第4章可逆控制和弱磁控制的直流调速系统正稿

1、第第4章章 可逆控制和弱磁控制可逆控制和弱磁控制 的直流调速系统的直流调速系统 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统 内 容 提 要 n直流PWM可逆直流调速系统 nV-M可逆直流调速系统 n弱磁控制的直流调速系统 n电动机除电动转矩外 还须产生制动转矩， 实现生产机械快速的 减速、停车与正反向 运行等功能。 n在转速和电磁转矩的 坐标系上，就是四象 限运行的功能， n这样的调速系统需要 正反转，故称可逆调 速系统。 图4-1 调速系统的四象限运行 4.1 直流PWM可逆调速系统 nPWM变换器电路有多种形式，可分为不可逆与 可逆两大类， n还有一种带制动电流通路

2、的不可逆PWM-直流电 动机系统，其电流能够反向。之所以不可逆是因 为平均电压始终大于零，因而转速不能反向。 n如果要求转速反向，需要改变PWM变换器输出 电压的正负极性，使得直流电动机可以在四象限 中运行，由此构成了可逆的PWM变换器-直流电 动机系统。 4.1.1 桥式可逆PWM变换器 图4-2桥式可逆PWM变换器电路 图4-3 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形 3241gggg UUUU 在一个开关周期内， n当0tton时，UAB=US，电枢 电流id沿回路1流通； n当tont1/2时，为正，电动机正转；当1/2时， 为负，电动机反转；当=1/2时， =0，电

3、动机 停止。 s on s on s on d U T t U T tT U T t U) 1 2 ( 12 （4-1） （4-2） n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）可使电动机在四象限运行； （3）电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区； （4）低速平稳性好，系统的调速范围大； （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。 n双极式控制方式的不足之处是： 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。

4、4.1.2 直流PWM可逆直流调速系统转速 反向的过渡过程 na点过渡到b点，Id从正向IdL降 低为零。 n b点过渡到c点 ， Id从零反向上 升到允许的制动电流-Idm 。 nc点过渡到d点 ，回馈制动状态， 转速将减速到0 。 nd点过渡到e点 ，反向起动状态 , 转速要超调，转速环退饱和 。 n在f点稳定工作，电枢电流与负 载电流-IdL相等。 图4-4 在坐标系上表示的电动机反向轨迹 4.1.3 直流PWM功率变换器的能量回馈 图4-5桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图 整流器 H型桥式 PWM变 换器 放电电阻 滤波大电容 n当可逆系统进入制动状态时，直流PWM功率变 换器把

5、机械能变为电能回馈到直流侧， n由于二极管整流器导电的单向性，电能不可能通 过整流器送回交流电网，只能向滤波电容充电， 使电容两端电压升高，称作泵升电压。 n在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只 靠电容器来限制泵升电压， n当PWM控制器检测到泵升电压高于规定值时， 开关器件VTb导通，使制动过程中多余的动能以 铜耗的形式消耗在放电电阻中。 n如果在大容量的调速系统中希望实现电能回馈到 交流电网，以取得更好的制动效果并且节能，可 以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的 电能逆变后回馈电网。 n在突加交流电源时，大电容量滤波电容C相当于 短路，会产生很大的充电电流，容易损坏整流二 极管

6、。为了限制充电电流，在整流器和滤波电容 之间串入限流电阻。 n合上电源后，经过延时或当直流电压达到一定值 时，闭合接触器触点K把电阻短路，以免在运行 中造成附加损耗。 4.1.4 单片微机控制的PWM可逆直流 调速系统 n三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的 直流电源，再经过直流PWM变换器得到可调的 直流电压，给直流电动机供电。 n检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，转 速检测用数字测速。 n微机控制具备故障检测功能，对电压、电流、温 度等信号进行实时监测和报警。 n一般选用专为电机控制设计的单片微机，配以显 示、键盘等外围电路，通过通信接口与上位机或 其他外设交换数据。 图4-6

7、 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图 n控制软件一般采用转速、电流双闭环控制，电流 环为内环，转速环为外环，内环的采样周期小于 外环的采样周期。 n无论是电流采样值还是转速采样值都含有扰动， 常采用阻容电路滤波，但滤波时间常数太大时会 延缓动态响应，为此可采用硬件滤波与软件滤波 相结合的办法。 n转速调节器ASR和电流调节器ACR大多采用PI调 节，当系统对动态性能要求较高时，还可以采用 各种非线性和智能化的控制算法，使调节器能够 更好地适应控制对象。 4.2V-M可逆直流调速系统 4.2.0. V-M系统的可逆线路系统的可逆线路(补充补充) 根据电机理论，改变电枢电压的极性 ，或

8、者改变励磁磁通的方向，都能够改 变直流电机的旋转方向。因此，V-M系 统的可逆线路有两种方式： l电枢反接可逆线路； l励磁反接可逆线路。 1. 电枢反接可逆线路 电枢反接可逆线路的形式有多种，这 里介绍如下3种方式： （1）接触器开关切换的可逆线路 （2）晶闸管开关切换的可逆线路 （3）两组晶闸管装置反并联可逆线路 （1） 接触器开关切换的可逆线路 KMF闭合，电动机正转； KMR闭合，电动机反转。 Ud +Id Id M （2）晶闸管开关切换的可逆线路 VT1、VT4导通，电动机正转； VT2、VT3导通，电动机反转。 晶闸管开关切换的可逆线路 Ud Id M VT1 VT2 VT3 VT

9、4 +Id 接触器切换可逆线路的特点 n优点： 仅需一组晶闸管装置，简单、经济。 n缺点：有触点切换，开关寿命短； 需自由停车后才能反向，时间长。 n应用：不经常正反转的生产机械。 （3）两组晶闸管装置反并联可逆线路 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。 Id b) 运行范围 图4-2 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路 n 两组晶闸管装置反并联可逆供电方式 - n -Id n O 正向 反向 a) 电路结构 M VRVF Id-Id + - - + 两组晶闸管装置可逆运

10、行模式 n电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电； n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。 但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状 态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提 出了严格的要求。 2. 励磁反接可逆线路 改变励磁电流的方向也能使电动机改 变转向。与电枢反接可逆线路一样，可 以采用接触器开关或晶闸管开关切换方 式，也可采用两组晶闸管反并联供电方 式来改变励磁方向。 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。 励磁反接可逆供电方式 晶闸管反并联励磁反接可逆

11、线路 M V Id + - VR VF Id-Id + - - + - 励磁反接的特点 n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、效益高。 n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。 小小 结结 （1）V-M系统的可逆线路可分为两大类：系统的可逆线路可分为两大类： n电枢反接可逆线路电枢反接反向过 程快，但需要较大容量的晶闸管装置； n励磁反接可逆线路励磁反接反向过 程慢，控制相对复杂，但所需晶闸管装 置容量小。 （2）

12、每一类线路又可用不同的换向方式：每一类线路又可用不同的换向方式： n接触器切换线路适用于不经常正反 转的生产机械； n晶闸管开关切换线路适用于中、小 功率的可逆系统； n两组晶闸管反并联线路适用于各种 可逆系统。 4.2 V-M可逆直流调速系统 4.2.1 V-M可逆直流调速系统的主回路及环流 1V-M可逆直流调速系统的主回路结构 n对于拖动位能性负载的起重机而言，采用单组晶闸管装 置就能实现重物的提升和下放。 n当E（E为电动机反电动 势），输出整流电流Id，电动机产生电磁转矩作电动运行， 提升重物，这时电能从交流电网经晶闸管装置传送给电 动机，V-M系统运行于第象限。 图4-7单组V-M系

13、统带位能性负载时的整流和逆变状态 (a)提升工作，整流状态 (b)下放工作，逆变状态 (c)机械特性 n90，Ud0为负，晶闸管装置本身不能输出电 流，电机不能产生转矩提升重物，只有靠重物本 身的重量下降，迫使电机反转，产生反向的电动 势-E。 n当|E|Ud0|时，产生Id，因而产生与提升重物同方 向的转矩，起制动作用，使重物平稳下降。 n电动机处于反转制动状态，成为受重物拖动的发 电机，将重物的位能转化成电能，通过晶闸管装 置V回馈给电网，V则工作于有源逆变状态，V-M 系统运行于第象限。 n对于需要电流反向的直流电动机可逆调速系统，必 须使用两组晶闸管整流装置反并联线路来实现可逆 调速。

14、 n电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电； n反转时，由反组晶闸管装置VR供电。 图4-8两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路 正组晶闸管装置VF整流状态 图4-9 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 (a)正组整流电动运行 nVF处于整流状态 n f 90， Ud0f E， n 0 n 电动机从电路输 入能量作电动运 行，运行在第 象限。 反组晶闸管装置VR逆变状态 图3-4 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 (b)反组逆变回馈制动 nVR逆变处于状态 nr 90， E |Ud0r|， n 0 n电机输出电能实 现回馈制动。 nV-M系统工作在

15、 第二象限。 图4-9 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 (c)机械特性允许范围 n晶闸管装置的平均理想空载输出电压Ud0为 n定义逆变角=180-，则逆变电压可改写为 n在晶闸管整流装置反并联可逆调速系统转速反向的过渡 过程中，在电枢电流未反向前，电流只能在VF与电动机 组成的回路中流通，VF组工作在整流状态 。 n当电流过零开始反向时，VR组投入工作，以提供反向电 枢电流的通路。电动机工作在回馈制动状态，VR组工作 在逆变状态。 coscossin max00dmd U m U m U cos max00dd UU （4-3） （4-4） 2V-M可逆直流调速系统中的

16、环流问题 n两组晶闸管整流装置同时工作时，便会产 生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流 通的短路电流，称作。 n一般地说，环流对系统无益，徒然加重晶 闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太 大时会导致晶闸管损坏，因此必须予以抑 制或消除。 图4-10 反并联可逆V-M系统中的环流 Id负载电流 Ic环流 Rrec整流装置内阻 Ra电枢电阻 环流的分类 在不同情况下，会出现下列不同性质的环流： （1）静态环流）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，其中又有两类： n直流平均环流由晶闸管装置输出的直流 平均电压所产生的环流称作直流平均环流。 n瞬时脉动环流两组晶闸管输出的直流平

17、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，称作瞬时脉动环 流。 环流的分类（续） （2）动态环流）动态环流仅在可逆V-M系统处于 过渡过程中出现的环流。 这里，主要分析静态环流的形成原因 ，并讨论其控制方法和抑制措施。 n如果让正组VF和反组VR都处于整流状态， 两组的直流平均电压正负相连，必然产生 较大的直流平均环流。 n应该在正组处于整流状态、Ud0f为正时，强 迫让反组处于逆变状态，使Ud0r为负，且幅 值与Ud0f相等，使逆变电压Ud0r把整流电压 Ud0f顶住，则直流平均环流为零。 fdrd UU 00 n当环流为零时，应有 或 （4-5） n如果反组的控制角用

18、逆变角表示，则 （4-6） n这称作=配合控制。为了更可靠地消除直流平均 环流，可采用 （4-7） fdfd UUcos max00 rdrd UUcos max00 fr coscos 180 fr rf n为了实现=配合控制，可将两组晶闸管 装置的触发脉冲零位都定在90。 n当控制电压 Uc= 0 时，使 f = r = 90， 此时 Ud0f = Ud0r = 0 ，电机处于停止状态。 n增大控制电压Uc 移相时，只要使两组触发 装置的控制电压大小相等符号相反就可以 了。 图4-11 配合控制电路 GTF正组触发装置 GTR反组触发装置 AR反号器 是经过反号 器AR后获得 c U 图4

19、-12 =配合控制特性 n当控制电压Uc=0时，f和r都调整在90。 n在正转过程中始终保持f= r ，反转时应保持f= r 。 n为了防止出现“逆变颠覆” ，必须形成最小逆变角min保 护。通常取min= min=30 。 在可逆调速系统中，正转运行时可利 用反组晶闸管实现回馈制动，反转运行 时同样可以利用正组晶闸管实现回馈制 动。这样，采用两组晶闸管装置的反并 联，就可实现电动机的四象限运行。 归纳起来，可将可逆线路正反转时晶 闸管装置和电机的工作状态列于表4-1中 。 4.2.2 V-M可逆直流调速系统的控制可逆直流调速系统的控制 V-M系统反并联可逆线路的工作状态系统反并联可逆线路的工

20、作状态 V-M系统的工作状态 正向运行正向制动反向运行反向制动 电枢端电压极性+ 电枢电流极性 + 电机旋转方向 + 电机运行状态电动电动回馈发电回馈发电电动电动回馈发电回馈发电 晶闸管工作的组别 和状态 正组整流正组整流反组逆变反组逆变反组整流反组整流正组逆变正组逆变 机械特性所在象限一一二二三三四四 1配合控制的有环流可逆V-M系统 n在采用=配合控制以后，消除了直流平均环流， 但这只是就电压的平均值而言的， n由于整流与逆变电压波形上的差异，仍会出现瞬 时电压 ud0f ud0r 的情况，从而仍能产生环流，这 类因为瞬时的电压差而产生的环流被称为瞬时脉 动环流。 n瞬时电压差和瞬时脉动环

21、流的大小因控制角的不 同而异，以下分析三相零式反并联可逆线路的情 况 ，60 rf 图4-13 配合控制的三相零式反并联可逆线路 的瞬时脉动环流（ ） (a)三相零式可逆线路和瞬时脉动环流回路 60 rf 60 f fd u 0 (b)时整流电压 波形 60 r 120 r rd u 0 (c)( 时逆变电压 波形 ) 0d u cp i (d)瞬时电压差 和瞬时脉动环流 波形 ud0 = ud0f ud0r n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。 n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。 n环流电抗的大小可以按照把瞬时

22、环流的直流 分量限制在负载额定电流的5%10%来设计。 n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，总共要设置四 个环流电抗器，另外还需要一个平波电抗器。 n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。 n移相时，如果一组晶闸管装置处于整流状态，另一组便 处于逆变状态，这是指控制角的工作状态而言的。实际 上，这时逆变组除环流外并未流过负载电流，它只是处 于“待逆变状态”，表示该组晶闸管装置是在逆变角控 制下等待工作。 n只有在制动时，当发出信号改变控制角后，同时降

23、低了 ud0f和ud0r的幅值，一旦电机反电动势E|ud0f|=|ud0r|，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。 n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”。 n直流平均环流和瞬时脉动环流都属于静态 环流，是两组可逆线路在一定控制角下稳 态工作时出现的环流。 n还有一种动态环流，仅在可逆V-M系统处 于过渡过程中可能出现。 l 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 VFVR a b c A B C - 环流电抗器的设置 M VFVR a b

24、 c A B C a b c - 环流电抗器的设置（续） l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，因此只 要设置2个环流电抗器。 图4-14 配合控制的有环流可逆V-M系统原理框图 环流电 抗器 平波电 抗器 主电路 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控制触发， 反转时，VR整流； 正转时，VR逆变。 给定与检测电路（转速） 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 n给定电

25、压：正转时，KF闭合， U*n=“+”； 反转时，KR闭合， U*n=“-”。 n转速反馈：正转时， Un=“-”， 反转时， Un=“+”。 给定与检测电路（电流） 电流反馈电压： n正转时，Ui =“+”； n反转时，Ui =“-”。 注意：由于电流反馈应能否反映极性，因 此图中的电流互感器需采用直流电流互 感器或霍尔变换器，以满足这一要求。 控制电路 控制电路采用典型的转速、电流双 闭环系统，其中： 转速调节器ASR控制转速，设置双向输出 限幅电路，以限制最大起制动电流； 电流调节器ACR控制电流，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 。 2. 控制方

26、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。 rmin 180o 0o - Ucm UcmUc 90o90o 0o 180o fmin fmin rmin r f CTR CTF Uc1 反转时： 0， r 90，VR整流： Ud0r =“+”； Uc 0， f 0， f 90，VF整流： Ud0f =“+”； 0， r 90，VR逆变： Ud0r =“-”。 n停转时：Uc = 0， r = f = 90， Ud0f = Ud0r = 0。 t t t O O O Id n Uc 制动过程系统响应曲线 I II1II2II3 -Idm IdL

27、 -Ucm E 配合控制有环流可 逆直流调速系统正 向制动过渡过程波 形 IdL Id n Idm O O IIIIII t4 t3 t2 t1 t t IVVVI t5 t6 -Idm -IdL n* -n* 有环流系统可逆运行曲线 n概述概述 有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡 平滑等优点，但设置几个环流电抗器终 究是个累赘。因此，当工艺过程对系统 正反转的平滑过渡特性要求不很高时， 特别是对于大容量的系统，常采用既没 有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的 无环流控制可逆系统。 3. 逻辑无环流系统的其他方案 系统分类 按照实现无环流控制原理的不同，无 环流可逆系统又有大类： l 逻辑控制无

28、环流系统； l 错位控制无环流系统。 控制原理 l逻辑控制的无环流可逆系统 当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（ 硬件）或逻辑算法（软件）去封锁另一 组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻 断状态，以确保两组晶闸管不同时工作 ，从根本上切断了环流的通路，这就是 逻辑控制的无环流可逆系统。 l 错位控制的无环流可逆系统 在错位控制的无环流可逆系统中，同样采用 配合控制的触发移相方法，但两组脉冲的关系 是 r + f = 300 ，甚至是 r + f = 360 ，也 就是说，初始相位整定在 r = f = 150 或 180。 这样，当待逆变组的触发脉冲来到时，它的晶 闸管已经完全处于反向阻断状态，不可

29、能导通 ，当然就不会产生瞬时脉动环流了。 鉴于目前错位控制的无环流可逆系统实际应 用已经较少，本课程不再详细介绍。 1). 逻辑控制的无环流可逆系统 本节将着重讨论逻辑控制的无环流可逆 系统的系统结构、控制原理和电路设计。 （1）系统的组成）系统的组成 逻辑控制的无环流可逆调速系统（以下 简称“逻辑无环流系统”）的原理框图示于 下图该系统结构的特点为： 逻辑控制无环流系统结构 图4-11 逻辑控制无环流可逆调速系统原理框图 ASR DLC -1 TA VR VF GTR 2 ACR M TG GTF 1 ACR +U*n Un - Ui U*i Ucf Ublf Ublr Ucr U*i +U

30、i U*i Ui0 Ld AR - - + 系统结构的特点 n主电路采用两组晶闸管装置反并联线路； n由于没有环流，不用设置环流电抗器； n仍保留平波电抗器 Ld ，以保证稳定运行时 电流波形连续； n控制系统采用转速、电流双闭环方案； n电流环分设两个电流调节器，1ACR用来控 制正组触发装置GTF，2ACR控制反组触发 装置GTR； 系统结构的特点（续） n1ACR的给定信号经反号器AR作为2ACR的给 定信号，因此电流反馈信号的极性不需要变化 ，可以采用不反映极性的电流检测方法。 n为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控制环 节DLC，这是系统中的关键环节。它按照系统 的工作状态，指挥系统

31、进行正、反组的自动切 换，其输出信号 Ublf 用来控制正组触发脉冲的 封锁或开放，Ublr 用来控制反组触发脉冲的封 锁或开放。 ASR DLC -1 TA VR VF GTR 2 ACR M TG GTF 1 ACR +U*n Un - Ui U*i Ucf Ublf Ublr Ucr U*i +Ui U*i Ui0 Ld AR （2）工作原理 n正向运行： + - + + - - + - + + - - ASR DLC -1 TA VR VF GTR 2 ACR M TG GTF 1 ACR +U*n Un - Ui U*i Ucf Ublf Ublr Ucr U*i +Ui U*i U

32、i0 Ld AR n 反向运行 - - - - + + + + + + - - 2)无环流逻辑控制环节 （1）逻辑控制环节的设计要求）逻辑控制环节的设计要求 nDLC的输入要求： 分析V-M系统四象限运行的特性，有如下共 同特征： l正向运行和反向制动时，电动机转矩方向为 正，即电流为正； l反向运行和正向制动时，电动机转矩方向为 负，即电流为负。 因此，应选择转矩信号作为DLC的输入信号。 由于ACR的输出信号正好代表了转矩方向 ，即有： n正向运行和反向制动时，U*i为正； n反向运行和正向制动时，U*i为负。 又因为 U*I 极性的变化只表明系统转矩反向 的意图，转矩极性的真正变换还要滞

33、后一段时 间。只有在实际电流过零时，才开始反向，因 此，需要检测零电流信号作为DLC的另一个输 入信号。 n DLC的输出要求 l正向运行：VF整流，开放VF，封锁VR； l反向制动：VF逆变，开放VF，封锁VR； l反向运行：VR整流，开放VR，封锁VF； l正向制动：VR逆变，开放VR，封锁VF； 因此，DLC的输出有两种状态： nVF开放 Ublf = 1，VF封锁 Ublf = 0； nVR开放 Ublr = 1，VR封锁 Ublr = 0。 DLC的内部逻辑要求 l对输入信号进行转换，将模拟量转换为开关量； l根据输入信号，做出正确的逻辑判断； l为保证两组晶闸管装置可靠切换，需要有

34、两个延 时时间： (1) t1延时 关断等待时间，以确认电流已经过 零，而非因电流脉动引起的误信号； (2) t2延时 触发等待时间，以确保被关断的晶 闸管已恢复阻断能力，防止其重新导通。 l具有逻辑连锁保护功能，以保证在任何情况 下，两个信号必须是相反的，决不容许两组 晶闸管同时开放脉冲，确保主电路没有出现 环流的可能。 （2）电路总体结构 这样，根据上述分析DLC电路应具有 如下结构： 电平电平 检测检测 逻辑逻辑 判断判断 延时延时 电路电路 连锁连锁 保护保护 Ui0 U*i Ublf Ublr （3）无环流逻辑控制环节的实现 无环流逻辑控制环节是逻辑无环 流系统的关键环节，它的任务是

35、：当 需要切换到正组晶闸管VF工作时，封 锁反组触发脉冲而开放正组脉冲；当 需要切换到反组VR工作时，封锁正组 而开放反组。通常都用数字控制，如 数字逻辑电路、微机软件、PLC等， 用以实现同样的逻辑控制关系。 软件逻辑控制 图4-12 逻辑控制切换程序流程图 开始 Ui*极性变化？ 电流过零？ 发出逻辑 切换指令 封锁延时tdbl 封锁本组脉冲 开放延时tdt 开放它组脉冲 继续开放 本组脉冲 互锁保护 N N Y Y 3). 逻辑无环流系统的其他方案 在逻辑控制无环流可逆调速系统中，采 用了两个电流调节器和两套触发装置分别 控制正、反组晶闸管。实际上任何时刻都 只有一组晶闸管在工作，另一组

36、由于脉冲 被封锁而处于阻断状态，这时它的电流调 节器和触发装置都是等待状态。采用模拟 控制时，可以利用电子模拟开关选择一套 电流调节器和触发装置工作，另一套装置 就可以节省下来了。 逻辑选触无环流可逆系统 逻辑选触无环流可逆系统的原理框图 图中：SAF，SAR分别是正、反组电子 模拟开关。 采用数字控制时，电子开关的任务可以 用条件选择程序来完成，实际系统都是逻 辑选触系统。此外，触发装置可采用由定 时器进行移相控制的数字触发器，或采用 集成触发电路。 4. 无环流系统可逆运行曲线 IdL Id n n* Idm O O IIIIII t4 t3 t2 t1 t t -n* IVVVI t5

37、t6 -Idm -IdL 电流换向死区 转速反向的过渡过程分析 图4-4 在坐标系上表示的电动机反向轨迹 系统制动过程的三个阶段： (1) 本组逆变阶段：从a点到b 点，电动机正向电流衰减阶段， VF组工作； (2) 它组整流阶段：从b点到c点， 电动机反向电流建立阶段，VR 组工作； (3) 它组逆变阶段：从c点到d 点 ，电动机恒值电流制动阶段， VR组工作。 如果是反向起动，则从d点开 始又一次地进入起动过程。 5. 逻辑无环流系统的评价 n优点： l省去环流电抗器，没有附加的环流损耗； l节省变压器和晶闸管装置等设备的容量； l降低因换流失败而造成的事故。 n缺点：由于延时造成了电流换

38、向死区，影响 过渡过程的快速性。 小结小结 主要讨论直流调速系统的可逆运行问题： n由于V-M系统中晶闸管的单向导电性，需 要设置可逆线路来使电动机反向运行或制 动，主要的可逆线路有 l电枢反接可逆线路； l励磁反接可逆线路； 两组晶闸管反并联是大功率传动系统的主 要供电方式。 n在两组晶闸管反并联线路中，会出现环 流，为此，需要采取措施抑制环流 l设置环流电抗器； l采取 = 配合控制方式； l采取封锁触发脉冲的方式，使两组晶 闸管不能同时工作。 n根据控制环流方式，直流可逆调速系统分 为 l有环流可逆调速系统； l无环流可逆调速系统。 n学习要点： （1）掌握可逆线路的基本结构； （2）掌

39、握V-M系统反并联可逆线路4象限运 行的各种工作状态； （3）掌握可逆系统的结构、工作原理、控制 方式和性能。 4.3弱磁控制的直流调速系统 4.3.1概概 述述 在他励直流电动机的调速方法中，前 面讨论的调电压方法是从基速（即额定 转速 nN ）向下调速。 如果需要从基速向上调速，则要采用 弱磁调速的方法，通过降低励磁电流， 以减弱磁通来提高转速。 两种调速方式 1. 恒转矩调速方式恒转矩调速方式 按照电力拖动原理，在不同转速下长 期运行时，为了充分利用电机，都应使 电枢电流达到其额定值 IN。于是，由于 电磁转矩 Te = Km Id，在调压调速范围 内，因为励磁磁通不变，容许的转矩也 不

40、变，称作“恒转矩调速方式恒转矩调速方式”。 2. 恒功率调速方式恒功率调速方式 而在弱磁调速范围内，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，即容许功率不变， 是为“恒功率调速方式恒功率调速方式”。 由此可见，所谓“恒转矩”和“恒功 率”调速方式，是指在不同运行条件下， 当电枢电流达到其额定值 IN 时，所容许 的转矩或功率不变，是电机能长期承受 的限度。实际的转矩和功率究竟有多少， 还要由其具体的负载来决定。 恒转矩类型的负载适合于采用恒转矩 调速方式，而恒功率类型的负载更适合 于恒功率的调速方式。但是，直流电机 允许的弱磁调速范围有限，一般电机不 超过 1:2

41、，专用的“调速电机”也不过 是 1:3 或 1:4 。 调压和弱磁配合控制 当负载要求的调速范围更大时，就不 得不采用调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，这样 的配合控制特性示于下图。 图4-18 弱磁与调压配合控制特性 4.3.2 独立控制励磁的调速系统独立控制励磁的调速系统 1. 系统设计要点：系统设计要点： n在基速以下调压调速时，保持磁通为额定 值不变； n在基速以上弱磁升速时，保持电压为额定 值不变； n弱磁升速时，由于转速升高，使转速反馈 电压也随着升高Un，因此必须同时提高转 速给定电压

42、Un*，否则转速不能上升。 103 2. 独立控制励磁的调速系统 独立控制励磁的调速系统结构 - AFR + GTFC Uif -VFC U*if RP2 M TG n ASRACR U*n RP1 - Un Ui U*i + - Uc TA V M + - Ud Id UPE + TG M 系统部件说明 图中 nRP2 给定电位器； nAFR 励磁电流调节器； nVFC 励磁电流可控整流装置。 工作原理 n在基速以下调压调速时， RP2不变保持 磁通为额定值，用RP1调节转速，此时， 转速、电流双闭环系统起控制作用； n在基速以上弱磁升速时， 通过RP2减少 励磁电流给定电压，从而减少励磁磁

43、通 ，以提高转速；为保持电枢电压为额定 值不变，同时需要调节RP1 ，以提高电 压。 由于需要分别调节RP1和RP2 ， 因此称为独立控制励磁的调速系统 。 4.3.3 非独立控制励磁的调速系统 在调压调速系统的基础上进行弱磁控制 ，调压与调磁的给定装置不应该完全独立 ，而是要互相关联的。从上图可以看出， 在基速以下，应该在满磁的条件下调节电 压，在基速以上，应该在额定电压下调节 励磁，因此存在恒转矩的调压调速和恒功 率的弱磁调速两个不同的区段。 实际运行中，需要选择一种合适的控 制方法，可以在这两个区段中交替工作， 也应该能从一个区段平滑地过渡到另一个 区段中去，下图便是一种已在实践中证明

44、很方便有效的控制系统，称作非独立控制 励磁的调速系统。 109 系统组成 TV D AE 图2-36 非独立控制励磁的调速系统 TG n ASR ACR U*n RP1 - Un Ui U*i - Uc TA V M - Ud Id UPE - AFR + GTFC Uif +VFC U*if + RP2AER Ui - U*e Ue TAFC Uv TG M 系统部件说明 图中 nTVD 电压隔离器； n AE 电动势运算器； nAER 电动势调节器； 工作原理 n控制的基本思想控制的基本思想 根据 E = Ke n 原理，若能保持电动势 E不变，则减少电动机的励磁磁通，可以 达到提高转速的目的。 为此，在励磁控制系统中引入电动势 调节器 AER，利用电动势反馈，使励磁 系统在弱磁调速过程中保持电动势 E 基 本不变。 n电动势的检测：电动势的检测： 由于直接电动势比较困难，因此，采 用间接检测的方法。通过检测电压 Ud 和电流 I