线路中的环流 有环流可逆调速系统 无环流可逆调速系统 位置随动系统简介,第三章 可逆调速系统,问题的提出,在前两章所讨论的调速系统中，电动机都只朝着一个方向旋转。然而生产实际中，有许多生产机械都要求电动机既能正、反转，又能快速制动。例如龙门刨工作台的往返运动、矿井卷扬机和电梯的提升和下降等。这类生产机械的拖动，需要四象限运行的特性，则必须采用可逆调速系统。,第三章 可逆调速系统,问题的提出（续）,能够改变电动机转矩方向的系统叫做可逆调速系统 。,本章

2、在晶闸管供电的双闭环调速系统 的基础上解决以下问题： 如何实现电动机的正反转。 如何实现电动机的制动。 可逆调速系统 的特殊问题。 针对这些特殊问题如何控制。,第三章 可逆调速系统,3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路 本节提要 电枢反接可逆线路 励磁反接可逆线路 反并联连接与交叉连接 电枢可逆与磁场可逆两种方案的比较,3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路,要控制电机的转向就应控制电机转矩。 由TC m I d 知，改变电机转矩有两种方法： 改变电枢电流I d的方向 I d 电枢可逆系统改变U d的方向实现 改变电机励磁磁通 的方向 磁场可逆系统改变I f的方向实现,G-M系统电机正反转很容易

3、实现（改变U f的极性）。V-M系统要实现电机正反转就是一个比较复杂的专门问题（VT的单向导电性）。,3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路,一、电枢反接可逆线路,1. 接触器开关切换的可逆线路,Ud,+Id,Id,KMF吸合时，M端电压A(+)、B(-)，电动机正转； KMR吸合时，M端电压A(-)、B(+)，电动机反转。,由一套晶闸管给M的电枢供电，实现调速,A,B,3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路,优点：仅需一组晶闸管装置，简单、经济。 缺点： 有触点切换，开关寿命短、噪音大； 动作时间长（0.20.5s）； 不能经常起制动。需自由停车后才能反 向， 时间长。否则，如果马上闭合反向接触

4、 器，则 M 反接制动，Id很大，一般不允许。,应用：经常单方向运行，偶尔才需要反转的生产机械（地铁列车的倒车）。,3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路,2. 无触点的晶闸管开关切换的可逆线路,M,V,+,-,U,d,VT1,VT4,VT2,VT3, VT1、VT4导通，电动机正转； VT2、VT3导通，电动机反转。,工作可靠性高，但经济上无明显优点（10只VT），多用于几十千瓦以下的中小功率可逆线路。,VT1VT4容量大,3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路,3. 两组晶闸管装置反并联可逆线路,在要求频繁快速正反转的生产机械上，特别是较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管-电动机系统。由于晶

5、闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，如下图所示。,3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路,两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路：,3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路,电动机正转时，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。,优点：VT寿命长，切换速度快 缺点：不允许两组VT同时处于整流状态，否则将造成电源短路（控制电路要求严格） 适用场合：要求频繁、快速正反转的生产机械的拖动上得到广泛应用。,3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路,二、励磁反接可逆线路,改

6、变励磁电流的方向也能使电动机改变转向。与电枢可逆线路一样，磁场可逆线路也有三种方式改变励磁电流的方向，使磁通方向改变。,励磁反接可逆线路见下图，电动机电枢用一组晶闸管装置供电，励磁绕组由另外的两组晶闸管装置供电。,3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路,晶闸管反并联励磁反接可逆线路,VR,VF,If,-If,+,-,-,+,-,由一套晶闸管给M的电枢供电，实现调速,由另外的两组晶闸管装置给励磁绕组供电，从而改变励磁方向,3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路,励磁反接的特点, 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15%，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

7、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。,3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路,三、反并联连接与交叉连接（两组VT整流装置反极性并联可逆线路的两种接线方式）,两组晶闸管装置的反并联连接,两组整流装置共用同一个电源,3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路,两组晶闸管装置的交叉连接,两组整流装置的供电电源是彼此独立的两个电源,3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路,说明,如果把交叉连接的反组VR向左翻转180，M向右下旋转90，则在电路结构上和反并联连接没有区别。 反并联连接的两组整流装置共用同一个电源；交

8、叉连接的两组整流装置的供电电源是彼此独立的两个电源。 反并联连接的可逆线路中，需4个限制环流的电抗器（有两条环流回路），交叉连接的可逆线路，只需2个限制环流的电抗器（有一条环流回路）,3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路,四、电枢可逆与磁场可逆两种方案的比较,电枢可逆 优点：电枢回路电感量小，时间常数小（约几十ms），正反向切换快速性好。 缺点：需要两套容量较大的VT整流装置，投资大。特别是容量大的可逆系统更为突出。 适用于频繁起制动、要求过渡过程时间短、中小容量生产机械上。,3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路, 磁场可逆,优点：供电装置功率小，容量较电枢可逆方案小的多，投资费用低、经济。

9、缺点：励磁回路电感量大，时间常数大，系统反向过程缓慢；控制线路复杂，必须保证在换向过程中当励磁磁通接近于零时，电枢供点电压为零（防止“飞车”）。 适用于不要求快速正反转的大容量可逆系统中（矿井提升机、电力机车）,第三章 可逆调速系统,3-2 晶闸管-电动机系统的回馈制动 本节提要 晶闸管装置的整流和逆变状态 单组晶闸管装置的有源逆 两组晶闸管装置反并联的整流和逆变 V-M系统的四象限运行,3-2 晶闸管-电动机系统的回馈制动,一、晶闸管装置的整流和逆变状态,有些生产机械并不需要正、反转，只需要快速制动。其最简单的方法当然是采用能耗制动，但回馈制动更经济。 在两组晶闸管反并联线路的V-M系统中，

10、晶闸管装置可以工作在整流或有源逆变状态。当晶闸管装置进入逆变状态时，把直流电能逆变成交流电能。回馈到电网中去。这种逆变状态显然提供了回馈制动的可能性。 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 ,3-2 晶闸管-电动机系统的回馈制动,逆变电压公式 当控制角为 90，晶闸管装置处于逆变状态。,因此在整流状态中，Ud0 为正值；在逆变状态中，Ud0 为负值。 为了方便起见，定义逆变角 = 180 ，则逆变电压公式可改写为,Ud0 = Ud0 max cos,3-2 晶闸管-电动机系统的回馈制动,晶闸管装置的两种工作状态,整流：交流电能直流电能 ，Ud0为正值， ，电路的共阴极点为正极

11、性，共阳极点为负极性，电流从负极性点流入，正极性流出。,-,+,Ud0,L,M,+,-,E,VT,-,I,3-2 晶闸管-电动机系统的回馈制动,逆变：直流电能交流电能， ，Ud0为负值， ,电路的共阴极点为负极性，共阳极点为正极性，电流从正极性点流入，负极性流出。电流由外加的电动机电动势 E（发电机）提供并维持。,-,+,Ud0,L,M,+,-,E,VT,-,I,3-2 晶闸管-电动机系统的回馈制动,二、单组晶闸管装置的有源逆变,G-M系统在回馈制动时（降速时），只需控制发动机电压EG使之低于电动机的反电势Em，电流自然就反向，从而把拖动系统的动能通过发,nG,G,M,+,-,+,-,EG,E

12、m,动机及原动机送回电网。VT装置的电流不能反向，逆变时是让电压方向反向，电流方向不变，从电功率的传递方向看，与电流反向而电压极性不变的情况一样都是使电网吸收能量。问题是必须同时使E的极性也反过来，才能提供能量。这种情况只有下放位势性负载时才会出现。,原动机,3-2 晶闸管-电动机系统的回馈制动,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（位势性负载）时也可能出现整流和有源逆变状态。,提升机构 提升正转（提升重物）： M ：电动状态 VT：整流状态,-,+,Ud0,M,+,-,n,E,VT,-,Id,E， n 0,由电网向电动机提供能量。即VT输出整流电流，使M产生转矩，将重物提升。

13、,3-2 晶闸管-电动机系统的回馈制动,下放重物（释放重物）： ,+,-,+,-,- Ud0,M,n,E,VT,-,Id,M： n90,E 90，使VT整流装置输出负的逆变电压-Ud； （2）外电路必须有一个直流电势源E ，其极性与晶闸管导通方向一致，但数值比 稍大，提供逆变能量，维持回馈电流。,3-2 晶闸管-电动机系统的回馈制动, 机械特性,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,n,- n,Id,Te,提升,放下,TL,O,单组V-M系统带起重机类型负载时的整流和逆变状态,3-2 晶闸管-电动机系统的回馈制动,三、两组晶闸管装置反并联的整流和逆变,两组晶闸管装

14、置反并联可逆线路的整流和逆变状态原理与此相同，只是出现逆变状态的具体条件不一样。 现以正组晶闸管装置整流和反组晶闸管装置逆变为例，说明两组晶闸管装置反并联可逆线路的工作原理。,3-2 晶闸管-电动机系统的回馈制动,1. 正组晶闸管装置VF整流,VF处于整流状态 此时，f E， n 0 电机从电路输入能量作电动运行。,R,-,+,Ud0f,M,+,-,n,E,VF,-,a)正组整流电动运行,P,Id,两组晶闸管反并联可逆V-M系统的正组整流和反组逆变状态,3-2 晶闸管-电动机系统的回馈制动,2. 反组晶闸管装置VR逆变,当电动机需要回馈制动时，由于电机反电动势的极性未变，要回馈电能必须产生反向

15、电流，而反向电流是不可能通过VF流通的。这时，可以利用控制电路切换到反组晶闸管装置VR，并使它工作在逆变状态。,VR逆变处于状态： 此时，r 90， E |Ud0r|， n |Ud0r| = |Ud0f|，整流组电流将被截止，逆变组才真正投入逆变工作，使电机产生回馈制动，将电能通过逆变组回馈电网。,3-3 两组晶闸管可逆线路中的环流问题, 待整流状态 同样，当逆变组工作时，另一组也是在等待着整流，可称作处于“待整流状态”。 所以，在 = 配合控制下，负载电流可以迅速地从正向到反向（或从反向到正向）平滑过渡，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。,3-3 两组晶

16、闸管可逆线路中的环流问题,7. 最小逆变角限制,为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象， 不能太小，必须在控制电路中采用限幅作用，形成最小逆变角 min保护。为实现= 工作制控制，对 角也实施 min 保护，以免出现 Ud0f Ud0r 而产生直流平均环流。通常取, min = min = 30,最小逆变角 min保护：防止逆变失败。 min设定min= min限制Uctmax ACR输出正负限幅,3-3 两组晶闸管可逆线路中的环流问题,三、瞬时脉动环流及其抑制,1. 瞬时的脉动环流产生的原因 在 = 工作配合控制的条件下，|U d0r| = |U d

17、0f|，消除了直流平均环流，但这只是就电压的平均值而言 。 由于晶闸管装置的输出电压是脉动的，正反组电压的瞬时值并不相等的，当 ud0f ud0r，ud0= ud0f -ud0r 存在，将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。,3-3 两组晶闸管可逆线路中的环流问题,2. 瞬时脉动环流产生情况举例 瞬时电压差和瞬时脉动环流的大小因控制角的不同而异。 现以 f = r = 60为例，分析三相零式反并联可逆线路产生瞬时脉动环流的情况。这里采用零式线路的目的只是为了绘制波形简单。 r = 60 r =120,3-3 两组晶闸管可逆线路中的环流

18、问题, 三相零式反并联可逆线路,Id,Icp,负载电流,瞬时脉动环流,3-3 两组晶闸管可逆线路中的环流问题, 三相零式反并联的电压波形,d) 瞬时电压差和瞬时脉动环流波形ud0= ud0f -ud0r,b)整流电压波形,c) 逆变电压波形,icp单向、脉动、不是交流,3-3 两组晶闸管可逆线路中的环流问题,瞬时脉动环流的产生,正组整流电压和反组逆变电压之间的瞬时电压差， ud0 = ud0f ud0r 由于这个瞬时电压差的存在，便在两组晶闸管之间产生了瞬时脉动环流 i cp。,瞬时脉动环流的直流分量,由于晶闸管的内阻很小，环流回路的阻抗主要是电感，所以i cp不能突变，并且落后于ud0 ；又

19、由于晶闸管的单向导电性，只能在一个方向脉动，所以瞬时脉动环流也有直流分量 I cp ，但与平均电压差所产生的直流平均环流在性质上是根本不同的。,3-3 两组晶闸管可逆线路中的环流问题,3. 瞬时脉动环流的抑制,瞬时脉动环流不经过负载，徒然增加晶闸管的负担，因此必须设法限制它。 直流平均环流可以用配合控制消除，而瞬时脉动环流却是自然存在的。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，如图 a)中的 Lc1和 Lc2 。 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。,3-3 两组晶闸管可逆线路中的环流问题, 均衡电抗器的设置,

20、三相零式反并联可逆线路必须在正、反两个回路中各设一个均衡（环流）电抗器，因为其中总有一个电抗器会因流过直流负载电流而饱和，失去限流作用。 例如： 在下图中当正组 VF整流时，流过负载电流，使 Lc1 铁心饱和，只能依靠在逆变回路中的 Lc2 限制环流。 同理，当反组VR整流时，只能依靠 Lc1限制环流。,3-3 两组晶闸管可逆线路中的环流问题, 在三相桥式反并联可逆线路中，由于每一组桥又有两条并联的环流通道，总共要设置4个环流电抗器。,1,2,M,VF,VR,a,b,c,A,B,C,-,3-3 两组晶闸管可逆线路中的环流问题,在三相桥式交叉连接可逆线路中，由于电源独立，每一组桥只有一条环流通道

21、，因此只要设置2个环流电抗器。,第三章 可逆调速系统,3-4 有环流调速系统及其控制方法 本节提要 = 配合控制的有环流可逆调速系统 制动过程分析,3-4 有环流调速系统及其控制方法,一、 = 配合控制的有环流可逆调速系统, = 配合控制可以清除直流平均环流，但一定有瞬时脉动环流存在，所以是有环流可逆调速系统，并是自然环流，其系统原理框图如下：,3-4 有环流调速系统及其控制方法,3-4 有环流调速系统及其控制方法, 主电路,a) 主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，其中： 正组晶闸管VF，由GTF控制触发， 正转时，VF整流； 反转时，VF逆变。 反组晶闸管VR，由GTR控制触

22、发， 反转时，VR整流； 正转时，VR逆变。,b) 4个环流电抗器 L c1Lc4。 L d 为平波电抗器。 c) 变压器 (TM) 付端绕组一套，给正反组VT供电。,3-4 有环流调速系统及其控制方法, 控制电路,直流电流互感器或霍尔变换器( TA ),其输出作为电流负反馈。（不用交流互感器是由于其不能反映极性） 控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，其中： ASR设置了双向输出限幅电路，以限制最大起制动电流； ACR设置双向输出限幅电路，以限制最小控制角 min 与最小逆变角 min 。 ASR、ACR 设计方法与第二章一样。,3-4 有环流调速系统及其控制方法,c) GTR前加反向器(

23、 AR )满足 = 要求。 当Uct=+，VT整流；VR逆变。 当Uct= -，VR整流； VT逆变。 d) 给定接两个电位器，分别控制正反向，由KF、KR 接触器触点切换。,根据可逆系统正反向运行的需要，给定电压、转速反馈电压、电流反馈电压都应该能够反映正和负的极性。这里 给定电压：正转时，KF( 闭合 )， U*n=“+”； 反转时，KR( 闭合 )， U*n=“-”。,3-4 有环流调速系统及其控制方法, 转速反馈：正转时， Un=“-”， 反转时， Un=“+”。 电流反馈电压：正转时，Ui =“+”； 反转时，Ui =“-”。,3. 控制方式 采用同步信号为锯齿波的触发电路时，移相控制特性是线性的，两组触发装置的控制特性如图所示。,3-4 有环流调速系统及其控制方法,停车时：U ct = 0， r = f = 90， U d0f = U d0r = 0。,正转时： U ct 0， f 90，VF整流：U d0f =“+”； U ct 0， r 0， r 9