电力拖动自动控制系统第三章

电力拖动自动控制系统第三章第1页，课件共140页，创作于2023年2月第三章可逆调速系统本章提要

♦问题的提出♦晶闸管-电动机(V-M)系统的可逆线路♦晶闸管-电动机(V-M)系统的回馈制动♦两组晶闸管可逆线路中的环流♦有环流可逆调速系统♦无环流可逆调速系统♦位置随动系统简介第2页，课件共140页，创作于2023年2月第三章可逆调速系统问题的提出

在前两章所讨论的调速系统中，电动机都只朝着一个方向旋转。然而生产实际中，有许多生产机械都要求电动机既能正、反转，又能快速制动。例如龙门刨工作台的往返运动、矿井卷扬机和电梯的提升和下降等。这类生产机械的拖动，需要四象限运行的特性，则必须采用可逆调速系统。第3页，课件共140页，创作于2023年2月第三章可逆调速系统问题的提出（续）◎能够改变电动机转矩方向的系统叫做可逆调速系统。本章在晶闸管供电的双闭环调速系统的基础上解决以下问题：如何实现电动机的正反转。如何实现电动机的制动。可逆调速系统的特殊问题。针对这些特殊问题如何控制。第4页，课件共140页，创作于2023年2月第三章可逆调速系统§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路本节提要

□电枢反接可逆线路

□励磁反接可逆线路

□反并联连接与交叉连接□电枢可逆与磁场可逆两种方案的比较第5页，课件共140页，创作于2023年2月§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路要控制电机的转向就应控制电机转矩。由T＝CmΦId知，改变电机转矩有两种方法：

•改变电枢电流Id的方向Id→电枢可逆系统→改变Ud的方向实现

•改变电机励磁磁通Φ的方向Φ→磁场可逆系统→改变If的方向实现G-M系统电机正反转很容易实现（改变U

f的极性）。V-M系统要实现电机正反转就是一个比较复杂的专门问题（VT的单向导电性）。第6页，课件共140页，创作于2023年2月§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路一、电枢反接可逆线路1.接触器开关切换的可逆线路Ud+Id–IdM•KMF吸合时，M端电压A(+)、B(-)，电动机正转；•KMR吸合时，M端电压A(-)、B(+)，电动机反转。由一套晶闸管给M的电枢供电，实现调速AB第7页，课件共140页，创作于2023年2月§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路♦优点：仅需一组晶闸管装置，简单、经济。♦缺点：①有触点切换，开关寿命短、噪音大；

②动作时间长（0.2～0.5s）；

③不能经常起制动。需自由停车后才能反向，时间长。否则，如果马上闭合反向接触器，则M反接制动，Id很大，一般不允许。♦应用：经常单方向运行，偶尔才需要反转的生产机械（地铁列车的倒车）。第8页，课件共140页，创作于2023年2月§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路2.无触点的晶闸管开关切换的可逆线路MM~V+-UdVT1VT4VT2VT3•VT1、VT4导通，电动机正转；•VT2、VT3导通，电动机反转。◎工作可靠性高，但经济上无明显优点（10只VT），多用于几十千瓦以下的中小功率可逆线路。VT1~VT4容量大第9页，课件共140页，创作于2023年2月§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路3.两组晶闸管装置反并联可逆线路在要求频繁快速正反转的生产机械上，特别是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。第10页，课件共140页，创作于2023年2月§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路：a)电路结构MVRVFId-Id+--+--Idb)运行范围-n-IdnO正向反向第11页，课件共140页，创作于2023年2月§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路•电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；•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。♦优点：VT寿命长，切换速度快♦缺点：不允许两组VT同时处于整流状态，否则将造成电源短路（控制电路要求严格）♦适用场合：要求频繁、快速正反转的生产机械的拖动上得到广泛应用。第12页，课件共140页，创作于2023年2月§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路二、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。与电枢可逆线路一样，磁场可逆线路也有三种方式改变励磁电流的方向，使磁通方向改变。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。第13页，课件共140页，创作于2023年2月§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路

晶闸管反并联励磁反接可逆线路MVId+-VRVFIf-If+--+--由一套晶闸管给M的电枢供电，实现调速由另外的两组晶闸管装置给励磁绕组供电，从而改变励磁方向第14页，课件共140页，创作于2023年2月§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路♦励磁反接的特点•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1~5%，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。•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。第15页，课件共140页，创作于2023年2月§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路三、反并联连接与交叉连接（两组VT整流装置反极性并联可逆线路的两种接线方式）MVFVRabcABC--~两组晶闸管装置的反并联连接两组整流装置共用同一个电源第16页，课件共140页，创作于2023年2月§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路

MVFVRabcABCa'b'c'--~~两组晶闸管装置的交叉连接两组整流装置的供电电源是彼此独立的两个电源第17页，课件共140页，创作于2023年2月§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路♦说明•如果把交叉连接的反组VR向左翻转180º，M向右下旋转90º，则在电路结构上和反并联连接没有区别。•反并联连接的两组整流装置共用同一个电源；交叉连接的两组整流装置的供电电源是彼此独立的两个电源。•反并联连接的可逆线路中，需4个限制环流的电抗器（有两条环流回路），交叉连接的可逆线路，只需2个限制环流的电抗器（有一条环流回路）第18页，课件共140页，创作于2023年2月§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路

四、电枢可逆与磁场可逆两种方案的比较♦电枢可逆

•优点：电枢回路电感量小，时间常数小（约几十ms），正反向切换快速性好。

•缺点：需要两套容量较大的VT整流装置，投资大。特别是容量大的可逆系统更为突出。适用于频繁起制动、要求过渡过程时间短、中小容量生产机械上。第19页，课件共140页，创作于2023年2月§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路♦磁场可逆•优点：供电装置功率小，容量较电枢可逆方案小的多，投资费用低、经济。•缺点：励磁回路电感量大，时间常数大，系统反向过程缓慢；控制线路复杂，必须保证在换向过程中当励磁磁通接近于零时，电枢供点电压为零（防止“飞车”）。适用于不要求快速正反转的大容量可逆系统中（矿井提升机、电力机车）第20页，课件共140页，创作于2023年2月第三章可逆调速系统§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动本节提要

□晶闸管装置的整流和逆变状态

□单组晶闸管装置的有源逆

□两组晶闸管装置反并联的整流和逆变□

V-M系统的四象限运行第21页，课件共140页，创作于2023年2月§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动一、晶闸管装置的整流和逆变状态

有些生产机械并不需要正、反转，只需要快速制动。其最简单的方法当然是采用能耗制动，但回馈制动更经济。

在两组晶闸管反并联线路的V-M系统中，晶闸管装置可以工作在整流或有源逆变状态。当晶闸管装置进入逆变状态时，把直流电能逆变成交流电能。回馈到电网中去。这种逆变状态显然提供了回馈制动的可能性。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

第22页，课件共140页，创作于2023年2月§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动♦逆变电压公式当控制角为α

<90°，晶闸管装置处于整流状态；当控制角为α

>90°，晶闸管装置处于逆变状态。因此在整流状态中，Ud0为正值；在逆变状态中，Ud0

为负值。

为了方便起见，定义逆变角β=180º–α

，则逆变电压公式可改写为

Ud0=－Ud0

max

cosβ

第23页，课件共140页，创作于2023年2月§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动♦晶闸管装置的两种工作状态

•整流：交流电能→直流电能，Ud0为正值，，电路的共阴极点为正极性，共阳极点为负极性，电流从负极性点流入，正极性流出。-+Ud0LM+-EVT--I第24页，课件共140页，创作于2023年2月§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动

•逆变：直流电能→交流电能，，Ud0为负值，,电路的共阴极点为负极性，共阳极点为正极性，电流从正极性点流入，负极性流出。电流由外加的电动机电动势E（发电机）提供并维持。-+Ud0LM+-EVT--I第25页，课件共140页，创作于2023年2月§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动二、单组晶闸管装置的有源逆变G-M系统在回馈制动时（降速时），只需控制发动机电压EG使之低于电动机的反电势Em，电流自然就反向，从而把拖动系统的动能通过发nGGM+-+-EGEm动机及原动机送回电网。VT装置的电流不能反向，逆变时是让电压方向反向，电流方向不变，从电功率的传递方向看，与电流反向而电压极性不变的情况一样都是使电网吸收能量。问题是必须同时使E的极性也反过来，才能提供能量。这种情况只有下放位势性负载时才会出现。原动机第26页，课件共140页，创作于2023年2月§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动单组晶闸管装置供电的V-M系统在拖动起重机类型的负载（位势性负载）时也可能出现整流和有源逆变状态。

提升机构①提升正转（提升重物）：M：电动状态VT：整流状态

-+Ud0M+-nEVT--PIdLα<90°，Ud0>E，

n

>0由电网向电动机提供能量。即VT输出整流电流，使M产生转矩，将重物提升。第27页，课件共140页，创作于2023年2月§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动②下放重物（释放重物）：+-+--Ud0MnEVT--PIdLM：n<0（在重物作用下转向变反）

Φ

方向不变Id方向不变（整流桥电流不会变）VT：逆变状态α>90°E<0第28页，课件共140页，创作于2023年2月§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动即，-Udo=-E+Id

E-Udo=IdR

电流方向不变

该电流方向与提升重物时一样，这个方向的转矩能阻止重物下降得太快而避免事故。M—处于发电状态（由重物拖动，将重物的位能转化成电能通过V装置输送到交流电网）VT—工作在逆变状态因此，这一阶段是由电动机向电网回馈能量。第29页，课件共140页，创作于2023年2月§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动用一组晶闸管，既要实现整流，又要实现逆变，只有上述负载（位势性负载）才能实现。

V-M系统实现逆变的必要条件:（1）控制角

α

>90°，使VT整流装置输出负的逆变电压-Ud；（2）外电路必须有一个直流电势源E，其极性与晶闸管导通方向一致，但数值比稍大，提供逆变能量，维持回馈电流。第30页，课件共140页，创作于2023年2月§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动

③机械特性•整流状态电动机工作于第一象限•逆变状态电动机工作于第四象限n-nIdTe提升放下TLO单组V-M系统带起重机类型负载时的整流和逆变状态第31页，课件共140页，创作于2023年2月§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动三、两组晶闸管装置反并联的整流和逆变两组晶闸管装置反并联可逆线路的整流和逆变状态原理与此相同，只是出现逆变状态的具体条件不一样。现以正组晶闸管装置整流和反组晶闸管装置逆变为例，说明两组晶闸管装置反并联可逆线路的工作原理。第32页，课件共140页，创作于2023年2月§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动1.正组晶闸管装置VF整流•VF处于整流状态此时，αf<90°，Ud0f>E，

n>0

电机从电路输入能量作电动运行。R-+Ud0fM+-nEVF--a)正组整流电动运行

PId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第33页，课件共140页，创作于2023年2月§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动2.反组晶闸管装置VR逆变当电动机需要回馈制动时，由于电机反电动势的极性未变，要回馈电能必须产生反向电流，而反向电流是不可能通过VF流通的。这时，可以利用控制电路切换到反组晶闸管装置VR，并使它工作在逆变状态。•VR逆变处于状态：此时，αr>90°，E>|Ud0r|，n<0

电机输出电能实现回馈制动。+-+--Ud0rRMnEVR--PId两组晶闸管反并联可逆V-M系统的反组逆变状态第34页，课件共140页，创作于2023年2月§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动3.机械特性范围

•整流状态

V-M系统工作在第一象限。

•逆变状态

V-M系统工作在第二象限。机械特性运行范围

Id-Idn反组逆变回馈制动正组整流电动运动O第35页，课件共140页，创作于2023年2月§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动四、V-M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。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3-1中第36页，课件共140页，创作于2023年2月§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动表3-1V-M系统反并联可逆线路的工作状态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++－－电机运行状态电动回馈发电电动回馈发电晶闸管工作的组别和状态正组整流反组逆变反组整流正组逆变机械特性所在象限一二三四第37页，课件共140页，创作于2023年2月§3-1晶闸管-电动机系统的回馈制动◎反并联的晶闸管装置的其他应用即使是不可逆的调速系统，只要是需要快速的回馈制动，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（停车快）。

这时，两组晶闸管装置的容量大小可以不同，反组只在短时间内给电动机提供制动电流，并不提供稳态运行的电流，实际采用的容量可以小一些。第38页，课件共140页，创作于2023年2月第三章可逆调速系统§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题本节提要

□环流及其种类

□直流平均环流与配合控制□瞬时脉动环流及其抑制第39页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题两组晶闸管的可逆线路既能保证正反运行，又能实现正方向的回馈制动，但也带来新问题—环流。一、环流及其种类1.环流的定义：采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，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，称作环流，如下图中所示。第40页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题♦环流的形成

反并联可逆V-M系统中的环流

MVRVFUd0f+--+Ud0rRrecRrecRa--~~IdIcIc

—

环流Id

—负载电流

第41页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题♦环流的的两重性①危害：一般地说，环流是不利的：徒然加重晶闸管和变压器的负担，增加无功功率损耗；环流过大时会损坏晶闸管；增设环流电抗器,投资费用增大，因此应该予以抑制或消除。②利用：利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使VT工作在连续区，避免电流断续引起的非线性现象对系统动静态性能的影响；VT中存在少量的环流，使VT总处于微导通状态，使换流较为容易，加快过渡过程。第42页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题2.环流的分类（1）静态环流系统在某一控制角下稳定工作时出现的环流，又可分为两类：

•直流平均环流——环流电压有正向直流分量的环流。也称为直流环流。

•瞬时脉动环流——环流电压没有正向直流分量的环流。也称为脉动环流、交流环流。（2）动态环流VT触发相位改变，系统由一种状态过渡到另一种状态时产生的环流。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。第43页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题二、直流平均环流与配合控制1.直流平均环流在两组晶闸管反并联的可逆V-M系统中，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。MVRVFUd0f+--+Ud0rRrecRrecRa--~~①当VF和VR都处于整流状态时，产生直流平均环流。②VF整流、VR逆变：有直流平均环流；没有直流平均环流(VT的单向导电性)。第44页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题2.抑制办法：让正组晶闸管VF处于整流状态，其整流电压Ud0f=+让反组晶闸管VR处于逆变状态，其整流电压Ud0r=-于是Ud0r=-Ud0f由式有Ud0f=Ud0maxcosαf

Ud0f=Ud0

max

cosαr其中

αf和αr分别为VF和VR的控制角。第45页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压Ud0max

是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有

cosα

r=–cosα

f或

α

r+α

f=180º如果反组的控制用逆变角β

r表示，则

α

f=β

r

由此可见，按照上式来控制就可以消除直流平均环流，这称作α

=β

配合控制。为了更可靠地消除直流平均环流，可采用

αf≥β

r

第46页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题3.配合控制实现方法两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90°，即•当控制电压Uct=0时，使

αf=αr=90°，此时

Ud0f=Ud0r=0，电机处于停止状态。•增大控制电压Uct移相时，即Uct↑→αf

↓，αr↑

→Uct=-Uct，正组整流，反组逆变。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。这样的触发控制电路示于下图。¯第47页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题4.

α=β

配合控制电路MVRVFRrecRrec-1ARGTRGTFUctRaMGTF--正组触发装置GTR--反组触发装置AR--反号器Uct¯第48页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题5.α=β

配合控制特性

α=β

配合控制系统的移相控制特性示于下图。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。

配合控制移相特性

-

UctmUct90o

rmin180o0oUctm90o0o180o

fmin

fmin

rmin

r

fCTRCTFUct1第49页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题6.α=β

控制的工作状态

•待逆变状态—这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“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。

•逆变状态—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。第50页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题•待整流状态——同样，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”。

所以，在α=β

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。第51页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题7.最小逆变角限制为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象，β

不能太小，必须在控制电路中采用限幅作用，形成最小逆变角β

min保护。为实现α=β

工作制控制，对α角也实施α

min

保护，以免出现Ud0f>Ud0r

而产生直流平均环流。通常取α

min=β

min=30°

最小逆变角β

min保护：防止逆变失败。

βmin设定→αmin=βmin→限制Uctmax→ACR输出正负限幅第52页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题三、瞬时脉动环流及其抑制1.瞬时的脉动环流产生的原因在α

=β

工作配合控制的条件下，|Ud0r|=|U

d0f|，消除了直流平均环流，但这只是就电压的平均值而言。

由于晶闸管装置的输出电压是脉动的，正反组电压的瞬时值并不相等的，当ud0f>ud0r，△ud0=ud0f-ud0r存在，将产生瞬时的脉动环流。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。第53页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题2.瞬时脉动环流产生情况举例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α

f=

βr=60°为例，分析三相零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。

βr=60°→αr=120°第54页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题♦三相零式反并联可逆线路

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

~--Ud0fLc1RrecRrecUd0rVFVRIdIcp负载电流瞬时脉动环流第55页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题♦三相零式反并联的电压波形d)瞬时电压差和瞬时脉动环流波形△ud0=ud0f-ud0r

b)整流电压波形

c)逆变电压波形abcaud0r0wtp2pUd0rwtIcpicp

ud0af

ud0fwtabca0p2pUd0f0ar

ud0icp单向、脉动、不是交流第56页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题♦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电压差，

△ud0=ud0f–ud0r由于这个瞬时电压差的存在，便在两组晶闸管之间产生了瞬时脉动环流icp。♦瞬时脉动环流的直流分量由于晶闸管的内阻很小，环流回路的阻抗主要是电感，所以icp不能突变，并且落后于△ud0

；又由于晶闸管的单向导电性，只能在一个方向脉动，所以瞬时脉动环流也有直流分量Icp

，但与平均电压差所产生的直流平均环流在性质上是根本不同的。第57页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题3.瞬时脉动环流的抑制瞬时脉动环流不经过负载，徒然增加晶闸管的负担，因此必须设法限制它。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。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，如图a)中的Lc1和Lc2。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5%~10%来设计。第58页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题♦均衡电抗器的设置三相零式反并联可逆线路必须在正、反两个回路中各设一个均衡（环流）电抗器，因为其中总有一个电抗器会因流过直流负载电流而饱和，失去限流作用。

•例如：在下图中当正组VF整流时，流过负载电流，使Lc1铁心饱和，只能依靠在逆变回路中的Lc2限制环流。同理，当反组VR整流时，只能依靠Lc1限制环流。第59页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题

◎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。12MVFVRabcABC--~第60页，课件共140页，创作于2023年2月§3-3两组晶闸管可逆线路中的环流问题

◎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。MVFVRabcABCa'b'c'--~~第61页，课件共140页，创作于2023年2月第三章可逆调速系统§3-4有环流调速系统及其控制方法本节提要

□

α=β配合控制的有环流可逆调速系统

□制动过程分析

第62页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法一、α=β

配合控制的有环流可逆调速系统

α=β

配合控制可以清除直流平均环流，但一定有瞬时脉动环流存在，所以是有环流可逆调速系统，并是自然环流，其系统原理框图如下：第63页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法1.系统组成MVRVF-1ARGTRGTFUctASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUct----第64页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法①主电路

a)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。b)4个环流电抗器Lc1~Lc4。

Ld为平波电抗器。c)变压器(TM)付端绕组一套，给正反组VT供电。第65页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法②控制电路直流电流互感器或霍尔变换器(TA),其输出作为电流负反馈。（不用交流互感器是由于其不能反映极性）控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，其中：

ASR设置了双向输出限幅电路，以限制最大起制动电流；

ACR设置双向输出限幅电路，以限制最小控制角αmin

与最小逆变角

β

min。ASR、ACR设计方法与第二章一样。第66页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法c)GTR前加反向器(AR)满足α=β

要求。

当Uct=+，VT—整流；VR—逆变。当Uct=-，VR—整流；VT—逆变。d)给定接两个电位器，分别控制正反向，由KF、KR接触器触点切换。♦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•给定电压：正转时，KF↓(闭合)，U*n=“+”；反转时，KR↓(闭合)，U*n=“-”。第67页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法•转速反馈：正转时，Un=“-”，反转时，Un=“+”。•电流反馈电压：正转时，Ui=“+”；反转时，Ui=“-”。

rmin180o

0o-

UctmUctmUct90o90o0o180o

fmin

fmin

rmin

r

fCTRCTFUct13.控制方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。第68页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法♦停车时：Uct=0，α

r=β

f=90°，

U

d0f=Ud0r=0。♦正转时：•Uct>0，

α

f<90°，VF整流：Ud0f=“+”；

•

Uct

<0，β

r<90°，VR逆变：Ud0r=“-”。♦反转时：

•

Uct

>0，

α

r<90°，VR整流：U

d0r=“+”；•Uct<0，β

f<90°，VF逆变：U

d0f=“-”。¯¯第69页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法4.正反向运行的周期性n=0→正向起动→正向稳定运行→正向制动→n=0→反向起动→反向稳定运行→反向制动正反向运行过程中，VR、VF的工作状态相反；GTR、GTF的工作状态相反；各种给定和反馈信号只是在符号上相反。只需说明正向运行过程中的正向制动过程即可。第70页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法5.简单工作原理+++----++Id有环流系统正向运行过程MVRVF-1ARGTRGTFUctASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUct----Pn第71页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法①正向运行过程KF↓(闭合)，U*n1=“+”→

U*i=“-”→Uct=“+”

AR

Uct

=“-”

VR待逆变————————

VF整流

M：n1正向运行②减速：U*n↓(U*n2<U*n1)→U

ct↓¯|Ud0f|↓

|U

d0r|↓<EVF待整流VR逆变，Id反向(流过反组)→n↓，E↓<

|U

d0f|→VF整流|U

d0r|→VR待逆变M：制动M:电动n2<n1第72页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法6.α=β工作制的优缺点•优点：①正组整流时，反组待逆变②反组逆变时，正组待整流③有利于减少电流不连续对系统的影响•缺点：对元件要求高因一旦出现α

＜

β（略小于）则产生较大平均直流环流，且电抗器无能为力。（电抗器对直流不起作用，VT内阻很小）容易平滑向两个方向过渡第73页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法•解决：采用α>β工作制能保证逆变电压总大于整流电压，保证没有直流平均环流。设为最小逆变角，则

零位整定：

Uct=0时

，

缺点：移相范围缩小，VT容量没有得到充分利用；起动时造成了控制死区。第74页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法二、制动过程分析可逆调速系统的起动过程与不可逆系统没有什么区别，只是制动过程有它的特点，而反转过程就是正向制动过程和反向起动过程衔接起来的，因此只着重讨论一下制动过程。整个正向制动过程由于电流方向的不同分成两个阶段。第一个阶段电流Id由+I

dl→0，其方向未变，只能通过正组晶闸管桥流通，处于逆变状态。→叫本桥逆变阶段。第75页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法第二个阶段Id变负，Id

由0→–Idm

→(再到)0，电流流过反向桥，在允许–I

dm(最大制动电流)下转速迅速降低。→反桥制动阶段。如果按两个阶段中物理量变化的的特点来分，则本桥逆变阶段就是电流降落阶段，而反桥制动阶段则为转速降落阶段。现以正向制动为例，说明有环流可逆调速系统的制动过程。第76页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法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I本桥逆变(电流降落)阶段II反桥制动(转速降落)阶段t1第77页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法（一）本桥逆变(电流降落)阶段(I)1.正常运行时(0—t1)：

U*n=+，Un=-，U*i=-，Ui=+，

Uct=+，/Uct=-。

则

α

f<90°VF正组整流，Udof=+；

αr>90°VR反组待逆变，U

dor=+VF正组Udof提供能量供R消耗、使

M工作在电动状态、使L

吸收能量第78页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法◎有环流系统正向运行状态+++----++IdMVRVF-1ARGTRGTFUctASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUct----Pn第79页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法◎配合控制有环流可逆直流调速系统正向运行时波形tttOOOId

n

Uct

III1II2II3IdL

E

t1第80页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法2.发出停车指令后(KF↑):

U*n=0，∵Un=-，∴∆Un=Un=-，ASR输出

U*i=+U*im，∵Ui=+，在+U*im+Ui作用下，

ACR输出→-UctmVF：β

f=β

min

逆变

VR：α

r=α

min待整流此时，Udof=-，n、E基本不变，𝑈dof=𝑖𝑑R+E+Ld𝑖𝑑/dt∴Id迅速↓，是靠L释放能量反对Id减少，且维持Id为正。变负Ld𝑖𝑑/dt很大。大部分能量通过VF回馈电网，所以称作“本组逆变阶段”。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。第81页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法◎本组逆变过程系统状态MVRVF-1ARGTRGTFUctASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUct+++----++Id0+--++----第82页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法◎本组逆变过程波形tttOOOId

n

Uc

III1II2II3IdL

-Ucm

E

•第83页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法（二）反桥制动(转速降落)阶段(Ⅱ)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VR工作，开始通过反组制动。从这时起，直到制动过程结束，统称“反桥制动阶段”，这一阶段较复杂，可分成三个子阶段：

•反桥建流子阶段；

•反桥逆变子阶段；

•反桥减流子阶段。第84页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法反桥建流子阶段(Ⅱ1)①U*i=+U*im，id=0，ACR输出:-Uctm②-Uctm:VF—逆变|U

dof|

VR—整流|U

dor|，E与|Udor|方向一致E+U

dor=𝑖𝑑+Ld𝑖𝑑/dt能量被R消耗，L吸收。-Id↑(迅速反向增加)→-I

dmM：反接制动，n开始↓第85页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法◎反桥建流制动子阶段系统状态+-MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA

LdUc+++----+0+--++Id----第86页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法◎反桥建流制动子阶段波形tttOOOId

n

Uct

III1II2II3-Idm

IdL

-Ucm

E

♦第87页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法2.反桥逆变子阶段(Ⅱ2)-Id↑→–I

dm

并略有超调时，U*i=U*im<β

I

d∆U

i=-，ACR退出饱和，Uct由负变正(急剧)，

Uct=+：VF—待整流状态VR—逆变状态此后，在ACR的调节作用下，力图维持接近最大的反向电流–I

dm

，因而第88页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法

E=U

dor+IdR+Ld𝑖𝑑/dtM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VR逆变回馈电网，R消耗一部分。M：发电制动状态。n↓，E↓要求U

dor↓（以维持Id不变），则U

ct↓（线性）ACR给定不变，维持恒值∆Ui=U*im-βId>0

这个阶段所占的时间最长，是制动过程中的主要阶段。第89页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法◎反桥逆变制动子阶段系统状态+-MVRVF-1ARGTRGTFUctASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA

LdUct+++----+0+--++

Id+-+-----第90页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法◎反桥逆变制动子阶段波形tttOOOId

n

Uc

III1II2II3-Idm

IdL

-Ucm

E

第91页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法3.反桥减流子阶段(Ⅱ3)由E=Udor+IdR+Ld𝑖𝑑/dt

可知，当U

dor↓→0，E继续↓，这时Id从–Idm↓最后，n=0，E=0在电流衰减过程中，电感L上的感应电压LdId/dt

支持着反向电流，并释放出存储的磁能，如果电机很快停止，整个制动过程便结束了。如果考虑到其它因素，如L存储的磁能较大，电机的转速在最后一小段时间里有一些不同情况。第92页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法◎制动过程系统响应曲线tttOOOId

n

Uc

III1II2-Idm

IdL

-Ucm

E

II3本桥逆变反桥建流反桥逆变反桥减流第93页，课件共140页，创作于2023年2月§3-4有环流调速系统及其控制方法◎各阶段的动力源本本逆变：电感L释放能量感应出很大的电压。反桥制动反桥建流：反组整流电压和电机电动势给回路提供了大的电压。反桥逆变：ASR的输出U

im*(ACR的输入)迫使电路电流维持较大值不变反桥减流：L中储存的能量和电机的动能在电流的急剧下减过程中释放出来。第94页，课件共140页，创作于2023年2月第三章可逆调速系统§3-5无环流可逆调速系统及其控制方法本节提要

□概述

□逻辑控制的无环流可逆系统第95页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法一、概述1.有环流可逆系统优缺点♦优点：反向快、无死区、过渡平滑。♦缺点：

①设置多个环流电抗器以抑制环流；

②对控制系统要求精度高，抗干扰能力强，稍有不慎，易造成环流过大，导致电源短路；

③容量(变压器、晶闸管)增加。

第96页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法为此，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，常采用无环流控制可逆系统。无环流控制可逆系统：既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流。2.无环流可逆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：♦逻辑控制无环流系统；♦错位控制无环流系统。第97页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法①逻辑控制无环流系统：在任何时刻只有一组桥在工作。

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，使该组完全处于阻断状态，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。

②错位控制无环流系统：配合控制的原理。一组晶闸管处于整流工作状态，另一组处于待逆变。但是两组触发脉冲的相位错开较远。有环流：αf+αr=180°。是αr+

αf=300°或360°。因而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，不可能导通，当然也就不会产生环流了。第98页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法

二、逻辑控制的无环流可逆系统逻辑控制的无环流可逆系统是应用最广泛的可逆系统。

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。（一）系统组成和工作原理

1.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：第99页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法◎逻辑控制无环流可逆系统结构

ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUctfUblrUblfUctrU*i+UiLdAR----+第100页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法◎系统结构的特点•主电路①采用VF、VR反并联线路；②由于没有环流，不用设置环流电抗器；③仍保留平波电抗器Ld，以保证稳定运行时电流波形连续；•控制系统①采用转速、电流双闭环方案；②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；第101页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法③

1ACR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。④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。第102页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法2.工作原理

ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUctfUblfUblrUctrU*i+UiU*iUi0LdAR♦正向运行：+-++--+-++----第103页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法♦反向运行

ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUctfUblfUblrUctrU*i+UiU*iUi0LdAR----++++++----第104页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法♦触发脉冲的零位整定：

Uctf

=Uctr=0时，αf=αr=90°总之此系统：

①靠逻辑环节保证只有一组桥的晶闸管被触发，而另一组触发脉动被封锁，从而不能产生环流；②靠逻辑动态切换来实现可逆运行；③电流负反馈可以不反应极性。下面着重分析逻辑切换装置的作用。第105页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法（二）可逆系统对无环流逻辑控制器的要求

◎逻辑装置的任务是：在正组可控硅VF工作时封锁反组脉冲，在反组可控硅VF工作时封锁正组脉冲。二者必居其一，决不允许两组同时开放，从而保证主电路没有产生环流的可能。第106页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法1.DLC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：♦正向运行和反向制动时，电动机转矩方向为正，即电流为正；♦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。①用U*i极性决定工作组别由于ACR的输出信号正好代表了转矩方向，即有：

第107页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法•正向运行和反向制动时，U*i=-正组；

•反向运行和正向制动时，U*i=+反组。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后一段时间。只有在实际电流过零时，才开始反向(以防止造成本桥逆变颠覆)，因此，需要检测零电流信号作为DLC的另一个输入信号。②

Id=0决定动作时刻→Uio检测零电流信号第108页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法♦逻辑控制器DLC两个输入→U*iU*i

ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUctfUblfUblrUctrU*i+UiLdAR----+第109页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法♦逻辑控制器DLC两个输入U*i、Uio

ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR----+第110页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法2.DLC的输出要求•正向运行：VF整流，开放VF，封锁VR；•反向制动：VF逆变，开放VF，封锁VR；•反向运行：VR整流，开放VR，封锁VF；•正向制动：VR逆变，开放VR，封锁VF；因此，DLC的输出有两种状态：♦VF开放—Ublf=1，VF封锁—Ublf=0；♦VR开放—U

blr=1，VR封锁—U

blr=0。第111页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法3.模/数转换对输入信号U*i、Uio进行转换，将模拟量转换为开关量，由电平检测环节完成。4.逻辑判断根据输入信号，做出正确的逻辑判断。5.延时电路为保证两组晶闸管装置可靠切换，需要有两个延时时间：①

t1延时封锁—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开放延时—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。第112页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法逻辑保护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。（三）无环流逻辑控制器DLC的实现方法根据上述对DLC的要求，其电路应具有如下结构：

电平检测逻辑判断延时电路连锁保护Ui0U*iUblfUblr第113页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法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：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。现以数字逻辑电路实现为例介绍无环流逻辑控制器各部分的组成和原理。第114页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法电平检测器无论转矩的极性还是电流的有无都只须用两种状态表示，即开关量，所以需要模数转换。电平检测器就是一个模数转换器，可用带正反馈的运算放大器组成，具有继电特性，原理图如下R0R0R1U

inUex-+UexUinUin1Uin2Uexm1Uexm2环宽调整为0.3V左右，以提高抗干扰能力第115页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法①转矩极性鉴别器

功能：根据U*i信号：U*i<0→“1”，电机提供+TU*i>0→“0”，电机提供-TU

TU*i

“1”(10V)“0”(-0.6V)R2D3输入信号是左右对称的，而输出信号上下并不对称，为的是能够给出“1”和“0”的数字信号，输出10V表示“1”，－0.6V表示“0”。为了得到“0”信号，由R2、D3组成负限幅电路，其输出限幅值约为－0.6V。第116页，课件共140页，创作于2023年2月§3-5无环流调速系统及其控制方法②零电流检测器它的输入信