第3、4章(电力拖动控制系统)

发布时间：2021-06-08

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。~~

1CUd

2C~

VT1Ud

VT3

VT4b)

VT2

a)用接触器切换

b)用晶闸管开关切换

VUd

IaEaM

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

VRM

LC 2

A 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

A B C

Ia EaLC 4 a)

Ud MLC 3

A B C

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

VR A2B2 C2

LC1 a)

LC 2

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

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

IcU doR

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

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

LC1

LC 2

VRA B C

A B C

Ld Ud

LC 3

M E aLC 4

NA1 B1 C1 N1 LC1a)

VF Ld M

A2B2

VFA1 B1 C1

VRA2B2 C2

LC 2

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

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

LC1 TA U ct GTRTG

LC3

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

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

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

0 n U n , Ea0 U i*

t1 t 2

t3 t4

t5 t6

t* U im

* n

A SR Un

* 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

t3 t4 U dom , min

t5 t6

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

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

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+

U beF Ui +

U i*

D LCU RU beR2 U ctR A CR

逻辑控制器DLCD PT

-1U F

U i* +

G TRTG

* i

U beF

D PZ

Ui0

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

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)

uoutVD0

u out

0.6V

uin

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

VT ioVD b)

GDa)

0 Uo i Ea oI0

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

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

VD1 VT2Idn

T1 U o U d tU d T

d g) 0

n0max U d / Ce

h) 0

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

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

tD2

D2 T2 T T 1 D1 D2 2

0 稳态电动区电流转换区稳态回馈制动区

PLaP 1

PLaP2 P 1 P2

PLa 不变

P 1

不变 PLa P 1

pCu

t 改变时刻