第3章直流可逆调速系统及数字直流调速器

1、第第3章章 直流可逆调速系统及直流可逆调速系统及数字直流调速器数字直流调速器本章讨论生产工艺要求电动机既能正、反转，又能快速起动、制动，实现四象限运行的直流可逆调速系统；直流脉宽调速系统的特点和相关问题；计算机数字控制技术在电力拖动系统中的应用；介绍数字直流调节器的性能和特点。3.1 可逆调速系统的电路结构及回馈制动可逆调速系统的电路结构及回馈制动3.2 有环流可逆调速系统有环流可逆调速系统3.3 逻辑无环流可逆调速系统逻辑无环流可逆调速系统3.4 逻辑无环流可逆调速系统的逻辑无环流可逆调速系统的 MATLAB/SIMULINK仿真仿真3.5 直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统3.6 数字直流调

2、速器数字直流调速器 本章小结本章小结第第3章章 直流可逆调速系统及直流可逆调速系统及数字直流调速器数字直流调速器3.1.1 可逆调速系统的可逆电路可逆调速系统的可逆电路3.1.2 VM系统的回馈制动系统的回馈制动3.1.3 可逆电路中的环流可逆电路中的环流 3.1 可逆调速系统的线路结构可逆调速系统的线路结构 及回馈制动及回馈制动3.1.1 可逆调速系统的可逆电路可逆调速系统的可逆电路引言引言 生产机械要求电动机能正、反转运行，这就要求电力拖动系统具有四象限运行的特性，即需要可逆的调速系统。 由直流电动机的转矩公式TeCMId 可知，改变电磁转矩Te的方向有两种方案： （1）电枢可逆，即在保持

3、励磁磁通恒定的前提下，改变电动机电枢电流Id 的方向，实际上就是改变电动机电枢电压Ud的极性； （2）励磁可逆，即在保持电枢电压Ud极性恒定的前提下，改变励磁磁通方向，即改变励磁电流if的方向。 可逆线路有两种电枢反接可逆电路和励磁反接可励磁反接可逆电路逆电路。3.1.1 可逆调速系统的可逆电路可逆调速系统的可逆电路 可逆线路 1电枢反接可逆电路电枢反接可逆电路 （1）接触器开关切换的可逆电路图31 用接触器切换的可逆线路3.1.1 可逆调速系统的可逆电路可逆调速系统的可逆电路 工作原理:晶闸管整流装置的输出电压电压U Ud d极性始终不极性始终不变变，通过接触器KMF 、 KMR 切换改变电

4、枢电压极性,实现电动机正反转控制。 优点：仅需一组晶闸管装置，简单、经济。 缺点：有触点切换，动作噪声较大，开关寿命短；需 自由停车后才能反向，动作时间长。 应用场合：不经常正反转的生产机械。 （2）晶闸管开关切换的可逆线路 克服接触器切换的缺点，采用无触点的晶闸管代替接触器触点，见教材图32所示。 该线路适用于频繁正反转的中、小功率的可逆系统。 3.1.1 可逆调速系统的可逆电路可逆调速系统的可逆电路（3）两组晶闸管装置反并联可逆线路两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路如图33所示。图33 两组晶闸管装置供电的可逆线路a）可逆线路 b）运行范围3.1.1 可逆调速系统的可逆电路可逆调速系统

5、的可逆电路 2励磁反接可逆电路励磁反接可逆电路 图34 晶闸管反并联励磁反接可逆线路3.1.1 可逆调速系统的可逆电路可逆调速系统的可逆电路 优点：供电装置功率小。励磁功率仅占电动机额定功率的15%，所需晶闸管装置的容量小、投资少、效益高。 缺点：改变转向时间长。为加快换向过程，常采用“强迫励磁”；另外，电动机在反向过程中，电动机可能出现“弱磁升速”现象， 避免措施:在磁通减弱时保证电枢电流为零。 励磁反接的方案只适用于对快速性要求不高，正、反转不太频繁的大容量可逆系统，如电力机车等。3.1.1 可逆调速系统的可逆电路可逆调速系统的可逆电路引言引言 生产机械运行时机械惯性使制动过程延长，影响生

6、产效率。 为了加快制动（或减速）过程，将存储在电动机轴上的机械能快速释放，最理想的结果是将机械能转化成电能回馈到电网。3.1.2 VM系统的回馈制动系统的回馈制动 1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 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： 当控制角 90时，晶闸管装置处于整流整流状态； 当控制角 90时，晶闸管装置处于逆变逆变状态。 在整流状态中，Ud0为正值；在逆变状态中，Ud0为负值。定义逆变角 = 180 则逆变电压公式可改写为 ： Ud0 = Ud0 max cos coscossind0maxmdoUmUmU3.1.2 VM系统的回馈制动系统的回

7、馈制动 2单组晶闸管装置的有源逆变单组晶闸管装置的有源逆变单组晶闸管装置供电的VM可逆系统只适用于拖动起重机类型的负载（位能性负载）。 （1）整流状态：当电动机提升重物时，90，Ud0E，电动机拖动重物提升，此时电网向电动机提供能量。如图35。图35 单组晶闸管装置的整流工作状态3.1.2 VM系统的回馈制动系统的回馈制动 （2）逆变状态：当电动机放下重物时，90， Ud0E，重物拖动电动机放下，此时电动机向电网回馈能量。图36 单组晶闸管装置的逆变工作状态3.1.2 VM系统的回馈制动系统的回馈制动 （3）机械特性 当该组晶闸管工作于整流状态时，电动机工作于第一象限；当该组晶闸管工作于逆变状

8、态时，电动机工作于第四象限。图37 单组V-M系统带起重机类型负载时的整流和逆变状态3.1.2 VM系统的回馈制动系统的回馈制动 3两组晶闸管装置反并联的整流和逆变（1） 正组晶闸管装置VF整流VF处于整流状态时，f 90，Ud0fE，电动机正转，从电路输入能量作电动运行，见图38所示。 图38 正组整流电动运行3.1.2 VM系统的回馈制动系统的回馈制动（2）反组晶闸管装置VR逆变 电动机回馈制动时，必须具备回馈电能的反向电流。 VR处于逆变状态：此时，r90，E|Ud0r|， 电动机仍然正转，但电枢电流方向变反，电机输出电能实现回馈制动。 图39 反组逆变回馈制动3.1.2 VM系统的回馈

9、制动系统的回馈制动 （3）机械特性运行范围 整流状态：VM系统工作在第一象限。 逆变状态：VM系统工作在第二象限。图310 反组逆变回馈制动3.1.2 晶闸管晶闸管电动机系统的回馈制动电动机系统的回馈制动 4. VM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。 需要快速回馈制动时，常常也采用两组反并联的晶闸管装置，由正组提供电动运行所需的整流供电，反组只提供逆变制动。3.1.2 VM系统的回馈制动系统的回馈制动引言引言 可逆系统两组晶闸管切换工作时要求严格控

10、制，流经两组晶闸管的短路电流（环流）必须得到控制或消除，提高系统工作的可靠性，否则，会造成电源短路事故。3.1.3 可逆电路中的环流可逆电路中的环流 1. 环流的定义及其分类 （1）环流的定义 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。图311 反并联线路中的电流3.1.3 可逆电路中的环流可逆电路中的环流 （2）环流的分类 静态环流静态环流当可逆线路在一定的控制角下稳定工作时，所出现的环流叫做静态环流。静态环流又可分为直流平均环流和瞬时脉动环流。 动态环流动态环流当晶闸管触发相位突然改变时，系统从原稳态过渡到新稳态过程中出现的环流。系统稳定运行时不存在，只要选择合

11、适的均衡电抗器，就可将其影响降低到最小。 3.1.3 可逆电路中的环流可逆电路中的环流 （3）环流存在的危害及益处 环流的存在是影响系统安全工作、决定系统性质的一个重要问题。 环流一般对系统是无益的，它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，应该予以抑制或消除。 适量环流的存在作为流过晶闸管的基本负载电流，能使电动机在空载或轻载时缩短晶闸管装置供电的电流断续区，提高系统的动态性能，因此可以加以利用。3.1.3 可逆电路中的环流可逆电路中的环流 2. 直流平均环流及其消除措施 由图311，如果让VF和VR都处于整流状态，势必造成电源短路，此短路电流就是直流平均环流。直

12、流平均环流的存在必须进行控制或消除。 为防止直流平均环流的产生，至少保证VF整流输出电压Udof与VR待逆变输出电压Udor幅值相等，因此有 Udof Udor 由于 Udof U domax COS f 及Udor U domax COS r 则 f r180 即 f r 工作制称为配合控制。 消除直流平均环流的条件是： f r3.1.3 可逆电路中的环流可逆电路中的环流 3. 瞬时脉动环流及其抑制措施 由于晶闸管装置输出电压的瞬时值总是脉动的，VF输出udof的波形与VR输出udor的波形并不相同，当udofudor时，产生一个正向瞬时电压差udo，形成瞬时脉动环流。 为了抑制瞬时脉动环流

13、，在环流回路中串入均衡电抗器（或称环流电抗器）。 均衡电抗器会因流过直流负载电流饱和而失去限制环流作用。因此，均衡电抗器的电感量及其接法因可逆线路的不同而异。 3.1.3 可逆电路中的环流可逆电路中的环流3.2.1 3.2.1 自然环流可逆调速系统自然环流可逆调速系统3.2.2 3.2.2 可控环流的可逆调速系统可控环流的可逆调速系统 3.2 有环流可逆调速系统有环流可逆调速系统 采用工作制配合控制，可消除直流平均环流，但瞬时脉动环流一定存在，因此又称作自然环流可逆调速系统。 1. 自然环流可逆系统的组成原理3.2.1 自然环流可逆调速系统自然环流可逆调速系统图312配合控制自然环流可逆系统原

14、理图 主电路：两组三相桥式晶闸管装置反并联的线路，设置4个环流电抗器Lc1Lc4，平波电抗器Ld。 控制电路：典型的转速、电流双闭环系统。ASR设置双向输出限幅以限制正、反向最大动态电流；ACR设置双向输出限幅以限制最小控制角min与最小逆变角min，而且minmin。在GTR之前加反相器AR是为了实现fr的工作制配合控制。 给定电压Un*由继电器KF和KR来切换实现正、反向系统的运行。电流检测采用了能反映电流极性的霍尔电流变换器TA。3.2.1 自然环流可逆调速系统自然环流可逆调速系统图313 触发装置的移相控制特性 2. 工作制配合控制系统的触发移相特性 3.2.1 自然环流可逆调速系统自

15、然环流可逆调速系统 3. =配合控制的工作状态 待逆变状态指逆变组有环流流过但未流过负载电流，即没有电能回馈电网，它只是处于等待逆变，表示该组晶闸管装置是在逆变角控制下等待工作。 逆变状态在制动状态时，当电机反电动势 E |Ud0r| = |Ud0f|，逆变组就投入逆变工作，使电机产生回馈制动，将电能通过逆变组回馈电网。 待整流状态当逆变组工作时，另一组是在等待整流，称作“待整流状态”。 结论：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。3.2.1 自然环流可逆调速系统自然环流可逆调速系统 4

16、. 有环流可逆调速系统的正向制动过程 以正向制动过程进行讨论。整个制动过程按电流方向的不同分成两个主要阶段。 （1）本组逆变阶段（本组逆变阶段（） 主要表现为电流降落。电流Id由正向负载电流IdL下降到零，其方向未变，仍通过VF流通，这时正组处于逆变状态。 （2）它组制动阶段（它组制动阶段（） 主要表现为转速降落。电流Id方向变反，由零变到反向最大制动电流Idm，Idm维持一段时间后再衰减到零。 正向制动过渡过程曲线如图314。3.2.1 自然环流可逆调速系统自然环流可逆调速系统图314 正向制动过渡过程曲线3.2.1 自然环流可逆调速系统自然环流可逆调速系统 它组制动阶段又分为三个子阶段（1

17、、2和3）。 （1）它组建流子阶段（1）； （2）它组逆变子阶段（2）； （3）反向减流子阶段（3）。 它组逆变回馈制动子阶段（2）是正向制动过程的主要阶段，此时电动机的转速在最大减速度下衰减到零。 如果制动后紧接着反向起动，系统在IdIdm条件下反向起动，就没有任何间断或死区，这是有环流可逆调速系统的突出优点，对要求快速正反转的系统特别合适。 系统存在的缺点：需要环流电抗器、晶闸管等元器件额外增加了环流负担负，适用于中、小容量的系统。3.2.1 自然环流可逆调速系统自然环流可逆调速系统 基本思想：根据负载大小来控制环流大小的可逆调速系统称为可控环流可逆调速系统。即轻载时存在适量的直流平均环流

18、（一般为510IN），以保证电枢电流的连续；当负载增大时控制环流减小直至零。 可控环流可逆调速系统原理图见图315。主电路采用交叉连接的可逆线路。3.2.2 可控环流的可逆调速系统可控环流的可逆调速系统图315 可控环流可逆调速系统原理图3.2.2 可控环流的可逆调速系统可控环流的可逆调速系统3.3.1 逻辑控制无环流系统的组成逻辑控制无环流系统的组成3.3.2 无环流逻辑控制器（无环流逻辑控制器（DLC）的实现）的实现3.3.3 系统的性能特点和改进措施系统的性能特点和改进措施3.3.4 利用利用PLC实现的逻辑无环流可逆调速系统实现的逻辑无环流可逆调速系统3.3.5 数字化逻辑无环流可逆调

19、速系统数字化逻辑无环流可逆调速系统 3.3 逻辑无环流可逆调速系统逻辑无环流可逆调速系统 引言引言 大容量的可逆系统如允许环流存在，即使把其控制在允许值之内，晶闸管增加的额外负担已非常大。 从生产机械工作的可靠性要求出发，特别对大容量的可逆系统，是不允许环流存在的。即要求任何时刻只有一组晶闸管工作，另外一组处于封锁状态。3.3.1 逻辑控制无环流系统的组成逻辑控制无环流系统的组成 逻辑控制无环流可逆系统的基本思想： 当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路。 3.3.1 逻辑控制无环流系统的组成逻辑控制无

20、环流系统的组成图316 逻辑控制的无环流可逆调速系统原理图3.3.1 逻辑控制无环流系统的组成逻辑控制无环流系统的组成1系统的组成和工作原理 2无环流逻辑控制器的任务 任务：在正组晶闸管VF工作时封锁反组脉冲，在反组晶闸管VR工作时封锁正组脉冲。采用电平信号来执行封锁与开放，“0”表示封锁，“1”表示开放。 逻辑控制器实现逻辑切换的充分必要条件有两个： 转矩极性鉴别转矩极性鉴别 零电流检测零电流检测。 3.3.1 逻辑控制无环流系统的组成逻辑控制无环流系统的组成 （1）转矩极性鉴别 电流给定信号Ui*的极性能反映了系统转矩的极性，只是极性与电机转矩极性恰恰相反，所以用Ui*作为逻辑切换的指令。

21、 （2）零电流检测 只有在实际电流降到零后，才允许给DLC发出指令，封锁正组，开放反组，所以应有一个零电流检测信号Ui0。3.3.1 逻辑控制无环流系统的组成逻辑控制无环流系统的组成 确保系统工作的可靠性，无环流逻辑控制器还须经过两段延时封锁延时和开放延时。 封锁延时封锁延时（tdbl）从发出切换指令到真正封锁掉原工作组脉冲之间应该留出来的等待时间。确保电枢电流等于“0”，设封锁延时。对于三三相桥式电路，tdt约取23ms，如图317所示。 开放延时开放延时（tdt）从封锁原工作组脉冲到开放另一组脉冲之间的等待时间。防止电源短路事故的发生。对于三三相桥式电路，tdt约取57ms。3.3.1 逻

22、辑控制无环流系统的组成逻辑控制无环流系统的组成图317 零电流检测和封锁延时的作用a）无封锁延时，造成逆变失败 b）设置封锁延时，保证安全I0零电流检测器最小动作电流 UZ零电流检测器输出信号Ubef封锁正组脉冲信号 tdbl封锁延时时间（续）3.3.1 逻辑控制无环流系统的组成逻辑控制无环流系统的组成 无环流逻辑控制器（DLC）的基本要求： （1）由电流给定信号Ui*的极性和零电流检测信号Ui0共同发出逻辑切换指令。当Ui*改变极性，且零电流检测器发出“零电流信号”时，才允许封锁工作组，开放封锁组。 （2）发出切换指令后，须经过封锁延时时间tdbl才能封锁工作组脉冲；再经过开放延时时间tdt

23、后，才能开放封锁组脉冲。 （3）无论在任何情况下，两组晶闸管绝对不允许同时加触发脉冲，一组工作时，必须封锁另一组的触发脉冲。3.3.1 逻辑控制无环流系统的组成逻辑控制无环流系统的组成 DLC的组成 DLC由电平检测，逻辑判断，延时电路和连锁保护四个基本环节组成。 图318 无环流逻辑控制器（DLC）的功能及输入输出信号3.3.2 无环流逻辑控制器（无环流逻辑控制器（DLC）的实现）的实现图319 带正反馈的运算放大器构成的电平检测器 a）原理图 b）结构图 c）继电器特性 1电平检测器 电平检测器相当于一个模数转换器，将模拟量转矩极性鉴别信号Ui*和零电流检测信号Ui0转换成数字量1、0。3

24、.3.2 无环流逻辑控制器（无环流逻辑控制器（DLC）的实现）的实现 （1）转矩极性鉴别器（DPT） 转矩极性鉴别器的原理图和输入输出特性如图3-20所示。图320 转矩极性鉴别器（DPT）的原理图和输入输出特性a)原理图 b)输入、输出特性3.3.2 无环流逻辑控制器（无环流逻辑控制器（DLC）的实现）的实现 （2）零电流检测器（DPZ） 零电流检测器的原理图和输入输出特性如图321所示。图中输入端加负偏移电路，使回环特性的右移。图321 零电流检测器（DPZ）的原理图和输入输出特性a)原理图 b)输入、输出特性3.3.2 无环流逻辑控制器（无环流逻辑控制器（DLC）的实现）的实现 2逻辑判

25、断电路 逻辑判断的任务是根据两个电平检测器的输出信号UT和Uz经运算后，正确地发出切换信号UF和UR。 （1）输入信号： 转矩极性鉴别： 正转 Te ，即Ui* 时，UT“1”； 反转 Te ，即Ui* 时，UT “0”。 零电流检测： 有电流时， UZ“0”； 电流为零时，UZ“1”。 （2）输出信号： 封锁正组脉冲，UF “0”；开放正组脉冲，UF “1”； 封锁反组脉冲，UR“0”；开放反组脉冲，UR “1”。3.3.2 无环流逻辑控制器（无环流逻辑控制器（DLC）的实现）的实现 根据电动机的运行状态，得逻辑关系示于于表31。表表31 逻辑判断电路各量之间的逻辑关系逻辑判断电路各量之间的

26、逻辑关系3.3.2 无环流逻辑控制器（无环流逻辑控制器（DLC）的实现）的实现运行状态转矩（电流给定）极性电枢电流逻辑电路输入逻辑电路输出TeUi*UTUZUFUR正向起动+-01110+-有1010正向运行+-有1010正向制动-+有0010-+00101-+有（制动电流）0001反向起动-+00101-+有0001反向运行-+有0001反向制动+-有1001+-01110+-有（制动电流）1010删去上表中的重复项，得逻辑判断电路真值表如表32。 ZTZTZTRFUUUUUUUUZTTRUUUU)(ZTRUUU表表32 逻辑判断电路真值表逻辑判断电路真值表 3.3.2 无环流逻辑控制器（无

27、环流逻辑控制器（DLC）的实现）的实现根据真值表，按脉冲封锁条件可列出下列逻辑代数式：UTUZUFURUTUZUFUR111001011010000100101001 若用与非门实现，可变换成 同理变换可得 根据式（36）和式（37）可以采用具有高抗干扰能力的HTL单与非门组成逻辑判断电路，如图322所示。ZTRZTRFUUUUUUU（36）RUZZTFZZTFUUUUUUUU（37）3.3.2 无环流逻辑控制器（无环流逻辑控制器（DLC）的实现）的实现 图322 无环流逻辑控制器DLC原理图3.3.2 无环流逻辑控制器（无环流逻辑控制器（DLC）的实现）的实现 3延时电路 逻辑判断电路发出切

28、换指令UF、UR后，须经过封锁延时tdbl和开放延时tdt 。 阻容延时电路的充电时间 U电源电压，HTL与非门用U15V； Uc电容端电压(与非门的开门电平，约8.5V)。 根据所需延时时间可计算出相应的电容值 cUUURCtlnCUUURtCln3.3.2 无环流逻辑控制器（无环流逻辑控制器（DLC）的实现）的实现 4联锁保护电路 联锁保护电路设置原因：若电路发生故障，如果两个输出UF和UR同时为1，必将造成两组晶闸管同时开放而导致电源短路。如图322所示。 保护原理：当出现UF和UR同时为“1”的故障时，联锁保护环节中的与非门输出A点电位立即变为“0”，使Ubef和Uber都使“0”，两

29、组脉冲被同时封锁。 3.3.2 无环流逻辑控制器（无环流逻辑控制器（DLC）的实现）的实现 1系统的性能特点 优点：无环流电抗器，没有附加的环流损耗，节省了变压器和晶闸管装置的附加设备容量，与有环流系统相比，因换流失败而造成的事故率大大降低。 缺点:由于延时造成电流换向死区，影响了系统过渡过程的快速性、平滑性。 3.3.3 系统的性能特点和改进措施系统的性能特点和改进措施 2改进措施 （1）具有“推”信号的逻辑无环流系统 普通的逻辑无环流系统在电流换向后，电动机直接进入反接制动，反向冲击电流较大。为避免换向后产生的电流冲击，可利用逻辑切换的机会，人为地在投入组的电流调节器输入端暂时加上一个与U

30、i极性相同的信号U，从而把投入组的逆变角推到min，使它组制动阶段一开始就进入它组逆变阶段，避开反接制动，减小冲击电流。U信号由DLC发出，称“推”信号。由“推”信号实现的逻辑无环流系统称为具有具有“推推”信号的逻辑无环流系统信号的逻辑无环流系统。3.3.3 系统的性能特点和改进措施系统的性能特点和改进措施 （2）“有切换准备”的逻辑无环流系统 加入“推”信号后，冲击电流虽然降低了，却加大了电流换向死区。若要减小电流换向死区，可采用“有切换准备”的逻辑无环流系统。 基本思想：让待逆变组的角在切换前不是等在min处，而是使角与原整流组的角基本相等。当待逆变组投入时，其逆变电压的大小和电机反电动势

31、基本相等，很快就能进行回馈制动。因此，这种系统的电流换向死区就只剩下封锁与开放的延时时间了，大约在10ms左右。3.3.3 系统的性能特点和改进措施系统的性能特点和改进措施 引言: 可编程控制器（PLC）的强大数据处理能力及特有的良好抗干扰能力可确保系统运行的可靠性。 无环流直流调速系统的逻辑控制器（DLC)功能，可利用PLC中的概念继电器等通过编制软件实现。3.3.4 利用利用PLC实现的逻辑无环流实现的逻辑无环流 可逆调速系统可逆调速系统 按照DPT和DPZ的输入输出特性，得到电平检测器的流程框图如图323所示。图323 电平检测器的流程框图3.3.4 利用利用PLC实现的逻辑无环流实现的

32、逻辑无环流 可逆调速系统可逆调速系统 1. 电平检测的实现 实现DPT和DPZ功能的梯形图如图324所示.图324 电平检测梯形图图325 逻辑判断、延时电路逻辑保护电路的梯形图3.3.4 利用利用PLC实现的逻辑无环流实现的逻辑无环流 可逆调速系统可逆调速系统 2逻辑判断的实现 根据式(36)、(37)得到控制系统的逻辑控制关系 将UF、UR的状态分别用辅助继电器M12、M13来表示。 3延时电路的实现 逻辑判断、延时电路、逻辑保护电路的梯形图如图325所示。3.3.4 利用利用PLC实现的逻辑无环流实现的逻辑无环流 可逆调速系统可逆调速系统ZFRTUUUUZTFZUUUU 4逻辑保护电路的

33、实现 逻辑保护功能满足真值表33。PLC输出点Y0和Y1的状态就是DLC的Ubef和Uber的状态.另外还可以用M14、M15接通禁止全部输出，进行双重保护。 分析表明，采用具有很强逻辑运算功能的PLC实现逻辑无环流直流调速系统，系统的可靠性将大大提高。3.3.4 利用利用PLC实现的逻辑无环流实现的逻辑无环流 可逆调速系统可逆调速系统M14M15Y0Y100000101101011禁止表表33逻辑保护真值表逻辑保护真值表 1. 数字控制原理和硬件配置 3.3.5 数字化逻辑无环流可逆调速系统数字化逻辑无环流可逆调速系统图326 数字逻辑无环流可逆系统原理框图 硬件配置框图如图327所示。图3

34、27 数字逻辑无环流可逆系统硬件配置框图3.3.5 数字化逻辑无环流可逆调速系统数字化逻辑无环流可逆调速系统 （1）数字触发器 根据主电路对触发脉冲的要求，使阻容移相后的三相交流电压经零检测器变成互差120 、宽180 的方波作为检测到的电源状态，以此状态作为脉冲分配的依据。每个周期产生六个中断信号，在每次中断服务程序中完成脉冲的形成、分配和移相控制。 将触发脉冲的移相范围送入定时器，定时器的选择有两种方案：单片机内部定时和片外扩展定时器。其中片外扩展定时器由于软件编程方便，是工程应用中常选择的方案。 定时器输出一个时钟周期的选通脉冲，经脉冲展宽、光电隔离、脉冲放大及驱动电路后触发主电路的晶闸

35、管。3.3.5 数字化逻辑无环流可逆调速系统数字化逻辑无环流可逆调速系统 （2）数字PI调节器 模拟PI调节器由一个比例调节器（放大系数KP)和一个积分调节器（KI/s）相加构成，如图328所示。 由图可以很容易地推出数字PI调节器的差分方程为 式中：K1KpK2，K2TKI T采样周期； Yn第n次的采样输出； Un第n次采样时的输入偏差。niinnUKUKY021图328 PI调节器3.3.5 数字化逻辑无环流直流调速系统数字化逻辑无环流直流调速系统 （3）数字无环流逻辑控制 数字无环流逻辑控制是根据数字速度调节器的输出值的正或负来选择工作组的，并根据主电路的电流是否为“零”进行相应的切换

36、，并对工作组的工作状态进行记忆。 在微机中设置了两个记忆单元，分别来记忆VF和VR的工作状态。存放为0时，表示相应的那组晶闸管应封锁，存放为1时，表示相应的那组晶闸管应开放。 3.3.5 数字化逻辑无环流直流调速系统数字化逻辑无环流直流调速系统 2控制软件的实现 （1）采样周期的选择 采样周期的选择对能否达到性能指标有很大的影响。从采样系统的角度出发，采样周期越短越好；从反馈值准确的观点看，采样周期长点较好。工程应用中采样周期通过经验确定。 闭环系统的时间常数也是一个重要因素。采样周期过长，会丢失许多信息，容易使闭环系统产生振荡。 实际应用中采用多种采样周期控制。在快速状态时采用短采样周期控制

37、，在较慢速状态时采用长采样周期。3.3.5 数字化逻辑无环流直流调速系统数字化逻辑无环流直流调速系统图329 主程序及中断服务程序框图3.3.5 数字化逻辑无环流直流调速系统数字化逻辑无环流直流调速系统（2）软件框图 3.4 逻辑无环流可逆调速系统的逻辑无环流可逆调速系统的 MATLAB/SIMULINK仿真仿真 3.4.1 逻辑无环流可逆调速系统的建模 3.4.2 修改仿真运算方法 3.4.3 系统性能仿真 3.4.4 系统性能分析 （1）新建一个模块函数设计窗口，然后将新建的文件名“untitled”改为“wuhuanliuxitongfangzhen”，保存后窗口返回到模块函数设计窗口，

38、如图330所示。 图330 模块函数设计窗口3.4.1 逻辑无环流可逆调速系统的建摸逻辑无环流可逆调速系统的建摸 （2）根据原理框图316建立仿真电路如图331所示。 图331 逻辑无环流可逆调速系统的仿真电路3.4.1 逻辑无环流可逆调速系统的建摸逻辑无环流可逆调速系统的建摸 图332 修改后的Solver页 在图331所示窗口内，选择 “Simulation”菜单，在该菜单中选择“Simulation Parameters”项，选择后系统就会出现仿真参数设计窗口，根据系统的类型，按照表34表39输入系统参数，修改的Solver页如图332所示，其它页设置项为默认值。3.4.2 修改仿真运算

39、方法修改仿真运算方法 1. 为了便于观察仿真结果，用鼠标左键双击每一个示波器，并调整它们在一个合适位置上。 2. 用鼠标左键单击仿真窗口中的“” 按钮，仿真开始。 3. 当控制系统仿真运行到正向稳定运行状态时（大约在0.8秒处），用鼠标左键双击手动选择开关（Manual Switch），让控制系统直接由正转转向反转。能够观察到的仿真结果如图333和图334所示。 4. 当仿真结束时间到达后，用鼠标左键再次双击手动选择开关（Manual Switch）让选择开关复位。然后重复“（2）”和“（3）”的操作过程。 3.4.3 系统性能仿真系统性能仿真 图333 逻辑无环流可逆系统的转速给定、电流、转

40、速仿真曲线图335电机正反转切换时电枢电压仿真曲线转速给定Un* 电机电枢电流Id 转速n 3.4.3 系统性能仿真系统性能仿真 通过对系统性能的仿真，可从图333看出:电动机的电枢电流在由允许最大值降至稳态值的过程中变化平稳，电动机的转速在起动至稳态的动态过程中无转速超调；正反向切换过程平稳，动态性能良好。 电流仿真曲线显示，电动机电枢电流具有小幅值的脉动，这是因为整流器输出电压的瞬时值是变化的，如图334所示；其它所有参数不变，将电动机电枢电感L增大，如设为L=9mH，通过仿真，可观察到，电动机电枢电流的脉动幅值明显减小。 3.4.4 系统性能分析系统性能分析3.5 直流脉宽调速系统直流脉

41、宽调速系统3.5.1 脉宽调制变换器脉宽调制变换器3.5.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路3.5.3 脉宽调速系统的开环机械特性脉宽调速系统的开环机械特性3.5.4 系统设计中的典型问题系统设计中的典型问题3.5.5 双极式可逆双极式可逆PWM变换器的微机控制变换器的微机控制 与VM系统相比，PWMM系统优越性表现在：（1）主电路线路简单，需用的功率元件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；（4）系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；（5）主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；（6）直

42、流电源采用不控三相整流时，电网功率因数高。3.5 直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统 1不可逆不可逆PWM变换器变换器 不可逆PWM变换器的主电路分为无制动作用无制动作用、有制动有制动作用作用的两种。 无制动作用的不可逆无制动作用的不可逆PWMPWM变换器变换器3.5.1 脉宽调制变换器脉宽调制变换器图335 无制动作用的不可逆PWM变换器a）原理图 b）电压和电流波形 工作原理：IGBT的栅极由脉宽可调的栅极电压Ug驱动。 在0tton期间，Ug为正，VT导通，电动机电枢两端为电源电压Us； 在tontT期间，Ug为负，VT截止，电枢失去电源，经由二极管VD续流。 电动机得到的平均电压为 式中

43、ton/TUd/Us称PWM电压的占空比。 SSondUUTtU3.5.1 脉宽调制变换器脉宽调制变换器 PWM控制方式： 定宽调频法：ton保持一定，使Tton在0范围内变化； 调宽调频法：Tton保持一定，使ton在0范围内变化； 定频调宽法：T保持一定，使ton在0T范围内变化。 在直流脉宽调速系统中，一般采用定频调宽法。 3.5.1 脉宽调制变换器脉宽调制变换器EdtdiLRiUddsEdtdiLRidd0 电压平衡方程:VT在一个周期内存在开与关两种状态，则电路的电压平衡方程式为： 在0tton期间 在tontT期间式中 R、L电枢电路的电阻和电感； E电机反电动势。 由于电路中电流

44、id不能反向，因此不能产生制动作用，只能作单象限运行。3.5.1 脉宽调制变换器脉宽调制变换器 有制动作用的不可逆PWM变换器 控制方式是使两个晶体管的栅极驱动电压大小相等、方向相反，即Ug1Ug2。如图336a）所示。图336 a）原理图3.5.1 脉宽调制变换器脉宽调制变换器图336 b）电动状态的电压、电流波形3.5.1 脉宽调制变换器脉宽调制变换器 有制动作用的不可逆PWM变换器图336 c）制动状态的电压、电流波形3.5.1 脉宽调制变换器脉宽调制变换器 有制动作用的不可逆PWM变换器图336 d）轻载电动状态的电压、电流波形3.5.1 脉宽调制变换器脉宽调制变换器 有制动作用的不可

45、逆PWM变换器 2可逆PWM变换器 可逆PWM变换器主电路的结构型式有H型、T型等，H型变换器在控制方式上分双极式、单极式和受限单极式三种。 （1）双极式可逆PWM变换器 双极式H型可逆PWM变换器的电路原理图如图337所示。 四个绝缘栅双极性晶体管的栅极驱动电压分为两组。VTl和VT4同时导通和关断，其驱动电压Ug1Ug4；VT2和VT3同时导通和关断，其驱动电压Ug2Ug3 ； 控制条件为Ug2 Ug1。3.5.1 脉宽调制变换器脉宽调制变换器图337 双极式H型PWM变换器电路3.5.1 脉宽调制变换器脉宽调制变换器 工作原理： 当0tton时，Ug1和Ug4为正，VTl和VT4饱和导通

46、，Ug2和Ug3为负，VT2和VT3截止。这时UABUS ，电枢电流id1沿回路1流通； 当tontT时，Ug1和Ug4变负，VTl和VT4截止；Ug2、Ug3变正，但VT2、VT3并不能立即导通，因为在电枢电感释放储能的作用下，id1沿回路2经VD2、VD3续流，在VD2、VD3上的压降使VT2和VT3极承受着反压，这时UABUS 。 由此可见，UAB在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图338所示。3.5.1 脉宽调制变换器脉宽调制变换器图338 双极式PWM变换器电压、电流波形3.5.1 脉宽调制变换器脉宽调制变换器平均电压:双极式可逆PWM变换器电枢平

47、均端电压用公式表示为 仍以Ud/Us来定义PWM电压的占空比，则与ton的关系为 双极式可逆PWM变换器的与不可逆PWM变换器的不同。 的变化范围变成11。 12TtonsonsonsondUTtUTtTUTtU12（312） 3.5.1脉宽调制变换器脉宽调制变换器 调速时，当为正值时，电动机正转；为负值时，电动机反转；0时，电动机停止。 在0时，虽然电机不动，电枢两端的瞬时电压和瞬时电流却都不为零，而是交变的。 （1）交变的电流平均值为零，会增大电机的损耗，产生高频噪音。 （2）交变的电流能使电机高频微振，消除正、反向时的静摩擦死区，起着“动力润滑”的作用。3.5.1脉宽调制变换器脉宽调制变

48、换器 双极式PWM变换器的优点： 电流一定连续； 可使电动机在四象限中运行； 电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区； 低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通； 低速平稳性好，调速范围很宽。3.5.1脉宽调制变换器脉宽调制变换器 （2）单极式可逆PWM变换器 双极式PWM变换器的缺点：在工作过程中，四个绝缘栅双极性晶体管都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两管直通的事故，降低了装置的可靠性。 单极式PWM变换器的电路原理图与双极式一样，不同之处在于栅极驱动信号控制方式。 3.5.1脉宽调制变换器脉宽调制变换器 栅极驱动信号控制方式： VT1、VT2保持Ug1Ug

49、2； VT3、VT4的驱动信号根据电机的转向施加不同的控制信号。 （1）电机正转，Ug3恒为负，Ug4恒为正，VT3截止、VT4常通； （2）电机反转，Ug3恒为正，Ug4恒为负，VT3常通、VT4截止。3.5.1脉宽调制变换器脉宽调制变换器 （3）受限单极式可逆PWM变换器 受限单极式的控制原理： （1）电机正转， Ug1为脉宽可调的栅极电压， Ug2、 Ug3恒为负，Ug4恒为正， VT2与VT3截止、VT4常通； （2）电机反转， Ug2为脉宽可调的栅极电压， Ug1、 Ug4恒为负，Ug3恒为正， VT1与VT4截止、VT3常通。3.5.1脉宽调制变换器脉宽调制变换器 当负载较轻时，就

50、出现电流id断续，电枢两端电压跃变为UABE，如图339所示。3.5.1脉宽调制变换器脉宽调制变换器图339 受限单极式可逆PWM变换器在轻载电动状态的电压、电流波形 轻载电流断续将使变换器的外特性变软，使PWM调速系统的静、动态性能变差，但可靠性提高。 电流断续时，电枢电压的提高把平均电压也抬高了，即令EUd，则由此求出新的占空比： Ttd，即 ， 之值仍在11之间变化。ETtTUUdsdssddUUtTUdtT3.5.1脉宽调制变换器脉宽调制变换器图340 双闭环控制的脉宽调速系统原理框图UPW脉宽调制器 GM调制波发生器 DLD逻辑延时环节GD基极驱动器 PWM脉宽调制变换器 FA瞬时动

51、作的限流保护3.5.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路双闭环直流脉宽调速系统的原理框图如图340所示。 1脉宽调制器 脉宽调制器是一个电压脉冲变换装置。为PWM装置提供所需的脉冲信号，其脉冲宽度与控制电压Uc成正比。 （1）模拟脉宽调制器 模拟脉宽调制器的基本原理是将直流信号和一个调制信号比较，调制信号有三角波、锯齿波。 三角波脉冲宽度调制器电路如图441所示。3.5.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路图441 三角波脉冲宽度调制器电路3.5.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路工作原理： （a）当Uc0时，经运算放大器A3后，输出脉冲电压UPWM的正、

52、负半波相等，如图342a所示。 （b）当Uc0时，Uc的作用和使三角波信号Usa上移，经运算放大器A3后，输出脉冲电压UPWM的正半波增宽，如图342b所示。 （c）当Uc0时，情况与Uc0时相反，输出UPWM的正半波变窄，如图342c所示。 通过改变控制电压Uc的极性，改变双极式PWM变换器输出平均电压的极性，以控制电动机的转向；改变Uc的大小，来调节输出脉冲电压的宽度，以控制电动机的转速。 UPWM信号的波形如图342所示。3.5.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路图342 三角波脉宽调制波形图a） Uc0 b） Uc0 c） Uc03.5.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速

53、系统的控制电路图343 TL494单片PWM集成电路的功能结构图和管脚分配 1.反相输入 2.同相输入 3.反馈控制 4.死区时间控制 5.CT 6.RT 7.地 8.C1 9.E110.E2 11.C2 12.Ucc 13.输出控制 14.5V基准电压输出 15.反相输入 16.同相输入3.5.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路 （2）集成PWM控制器 TL494应用在直流电动机速度控制系统、作为电流调节器和电流限制器中的原理图如图344所示。 图344所示 TL494在直流脉宽调速系统中的应用a）应用于直流电动机速度控制系统 b）作为电流调节器应用3.5.2 脉宽调速系统的控

54、制电路脉宽调速系统的控制电路 2逻辑延时环节（ DLD） 由于电力电子器件的关断过程存在关断时间toff，可能出现上下两管直通使电源正负极短路。为了避免发生这种情况，应设置逻辑延时环节DLD。 在逻辑延时环节中引入保护信号（例如瞬时动作的限流保护信号，见图3-40中的FA），一旦桥臂电流超过允许最大电流值时，使VTl、VT4 （或VT2、VT3）两管同时封锁，以保护绝缘栅双极型晶体管。3.5.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路图345考虑开通延时的栅极脉冲电压信号3.5.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路 3功率输出级的栅极驱动电路 IGBT是电压驱动的功率模块，驱

55、动IGBT导通，不但栅极要有足够的电荷量，而且必须有足够的电压幅值。此外，还必须考虑到控制信号与主回路强电之间的电位隔离。 IGBT的栅极驱动电路的原理图如图346所示。3.5.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路 图347 栅极驱动电路的原理图3.5.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路 直流脉宽调速系统在稳态运行时，施加在电动机电枢两端的电压为脉冲电压，尽管电枢回路有高频电感的平波作用，但转矩和转速仍有脉动。所谓稳态，是指电动机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，电枢电流实际上是周期性变化的，只能算作“准稳态”。 脉宽调速系统在“准稳态”的机械特性是其平均转速与平

56、均转矩（电流）的关系。3.5.3 脉宽调速系统的开环机械特性脉宽调速系统的开环机械特性 一个周期内电枢两端的平均电压都是Ud Us，平均电流用Id表示，平均电磁转矩 TeavCMId。 电压平均值方程为 UsRIdE RIdCen 则机械特性方程式为 或用转矩表示 直流PWM调速系统机械特性如图347。opdeesnnICRCUn0opeavMeesnnTCCRCUn03.5.3 脉宽调速系统的开环机械特性脉宽调速系统的开环机械特性图347 脉宽调速系统的机械特性械特性(电流连续)3.5.3 脉宽调速系统的开环机械特性脉宽调速系统的开环机械特性3.5.3 脉宽调速系统的开环机械特性脉宽调速系统

57、的开环机械特性 电流连续时机械特性特征： 1. 图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能。 2. 图中仅绘出了第一、二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路，双极式控制可逆电路的机械特性与此相仿，只是更扩展到第三、四象限了。 电流断续时机械特性特征： 对于受限单极式可逆电路，在轻载时将出现电流断续情况，当占空比一定时，负载越轻，即平均电流越小，则电流中断（此时UABE）的时间越长。理想空载时，Id0，只有转速升高，使EUs。 因此不论为何值，理想空载转速都会上翘到n0Us /Ce，如图348所示。从图中还可看出，轻载时，电流断续，机械特性是一段非线性的曲线；当负载大到一定程

58、度时，电流开始连续。3.5.3 脉宽调速系统的开环机械特性脉宽调速系统的开环机械特性图348 受限单极式PWM调速系统的机械特性(电流断续)3.5.3 脉宽调速系统的开环机械特性脉宽调速系统的开环机械特性 1泵升电压限制电路 当脉宽调速系统的电动机减速或停车时，贮存在电机和负载转动部分的动能将变成电能，并通过PWM变换器回馈给直流电源。一般直流电源由不可控的整流器供电，不可能回馈电能，使得滤波电容器充电而使电源电压升高，称作“泵升电压”。 泵升电压的限制电路如图349。3.5.4 系统设计中的典型问题系统设计中的典型问题图349 典型的泵升电压限制电路3.5.4 系统特殊问题系统特殊问题 2.

59、电流脉动量 由PWM供电的电动机电枢电流是脉动的。电枢电流的脉动分量不产生有效转矩，只增加它的功率损耗，降低电机的利用率，并影响电机稳态运行的平稳性。在工程设计中，需要计算电流脉动量。 以PWM可逆电路电流在正方向连续变化时的情况进行分析，电枢电流变化波形如图350所示。 3.5.4 系统特殊问题系统特殊问题图350 脉宽调速系统电枢电流变化波形3.5.4 系统特殊问题系统特殊问题 最大电流脉动量: 对于单极式可逆电路0.5时，得为 对于双极式可逆电路0时，得最大电流脉动量为 以上两式可见，电枢电流的最大脉动量与电源电压Us成正比，与电枢电感L和开关频率f成反比。比较两式可见，双极式最大电流脉

60、动量比单极式的大一倍。fLULTUissd44max（318） fLULTUissd22max（319） 3.5.4 系统特殊问题系统特殊问题 3 PWM开关频率的选择 开关频率的合理选择，开关频率的合理选择，对于系统性能和电气指标要求的影响是相当重要的。合适的开关频率可使系统低速平稳性得到改善，效率得到提高，且其性能与VM系统时并无差别。 但是，开关频率的确定，有很多相互矛盾的因素要折衷考虑，工程应用中视具体情况选择开关频率。 3.5.4 系统特殊问题系统特殊问题 4脉宽调制器和PWM变换器的传递函数 脉宽调速系统的控制规律和动态数学模型与VM基本相同，可近似看成一惯性环节，其传递函数可以写