第3、4章(电力拖动控制系统)

第3章 直流电动机V-M可逆调速系统3.1 V-M可逆系统主电路结构形式及工作状态可逆系统的目的：获得电机四象限的运行特性(正、反转和电、制动)。

3.1.1 单组晶闸管供电切换电流极性的可逆电路1.切换电机电枢与电源之间连接极性 1)主电路结构形式: 2)工作原理： Ⅰ象限工作： Ⅱ象限工作： 1C断、2C合，V逆变， 控制β,使Ud略< Ea 2.切换电机励磁电流 此方案比较经济，但只能用 于不太频繁切换的场合。~~

V

1CUd

Ia

T

2C~

V

VT1Ud

Ia

T

VT3

M

-

M

2C

Ea

1C

-

VT4b)

Ea

VT2

a)

a)用接触器切换

b)用晶闸管开关切换

VUd

IaEaM

1C

-

if

2C 2C 1C

~

图3-2 切换电动机励磁电流方向的可逆电路

3.1.2 两组晶闸管供电的可逆电路两组晶闸管整流电路供电的可逆电路有两种连接方式，反并联连接及交叉连接。

1.反并联连接VFA BCLC1

VFLd

VR

Ld

VF

VRM

LC 2

M

N

VR

A B C

M

~N

a)

N

b)

c)

图3-3 采用三相半波整流电路的反并联可逆电路 a)主电路图1 b)主电路图2VFLC1 LC 2

c)简图

VR

A B C

Ld

Ia EaLC 4 a)

Ud MLC 3

-

A B C

VF

VR

M

b)

图3-4 采用三相桥式电路的反并联可逆电路 a)主电路 b)简图

2.交叉连接A1 B1C1 VF VR A2B2

VF A1 B1 C1

Ld

M

VR A2B2 C2

Ld

M

C2

N1

LC1 a)

LC 2

N2

LC1 b)

LC 2

a) 三相半波电路构成的交叉可逆电路

b)三相桥式电路构成的交叉可逆电路

区别：反并联连接电路的两组整流桥VF、VR使用的是同一个交流电源， 交叉连接电路的两组整流桥VF、VR使用的是无电气连接的两个独立电源

3.1.3 反并联可逆电路的工作状态1.无环流系统主要特征：任何时刻都不让VF、VR两组桥同时工作， 若VF工作，则VR封锁；若VR工作，则VF封锁；或VF、VR同时封锁。 以此使产生环流的必要条件不再存在。 优点： 安全可靠，无环流，体积小。 缺点： 存在换流死区，动态响应慢。

2.有环流系统 基本工作方式：VF、VR同时加触发脉冲信号， 但它们的控制角满足 F R 180 ,其目的是 使两组整流桥输出同一个数值、同一个方向的Ud 。 这种控制方式称为αβ配合控制。VF

Ia Ud 0F M

Ic Ud 0R

VR

~

~

哪一组真正工作由电流来决定，不工作的那一组处于待逆变或待整流状况。 电动机工作状态 工作象限 转速n、反电势Ea、电压Ud 正向电动 Ⅰ + 正向制动 Ⅱ + 反向电动 Ⅲ - 反向制动 Ⅳ -

转矩T,电枢电流Ia无坏流系统 正组VF状态 反组VR状态 有环流系统 正组VF状态 反组VR状态

+整流 封锁 整流 待逆变

-封锁 逆变 待整流 逆变

-封锁 整流 待逆变 整流

+逆变 封锁 逆变 待整流

3.2 可逆电路中的环流及其抑制办法3.2.1 环流及其种类环流，是指

不流过电动机或其它负载，而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。 环流的存在会显著地加重晶闸管和变压器的负担，消耗无用的功率，环流太大时甚至 会导致晶闸管损坏，因此必须予以抑制。对环流的分析必须一分为二。 静态环流 环流分类： 动态环流 直流平均环流 瞬时脉动环流

静态环流：系统稳定工作时所出现的环流。 动态环流：系统处于过渡过程中出现的环流。VF

~

U doF

Ia

IcU doR

VR

~

M反并联可逆线路中的环流 Ia—负载电流 Ic—环流

3.2.2 直流平均环流产生的原因及消除办法1.产生的原因VF

Ia Ud 0F M

Ic Ud 0R

VR

U doF U dom cos F两端的电势差即两个电 源的直流平均电压差为：

正组VF输出为

U doR U dom cos R U do U doF ( U doR ) 2U dom cos

反组输出为

~

~

F R2

cos

F R2

F R 180

( F R ) F R 180

电压差如能产生直流平均环流则其流向与图中的Ic反向， 与晶闸管装置所允许的电流流动方向相反而实际不能流通。 可知，这时也不会产生直流平均环流。产生直流平均环流Ic。由于两边电源的内阻都较小，很小的 U d 也会引起较大的直流平均环流，且 U d 是一个直流 平均量，它无法依靠电抗器来抑制Ic的大小，只能靠改变 F R 来减弱或消除它。 (1)使

( F R )2.消除办法

F R 略大于1800

(2)使

min min

3.2.3 瞬时脉动环流产生原因及抑制办法1.产生的原因晶闸管装置输出的电压是脉动 的，正组整流电压UdoF和反组逆变 电压UdoR的瞬时值并不相同，当整 流电压瞬时值大于逆变电压瞬时值 时，便产生正向瞬时电压差，从而 产生瞬时环流。

2.抑制办法抑制瞬时脉动环流的办法是在 环流回路中串入电抗器，叫做限环 流电抗器或称均衡电抗器，一般要 求把瞬时脉动环流中的直流分量Icp 限制在负载额定电流的5%~10%之 间。图3-7 三相半波反并联可逆电路及其 F R 30 时的环流电压和电流

3.环流电抗器的配置位置及数量VFA B C

VR

VF

LC1

LC 2

VRA B C

Ld

M

A B C

Ld Ud

Ia

LC 3

M E aLC 4

NA1 B1 C1 N1 LC1a)

VF Ld M

VR

A2B2

VFA1 B1 C1

Ld

M

VRA2B2 C2

C2

LC 2

N2

LC1b)

LC 2

连接方式 整流电路形式

反并联连接 三相半波 三相桥式

交叉连接 三相半波 三相桥式

环流通路限环流电抗器个数

12

24

12

12

3.3 有环流V-M可逆调速系统3.3.1 α = β配合控制的反并联连接的有环流可逆调速系统1.系统原理图2.配合控制的实现 通过放大倍数为-1 的反向放大器得到 -Uct,来实现α=β 的配合控制。 3.信号双极性 信号都是双极性的， 相应的实

际量都是可 反相或可反向的，这 正是四象限运行系统 的一个特征。 4.调节器输出双向限幅 系统原理图+ * Un

三相桥式供电，2条环流通道，配备四个环流电抗器。 可正反转，四象限运行。

~TM

ASR

U i*

ACR

U ct

GTF

VF

Un

Ui

LC1 TA U ct GTRTG

Ld

LC3

M

-

LC2 VR

LC4

-1AR

ASR设置限幅，限制最大动态电流， ACR设置限幅，限制最小控制角αmin和 最小逆变角β min

调节器输出双向限幅电路VD1

B +E CR1 RP1 R2

+

RVZ1 VZ2

A

+

D

RP2

a)a图 VZ1限制反向输出电压的幅值 VZ2限制反向输出电压的幅值

b)

VD2

-E

R1 VB R2 VD R1 VC VB (VB VD ) R2 R1 R2 R1 R2 R2 VC 0 VB E kE 时， 当 VD R1 R1∴ 当 VD> -kE 时，VC > 0,VD1不起作用； 当 VD<-kE 时，VC < 0,VD1将导通。 -kE即为负限幅值。

3.3.2 正向回馈制动过程分析在可四象限运行的调速系 统中，正向回馈制动过程的 分析具有普遍的典型意义。1.正向稳态运行阶段(t =0~t1) 2.本组逆变阶段(t=t1~t2) 3.他组建流阶段(t = t2~t3) 4.电流超调阶段(t = t3~t4) 5.他组逆变阶段(t = t4~t5) 6.转速超调阶段(t = t5~t6)c) b)* Un

1

2

3

4

5

6

a)

0 n U n , Ea0 U i*

t

Ia

t1 t 2

t3 t4

t5 t6

t

0

t* U im

+

U

* n

A SR Un

U

* i

A CR Ui

U ct

Ui Iad) 0

I aL

I dm , U im

t I dm , U im

U ct, U do e) 2

EaU do

U dom , a min

0

t1

t2

t3 t4 U dom , min

t5 t6

t

3.3.3 可控环流可逆调速系统1.系统原理图 2.工作原理当主回路电流可能断续时， 采用 F R 180 的控 制方式时有意提供一个附加的 直流平均环流，使电流连续。C* Un

正向运行时，U

* i 为负。

环流给定电压

* Uc

~TM Ui G TF1 A CR

TA F VF

一旦负载电流连续了，则 设法形成 F R 180 的控制方式，遏制环流至 零。

+ -

A SRUn

U i*

RVD 1 C

U c*

-

LC 1

G TR2 A CR

Ld LC 2VR TA R

AR

3.优点充分利用了环流的有利一面， 避开了电流断续区，使系统 在正反向过渡过程中没有死 区，提高了快速性。

-1

U i*

RVD 2 Ui

TG

同时又克服了环流不利的一面，减少了环流的损耗。 所以在各种对快速性要求较高的可逆调速系统和随动系统中得到了广泛的应用。

3.4 无环流可逆调速系统错位控制无环流系统,使

F R 300 或 360 ~

逻辑控制无环流系统， 依靠逻辑控制器DLC来对两组桥的工作进行控制TA G TF1 A CRU ctF

* Un

+ -

A SRUnARUi0

U i* + U F

Ui+

VF

U beF Ui +

U i*

D LCU RU beR2 U ctR A CR

Ld

逻辑控制器DLCD PT

-1U F

U i* +

-

G TRTG

U

* i

UT

VR

UF

UF

U beF

D PZ

Ui0

UZ

UR

UR

U RU F

U beR

逻辑控制无环流可逆调速系统原理图

a)U i* U i0

UT 电平 U Z 检测

逻辑判断

延时电路

联锁保护U R

U beF U beR“H ”开放 “L”封锁

b)

几个单元电路(后续章节中要用到) 极性鉴别器+

uin

R0 R0

零电流检测电路i A iB iCIa

+ R1 a)

R2

uoutVD0

u out

0.6V

uin

b)

TA2TA1

U i0 VD1 VD 2

例：在图8-1、图8-9,图9-17中

电平转换电路+ UZ R2 R1 a) b)

例：在图9-33中

Ui0 U ref+ R0 -

+

UZVD0 U

U ref

Ui00.6V

第4章 直流电动机直流斩波调速系统 V-M的固有问题：1. 存在电流的谐波分量，深调速时转矩脉动大。 2. 深调速时功率因素低，限制了调速范围。 3. 平波电抗器限制了系统的快速性。

与V-M相比，直流斩波调速系统的优越性：1. 2. 3. 4. 5. 6. 主电路结构简单，功率元件少。 开关频率高，电流容易连续，谐波分量少，电机损耗和发热小。 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽。 动态响应好，抗扰能力强。 功率元件开关状态，导通损耗小，装置效率高。 直流电源采取不控整流时，电网功率因素高。Ud

直流电动机直流斩 波调速系统框图

斩 波 器 控制器a)

~

斩 波 器 控制器b)

直流斩波器依靠的 是脉冲宽度调制(PWM) 的工作方式， 因此 直 流斩波调速系统也称直流 脉宽调速系统。

a)电源是直流电源

b)电源是交流电源

4.1 直流斩波调速系统主电路1.单象限工作电路ioVD Ud

uoEa Ud

uo

GD

VT ioVD b)

Ud

GDa)

VT

uo

0 Uo i Ea oI0

Ea

t

n

T

t 0c) d)

0c)波形图

a)集电极输出电路

b)发射极输出电路

d)工作象限

图4-2 单象限工作的直流斩波调速系统主电路及工作波形

Ton U O uo Ud T

UO Ea

U O Ea IO Ra

2.电流可反向的二象限工作电路1).主电路的结构形式 VT1、VT2互补工作，VD2是I0为正时的续 流二极管，VD1是为I0为负时的续流二极管。 为了防止直流电源经VT1、VT2直通短路， GD2、GD1中应设延时电路以形成“死区”。 2).工作原理b) 0 c) a)

idu gT 1

Udu gT 2

GD GD

VT1

VD1

VT2 VD2 uo

La io

E a

u gT 1T1 T2 T1 T2

u gT 20

T

t t

正向电动工况。当Uo>Ea时，Io>0,电动机正向电动。电路的电压平衡方程为d)

u00 e) f)

dio io Ra La uo Ea dt电动工作时，VT2、VD1并没有参与工作，去 掉这两个元件后，电路与单象限工作电路完 全一致，是一个典型的降压斩波电路。 输出电压平均值 电动机最高空载转速是

UoVT1 VD2

t t t t

i00

i00

VD1 VT2Idn

T1 U o U d tU d T

d g) 0

i

n0max U d / Ce

h) 0

T

图4-3 电流可反向两 象限斩波调速系统

正向制动工况。当Uo<Ea 时，Io反向 ，电动机工作在第Ⅱ象限的回馈制 动状态

。 制动时，VT2或VD1有电流，VT1和 VD2无电流。把不参与工作的VT1、VD2 去掉，可把电路重画于右图，图中按习惯 画法把能量输入方即电机画在了左边。这 就是典型的升压斩波器电路。

电流的参考方向同前，实际为负值

La io Ea

VD1

idUd

uo

VT2

两象工作电路在发电状态时的等效电路

可知，直流电机通过斩波器向直流电源输送电能(发电)时， Ea 的范围是 0~Ud, 转速范围是 0~ n0max 。 该电路用作发电运行，则发电机(直流电机)可变速发电， 在转速0~n0max的范围内，都可向恒直流电压源实现电流大小可控的发电。 若 Ea > Ud ,则发电电流不再可控，电流将变得很大而不允许。 “能正常发电”的要求是 Ea < Ud,而不是 Ea > Ud 。

从上面的分析可知，图4-3所示的电路可以实现正向回馈制动，制动时电流 (转矩) 反向，其运行象限为Ⅰ、Ⅱ象限。该电路称电流可反向的两象限工作电路。

3) 波形分析及能量传递uo Ud0

T

T

tD2

i0

T1

D2

T1

T1

D2

T1

D2

T1

D2 T2 T T 1 D1 D2 2

D1

T2

D1

T2

D1

T2

D1

0 稳态电动区 电流转换区 稳态回馈制动区

t

PLaP 1

PLaP2 P 1 P2

PLa 不变

P2

P 1

不变 PLa P 1

P2

pCu

t 改变时刻

pCu

电流过 零时刻

pCu

pCu

图4-5 两象限工作斩波调速系统从电动到制止转换过程的 电压电流波形及能量传递简图

电压可反向的两象限工作电路

VT1 Ud

i0

uo

VD2

VT2 a)

n0 T

VD1

b)

图4-6 电压可反向的两象限工作电路 a) 电路图 b) 工作象限

3.可四象限运行的电路1.工作原理H型桥式斩波电路的工作模式非 常灵活，以最常用的可逆运行模式说 明之。VT1、VT2为一组，VT3、 VT4为另一组，两组在一个PWM斩 波周期内互补工作。

VT1 a) Ud VT4 u 0 i0

VD1 i0 VD4 u0

uo

VT3

VD3

VT2 i0 VD2

tb) 0 u 0 i0 c)

T T

T u0

2.输出电压的平均值

0 u 0 i0 u0 i0 i0

t

T T Uo U d 2 t 1 U d T3.优点:调节连续平滑 ，四象限工作。

d)

0 u0 i0

t

u0

i0

e)

0

t

图4-7 可四象限运行的斩波调速电路 a) 电路图 b)~e)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限波形图 f) 工作象限

n

f) 0

T