第四章可逆直流调速系统分解

第四章

可逆直流调速系统在实际生产中，许多生产机械不仅要求调速系统能够完成调速任务，而且还要求系统能够可逆运转，有些生产机械虽不要求可逆运行，但亦要求能进行快速电气制动。从直流电动机的工作原理可知，要使其制动或改变旋转方向，就必须改变电动机产生的电磁转矩的方向。将能够改变直流电动机转矩方向的系统，称为可逆调速系统。本章将介绍两类可逆控制方式：晶闸管-电动机可逆调速系统（

V-M

可逆系统）及直流脉宽可逆调速系统（

PWM 可逆系统）。4.1

晶闸管-电动机可逆调速系统（V-M

可逆系统）4.1.1晶闸管-电动机可逆调速系统的基本结构Te

?

C

m

Φd

Id可根据直流电动机的电磁转矩公式知，改变电磁转矩方向有两种方案：保持磁场方向不变，通过改变电枢电压极性使电流反向实现可逆运行的系统，称为电枢可逆系统；保持电枢电压极性不变，通过改变励磁电流方向实现可逆运行的系统，称为磁场可逆系统。1.可逆运行的实现方法可逆运行的实现方法多种多样，不同的生产机械可根据各自的要求去选择，在图4-1两组晶闸管供电的可逆电路要求频繁快速正反转的生产机械，目前广泛采用的是两组晶闸管整流装置构成的可逆线路，如图4-1所示。一组供给正向电流，称之为VF组，另一组供给反向电流，称之为VR组。当电动机正转时，由正组VF供电；反转时则由反组VR供电。两组晶闸管分别由两套触发脉冲控制，灵活地控制直流电动机正、反转和

调速。但不允许两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路。为此对控制电路提出了

严格的要求。对于由两组变流装置构成的可逆

线路，按接线方式不同又可分为反并联连接和

交叉连接两种线路。由图4-2可见，交叉连接和反并联连接在本质上没有显著的差别，不同的是，反并联连接的两组晶闸管变流装置的供电电源是共同的；交叉连接的两组晶闸管变流装置的供电电源是图4-2三相桥式电枢可逆线路彼此独立的，或是一台变压器的两套副绕组。两个电源可以同相位，或者反相位，也可以相差30?（即一组副绕组丫接，一组副绕组?接）。这样在容量较大的设备上可实现多相整流，以

减小晶闸管变流装置对电网波形畸变的影响。另外，交叉连接中，环流电抗器只需要两个，而反并联连

接中却要四个。但由于反并联连接只需一个电源，

变压器利用率高、接线简单，目前在要求频繁快速

起、制动的中、小容量的生产机械上采用电枢反并

联线路较多。2.电枢可逆系统及磁场可逆系统的比较由晶闸管供电的直流调速系统，直流电动机的励磁功率约为电机额定功率的3%～5%。反接励磁所需的两组晶闸管变流装置的容量，比在电枢可逆系统中所用晶闸管变流装置要小得多，从而可节省设备投资。但由于励磁回路电感大，时间常数较大，系统的快速性很差。而且反转过程中，当磁通减小时，应切断电枢电压，以免产生原来方向的转矩阻碍反向，此外要避免发生飞车现象。这样就增加了控制系统的复杂性。此外对于中、小型系统，以电枢回路中省去

一套晶闸管变流装置的价格，往往不足以补偿在

磁场可逆系统中增设的两套晶闸管及控制回路复

杂化所增加的投资。因此，只有当电动机容量相

当大，而且对快速性要求又不高时，才考虑采用

磁场可逆系统。从考虑快速性和控制回路简单的

角度出发，大多数设备以采用电枢可逆系统为宜，为此本章仅对电枢可逆系统进行分析。4.1.2电枢可逆系统中的环流由两组晶闸管变流装置组成的电枢可逆系统中，除了流经电枢支路的负载电流之外，还有一个只流经两组晶闸管变流装置之间的电流，这个电流称作环流。环流具有两重性:、它增加了晶闸管变流装置的负担，环流太大时甚至会导致晶闸管损坏，应该加以限制；、可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，即使在电动机空载时也可以使晶闸管装置工作在电流

连续区，避免了电流断续引起的非线性对系统静、动

态性能的影响。环流可以分为静态环流及动态环流两大类。当可逆线路在一定的控制角下稳定工作时，所出现的环流称为静态环流，静态环流又可分为直流平均环流和瞬时脉动环流。只在系统处于过渡过程中，由于晶闸管触发相位发生突然改变时出现的环流，叫做动态环流。下面将进一步讨论静态环流问题，在此基础上引出几种典型的可逆调速系统。1.直流平均环流的处理由于两组晶闸管变流装置输出直流平均电压不相等引起的环流称为直流平均环流。如果正组

VF及反组VR同时处于整流状态，就将形成所谓的直流平均环流，这种环流通过VF及VR将电源两相直接短路，会造成设备损坏。为了避免电源短路和确保不产生直流平均环流，有两种办法可循：一种办法是在一组晶闸管工作时，用逻辑装置封锁另一组晶闸管装置的触发脉冲，从根本上切断

环流通路，这称为逻辑无环流系统。另一种办法是

在一组晶闸管装置在整流状态下工作时，让另一组

晶闸管装置的触发脉冲处于逆变位置，亦即工作在

待逆变状态，此时，两组变流装置的整流电压U

d?和逆变电压U

d?在环流回路内极性相反，如果在任何

时刻都能满足下列条件：U

d?

f

?

U

d?r或者U

d?r

?

U

d?f（4-1）则两组变流装置之间，就不会出现直流环流。式（4-1）的关系还可概括为???的关系。这种使整流组与待逆变组之间始终保持???的关系，以消除直流平均环流的控制方法，称为配合控制。当采用???配合控制图4-3可逆系统的移相控制特性较容易，此时系统的移相控制特性如图4-3所示。为了防止晶闸管在逆变状态工作时因逆变角?太小，出现“逆变颠覆”现象，必须对最小逆变角?min加以限制。为了严格保持配合控制，对?min

也要加以??min

。限制，使?min由以上分析可知，图4-3所示系统的移相控制特性，可以保证系统在各种运转过程中，始终维持???的关系，从而避免出现直流平均环流。实践中，还可以通过适当控制使线路中存在少量直流平均环流，因为它能起到改善系统静、动态性能的作用。2.瞬时脉动环流的抑制采用???配合工作制可以消除直流平均环

流，但仍有瞬时脉动环流存在。这是由于晶闸管

整流装置的输出电压是脉动的，整流组输出电压

和逆变组输出电压的瞬时值并不相等，当整流组

输出电压瞬时值大于逆变组输出电压瞬时值时，

便产生正向瞬时电压差，从而产生瞬时脉动环流。该环流对系统一般来说是不利的，应当加以限制。通常采用的抑制方法是在环流回路中串入环流电

抗器。4.1.3有环流可逆调速系统在???工作制配合控制下，可逆线路中没有直流平均环流，但始终存在瞬时脉动环流，这样的系统称为有环流可逆调速系统，它又可分为自然环流系统和可控环流系统。1.自然环流可逆调速系统（1）系统组成原理如图4-4所示，这种系统采用了典型的转速、电流双闭环控制方案，为适应可逆运行的要求，与已介绍的不可逆调速系统所不同的是：图4-4自然环流系统原理图1）具有正、反向转速给定信号。2

）转速调节器ASR和电流调节器ACR的输出端，均应设置双向限幅装置。n

和电流反馈信号U

i3

）转速反馈信号U应反映电机的转向和主回路电流的极性。4

）触发装置GTF和GTR分别向正组和反组晶闸管提供触发脉冲。如果采用锯齿波移相的触发器，其移相控制特性是线性的。C

1以抑制瞬时脉C

45

）引入环流电抗器L

~

L动环流。n电动机正向运行时，转速给定值U

*为正值，经ASR使ACR输出移相控制信号uct为“+”，GTF输出?

90?触发脉冲?

f

，正组VF

处于整流状态，电动机正经反号器AR使反组触发器向运转。与此相对应u，ctGTR的移相控制信号u

ct为“-”，反组输出的触发脉冲?r

?90?，且?f??r

，反组VR处于待逆变状态。由于系统在???配合控制工作制下工作，系统无直流平均环流。而系统中的脉动环流，由环流电抗器LC

1

～

LC

4限制。（2）制动过程分析双闭环可逆调速系统起动过程与双闭环不可

逆调速系统的起动过程相同。当一组变流装置处

于整流状态时，另一组处于待逆变状态，这并不

影响整流组和电动机的工作状态。但可逆系统的

制动过程却与不可逆系统有显著的区别。整个制

动过程可根据电流方向的不同分成两个主要阶段：本桥逆变阶段和他桥制动阶段。1)本桥（VF

）逆变阶段在本桥逆变过程中，电动机反电势E与主回路电流方向相反，电动机仍然处于电动状态。系统各量变化如图4-5中第I段。2)他桥（VR

）制动阶段主回路电流下降到零之后，本桥逆变结束，主回路电流由本桥（正组VF

）转到他桥（反组VR

）。系统由本桥逆变转入他桥制动阶段。在他桥投入工作后，根据系统中各物理量的变化情况，又分为以下几个阶段：(1)他桥（VR

）建流阶段；(2)他桥（VR

）逆变阶段

(3)反接制动阶段图4-5自然环流系统制动过程波形2.可控环流可逆调速系统从变流装置的设备容量、有功或无功损耗和系统的安全等角度来看，无论是直流平均环流，还是瞬时脉动环流，都不是我们所希望的。但是环流还有其有利的一面，它的存在可防止晶闸管变流装置的电流断续，保证过渡特性平滑。为此又提出一种给定环流系统，即在两套晶闸管变流装置之间，保留一个较小的恒定直流环流，使电动机在轻载时电流连续、静特性平滑。但是理想的环流变化规律是轻载时有些环流，保证电流连续；而当负载大到一定数值以后使环流减少到零。亦即环流随负载变化，随着负载增加而逐渐减少到零（负载大时有环流是有害而无利

的）。在这种思想指导下，又出现了可控环流系统。实际上有几种可控环流线路，其中以交叉反馈系统最为实用，如图4-6所示。图4-6交叉反馈可控环流系统图4-6与图4-4所示的然环流系统的主要区别是：（1）主回路采用交叉连接线路。变压器有两个副绕组，其中一组接成丫形，另一组接成?形。（2）在交叉反馈可控环流系统中，除了转速调节器ASR和电枢电流调节器ACR之外，还设有两个环流调节器1ALR和2ALR。由图4-6可知，该系统的电枢电流调节与环流调节是各自独立进行的。各调节环的参数可以根据各自调节对象进行选择，从而获得较为理想的动态品质。图4-6交叉反馈可控环流系统图4-4自然环流系统原理图此时1ALR的给定信号只有?U

cf，并且1ALR的比例系数为+1，故其输出uct1

为正值。触发器GTF输出触发脉冲出现在小于90?位置，正组VF处于整流状态；

2ALR的给定信号只有?U

cr

，由于其比例系数为?1，故输出uct2

亦为正值，触发器GTR输出触发脉冲也出现在小于90?位置，反组VR也处于整流状态。如果系统参数完全对称，环流给定信号的绝对值相等，且

数值较小，那么此时VF和VR均处于微导通的整流状f

r

cI?I?I*

，此时态，并输出相等的直流环流，即的环流值为最大值。当转速给定U

*

?0时，ASR和ACR的输出均为零。n*ni电动机正转时，转速给定U

*为正，ASR输出UiLU*

为正，致使1ALR的输入正向增为负，ACR的输出加，+uct1增加，正组VF触发脉冲由零位往前移，使U

d?f增加；2ALR的输入信号也正向增加，但由于2ALR是反相器，故其输出uct2由正值减小，甚至变成负值。反组VR的触发脉冲由零位后移，甚至进入逆变位置，但反组的逆变电压U

d?r小于正组的整流电压U

d?f

。因此，在两组变流装置之间仍然存在着由正组流向反组的直流环流Ic

。此时正组变流装置If

?

Id

?

Ic输出电流 ，反组变流装置输出电?Ic

，电动机的电枢电流为Id流

Ir

?

If

?

Ir

。4.1.4无环流可逆调速系统在有环流系统中，不仅系统的过渡特性平滑，而且由于两组晶闸管变流装置同时工作，两组变流装置之间切换时不存在控制死区。因而，除系统过渡特性更加平滑之外，还有快速性能好的优点。但是在有环流系统中、需设置笨重而价格昂贵的环流电抗器，而且环流将造成额外的有功和无功损耗，因此除工艺对过渡特性平滑性要求较高及对过渡过程要求快的系统采用有环流系统之外，一般多采用无环流系统。依据实现无环流原理的不同，无环流可逆系统可分为两种：逻辑控制无环流系统和错位控制无环流系统。错位控制无环流系统的基本控制思路借用???配合控制的有环流系统的控制，当一组晶闸管整流时，让另一组晶闸管处于待逆变状态，但是两组触发脉冲的零位错开得比较远，彻底杜绝了脉动环流的产生；而逻辑控制无环流系统的特点是，当一组晶闸管变流装置工作时，用逻辑装置封锁另一组晶闸管变流装置的触发脉冲，使其完全处于阻断状态，从而根本上切断了环流通路。1.逻辑控制无环流调速系统（1）逻辑无环流系统组成及特点图4-7是逻辑控制的无环流可逆调速系统的一种典型结构，其主电路采用两组晶闸管装置反并联线路，由于没有环流，无需再设置环流电抗器，但为了抑制

负载电流的脉动并保证在正常稳定运行时电流波形的

连续，仍需保留平波电抗器。控制系统仍采用典型的

转速、电流双闭环结构，除了增加无环流逻辑控制器

DLC及省去主电路的环流电抗器之外，该系统与配合

控制有环流系统完全相同。图4-7逻辑控制的无环流可逆调速系统原理图（2）无环流系统对逻辑控制器的要求在任何情况下，两组晶闸管装置绝对不允许同时加触发脉冲。一组晶闸管变流装置工作时，另一组的触发脉冲必须严格封锁；i用转速调节器输出的电流给定信号U

*

作为转矩极性鉴别信号，以其极性来决定开放哪一组晶闸管的触发脉冲。但必须等到零电流检测器给出的零电流信号为零以后，方可正式发出逻辑切换指令；发出逻辑切换指令之后，要经过2～3ms的封锁延时，封锁原导通组的触发脉冲，而后再经过5～7ms左右的开放延时，再开放原封锁组的触发脉冲；为保证两组脉冲绝对可靠工作，还应设置保护环节，以防止两组脉冲同时出现而造成电源短路。（3）无环流逻辑控制器的实现根据上述要求，DLC的结构及其输入、输出信号如图4-8所示。图4-8无环流逻辑控制器的构成输入信号是转矩极性鉴别信号U

*和零电流信i号检测信号U

i0

，输出信号是封锁正组晶闸管触发脉冲信号U

blf及封锁反组晶闸管触发脉冲信

号U

blr。从功能上来看，逻辑装置可分为电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护四个部分。逻辑装置本身的具体线路可以各式各样，但其输入、输出信号的性质和逻辑装置本身所具有的功能是相同的。（4）逻辑无环流系统的改进措施与有环流可逆调速系统相比，逻辑控制的无环流电枢可逆调速系统的主要优点是：不需要设置环流电抗器，没有附加的环流损耗和减少了变压器和晶闸管变流装置的设备容量。如果逻辑装置动作可靠，因换流失败而造成的事故比有环流系统要低。该系统的不足之处是由于延时造成了换向死区，影响过渡过程的快速性。逻辑无环流系统的另一个问题是在电流换向后有时会有较大的反向冲击电流。为了限制电流冲击，可以利用逻辑切换的机会，人为地在待工作组电流调节器输入端暂时加上一个与U

i极性相同的信号U

?，把待工作组的逆变角推到?min，使他桥制动一开始就进入他桥逆变阶段，

即反组VR在逆变状态下投入工作，逆变电势与电机反电势极性相反，冲击电流自然就小多了，这对系统是有利的。U

?信号可由DLC发出，俗称“推?”信号。加入“推?”信号后，冲击电流没有了，但却大大延长了电流换向死区。因为电动机切换前的转速所决定的反电动势一般都低于?min所对应的最大逆变电压，待工作组在?=?min下投入运行，此时的逆变电压必将大于电动机反电势，不可能建立反向电流。一直等到uct

数值降低，脉冲前移使Ud?r?

E时，才开始建立反向电流，脉冲由?min移到能建立电流这一段时间大大延长了电流换向死区。为了减少电流换向死区，可采用具有电势记忆环节的有准备切换的逻辑无环流系统，其基本方法是：待工作组变流装置的?角在切换前不是等在?min处，而是直接推到与电动机反电势相等的逆变电压的位置，使待工作组在逆变状态下投入工作，由于其逆变电压和电动机反电势大小相等，方向相反，从而可以做到既无电流冲击，又能很快建立反向电流。这种系统需要记忆切换瞬间电动机反电势的大小，以便进行有准备切换。2.错位控制无环流可逆调速系统错位无环流可逆调速系统和逻辑无环流可逆系统一样，在运行过程中既无直流环流，也无脉动环流，但二者消除环流的方法不同。后者是用逻辑切换装置开放一组变流装置的脉冲，封锁另一组变流装置的脉冲，采用从根本上切断环流通路的方法实现无环流；前者和有环流系统一样，当一组变流装置处于整流状态时，另一组处于待逆变状态，而用两组脉冲错开较远的方法实现无环流。4.2

可逆直流脉宽调速系统（PWM

可逆系统）可逆直流PWM调速系统主电路的结构形式有H形，T形等类型。这里仅介绍常用的H形变换器，它是由四个功率开关器件及相应的续流二极管构成的桥式电路。其控制方式可分双极式、单极式和受限单极式三种。变换器的电路1.双极式H

形可逆PWM

变换器图4-9给出了双极式H

形可逆PWM图。图4-9双极式H型PWM变换电路图四个功率开关器件（这里使用的是IGBT

）分为两组，VT1和VT4同时导通和关断，其控制电g

4；VT2和VT3同时导通和关断，其控制压U

g1

?U?

U

g

3电压U

g

2

?

?U

g1

。所谓双极式控制方式是指在一个开关周期中，输出电压的极性会有一次变化。即AB?U

sU ?

???

U

s?0

?

t?

t

?on?ton

?

t?

T

?在一个开关周期内，当0?t?ton

时，U

g1和U

g

4为正，VT1和VT4导通；U

g

2和U

g

3

为负，VT2和?

UVT3

截止。这时

u

AB s

，电枢电流

id

沿回路1流g

4

变负，VT1和VT4截g1

和U通。当ton

?t?T