青岛科技大学 运动控制系统 第4章可逆控制和弱磁控制的直流调速系统

1、第第 4 章章可逆控制和弱磁控制的直流调速系统 有许多生产机械要求电动机既能有许多生产机械要求电动机既能正转正转，又能，又能反转反转，而且常常还需要，而且常常还需要快快速地起动和制动速地起动和制动，这就需要电力拖动，这就需要电力拖动系统具有系统具有四象限运行四象限运行的特性，也就是的特性，也就是说，需要说，需要可逆的调速系统可逆的调速系统。问题的提出问题的提出问题的提出问题的提出 改变改变电枢电流的方向电枢电流的方向，或者改变，或者改变励磁磁励磁磁通的方向通的方向，都能够改变直流电机的拖动方，都能够改变直流电机的拖动方向，这本来是很简单的事。向，这本来是很简单的事。 然而当电机采用电力电子装置

2、供电时，然而当电机采用电力电子装置供电时，由于由于电力电子器件的单向导电性电力电子器件的单向导电性，问题就，问题就变得复杂起来了，需要专用的可逆电力电变得复杂起来了，需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。子装置和自动控制系统。 PWM可逆调速系统组成图4-1 PWM可逆直流调速系统原理图4.1 直流PWM可逆调速系统系统组成（续）系统组成（续）图中图中 UR整流器；整流器； UPEM桥式可逆电力电子变换器桥式可逆电力电子变换器，主电主电路与图路与图1-22相同，须要注意的是，直流变相同，须要注意的是，直流变换器必须是可逆的；换器必须是可逆的； GD驱动电路模块，内部含有光电隔离电驱动电路模

3、块，内部含有光电隔离电路和开关放大电路；路和开关放大电路；系统组成（续）系统组成（续） UPWPWM波生成环节，其算法包含在波生成环节，其算法包含在单片微机软件中；单片微机软件中； TG为测速发电机，当调速精度要求较高为测速发电机，当调速精度要求较高时可采用数字测速码盘；时可采用数字测速码盘； TA霍尔电流传感器；霍尔电流传感器； 给定量给定量 n*，I*d 和反馈量和反馈量 n，Id 都已经是数都已经是数字量。字量。返回目录脉宽调制器脉宽调制器UPW作用作用：直流控制电压直流控制电压UcPWM波波,脉冲宽度与控制电压成正比。脉冲宽度与控制电压成正比。常用的脉宽调制器：常用的脉宽调制器：(1)

4、用锯齿波作调制信号的脉宽调制器用锯齿波作调制信号的脉宽调制器;(2)用三角波作调制信号的脉宽调制器用三角波作调制信号的脉宽调制器;(3)用多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调制用多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调制器器;(4)数字式脉宽调制器数字式脉宽调制器.锯齿波脉宽调制器（锯齿波脉宽调制器（UPW)UsaUbUcR0R0R0RbalUpw锯齿波调制信号锯齿波调制信号Usa，由锯齿波发生器提供；，由锯齿波发生器提供；负偏移电压负偏移电压Ub=-Usamax/2；Uc 控制电压。控制电压。锯齿波脉宽调制波形图锯齿波脉宽调制波形图t0Upwt0Usa-Uba) uc=0 t0t0Usa-UbU

5、pwb) uc0 t0t0Usa-UbUpwc) uc0时的运行波形时的运行波形Ud0时的运行波形时的运行波形UAB, idUdEid+UsttonT0-UsO重载重载轻载轻载dss(21) UUU电压系数电压系数占空比占空比PWM sdonUUTt 当转速给定信号在当转速给定信号在-n*max 0 +n*max 之间之间变化并达到稳态后，由微机输出的变化并达到稳态后，由微机输出的PWM信信号号占空比占空比在在 0 1 的范围内变化，使的范围内变化，使UPEM的输出平均电压系数为的输出平均电压系数为 = 1 0 +1 Ud=-Us0+Us, 实现双极式实现双极式可逆控制可逆控制。 4.1.2

6、直流直流PWM可逆调速系统转速可逆调速系统转速反向的过渡过程反向的过渡过程 对照图4-4，系统原有平均电流Id为正，电动机作正向电动运行，即第一象限的a点。在系统获得反向运转指令后，电动机不会立刻进入反向电动工作状态（图中的f点）以正向电动状态正向电动状态向反向电动状态反向电动状态的过渡过程为例进行说明。图4-4 在IdL-n坐标系上表示的电动机反向轨迹ndLIcdmInde()I Tde()I TdbOadLIef过渡过程过渡过程： 电动机的平均电枢电流Id先从正向降低为0，即从a点过渡到b点；然后从0反向上升到允许的制动电流，其大小受电流环控制，即从b点过渡到c点。 在c点，PWM变换器V

7、T2、VT3和VD1、VD4交替工作，直流电动机工作在回馈制动状态，位于第2象限。电动机的转速将减到0，从c点过渡到d点。从d点开始，直流电动机进入了反向起动状态。e点转速要超调，转速退饱和最终稳定工作在f点，电枢电流与负载电流相等。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整流器 H型桥型桥式式PWM变换器变换器 放电电阻放电电阻 滤波大电容滤波大电容泵升电压及其限制泵升电压及其限制 当可逆系统进入制动状态时，直流PWM功率变换器把机械能变为电能回馈到直流侧，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

8、，使电容两端电压升高，称作泵升电压泵升电压。 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。 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制动过程中多余的动能以铜耗的形式消耗在放电电阻中以铜耗的形式消耗在放电电阻中。 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器，把多余的电能逆变后回馈电网。 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。为了限制充电电流，在整流

9、在整流器和滤波电容之间串入限流电阻器和滤波电容之间串入限流电阻。 合上电源后，经过延时或当直流电压达到一定值时，闭合接触器触点闭合接触器触点K把电阻短路，以把电阻短路，以免在运行中造成附加损耗。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 单片微机控制的双闭环直流调速系统硬件双闭环直流调速系统硬件结构由以下部分组成结构由以下部分组成 主电路主电路 检测电路检测电路 控制电路控制电路 给定电路给定电路 显示电路显示电路图图4-6 单片微机控制的双闭环直流单片微机控制的双闭环直流PWM调速系统硬件结构图调速系统硬件结构图 1.主回路主回路三相交流电源经不可控整流器变换

10、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。 2. 检测回路检测回路检测回路包括电压、电流、电压、电流、温度和转速检测温度和转速检测，其中：l电压、电流和温度检测由 A/D 转换通道变为数字量送入微机；l转速检测用数字测速。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。 3.故障综合故障综合利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进电压、电流、温度等信号进行分析比较行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。这也是采用微机控制的优势所在。 4.数字控制器数字控制器数字控制器是系统的核心，

11、可选用单片微机或数字信号处理器（DSP）比如：Intel 8X196MC系列、TI的TMS320C28x系 列 D S P （ 如 T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 、 TMS320F2810等）、ADI公司的ADMCxxx系系列列DSP等等。专为电机控制设计的微处理器专为电机控制设计的微处理器，本身都带有A/D转换器、通用I/O和通信接口，还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和故障保护、数字测速和PWM生成功生成功能能，可大大简化数字控制系统的硬件电路。5.系统给定系统给定系统给定有两系统给定有两种方式：种方式：（1）模拟给定：模拟给定：模拟给定是模拟给定是以模拟量表示的给定

12、值，例以模拟量表示的给定值，例如给定电位器的输出电压。如给定电位器的输出电压。模拟给定须经模拟给定须经A/D转换为数转换为数字量，再参与运算；字量，再参与运算；（2）数字给定：数字给定：数字给定是数字给定是用数字量表示的给定值，可用数字量表示的给定值，可以是以是拨盘设定拨盘设定、键盘键盘设定或设定或采用采用通信通信方式由上位机直接方式由上位机直接发送发送。 6.输出变量输出变量微机数字控制器的控制对象是功微机数字控制器的控制对象是功率变换器，可以率变换器，可以用开关量直接控制功率器件的通用开关量直接控制功率器件的通断断，也可以用经，也可以用经 D/A 转换得到的模拟量去控制功转换得到的模拟量去

13、控制功率变换器率变换器。 随着电机控制专用单片微机的产生，前者逐渐随着电机控制专用单片微机的产生，前者逐渐成为主流，例如成为主流，例如Intel公司公司8X196MC系列单片机和系列单片机和TI公司的TMS320C28x系列 DSP可直接生成可直接生成PWM驱动信号，经过放大环节控制功率器件，从驱动信号，经过放大环节控制功率器件，从而控制功率变换器的输出电压。而控制功率变换器的输出电压。 微机控制可逆微机控制可逆PWM直流调速系统的软件直流调速系统的软件 微机数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。微机控制可逆可逆PWM双闭环直流调速系统的软件有：主程序主程序初

14、始化子程序初始化子程序中断服务子程序等中断服务子程序等。 1. 主程序主程序 完成实时性要求不实时性要求不高高的功能：系统初始化后，实现键盘处理、刷新显示、与上位计算机和其他外设通信等。2. 初始化子程序初始化子程序 完成硬件器件工作方完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。和变量的初始化等。3中断服务子程序中断服务子程序 完成实时性强实时性强的功能，如故障保护、PWM生成、状态检测和数字PI调节等,中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。转速调节中断服务子程序转速调节中断服务子程序电流调节中断服务子程序电流调节中断服务子程序故障保护中断服

15、务子程序故障保护中断服务子程序 转速调节中断服务子程序框图 电流调节中断服务子程序框图 故障保护中断服务子程序框图 三种中断服务中，故障保护中断优先级故障保护中断优先级别最高，电流调节中断次之，转速调节别最高，电流调节中断次之，转速调节中断级别最低。中断级别最低。 当故障保护引脚的电平发生跳变时申请故障保护中断，而转速调节和电流调节均采转速调节和电流调节均采用定时中断用定时中断。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，内环的采内环的采样周期小于外环的采样周期样周期小于外环的采样周期。数字滤波问题数字滤波问题 在检测得到的转速信号中，不可避免地要混在检测得到的转速信号中

16、，不可避免地要混入一些入一些干扰信号干扰信号。 采用模拟测速时采用模拟测速时，常用由硬件组成的滤波，常用由硬件组成的滤波器器(如如RC滤波电路滤波电路)来滤除干扰信号；来滤除干扰信号； 在数字测速中在数字测速中，往往用，往往用软件来实现数字滤波软件来实现数字滤波。 数字滤波具有使用灵活、修改方便等优点，不但能代数字滤波具有使用灵活、修改方便等优点，不但能代替硬件滤波器，还能实现硬件滤波器无法实现的功能。替硬件滤波器，还能实现硬件滤波器无法实现的功能。数字滤波可以用于测速滤波，也可以用于电压、电流数字滤波可以用于测速滤波，也可以用于电压、电流检测信号的滤波。检测信号的滤波。1.算术平均值滤波 N

17、次采样值的算术平均 或加权平均NiiXNY11iNiiXaY1121Naaa2.中值滤波 三次连续采样值的中值 将最近连续三次采样值排序，使得XlX2X3，取这三个采样值的中值取这三个采样值的中值X2为有效信号，舍去Xl和X3。 这样的中值滤波能有效地滤除偶然型干扰滤除偶然型干扰脉冲(作用时间短、幅值大)，若干扰信号作用时间相对较长(大于采样时间)，则无能为力。3.中值平均滤波 设有N次采样值，排序后得 去掉最大值XN和最小值X1,剩下的取算术平均值 中值平均滤波是中值滤波和算术平均滤波的结合，既能除去偶然性干扰脉冲，又能既能除去偶然性干扰脉冲，又能平滑滤波平滑滤波。NXXX211221Nii

18、XNY4.2 V-M可逆直流调速系统可逆直流调速系统 根据电机理论根据电机理论，改变电枢电流的方向，改变电枢电流的方向，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的电磁转矩的方向。因此，直流电机的电磁转矩的方向。因此，V-M系统的可逆线路有两种方式：系统的可逆线路有两种方式：l电枢反接可逆线路；电枢反接可逆线路；l励磁反接可逆线路。励磁反接可逆线路。4.2.1 V-M可逆直流调速系统的主回路及环流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可逆直流调速系统的主回路结构单组单组V-M系统在拖动起重机类型的负载时也可能系统在拖动起重机类型的负

19、载时也可能出现出现整流和有源逆变状态整流和有源逆变状态。 dUEPdIneTLTM提升，整流，提升，整流，象限，电动，象限，电动，90对于拖动位能性负载的起重机而言，采用单组晶闸单组晶闸管装置就能实现重物的管装置就能实现重物的提升和下放提升和下放。（1）单组）单组V-M系统带位能负载时的工作状态系统带位能负载时的工作状态图4-7单组V-M系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（2）两组晶闸管装置反并联可逆线路）两组晶闸管装置反并联可逆线路 由于晶闸管的单向导电性，由于晶闸管的单向导电性，对于需要电流反向的直流电动机可逆调速系统，必须

20、使用两组晶闸管整流装置反并联线路两组晶闸管整流装置反并联线路来实现可逆调速。 MVRVFId-Id+-+两组晶闸管装置反并联可逆供电方式两组晶闸管装置反并联可逆供电方式电路结构电路结构MVRVFId-Id+-+电动机电动机产生正向产生正向转矩时转矩时，由正组，由正组晶闸管装置晶闸管装置VF供供电；电；产生反向转矩时产生反向转矩时，由反组晶闸管装由反组晶闸管装置置VR供电。供电。不允许让两组晶闸管同时处于整流状态不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造否则将造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。 在两组晶闸管反并联线路的在两组晶闸管反并联线

21、路的V-M系统中，系统中，晶闸管装置可以工作在整流或有源逆变状晶闸管装置可以工作在整流或有源逆变状态。态。 在电流连续的条件下，晶闸管装置的平均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理想空载输出电压为（4-3） coscosmsinmd0maxmd0UUU（3）晶闸管装置的整流和逆变状态）晶闸管装置的整流和逆变状态当控制角为当控制角为 90，晶闸管装置处于晶闸管装置处于整流状态整流状态；当控制角为当控制角为 90，晶闸管装置处于晶闸管装置处于逆变状态逆变状态。 因此在整流状态中，因此在整流状态中，Ud0 为正值；在逆变状态中，为正值；在逆变状态中，Ud0 为负值。为负值。为了方

22、便起见，定义为了方便起见，定义逆变角逆变角 = 180 ，则则逆变逆变电压公式电压公式可改写为可改写为 Ud0 = Ud0max cos （4-2） coscosmsinmd0maxmd0UUU（1 1）内部条件）内部条件：U Ud0d00, 900, 90180 180 （2 2）外部条件：）外部条件：外电路存在一直流电源外电路存在一直流电源E，方，方向与晶闸管导通方向一致，且向与晶闸管导通方向一致，且 逆变产生的两个必要条件：逆变产生的两个必要条件：doUE 不论整流还是逆变（当电流连续时）不论整流还是逆变（当电流连续时）当当0 090 90 时，整流，时，整流，当当9090180 |Ud

23、0r|， Id 0 电机输出电能实现回馈制动。PIdc）机械特性范围）机械特性范围Id-Idn反组逆变反组逆变回馈制动回馈制动正组整流正组整流电动运动电动运动c) 机械特性运行范围 整流状态：整流状态： V-M系统工作在第系统工作在第一象限。一象限。 逆变状态：逆变状态： V-M系统工作在第系统工作在第二象限。二象限。d）V-M系统的四象限运行系统的四象限运行 在可逆调速系统中，正转运行时可利用反组在可逆调速系统中，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，利用正组晶闸管实现回馈制动。这样，采用采用两组晶闸

24、管装置的反并联，就可实现电动机两组晶闸管装置的反并联，就可实现电动机的四象限运行的四象限运行。 四象限运行正正向向回回馈馈制制动动反反组组逆逆变变UdE dUPdI -VRnE反组反组MdUPdI -VRnE反组反组反组整流，反向电动EUd MId,Te+IdUdPVFn正组正组VF整流，整流，正向电动正向电动MnE+IdUdPVFn正组正组反反向向回回馈馈制制动动逆逆变变,VF,UdE ME f 90，Ud0f E r 90， | E | |Ud0r| r 90， | E | 90， | Ud0f | Ud0r 而产生直流平均环流。而产生直流平均环流。通常取通常取30minmin（5） =

25、控制的控制的工作状态工作状态待逆变状态待逆变状态 当正组整流，电动机处于电动状态当正组整流，电动机处于电动状态时，逆变组除环流外并未流过负载电流，也就没有电时，逆变组除环流外并未流过负载电流，也就没有电能回馈电网，确切地说，它只是处于能回馈电网，确切地说，它只是处于“待逆变状态待逆变状态”，表示该组晶闸管装置是在逆变角控制下等待工作。表示该组晶闸管装置是在逆变角控制下等待工作。MVRVFUd0fUd0r+-+Id-+E整流整流待逆待逆变变 逆变状态逆变状态 只有在制动时，当发出信号只有在制动时，当发出信号改变控制角后，同时降低了整流电压和逆变改变控制角后，同时降低了整流电压和逆变电压的幅值，一

26、旦电机反电动势电压的幅值，一旦电机反电动势 E |Ud0r| = |Ud0f|，整流组电流将被截止，逆变组才真正，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能通过逆变组回馈电网网。MVRVFUd0fUd0r+-+-EId待整待整流流逆变逆变 = 控制的控制的工作状态（续）工作状态（续）待整流状态待整流状态 当逆变组工作时，另一当逆变组工作时，另一组也是在等待着整流，可称作处于组也是在等待着整流，可称作处于“待待整流状态整流状态”。所以，在所以，在 = 配合控制下，负载电流可以配合控制下，负载电流可以迅速地从正向

27、到反向（或从反向到正向）迅速地从正向到反向（或从反向到正向）平平滑过渡滑过渡，在任何时候，实际上只有一组晶闸在任何时候，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管装置在工作，另一组则处于等待工作的状态态。一、一、 = 配合控制的有环流可逆配合控制的有环流可逆V-M系统系统1. 系统组成系统组成 4.2.2 V-M可逆调速系统的控制可逆调速系统的控制主电路；给定与检测电路；控制电路主电路；给定与检测电路；控制电路环流电环流电抗器抗器 平波电平波电抗器抗器 （1）主电路主电路主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可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：逆线路，其

28、中： 正组晶闸管正组晶闸管VF，由，由GTF控制触发，控制触发， 反组晶闸管反组晶闸管VR，由，由GTR控制触发，控制触发， 采用采用=配合控制配合控制瞬时脉动环流瞬时脉动环流 瞬时脉动环流产生的原因：瞬时脉动环流产生的原因：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。由于整流与逆变电压波形上的差异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瞬时脉动环流。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自然环流系统。瞬时脉动环流瞬时脉动环

29、流 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，分析三相零三相零式反并联可逆线路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。瞬时脉动环流产生情况举例瞬时脉动环流产生情况举例图4-13 配合控制的三相零式反并联可逆线路三相零式反并联可逆线路的瞬时脉动环流（ f = r = 60 ）(a)三相零式可逆线路和瞬时脉动环流回路 瞬时脉动环流产生情况举例瞬时脉动环流产生情况举例环流环流 三相零式反并联的电压波形三相零式反并联的电压波形d) 瞬时电压差瞬时电压差和瞬时脉动环和瞬时脉动环流流icp波形波形 b) f = 60时时

30、整流电压波形整流电压波形 c) r = 60时时逆变电压波形逆变电压波形 abcaud0r0w tp2 pUd0rw tIcpicpud0f ud0fw tabca0p2 pUd0f0rud0 ud0 = ud0f ud0r 瞬时脉动环流的产生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正组整流电压和反组逆变电压之间的瞬时电压差，电压差， ud0 = ud0f ud0r 由于这个瞬时电压差的存在，便在两组晶由于这个瞬时电压差的存在，便在两组晶闸管之间产生了闸管之间产生了瞬时脉动环流瞬时脉动环流 icp，也绘在图4-13d中。 瞬时脉动环流的直流分量瞬时脉动环流的直流分量 由于晶闸管

31、的内阻很小，环流回路的阻抗由于晶闸管的内阻很小，环流回路的阻抗主要是电感，所以不能突变，并且落后于主要是电感，所以不能突变，并且落后于 ud0 ；又由于晶闸管的单向导电性，只能；又由于晶闸管的单向导电性，只能在一个方向脉动，所以在一个方向脉动，所以瞬时脉动环流也有瞬时脉动环流也有直流分量直流分量 Icp （见图4-13d），但与平均电但与平均电压差所产生的直流平均环流在性质上是根压差所产生的直流平均环流在性质上是根本不同的。本不同的。瞬时脉动环流的抑制瞬时脉动环流的抑制 直流平均环流可以用配合控制消除，而直流平均环流可以用配合控制消除，而瞬瞬时脉动环流却是自然存在的时脉动环流却是自然存在的。为

32、了抑制瞬。为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，叫做叫做环流电抗器环流电抗器，或称均衡电抗器均衡电抗器，如图如图4-13a中的中的 Lc1和和 Lc2 。 环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的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直流分量限制在负载额定电流的5%10%来设计。来设计。（2）给定与检测电路（转速）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、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转速反馈电压、电流反馈电压都应该能够反映反映正和负的极性正和负的极性。这里。这

33、里 转速给定转速给定：正转时，：正转时，KF闭合，闭合， U*n=“+”； 反转时，反转时，KR闭合，闭合， U*n=“-”。 转速反馈转速反馈：正转时，：正转时， Un=“-”， 反转时，反转时， Un=“+”。 = 配合控制的有环流可逆配合控制的有环流可逆V-M系统系统（3）给定与检测电路（电流）给定与检测电路（电流） 电流给定电流给定：U*i=“-”,正向电流给定；正向电流给定； U*i=“+”,反向电流给定。反向电流给定。 电流反馈：电流反馈： 正向电流时，正向电流时，Ui =“+”； 反向电流时，反向电流时，Ui =“-”。 注意：注意：由于电流反馈应能由于电流反馈应能反映极性反映极

34、性，因此，因此图中的电流互感器需采用图中的电流互感器需采用直流电流互感器直流电流互感器或或霍尔变换器霍尔变换器，以满足这一要求，以满足这一要求。（4）控制电路控制电路控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，其中：其中：转速调节器转速调节器ASR控制转速，设置双向输出限幅电控制转速，设置双向输出限幅电路，以限制路，以限制最大起制动电流最大起制动电流；电流调节器电流调节器ACR控制电流，设置双向输出限幅电控制电流，设置双向输出限幅电路，以限制路，以限制最小控制角最小控制角 min 与最小逆变角与最小逆变角 min 。2. 控制方式控制方式 采用同步信号为锯齿

35、波的触发电路时，移相控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制特性是线性的，两组触发装置的控制特性如图所示。图所示。 - UcmUc90o rmin180o 0oUcm90o0o 180o fmin fmin rmin r fCTRCTFUc1 反向电动时（稳态）：反向电动时（稳态）： l 0， r 90，VR整流：整流： Ud0r =“+”；lUc 0， f 0， f 90，VF整流整流： Ud0f =“+”；l 0， r 90，VR待待逆变：逆变： Ud0r =“-”。 停转时：停转时：Uc = 0， r = f = 90， Ud0f = Ud0r

36、 = 0。 在=配合控制下，负载电流可以迅速地从正向从正向到反向（或从反向到正向）平滑过渡到反向（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一组晶闸管装置在工作，另一组另一组则处于等待工作的状态则处于等待工作的状态。二、逻辑控制的无环流可逆二、逻辑控制的无环流可逆V-M系统系统 有环流可逆系统的特点：有环流可逆系统的特点：反向快、过渡平滑，反向快、过渡平滑，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。但设置几个环流电抗器终究是个累赘。 当工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求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，常采用不很高时，特别是对于大容

37、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既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无无环流控制可逆系统。环流控制可逆系统。逻辑控制的无环流可逆系统逻辑控制的无环流可逆系统原理：原理： 当当一组晶闸管工作时一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬件），用逻辑电路（硬件）或逻辑算法（软件）去或逻辑算法（软件）去封锁另一组封锁另一组晶闸管晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，以的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，以确保两组晶闸管不同时工作，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切从根本上切断了环流的通路断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。流可逆系统。本节将着重讨论逻辑

38、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的系统结构、控制原理和电路设计逻辑控制的无环流可逆系统逻辑控制的无环流可逆系统1、系统的组成、系统的组成 ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR-+ZC控制电路：控制电路： 采用转速、电流采用转速、电流双闭环双闭环方案；方案； 电流环分设电流环分设两个电流调节器两个电流调节器，1ACR用来控制用来控制正组触发装置正组触发装置GTF，2ACR控制反组触发装置控制反组触发装置GTR；可以；可以采用不反映极

39、性的电流检测方法采用不反映极性的电流检测方法。主电路：主电路： 采用两组晶闸管装置采用两组晶闸管装置反并联反并联线路；线路；由于没有环流，由于没有环流，不用设置环流电抗器不用设置环流电抗器；仍保留平波电抗器仍保留平波电抗器 Ld ，以保证稳定运行时电流，以保证稳定运行时电流波形连续；波形连续；1、系统的组成（续）、系统的组成（续） 这是系统中的关键环节。这是系统中的关键环节。 它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动切换，其输出信号：反组的自动切换，其输出信号：Ublf 用来控制用来控制触发脉冲的封锁或开放触发脉冲的封锁或开放Ublr 用来控制用来

40、控制触发脉冲的封锁或开放触发脉冲的封锁或开放1、系统的组成（续）、系统的组成（续）注意：不允许两组同时开放脉冲！注意：不允许两组同时开放脉冲！ - UcmUc90o rmin180o 0oUcm90o0o 180o fmin fmin rmin r fCTRCTFUc12、控制方式：、控制方式： = 配合控制配合控制系统零位系统零位: f0 = r0 = 90 ;控制方式控制方式: = 配合控制配合控制被封锁那组整流装置的移相触发环节应有配合控制所对应的输被封锁那组整流装置的移相触发环节应有配合控制所对应的输入控制信号，但其输出触发脉冲通过逻辑控制作用予以封锁，入控制信号，但其输出触发脉冲通过

41、逻辑控制作用予以封锁，可根据需要随时送出必要的脉冲信号。可根据需要随时送出必要的脉冲信号。DLCDLC的任务：的任务：（反组）（反组）封锁封锁（正组）（正组）开放开放GTR0,UGTF1,Ublrblf需正向转矩时需正向转矩时需反向转矩时需反向转矩时blfblrU0,GTFU1,GTR封锁（正组）开放（反组）注意：不能同时开放！注意：不能同时开放！3、无环流逻辑控制环节、无环流逻辑控制环节DLC（1）DLC工作的依据信号工作的依据信号1)GTR(U0),GTF(U,1)GTF(U0),GTR(U-, blrblf*blfblr*再开放再开放先封锁先封锁再开放再开放先封锁先封锁iiUU Ui*极

42、性的变化只表明系统有了使转矩（电流）反极性的变化只表明系统有了使转矩（电流）反向的意图。向的意图。转矩（电流）极性的真正变换要等到转矩（电流）极性的真正变换要等到电流真正到零时，才发切换命令。电流真正到零时，才发切换命令。原状态：原状态：GTF开放，开放，GTR封锁封锁发切换命令发切换命令NNYYUi*改变极性？改变极性？Ui=0？（2）逻辑判断）逻辑判断（3）延时电路）延时电路 从发切换指令到封锁原来工作的那组脉冲之间应该留从发切换指令到封锁原来工作的那组脉冲之间应该留出来的等待时间。出来的等待时间。 封锁信号发生的条件是：封锁信号发生的条件是：电流断续电流断续（防止逆变颠覆）（防止逆变颠覆

43、） 大约需要半个到一个脉波的时间，三相桥大约需要半个到一个脉波的时间，三相桥23ms23ms（2 2）开放延时）开放延时t tdtdt 从封锁原来工作组脉冲，到开放另一组脉冲时间之从封锁原来工作组脉冲，到开放另一组脉冲时间之间的等待时间。应大于一个波头的时间。间的等待时间。应大于一个波头的时间。 开放信号发出的条件：开放信号发出的条件：原工作组晶闸管原工作组晶闸管断流断流,恢复阻恢复阻断能力断能力（防止环流短路）。（防止环流短路）。（4）逻辑连锁）逻辑连锁 DLC中设置逻辑互锁保护电路中设置逻辑互锁保护电路,以防止同时以防止同时发触发脉冲释放信号。发触发脉冲释放信号。（5）DLC的实现的实现电

44、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Ui0U*iUblfUblr通常都用数字控制，如数字逻辑电路、微机软件、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。等，用以实现同样的逻辑控制关系。软件逻软件逻辑控制辑控制 任务：任务：将系统中连续变化的模拟量转换成将系统中连续变化的模拟量转换成“1”或或“0”，两种状态的信号。，两种状态的信号。（a a）电流（给定）极性鉴别器）电流（给定）极性鉴别器DTPDTP. 输入：速度调节器的输出输入：速度调节器的输出U i*（电流给定信号）（电流给定信号） 输出：转矩给定极性信号输出：转矩给定极性信号

45、UT回环：提高抗干扰能力表示反向转矩表示正向转矩 0 1TTUUTU*iU0）”（“正转矩V101负转矩）”（“V6 . 00电平检测器电平检测器（5）DLC的实现（续）的实现（续）（b b）零电流检测器）零电流检测器DPZDPZVUVUUiii2 . 00 6 . 0 000，主电路电流接近主电路电流接近主电路有电流主电路有电流的零电流信号的零电流信号输入：电流互感器输出输入：电流互感器输出0iUzUDPZzU0iU）”（“V101）”（“V6 . 000无电流无电流有电流有电流, 1 ,2 . 0, 0,6 . 000ziziUVUUVU0.6V0.2V 逻辑判断电路逻辑判断电路RFzTU

46、UUU,输出：切换信号输出：切换信号输入：输入：,(TzFRUUUU任务：根据经运算正确发出切换信号即封锁原工作组的脉冲，开放另一组脉冲的指令信号）TUzUFURU逻辑判断电路逻辑判断电路“0”封锁封锁 “1”开放开放1U3Udt2UonU开门电平开门电平 延时电路延时电路lndonUtRCUU1U3UCUR2U& 联锁保护电路联锁保护电路（封锁）。同时为时，使（指令）同时为且当”。不同时为“和使输出0,1,1blrblfRFblrblfUUUUUU 无论是逻辑无环流系统逻辑无环流系统还是自然环自然环流系统流系统，都采用转速、电流双闭环控制，其起动和制动过程都是在允许最大电流起动和制动

47、过程都是在允许最大电流限制限制下转速基本上按线性变化的“准时间最优控制”过程。 可逆可逆的双闭环系统的起动起动与不可逆不可逆系统没有什么区别，但是制动过程不同制动过程不同。 4.2.3 转速反向的过渡过程分析转速反向的过渡过程分析 4.2.3 转速反向的过渡过程分析转速反向的过渡过程分析系统制动过程的三个阶段：(1) 本组逆变阶段本组逆变阶段：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。 如果是反向起动如果是反向起动，则

48、从d点开始又一次地进入起动过程.图4-4 在坐标系上表示的电动机反向轨迹制动过渡过程分析制动过渡过程分析 AR =“-” VR逆变逆变（待逆变）（1）正向稳态运行过程：）正向稳态运行过程：KF闭合， U*n=“+” U*i=“-” Uc =“+”cU电动机正向运行电动机正向运行VF整流整流正向稳态运行过程系统状态正向稳态运行过程系统状态+ - - - -+Id有环流系统正向运行过程有环流系统正向运行过程MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-PnVF整流整流 VR待待逆变逆变（2）制动过程分析制动过程分析

49、 整个制动过程可以分为三个主要阶段，其中还有一些子阶段。主要阶段分为： I. 本组逆变阶段；本组逆变阶段； II. .它组整流阶段；它组整流阶段； . 它组逆变阶段它组逆变阶段 现以正向制动为例，说明有环流可逆调速系统的制动过程。 I. 本组逆变阶段本组逆变阶段 在这阶段中，电流由正向负载电流下在这阶段中，电流由正向负载电流下降到零，其方向未变，因此只能仍通过降到零，其方向未变，因此只能仍通过正组正组VF流通，具体过程如下：流通，具体过程如下：l发出停车（或反向）指令发出停车（或反向）指令后，转速给定电压后，转速给定电压突变为零（或负值）；突变为零（或负值）；lASR输出输出跃变到正限幅值跃变

50、到正限幅值 +U*im ；lACR输出输出跃变成负限幅值跃变成负限幅值 -Ucm ；lVF由整流状态很快变成由整流状态很快变成逆变状态逆变状态，同时反，同时反组组VR由待逆变状态转变成由待逆变状态转变成待整流状态待整流状态。l在在VF-M回路中，由于回路中，由于VF变成逆变状态，极变成逆变状态，极性变负，而电机反电动势性变负，而电机反电动势 E 极性未变，迫使极性未变，迫使电流迅速下降，主电路电感迅速释放储能，电流迅速下降，主电路电感迅速释放储能，企图维持正向电流，这时企图维持正向电流，这时d0rd0fdddUUEtIL大部分能量通过大部分能量通过 VF 回馈电网，所以称作回馈电网，所以称作“

51、本本组逆变阶段组逆变阶段”。由于电流的迅速下降，这个阶。由于电流的迅速下降，这个阶段所占时间很短，转速来不及产生明显的变化，段所占时间很短，转速来不及产生明显的变化，其波形图见图其波形图见图4-17中的阶段中的阶段 I 。本组逆变过程系统状态本组逆变过程系统状态MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-+ - - - -+Id0+-+逆逆变变待整流待整流ASR输出输出跃变到正限幅值跃变到正限幅值 +U*imACR输出输出跃变成负限幅值跃变成负限幅值 -Ucm d0rd0fdddUUEtIL Id 过零并反向

52、，直至到达过零并反向，直至到达 - Idm 以前，以前，ACR并并未脱离饱和状态，其输出仍为未脱离饱和状态，其输出仍为 - Ucm 。这时，。这时，VF和和 VR 输出电压的大小都和本组逆变阶段一样，输出电压的大小都和本组逆变阶段一样，但由于本组逆变停止，但由于本组逆变停止，电流变化延缓电流变化延缓， 的数值的数值略减，使略减，使. 它组整流阶段它组整流阶段 当主电路电流下降过零时，本组逆变终止，第当主电路电流下降过零时，本组逆变终止，第 I 阶段结束，转到反组阶段结束，转到反组 VR 工作，开始通过反组工作，开始通过反组制动。制动。tILdddd0rd0fdddUUEtIL 反组反组VR由由

53、“待整流待整流”进入进入整流整流，向主，向主电路提供电路提供 Id 。 由于反组整流电压由于反组整流电压 Ud0r 和反电动势和反电动势 E 的极性相同，的极性相同，反向电流很快增长反向电流很快增长，电机处，电机处于于反接制动状态反接制动状态，转速明显地降低，因此，转速明显地降低，因此，又可称作又可称作“它组反接制动状态它组反接制动状态”。+ -MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUcKFKR+-+ - - - -+0+-+Id-它组整流阶段系统状态它组整流阶段系统状态待逆待逆变变整流整流Id 过零并反向，直至到达

54、过零并反向，直至到达 - Idm 以前，以前， Uc=- Ucmd0rd0fdddUUEtIL. 它组逆变阶段它组逆变阶段 (主要阶段主要阶段) 当反向电流达到当反向电流达到 Idm 并略有超调时，并略有超调时，ACR输出电压输出电压 Uc 退出饱和退出饱和，其数值很快，其数值很快减小，又由负变正，然后再增大，使减小，又由负变正，然后再增大，使VR回到逆变状态回到逆变状态，而，而 VF 变成待整流状态。变成待整流状态。此后，在此后，在ACR的调节作用下，的调节作用下，力图维持力图维持接近最大的反向电流接近最大的反向电流 Id m ，因而，因而0dddtILd0rd0fUUE 电机在恒减速条件下

55、回馈制动，把动电机在恒减速条件下回馈制动，把动能转换成电能，其中大部分通过能转换成电能，其中大部分通过 VR 逆变逆变回馈电网，过渡过程波形为图回馈电网，过渡过程波形为图4-17中的第中的第 II2 阶段，称作阶段，称作“它组回馈制动阶段它组回馈制动阶段”或或“它组逆变阶段它组逆变阶段”。 由图可见，这个阶段所占的时间最长，由图可见，这个阶段所占的时间最长，是是制动过程中的主要阶段制动过程中的主要阶段。. 它组逆变阶段它组逆变阶段 (主要阶段主要阶段)+ -MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUcKFKR+-+ -

56、 - - -+0+-+ Id+-+- -. 它组逆变阶段它组逆变阶段 (主要阶段主要阶段)ACR 退出饱和退出饱和，Uc由由-Ucm变正并增大变正并增大。 Id Idm0dddtILd0rd0fUUE待整待整流流逆变逆变反向减流反向减流 在这一阶段，转速下降得很低，无法再在这一阶段，转速下降得很低，无法再维持维持 -Idm，于是电流立即衰减。，于是电流立即衰减。 在电流衰减过程中，电感在电流衰减过程中，电感 L上的感应电上的感应电压压 LdId/dt 支持着反向电流，并释放出存储支持着反向电流，并释放出存储的磁能，与电动机断续释放出的动能一起的磁能，与电动机断续释放出的动能一起通过通过VR逆变

57、回馈电网。逆变回馈电网。 最后，转速下降得很低，并略有反转，ASR开始退饱和。于是，电流减小，电动机随即停止。 如果需要在制动后紧接着反转，Id=-Idm的过程就会延续下去，直到反向转速稳定时为止。tttOOOId n Uc 制动过程系统响应曲线制动过程系统响应曲线I II1II2II3-Idm IdL -Ucm E 图图4-17 配合控制有配合控制有环流可逆直流调速环流可逆直流调速系统正向制动过渡系统正向制动过渡过程波形过程波形 由于正转制动和反转起动的过程完由于正转制动和反转起动的过程完全衔接起来，全衔接起来，没有间断或死区没有间断或死区，这是有环，这是有环流可逆调速系统的优点，适用于要求快速流可逆调速系统的优点，适用于要求快速正反转的系统。正反转的系统。IdL Id n Idm OOIIIIIIt4 t3 t2