直流传动系统

第6章直流传动系统6.1直流电动机的调速系统直流电动机的机械特性方程式为式中n₀-—理想空载转速，an=H/C。U—-加在电枢回路上的电压；φ——电动机磁通；R₀—电动机电枢回路的电阻；C,——转矩常数；T——电动机转矩。由式(6-1)时知，改变R、!及①中的任何一个参数，都可以改变电动机的机械特性，从而对电动机进行调速。6.1.1.1改变电枢回路电阻调速从式(6-1)可知，当电枢回路串联附加电阻R时(见图6-1),其特性方程式变为式中R₀——电动机电枢电阳；R——电枢刚路串联的附加电阻。即电动机电枢回路中串联附加电阻时，特性的斜率增加。在一定负载转矩下，电动机的转速下降增加，因而电动机的实际转速降低了。图6-1所示为附加电阻值不同时的一组特殊392电气传动自动化技术手册曲线。如果负载转矩T:为常数，则式(6-3)表明了控制量R与被控制量n之间的关系，其调速特性见图6-2:由图6-2可知，当R=0时，电动机工作在额定转速n、(当外加电压及励磁电流均为额定值时);当R=R,时，转速为这时当R>R₂时，转速变为负值，即电动机将要反转，这种情况称为负载倒拉反转制动(如为了平稳而缓慢地下放重物),这时可以加大R、使电动机产生的转矩小于T,电动机减速，直到停止、在重物的作用下，电动机叉反向转动，重物以低速下放。但要注意，这时不能断开电动机的电源，否则山于没有电动机的制动转矩，会使重物越降越快，容易发生事故。用这种方法调速，因其机械特性变软，系统转速受负载的影响较大，轻载时达不到调速的口的，重载时还会产生堵转；而且在串联电阻中流过的是电枢电流，长期运行损耗也大，电枢回路串电阻的调速方法，属于恒转矩调速，并月只能在需要向下调速时使用。在工业生产中，小容量时，可出联一台手动或电动变阻器来调速；容量较大时，多用继电器·接触器系统来切换电枢中联电阻，故属于有级调速。6.1.1.2改变电枢电压调速当改变电枢电压时，理想空载转速n₀也将改变，但机械特性的斜率不变，这时机械特性式中”----改变后的电枢电压；其特性曲线是一族以U'为参数的平行直线，见图6-3.山图6-3可见，在整个调速范围内均有较大的硬度，在允许的转速变化率范围内，可获得较低的稳定转速。这种调速方式的调速范围较宽、一般可达10～12,如果采用闭环控制系统，调速范围可达儿有至儿千。改变电枢电压调速方式属于恒转矩调速，并在空载或负载第6章直流传动系统393转矩时也能得到稳定转速，通过电压正反向变化，还能使电动机平滑地起动和四个象限工作，实现回馈制动。这种调速方式控制功率较小，效率较高，配上各种调节器可组成性能指标较高的调速系统，因而在工业中得到了广泛的应用。为了改变电动机的电枢电压，需要有独立的可调压的电源，一般采用的有直流发电机、晶闸管变流器和由各种电力电子器件构成的直流电源等，各种方案的比较见表6-1。电动机-发电机织(旋转变流的刚管原动机可用同步电机、绕线转机、电机扩大机、磁放大器和晶闸管励磁装置等。控制方式有继电器-接触器、磁放大器和半导体装置、平波电抗器和半导体控制装置等有缓冲作用，带同步电机的机织能提供无功功低，噪声、振动大。继电器-接触器和电机扩效率高，噪卢、振动小，控制功率小，构成闭环系统动态指标好。但输出电流有脉动，深电感电容及半导体控制装置等电动车辆硅整流器改变交流发电机电压，经硅整流装置整流得到可变直流电压，用于电动轮车等独立电源场合交流调压器硅整效率高，喋声、振动小，输出电流脉动较小，比晶闸管供电功率因数有改善，但实现自(<15kW)手动开环控制场合红[电机或品间管变流装置及相应的394电气传动自动化技术手册6.1.1.3改变磁通调速在电动机励磁回路中，改变其串联电阻R;的大小(见图6-4a)或采用专门的励磁调节器来控制励磁电压(见图6-4h),都可以改变励磁电流和磁通。这时电动机的电枢电压通常保持为额定值Ux,因为所以，理想空载转速[U₁/(C,φ)】与磁通(φ)成反比；电动机机械特性的斜率与磁通的二次方成反比。此时，转矩和电流与转速的关系见图6-5ca)励磁同路串联电阻调速b)用放大器控制励磁电压调速在调速过程中，为使电动机容量得到充分利用，应该使电枢电流一直保持在额定电流Ix不变，见图6-5b中垂直虚线。这时，磁通与转速成双曲线关系，Φα11n,即Tαl/n,(见图6-5a中的虚线)。在虚线左边各点工作时，电动机没有得到充分利用；在虚线右边各点工作时，电动机过载，不能长期工作。因此，改变磁通调速适合于带恒功率负载，即为恒功率调速。采用改变励磁进行调速时，在高速下由于电枢电流去磁作用增大，使转速特性变得不稳定，换向性能也会下降。因此，采用这种方法的调速范围很有限。无换向极电动机的调速范围为基速的1.5倍左右，有换向极电动机的调速范围为基速的3～4倍，有补偿绕组电动机的调速范围为基速的4~5倍。三种调速方式的性能比较见表6-2。范围效率改变电阻电阻器无白动调节能力低改变电电动机-发扩大机(磁放大器)小好60%~器品闹管变流器小好好(脉冲调制)IGBT或晶闸管开j小好好80%~收变磁通差电机扩人机或磁晶闸管变流器好好6.1.2发电机-电动机组调速系统直流发电机-直流电动机组成的调速系统，见阁6-6。电枢主回路由-台直流发电机对一台直流电动机供电，电动机速度连续可调，并且在电动机额定电枢电压以下，靠调整发电机输出端电压(调压调速)来调整电动机转速，当电动机电压达到额定值以后，靠减弱电动机励磁电流，电动机升速一直达到电动机(最高额定转速)。近年来，在发电机励磁和电动机励磁回路中，多采用晶闸管变流器传动方案，用控制两套晶闸管装置输出电压分别改变发电机输出电压和电动机励磁电流，实现速度控制，对于需要正/反转的可逆直流调速系统，通常发电机励磁晶闸管装置为双向可逆装置，而电动机晶闸管装置为单向不可逆装置。控制系统的组成参见图6-9,它包括：1.发电机励磁电流控制通过改变发电机励磁电流实现发电机输出电压可调，控制系统一般为带发电机励磁电流反馈的闭环控制，发电机励磁电流调节器一般为PI调节器。2.电枢电流控制用于实现对传动直流电动机的转矩控制，优化控制系统特性，实现直流传动系统电枢电流的快速响应，及对发电机-电动机电枢主电路电枢电流限制；减缓电流冲击和过载保护。通常控制系统为电枢电流闭环，采用电枢电流反馈，带有电枢电流调节器，调节器带有限幅，限幅值设定依据电动机或工艺允许的最大过载倍数，调节器为PI396电气传动自动化技术手册3.电动机速度控制用于可逆速度调节，实现可逆无级调速，对转速控制要求高的系统，采用速度闭环控制，带测速发电机(或脉冲传感器)速度反馈和闭环控制，对-·般控制系统亦可以采用检测电动机端电压的电压反馈闭环控制，调节器为PI调节器。4.电动机励磁控制用于实现对电动机励磁电流的闭环恒流控制，当电动机绕组温度变化时，改变晶闸管输出电压，维持电动机励磁电流不变，还可以通过调节电动机励磁晶闸管装置输出电流，实现调磁控制。其中电动机励磁电流通常采用带反馈的闭环控制，电动机励磁电流调节器为PI调节器。5.零电压控制在实际情况下，直流发电机存在剩磁电压，即直流发电机不加励磁条件下(ip=0),由于发电机磁极的剩磁作用，发电机转子在原动机带动下恒速旋转，发电机电枢产生端电压(剩磁电压一般为额定电压的2%～5%),造成系统停机后电动机爬行，爬行速度过高影响系统运行。消除爬行的方法，通常是在停机或速度同零后，系统被设置为电压主反馈，通过检测剩磁电压和电压调节器，抑制发电机电压，消除爬行现象，这一点在发电机-电动机组传动系统的设计中应该考虑。6.励磁电压的强迫倍数通常的直流发电机或直流电动机励磁绕组存在较大的电感，因而造成励磁变化过程的延缓，影响到系统调节的快速性，通常的办法是在励磁晶闸管变流装置的设计考虑适当的强励，即晶闸管装置的额定输出电压往往为发电机(或电动机)励磁绕组额定电压的数倍，以加快励磁电流i,的变化过程，见图6-7。在加快作用下，励磁电流达到额定值所需时间为式中T;——励磁回路时间常数。t₁/T;与α的关系见图6-8。一般α最大取3~4,a再大其效果并不显落。Q图6-7强励加快的过渡过程图6-8t₄/T,与a的关系曲线实现上述的控制功能，早期多采用晶体管分立器件的模拟控制，由于电路复杂和装置易受环境变化影响(如环境温度变化),控制性能低、稳定性差，目前有些系统被微机数字控制取代，但总体来说，出于直流发电机及拖动发电机的原动机的存在，造成整体效率低，对环境有污染，不利于节水、节电等，并且随着大功率电力电子设备的出现和发展，促使大功率晶闸管变流装置成本的不断下降，直流发电机-电动机组方案，已逐步被取代。采用晶闸管励磁的直流发电机-电动机组传动方案见图6-9。第6章直流传动系统3976.1.3.1基本工作原理及电路结构斩波器是一种采用电力电子开关的调速系统。它能从恒定的直流电源产生出经过斩波的可变直流电压，从而达到调速的月的。1.降压斩波器图6-10示出了一个简单的降压斩波器调速系统电路和斩波后的电压波电抗器。在t期间内，UCH导通，电源E和直流电动机M接通；在t期间内，UCH关断，电动机电枢电流I经VD流通。加在电动机M上的平均电压为a)398电气传动自动化技术手册U——恒压电源电爪值；由式(6-7)可知，改变k就可以改变Uw,从而进行调速。k的改变可以有以下两种方(1)恒频系统(2)变频系统T保持不变(即频率不变),只改变t,即脉宽调制(PWM)方式。改变T(即改变频率),但同时保持t不变或者保持t不变，即频率调制变频系统的频率变化范围必须与调压(即调速)范围相适应。因而在调压范围较大时，频率变化范围也必须大，这就给滤波器的设计带来困难，同时对信号传输和通信的干扰可能性也加大。另外，在输出电压很低时，其频率也低，较长的关断时间容易使电动机电流断续。所以，斩波器调速应优先选用恒频系统。2.升压斩波器其基本电路见图6-1la,电流波形见图6-11b,输出特性见图6-11c。b)ka)电路b)波形c)输出特性在t₁时间里，开关S接通，于是有将上式积分，得电感上的峰-峰脉动电流为在t₂时间间隔里，开关S断开，且输出电压保持恒定的V。,于是有考虑式(6-8),则得由式(6-9)可知，随着k的增加，输出电压将超过电源电压Uac当k=0时，输出电压第6章直流传动系统399为U₄;当k→1时，输出电压将变得非常大，见图6-11c。利用升压斩波电路可以实现两个直流电压源之间的能量交换，见图6-12a。该电路工作于两种模式，如图6-12b等值电路所示。(1)工作模式1(S接通)所以式中，1.为工作模式1时的初始电流。在这期间，电感中电流必须上升，故必要条件为(2)工作模式2(S断开)所以式中，I₂为工作模式2时的初始电流。在这期间，电感中电流必须下降，故其必要条件为若式(6-11)不被满足，则电流将继续上升，直到破坏为止。考虑式(6-10)和式(6-11)的条件，则有式(6-12)表示，若E为固定的直流电源，U₁为不断下降的直流电动机的电压，则通过适当的控制，就能把电动机中的能量反馈到固定的直流电源，实现直流电动机的再生制动。利用上述两种基本电路的思想就可以构成运行于各种象限的斩波电路结构，见表6-3。6.1.3.2可逆斩波电路在直流电动机的斩波控制中，常常需要使电动机正转和反转、电动运行和再生制动。上述降压斩波器是在第1象限工作，而升压斩波器则在第2象限工作。在从电动状态到再生制动状态切换时，可以通过改变电路联结方式来实现，但在要求快速响应的情况下，就需要用门极信号平稳地从电动过渡到再生，使电压和电流都是可逆的，复合斩波器是将基本的降压和升压斩波器组合起来，组成在两象限工.作的电流可逆斩波器，或能够在四象限工作的桥式可逆斩波器。400电气传动自动化技术手册44型式r*-₀+EEEoUUF四象限EllU1.电流可逆斩波电路图6-13a给出了电流可逆斩波电路的原理图。在该电路中，V1和VD1构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第1象限V2和VD2构成升爪斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第2象限。需要注意的是，若V1和V2同时导通，将导致电源短路，进而会损坏电路中的开关器件或电源，因此必须防止出现这种情况。当电路只作降压斩波器运行时，V2和VD2总处于断态；只作升压斩波器运行时，则v1和VD1总处于断态。两种工作情况与前面讨论过的完全一样。此外该电路还有第3种工作方式，即在一个周期内，交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。在这种工作方式下，当降压斩波电路或升压斩波电路的电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。例如，当降压斩波电路的V1关断后，由于积蓄的能量少，经一段时间，电抗器L的储能即释放完毕，电枢电流为零。这时使V2导通，由于电动机反电动势EW的作用使电枢电流反向流过，电抗器L积蓄能量。待V2关断后，由于L积蓄的能量和E,共同作用，使VD2导通，向电源反送能量。当反向电流变为零，即1,积蓄的能量释放完毕时，再次使V¹导通，义有正向电流流通，如此循环，两个斩波电路交替工作。第6章直流传动系统401图6-13b给出的就是这种工作方式下的输出电压、电流波形，图中在负载电流i。的波形上还标出了流过各器件的电流。图6-13电流可逆斩波电路及其波形2.桥式可逆斩波电路电流可逆斩波电路虽可使电动机的电枢电流叮逆，实现电动机的两象限运行，但其所能提供的电压极性是单向的。当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合，就必须将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，这就组成为图6-14所示的桥式可逆斩波电路。当使V4保持通态时，该斩波电路等效为图6-13μ所示的电流可逆斩波电路，向电动机提供正电压，可使电动机工.作于第1、2象限，即正转电动和正转再生制动状态。此时，需防It:V3的导通造成电源短路。图6-14桥式可逆斩波电路当使V2保持为通态时，于是V3、图6-14桥式可逆斩波电路和V4、VD4等效为又…组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。其中V3和VD3构成降压斩波电路，向电动机供电，使其工作于第3象限即反转电动状态，而V4和VD4构成升压斩波电路，可使电动机工作于第4象限即反转再生制动状态，此时也同样不能让V,导通，以防电源短为了能清楚地理解斩波器输入端设置滤波器的必要性，可假定斩波器为理想开关(见图6-15a),负载电流为恒定值。当接通斩波器时，输入电流i等于电动机电流i。。当斩波器关断时，负载电流i,通过续流一极管继续流通，电源端输人电流等于零，所以电源输入电流为方脉冲波，见图6-15b。图6-15基本斩波器输入电流波形402电气传动自动化技术手册若电源输入电流平均值为1.则在无损系统中应有Ff=kEI,由式(6-13)可知，若k<1,则电源输入电流平均值1小于负载电流平均值1。但斩波器接通时，输人电流值总是与负载电流相等，所以电源必须提供大的峰值功率；且电源电流中的谐波将产生诈多不利的影响，诸如谐波发热、信号干扰以及电源电压波动和畸变。为消除这些不利的影响，应在电源输入端加滤波器。b)b)a)电路1)等值电路在斩波器输入端加电容滤波器(见6-16a).可使电源输人电流变得平缓，即脉动幅度减小，这时斩波器工作所需的脉动电流由电容器提供。但要得到像图6-16b那样完全无脉动的输入电流，则需无穷大的电容。为了减少输入电容的数值又达到相同的滤波效果，则可采用LC滤波.见图6-17a所示。根据其等效电路(见图6-17b),则可得到电源输入端的h次谐波电流的有数值表达式为式中h——谐波的次数；X,=2πfcL将式(6-15)和式(6-16)代入式(6-14)得第6章直流传动系统403式中I-…斩波器电流的h次谐波有效值；fn—斩波器的工作频率(斩波频率);f:——LC的谐振频率，f,=1/(2π√zC)。式(6-17)表明，f.同fa不能柑等，否则将产生谐振，引起大的谐振电流。其中最危险的情况发生在n=1、f.=fu条件下。为了避免这种谐振现象，通常要求在这样的条件下，电源的谐波电流可近似为由式(6-19)可知，可以有以下方法来降低电源输入端的谐波电流：(1)提高斩波频率fu;(2)降低LC的谐振频率f,;(3)减少斩波器中的电流脉动幅值，提高fu,可以采用新型场控器件。然而降低f.却带米滤波器尺寸的增大。减少斩波器中的电流脉动幅值，可采用多个斩波器错位并联的办法。若将两个或多个斩波器并联，而且彼此错开相位，则能降低整体斩波器的脉动电流幅值，并增加其脉动频率。其结果是电源输人端谐波电流显著减小。6.1.4.1电枢回路晶闸管不可逆系统1.电枢调压控制典型的品闸管变流器控制的直流电动机不可逆调压调速系统见图6-13。系统中包括两个环，内环是电流控制环，外环是转速控制环。每个环都含有一个调节器(速度调节器ASR及电流调节器ACR),它们是比例积分(PI)环节或比例积分微分(PID)环节，用米改善系统的静态和动态特性，以及综合输入和反馈信号。当电网或电动机负载发生变化或有其他扰动时，通过转速控制环，系统能起自动调节和稳定的作用。电流控制环在系统中是一个从属环。速度调节器的输出作为电流调节器的给定值，速度调节器输出的最大值，通常与系统允许的最大工.作电流值相适应。从而在突加给定时，起动电流保持在最大值，并使系统有最大的加速度，起动时间最短。由于电流控制环中不包括电动机机械惯量(大时间常数的积分RRMC]一给定积分器ASR—速度调节器ACH—电流调节器环节),因此其快速性较好。当电网电压突变或机械负载发生很大变化时，能很快进行控制恢复时间较短；当负载电流超出允许最大电流时，电流调节器使变流器的输出迅速下降，电动机进入堵转状态，起到了限流保护作用。图6-18中GI为给定积分器，其输出电压是按一定速率变化的电压，用于要求有恒定加减在不前逆系统中，由于晶闸管整流桥具有单向导电特性，故在制动时不能提供制动转矩，只能靠摩擦阻力进行自由停车。如果要加快制动，可以在电动机主电路中加入能耗(动力)制动环节.对调速范围要求较低的场合，可用电压负反馈或电动势负反馈代替转速负反馈来构成口动调速系统。2.电枢调压和减弱磁场控制在很多应用场合，为了进·步扩大调速范围，除采用调压调速外，同时还采用弱磁调速。为此，需要将调压与调磁两者结合起来，并能在两种调速方式的分界线上(基速)实行自动切换。图6-19所示为同时采用两种调速方法时在整个调速范围内的电动图6-19调压与调磁时图6-19调压与调磁时电动机的调速特性电动机电枢为电压闭环控制，电动机励磁为励磁电流闭环控制，两者相互独立。电动机的电枢电压调节，依据电压给定信号和电压闭环控制实现调压调速；电动机励磁回路依据励磁电流给定和励磁闭环控制，改变电动机励磁电流实现弱磁升速控制，拓宽速度调节范闱。图6-20调压调磁独立控制定装置分别实现的。电动机励磁强弱只服从于励磁电流给定的大小，而不受电枢电压变化的影响。因而难于做到在转速低于额定值时，维持电动机励磁电流额定，随电枢电压变化调节电动机转速，达到额定电枢电压及额定电动机转速，实现恒磁调压控制(即恒转矩控制)。而当转速达到及超过额定值后，再维持电枢电压恒定通过减弱电动机励磁，进人弱磁调速控制范制，实现电动机恒压弱磁控制(即恒动率控制),并达到先升压后弱磁的效果。因为在低转速条件下弱磁，将使直流电动机的转矩达不到充分利用，同时由于电枢控制的主反馈为电压反馈，转速为开环，因而速度控制达不到很高的精度，随着直流传动控制技术的不断发展，这种独立控制的调压调磁调速控制已很少应用。(2)调压调磁非独立控制在非独立控制系统中，电动机的励磁与其电枢电压之间有一定的联系，并受电枢电压控制。图6-21是一个非独立控制系统的例子。在基速以下，电动机的调速是用恒磁调压来实现的，此时励磁电流给定值恒定不变；而在基速以上的调速，则是用第6章直流传动系统405电动(整流，反转)③电动(整流，反转)③(逆变，反转)GE和电动势调节器AER自动进行切换。即基速以下电动势给定值大动势调节器AER处于饱和状态，其限幅值就是满磁给定值，并加到励来保证额定励磁电流不变，当电动机转速升高到95%额定值左右，GE的输出增加到使AER退出饱和，从而减小了励磁电流的给定值，实现了弱磁调速。在弱磁调速阶段内，电动势环起调节作用。只要电动机的实际转速还没有达到给定值，电枢电流中仍存在加速电流，电动势就要上升；冉经过AER使励磁电流继续减小，使转速继续上升，间时维持电动势值恒定，直到稳态。很多生产机械要求其传动电动机能在两个方向旋转，并能产生两E=4-1R[d电动势给定调节器BM-磁通变换器CE—电动势运算器AER-电动势调节器AMCR—励磁电流调节器GT—触发器个方向的转矩。因此，要求电动机的电枢电压(或励磁电流)、电枢电流必须能在两个方向工作。但品闸管只能单方向流过电流，因此，要满足上述要求，就要正反向各设一套整流器组成双变流器联结，或通过开关切换电动机与整流器的连接来实现。这时电动机就能在四个象限内工作，见图6-22。所谓一象限运行，就是指在①或③象限运行。这时，只能整流运行，而不能靠逆变进行制动。因此，象限运行亦可采用半控桥式整流联结。一象限运行时，电动机的电流和转速所谓两象限运行，就是在①和④象限，或②和③象限内运行。这时应采用可以逆变的单变流器联结。在图6-23中，当卷扬机提升重物时，电动机工作在电动状态，变流器整流运行；下放重物时，即使不向电动机提供能量，在重物作用下亦能自行下放。为了制动，电动机应②(逆变，正转)①电动(整流，正转)图6-22四象限工作图图6-23两象限运行工作图工作在发电状态，变流器逆变运行，但变流器电流方向不变。两象限运行时，电动机的转速所谓四象限运行，就是可以在所有四个象限内工作，电动机的转速与电流都可逆。直流电动机可逆方式的比较见表6-4。表6-4直流电动机可逆方式的比较比较项目电枢用-食变流装置开关切换电枢用一套变流装置磁场反向电枢用两套变流装置电枢反向(1)电枢变流浪置…龚(2)电枢回路切换开关(3)切换逻辑(1)电枢变流装置-套(2)励磁变流装置两套(3)切换逻辑(1)电枢变流装置两套(2)无环流切换逻辑或环流电抗器时为0.2～0.5s,减速时开关要切换两次快速性差，正反转磁通反向时间为儿百毫秒到!s,减速时磁通|毫秒系统较简单，但投资大作量大、寿命低主电路不产生环流，无触点切投资系统简单，投资少到儿千千比，如轧机主、辅传动，可逆运转机床等1.靠接触器反接电枢回路电枢用-套品闸管整流器供电、由接触器切换的可逆系统见图6-24。该系统采用了带电流内环的转速调节双环系统，并设了一个指令单元，它可根据调节问路所需速度给定要的电流反转矩方向(ASR输出电ASRACRGT压的正或负)来控制相应的方向接bmindkMF电枢电流应为零。为防止切换后电流冲青，指令单元在发出切换信号=BR图6-24电枢用切换开关反向的可逆系统触发脉冲推到最小β处，系统的切N一反号器换过程见图6-25。在t,时刻，速度给定信号收变，因而ASR输出极性改变，同时给电流调节器ACR输人--个p.信号，使触发脉冲移至逆变区域。在t₁~t₂时间内，电流快速降低，到t₂时电流为零。在t₂时刻，接触器KMF断开。在t₃时刻，接触器KMR接通。在t₄~ts时间内，先解除推β信号，使ASR和触发脉冲恢复正常工作(t。时刻),然后电动机开始制动，直到反向稳定运转这种系统使用触头切换，触头维护工作量大，寿命较短，切换零电流死区较大约为0.2~0.5s,适用丁小功率、不需要频繁切换的场合。图6-26是一种磁场反向的可逆调速系统，电动机电枢回路山带有电流内环的单方向转速系统的晶阐管整流器供电，励磁回路用两套品闸管整流器组成的可逆系统供电，或者采用套晶闸管整流器，靠磁场回路的接触器实现励磁电流反接。磁场可逆系统的特点是，电动机的反转或降速是用改变其励磁电流的方向，使电动机产生相应转矩来实现的，由于在励磁电流反向期间，所产生的转短很小，使系统的响应很慢。特别是在电动机降速(不反转)的场合，电动机的励磁电流先要从正向到反向切换一次，产生制动转矩使电动机降速，当转速降到所要求的转速时，电动机的励磁电流又要从反向到正向再切换一次。因此，对于不要求反转的调速系统，在降低转速动态过程中，磁场要切换两次，响应更慢。因为励磁绕组时间常数很大，为了缩短转矩反向时间，需要对励磁绕组加一个很大的强励电压，一般为3～5倍额定磁场反向可逆系统的主要优点是，可省去一套电枢回路的变流装置，投资较少，但系统快速性差，磁场反向时间需要儿百毫秒到1s。因此.一般只用在正反转调速不频繁或调速精度要求不高的场合，容量范围从几十到几千千瓦。控制系统可以实现直流电动机减速过程的制动控制，见图6-26,图中电动机励磁回路中，品闸管变流器采用单向不图6-25正向到反向的切换过程-给出反转信}号t₂—电枢电流到零可逆装置，而电动机励磁电流方向靠换接励磁接触器KM20和KM21来实现。图6-26励磁电流可逆的控制系统并通过·定的延时设置，依靠逻辑电路判断，选择接通励磁方向接触器(KM20或KM21),转换磁通方向为电枢主电路提供制动转矩，最终达到降速或旋转方向转换的目的，在图6-26中，励磁方向逻辑控制单元依据： 运行方式设定：判定减速或反转制动方式，如自由制动或制动能量回馈、408电气传动自动化技术手册 ——运行参数设定：励磁电流信息，如最小励磁电流i或超速信息n·励磁电流下降及励磁触发环节封锁延时(励磁接触器动作前);励磁控制切换和电枢主电路控制时序见图6-27。励磁反向过程的控制时序见图6-27:1)t=t₁时，电枢电流I=0,电枢变流器触发脉冲禁止，主电路闭锁；2)t=t₂时，励磁变流器触发脉冲禁止，励磁电流I₁下降并达到I₁<1.…的设置值(1ran是系统预置的励磁电流为最低的监控阈值);3)△t₁=t₃4)△t₂=t₄-t₃为断开励磁同路接触器KM20,至接通励磁同路接触器KM21的等待时间；5)△t₁=ts-t为励磁变流器触发脉冲使能延时释放等待时间6)△t₄为电枢回路触发环节使能延时等待时问，励磁电流反向上升，电流值1,增加并达到1,≥k/sr设定值(1sn是电动机励磁电流的设定值，系统k设定值可在0.8~0.9范围内选取);7)!=t₆为电枢主电路变流器触发脉冲使能，主电路出现制动电流并上升到控制值。使用励磁反向可以实现电枢一套变流器条件下的制动及能量回馈过程，其制动方式可以选择为降速时的励磁反向制动按时序接触器反接，待制动过程结束，再转换到原来的励磁电流方向，也可以选择为改变电动机的旋转方向使其反转。通常两套品间管整流装置有反并联联结、交叉联结和直接反并联联结三种方式。1.反并联联结见图6-28。它是将两组整流器反向并联，交流侧接在同一个变压器二次绕组上，可以向电动机提供可逆的电枢电流。按照是否有环流，可分为有环流和无环流两种方式。在有环流方式时，若一组整流器处于整流状态时，另…组则处于逆变状态，但两组的输出电压平均值相等。当整流器输出电压比电动机反电动势高时，电动机处于电动状态；若电动机反电动势比整流器输出电压高时，电动机就向处于逆变状态的整流器提供功率，电动机再生制动。尽管整流组和逆变组的电压平均值相等，但它们的瞬时值并不相等，因而在品闸管1、3、5和2'、4'、6'构成一个环流问路，在晶闸管2、4、6和1'、3'、5'构成另·个环流回路。在无环流方式第6章直流传动系统409时，在任何情况下只允许一组整流器工作，而另一组必须被封锁，或者把另一组的触发脉冲移到不可能出现环流的区域内，因而不出现环流。这种线路的特点如下：(1)由于正反两组整流器都用同--台变压器供电，所以变压器的利用率最高。(2)由于有两个环流回路，至少需要两台电抗器，电抗器除了能限制环流外，还应在正常工作时满足电动机允许的最小电流连续程度和纹波的要求，并且在故障时能限制电流上升率，使直流快速断路器在快速熔断器熔断前先跳闸。(3)反并联的两组整流器接在同一台变压器的二次绕组上，相互之间有影响。特别是在作为有环流线路运行时影响更大，可靠性较差。这种方案一般都用在无环流可逆线路中。对于有环流可逆系统，一般不采用这种线路，而采用交叉联结方式。2.交义联结它是将两纽整流器分别由一台变压器的两个二次绕组供电的，见图6-29。交义联结可逆线路的特点如下：(1)由于有环流及变压器有两个二次绕组，故变压器的利用率较低，初期投资较大。(2)由于只有…个环流回路，故可用一台空心电抗器或两台铁心电抗器限制环流。这种线路的环流比反并联线路的小，因而电抗器的体积亦小。(3)环流要通过四个晶闸管，而且只有一个环流回路，不像反并联线路那样两桥之间相互有影响，因此，可靠性较高。3.直接反并联可以将正反向两个晶闸管压在一套散热器上，组成一个可逆单元组件。用6套这种组件可组成直接反并联线路，见图6-30。这种线路有如下特点：(1)由于正反向器件不同时导电，因此散热器的体积增加不多，从而能缩小装置体积。(2)正反向臂共用一个桥臂电抗器和快速熔断器，可节省装置成本。(3)主电路只用一台直流电抗器和·台直流快速断路器，使土电路简化。这种控制方式，由于主电路设备少，日前在调速系统中被广泛采用。6.1.5晶闸管变流器可逆系统的控制方案6.1.5.1有环流可逆控制1.不可控环流可逆线路图6-31所示为最普通的不可控环流可逆线路。调节线路采用双闭环调速系统，电流反馈信号取自两组变流器输出电路中的直流电流互感器。电流调节器输出分别控制两组变流器的触发器，为保持两组控制角的变化大小相等和移动方向相反，有一组触发器的输人要经过反相器变号两组触发器的输入特性要保持良好的线性关系，以防止工作过程出现很大的直流环流。不可控环流可逆系统比较简单，在反转时电流反向可以平滑过渡，没有断流的间隙时间。缺点是需要有限制环流的电抗器，并要增加变压器的容量和系统的能耗。2.给定环流可逆系统为降低对触发电路线性度的要求，减小电抗器的电抗值及尺寸，可采用给定环流可逆系统，即把环流二图6-31不可控环流可逆调速系统保持在某一预定的数值上，不随触发装置的移相而改变，见图6-32。此时要用两台电流调节器对两组变流器形成各自的电流环。电流反馈取自各变流器的交流侧。在电流调节器的输入端还加入…个小的正电压作为环流给定信号。当加-U,给定电压时，速度调节器输出为正，二极管VD1导通，U。与U,相加后输入到电流调节器ACR1,使它的输出信号控制工组整流桥的电压，电动机正转。对于第二组触发器，出于经过反号器输出-U。;二极管VD2截止，这时Ⅱ组变流器仅由环流给定值控制，而与速度给定值无关，得到一个固定的环流值，从而增加了系统的可靠性，并可能减小电抗器的电抗值及尺寸。图6-32给定环流可逆系统3.可控小环流可逆系统这种系统见图6-33。电流调节器ACR的反馈信号取自两组变流器的电流之差，即等于负载电流。ACR的输出通过两组作为环流控制的反号器NR和NF再送第6章直流传动系统411控制器NR的输入端，将反向组的电流信号接至正向组环流控制的反号器NF的输入端。当正向组工作在整流状态时，随着负载电流的增大，将反向组的脉冲后移(向β方向);当反向组工作时，随着其电流增大，将正向组的触发脉冲后移，两组触发脉冲可以定相在α₁=β₂=90°。当负载电流为零时，可以调节+U,和-U₁,使系统产生一个连续的环流，以免工作在电流断续区。当负载电流增大时，借助于电流的交叉反馈，可以使工作在逆变组的触发脉冲随负载电流成比例地后移，减小环流甚至到零。一般系统可以按照在电流过零时使环流连续，在负载电流为20%额定电流时使坏流下降到最小值(即待逆变组工作在βmia)来整定。UUMg中手NFkN图6-33可控小环流系统ASR—速度调节器ACR—电流调节器NF、NR—正向组和反向组环流控制的反号器N一反号器这种系统的优点是快速性好，无需因为有环流而增加变压器和电抗器的容量，动态环流小，因此更适用于中大功率传动场合。逻辑无环流可逆系统(见图6-34)是指在电动机运行过程中，两组反并联联结的变流器之间完全没有环流的可逆系统，可以根据电动机所需要的电枢电流极性，通过一个逻辑单元来选择某一组变流器的工作。图634所示是一种带模拟开关的逻辑无环流系统。系统正向工作时U,为负，ASR输出为正，其中一路送到逻辑装置的转矩极性鉴别器，切换逻辑装置AL电路，使模拟开关触点K11和K12闭合；另一路经触点K11输人到电流调节器ACR,使电流调节器输出为负，正向组脉冲前移小于90°,电动机正转。变流器的切换是在电动机转矩的极性需要反向时进行的，其切换顺序如下：(1)改变给定电压U;使其极性为正，或由于负载转矩变化引起电动机转矩变化，使ASR输出变负，并通过电流调节器使工作组工作在逆变状态。(2)逻辑装置AL接受转矩变化的指令。(3)上作组电流下降到零，逻辑装置零电流检测器确认电流实际值为零。断开K11、K12(4)正向触发脉冲被封锁。(5)经一段延时，K21、K22触点接通，反向组有触发脉冲，同时速度调节器输出通过反号器送到电流调节器，使反向组变流器工作在逆变状态，电动机进行再生制动。为了保证系统的性能，应尽量缩短切换时间。在切换时间中，电流换向死时占主要成分。412电气传动自动化技术手册ASR-速度调节器ACR—电流调节器N—反号器AL—逻辑装置一般该死时在10ms以下时，不会对系统的性能有影响；当死时在20～30ms之内时，对系统的动态性能稍有影响；当死时超过30ms很多时，将对系统的性能有较大的影响。在切换时还应保证不发生换相失败，两组变流器在任何时刻都不能同时工作。因此，在逻辑无环流系统中还要注意以下几点：(1)对于电流实际值为零的检测，要有足够的关断等待时间。在确认电流确实为零时，才能切除工作组的触发脉冲。如果在还有电流的状态下，而且工作组正处于逆变状态，这时若将工作组的触发脉冲切除，会引起换相失败。因此，在零电流检测器动作后，必须经过一定的延时才能关断原来导通的晶闸管。这段延时称为关断等待时间，它由电源频率、电压、回路电感和控制角等因素决定，但主要是随控制角的变化而变化。在最大控制角时，关断时间最长。因此，最好应按最大控制角设定等待时间(一般可取1~3ms)。此外，在给出转矩反向指令时，应将原工作组的触发脉冲移到α(即β)处，以便迅速使电流下降到零。(2)要有触发等待时间。即使原工作组的触发脉冲被封锁后，原工作组的晶闸管还不能立刻关断，因此，待工作组变流器还不能立刻投入工作，否则将会因两组变流器同时导通而造成电源短路的故障。为此，从逻辑装置向工作组发出封锁脉冲信号，到向待工作组给出解除脉冲封锁信号之间要有一段延时，称为触发等待时间，该时间一般取5~6ms。(3)要有对电流调节器“拉βmm”的信号。在待工作组刚开放时，为了避免此时因整流电压和电动机反电动势相加而造成很大的电流冲击，应使待工作组投入工作时处于逆变状态。为此，在工作组脉冲被封锁，待工作组还未开放时，先向电流调节器输入一个“拉βm.”信号，即将待工作组触发装置的移相器处于β…位置。当待工作组脉冲封锁被解除后，将“拉β”信号亦取消。在调节系统的作用下，待工作组的触发脉冲就从β点向工作点移动，使电枢电流逐步建立，电动机被减速或反向起动，直到稳定工作点为止。从以上分析可知，逻辑无环流可逆系统反向的过零死时主要由两部分决定：一部分是由逻辑电路本身决定的，即关断等待时间和触发等待时间；另一部分是因为电流调节器有积分作用，当“拉βom”信号取消后，变流器的电压从最大逆变电压降到与电动机电动势相对应的电压需要一定的时间，在低速工作时，这段时间更长。例如，在采用串联式PI调节器系统中，可能达到100～200ms。这时，不仅会产生较大的转速和电流超调，甚至还会使转速振荡。图6-35有准备无环流可逆系统6.1.5.3有准备逻辑无环流可逆控制所谓有准备的逻辑无直流系统，就是在切换时，待工作组的触发脉冲不是被移到β处而是被移到与电动机反电动势相应的那一点。在完成换向逻辑切换时，待工作组变流器的电压E好和电动机反电动势相等(但方向相反),因而既没有电流冲击，又缩短了切换时间，其线路见图6-35。该系统与图6-34所示系统的区别在于电流调节器和触发装置之间串入一个电动势记忆调节器AEM。AEM是由反号器N2、N3和电子开关K13、K23组成的。AEM的输出决输出，此值相当于在电枢回路中产生IR电压降所需的控制信号；另一部分为来自电枢电压的正反馈信号，此值相当于为建立电动机反电动势所需的控制信号。正常工作时，ACR的输出近似为零。正转时，K11～K13闭合，ACR的输出和电压正反馈信号在AEM的输人端相加，AEM输出一1.使正向组工作在整流状态。当需要反转时，转速给定U;立刻变正，ACR输出很大的正信号，使正向组处于逆变状态，电流快速下零(AEM的输出为零),正反向组触发脉冲全被封锁。再零信号解除，但因ACR的积分作用，输出仍为零。因为K23已闭合，电压正反馈接入；K22闭合，反向组有脉冲。这时，AEM输出的电压正反馈信号+U.使反向组的逆变电压正好和电动机的反电动势相适应，电枢回路可立即出现制动电流，使电动机继续减速。这样，无环流切换的死时仪山逻辑装置本身的死时(约为5～6ms)决定，大大缩短了反向死时。如果再要进一步编短死时，就必须从减小换向逻辑的延时着手。为此，首先要提高零电流检测的灵敏度。如果采用图6-36所示的光耦合零电流检测电路后，可以将关断等待延时缩短到0.3ms(6°电角度)。图6-36光耦合零电流检测414电气传动自动化技术手册到的。六个管子中只要有一个处于导通状态，就输出“有电流”信号，禁止无环流逻辑进行切换。当六个管子全部关断时，给出“零电流”信号，允许无环流逻辑进行切换。这时无环流逻辑中开通等待延时只需考虑两个因素，即晶闸管的恢复控制时间和零电流信号从“0”到“1”的上升时间，一般可整定在1ms以下。于是，这种改进了的有准备无环流可逆线路的电流反向过零死时，可减小到1~3.3ms之间。错位选触无环流可逆系统，是利用错开两组脉冲的位置，并根据电压调节器输出电压的极性选择触发正向组或反向组的原理，以实现无环流控制。…般有环流可逆系统，其两组变流器的初始触发延迟角定在αjg=a2g=90°的位置，以后α₁、a₂按线性变化，因此，在所有控制角下都会产生环流。如果将触发脉冲的初始相位定到ag=azo=150°的地方，则在整个移相范围内，都不会产生环流。实际上，为安全可靠和整定方便，都把初始相位定在am=an=180°处，其配合特性和无环流区见图6-3图6-37正反向组控制角的配合特性和无环流区错位无环流可逆系统如图6-39。其中除了有图6-38错位无环流系统的移相控制特性ASR和ACR两个调节器外，还设有电压内环，它的主要功能如下：(1)缩小电压死区，提高切换的快速性。从图6-37可以看出，如果最小控制角α=30°,则移相范国总共只有150°,其中死区就占90°,是整个移相范围+UiASRACRAVRGTN=的60%。有了电压内环之后，N=在电流调节器和触发装置之间，引入一个放大系数相当大的电压系数为100,死区就可从60%压缩到0.6%(见图6-40),基中F:可以忽略不计。图6-39带有电压内环的错位无环流系统(2)抑制动态环流，保证安ASR—速度调节器ACR—电流调节器AVR--电压调节器N-反号器全换相。当αw=αo=180°时，实际上已保证在任何情况下只有一组晶闸管能被触发，可靠地抑制了静态环流。若在AVR上再加一点惯性，则可保证正在工作的一组晶闸管先断流，另一组变流器再建立电流。从而抑制了动态环流和防止本桥逆变时出现颠覆。一般AVR的积分时间常数取0.4s左右。图6-40错位无环流系统的电压死区a)没有电从环b)有电压环(KAYa=100)(3)抑制电流断续引起的不稳定现象，使系统在小电流时也能较快地工作。因为有积分环节，可增加调节系统抗干扰的能力，所以在无环流切换过程中没有电流冲击。根据错位无环流的原理，当一组变流器工作时，另一组的触发脉冲必须移到180°处才能没有环流。因此，不能按一般可逆系统那样在双侧都设置最小触发超前角的限制，而只能在单侧设置。即正向有电流时，在正向设触发超前角限制；反向有电流时，在反向设触发超前角限制；正反向都没有电流时，就没有触发超前角限制；在整个工作过程中，允许触发脉冲不受限制地后移或消失，以满足错位无环流的要求。为此，增设一个选触单元，由绝对值放大器和两个电子开关组成错位选触无环流可逆系统，见图6-41。图中，采用…组触发装置。当电压调节器(AVR)输出电压为负时，全为正向组变流器的工作范围；当AVR输出电压为正时，全为反向组变流器的工作范围。AVR的输出通过绝对值放大器，使触发装置的控制电压极性不变，并在AVR的输出端再接一个选触单元，通过模拟电子开关K1、K2选择相应的变流器，供给触发脉冲。图6-41错位选触无环流可逆系统ASR—速度调节器ACR—电流调节器416电气传动自动化技术手册由于系统采用了选择触发的方式，在工作中只有一组变流器获得触发脉冲，因此可以采用一般的可逆系统设置逆变限制的方法，即在绝对值放大器上加固定或可调限幅来实现。这种系统，无论在什么速度下，正反向都有一个固定的零电流死时，主要取决于电压调节器的积分时间常数。一般死时可调到4~6ms。6.1.5.5采用双变流器组成12脉波整流的传动系统对于供电给大容量直流电动机的可控整流装置，为了减轻对电网的十扰，特别是减少谐波分量，可以将两组三相整流桥进行串联或并联，组成12脉波整流线路对电动机供电。一般多采用并联方案，见图6-用一台三绕组变压器，--次绕组接成三角形或星形；二次绕组中的--个接成星形，另一个接成三角形，则此两绕组相位差30°。两个二次绕组分别供电给两个三相整流桥，此两个整流电路的输出，通过平衡电抗器进行并联后向直流电动机供电。为了使两组整流桥的输出电压相等，三角形联结的变压器对于多台直流电动机传动的场合，为减少谐波对电网的影响，每台电动机可采用三相整流电路，但每台变压器的一次绕组可采用三角形或星形联结，并采用移相变压器，以形成对电网大于6脉波的负载电流。对电动机容量较大，电网容量相对较小，而又要经常工作在低速的系统，变流装置经常要运行在深控场合，即触发延迟角a大，直流电压低，相应的功率因数将变得很低。此时，可采用两组可控整流装置串联不对称控制的办法，见图6-43。为了降低低速运行时的无功功率，对两套整流装置采用不对称控制，其原理是将一组整流器的触发延迟角固定在最大或最小，先控制另一组的相位，待接近极限触发延迟角后再控制原来被固定触发延迟角的那一组的相位。因为两组变流器是串联的，所以在起动与电流断续时，所有应导通的晶间管应在同一个时间触发，故最好采用宽脉冲触发形式。不对称控制时的直流输出电压特性见图6-44。第6章直流传动系统4176.2晶闸管变流器主电路参数计算6.2.1.1变流器联结及基本电路参数晶闸管变流装置的主电路设备通常包括：变流变压器(或交流进线电抗器)、晶闸管变流器、直流滤波电抗器、交直流侧过电压吸收器、过电流保护和快速断路器等。变流装置的主电路方案，应按照生产机械的工作制和传动电动机的容量范围，参照表6-5选取。常用的晶阐管变流器线路及有关的计算系数和特点参见表6-6。电动机励磁可可主因路接线方案TTL性能特点(1)只提供单一只限于整流状态1.作，机械的减速、停车不能用变流装!置控制控制线路及保护方(3)不宜用在经常起动、停车或要单向，靠改变电动机励磁电流方向实变流器可工作在整机械的减速、停车可通过变流器控制(2)主电路设备和品闸管数量少，保护方式简单，在大容量机械中较为在0.5～2.0s死时，不宜工作在频繁正(1}靠两套变流器实现主电路电流双向可逆。同时，两套!抗器L,、L₂控制环流为额定电流的5%～10%,因此，变流器内电流连续，可改善电动(2)设备费用高，变流变压器，保护开关、电抗器以及品闸管变流装置必须设有独立的两套，控制复杂，多用于快速性和精度要求很高的位置控制系统等(1)菲正反向两织晶闸管实现主电路电流双向可逆运转，电流换向时通过逻辑控制电路的一定时序，选择封锁和释放晶闸管的触发脉冲，实现主电流方向可逆。电流方向切换时，为保证由导通转为封锁的品闸管能可抗器和快速断路器，用以保护环流回路及限制故障情况下环流电流上升率，设备多、主电路接线较为复杂(3)接线方式b的设备费用少，晶闸管对流电抗器和快速断路器，设备紧凑，对晶闸管有较高要求性和精度要求很高的位置控制418电气传动自动化技术手册(续)电动机励磁可适用范闱多用于单方间连100kW以下，适用的生产机铱包括风机、水泵和线材轧!机以及造纸机等多用于要求正反在300kW以上如大型卷扬机和厚可达数下干瓦，适用的生产机可灵活地实现四象限内电动机频繁起、制动和调速等状态运转，快速性好(数毫秒),便于组成有电流闭环的转速(或电长)控制适用于轧机主副传动，以及卷扬机主传动晶闸管变流装置的主要运行参数，以及成套设备中的其他技术参数，统称为主电路的基本参数，主要包括重叠角u、换相电抗压降△lx、最小超前角βmn、最小滞后角asi,以及研究主电路电流断续时对变流器特性的影响，这是选用和设计变流装置的基础。般在设计过程中，先确定上述的一些基本参数，然后再分别计算如变流变压器二次相电压Uw、变压器等值容量Sr、晶闸管额定电压(/m与额定电流Irw,以及快速熔断器、直流电抗器等具体数在图6-45所示的电路中，由于变流器交流侧存在电感Lr,因此器件之间的电流转换不能瞬时完成，而存在一定的过渡时间。在此时间内存在VTI和VT2同时导通的现象，称为换相重叠现象。换相的过渡时间通常用电角度表示，叫换相重叠角。图6·45换相等效电路重叠角的计算公式分为两种状态。在采用变压器或交流电抗器进线时，处于整流工作状处于逆变工作状态，重叠角为表6-6常用大功率传动用整流线路有关的计算系数及特点换相电抗压管系数品刚管电压计算系数品闸管电流计算系数相电流计算系数变压!i器网侧,相电流数数器电感数变折算系数大带后时间特点及适用范围线路组成电H雜利雜利心率好好最好K相22较交杂小能围极广昆形带平21]较复杂小能多消于输出电流大的熔量直流电源采用44复杂最小能以1:,晶间之处需增电抗器]l能联处420电气传动自动化技术手册式中e——变流变压器阻抗电压或电抗器额定电压百分值；I₄——直流侧电流(A);I——额定直流电流(A);Kx--计算系数(见表6-6)。当无法预先知道变压器阻抗电压百分值e时，可以根据变压器的容量从表6-7估算。100以下1000以1:5多绕组变压器的阻抗电压百分值e,是指当存在同时换相的二次绕组被短路时(其他组二次绕组开路),一次绕组中电流折算到额定电流时，阻抗电压与变压器额定电压之比的百分电抗器额定电压白分值是指当交流进线电抗通过额定电流时，其电抗压降与进线交流相电压之比的百分值。一般选用4%,见本章6.2.2.5节。6.2.1.3换相电抗压降图6-45所示的一次换相造成的平均电压降△Ux为对于m脉波整流电路，在一个交流电源周期内产生m次电流换相，其换相电压降△Ux为在变压器进线且只考虑其漏抗Xr时，有式中Kx——换相电压降计算系数(见表6-6);Kn——变压器漏抗计算系数(见表6-6);K₁v—整流电压计算系数(见表6-6);U₄-—变流变压器阀侧相电压(V);△1——换相瞬问电流的变化值(A)。在采用交流电抗器进线时，e为电抗器每相额定电压百分值。换相电压降和换相重叠角不同。前者与触发延迟角α无关，随整流电流增大而增大；后者除与整流电流有关外，还随触发延迟角α不同而变化。总之，变压器的漏抗与交流进线电抗都同样能够限制交流侧的短路电流值，有利于晶闸管承受di/dt和du/dt的能力。但由于换相同路和换相期问相问短路的存在，在电网容量不足第6章直流传动系统421时，将造成电网波形畸变(“换相缺口”)和功率因数恶6.2.1.4最小触发超前角β和最小触发延迟角αm在变流装置处于逆变运行状况下，保证可靠换相而不产生“逆变颠覆”的条件必须是：γm——与器件关断时间相应的电角度();△y—-触发器相角误养();6——安全裕量角()。Y一般为5°~10°,△γ·般不超过10°,重叠角u可用式(6-20)、式(6-21)按最大电但在电动机制动时通过制动电流，此时除须满足式(6-27)的安全换相条件外，还必须例如，某初轧机主传动变流器供电系数，主传动电机容量Pa=2800kW,额定转速时的并联整流线路(见表6-6),变压器阀侧相电压U=445V,阻抗电压百分数e/100=0.12。实现可靠换相并在制动过程中不会出现过大制动电流的安全工作区，是处于式(6-27)和式(6-28)两条特性曲线之间，即图6-46中阴影部分，与制动电流I/I有关。为了保证变流装置在运行时不超出安全工作区，在控制系统中，触发装置一般都设有最小触发超前角β的限制回路，同时，为了尽可能提高变流装置在逆变时的输出电压，降低变流变压器阀侧422电气传动自动化技术手册电压的设计值，最近设计研制的触发装置最小触发超前角β的限制值一般不是恒定值，而是随电动机制动电流的增加而增大。在此例中，实际调整采用的β...限制特建议选取：I₄=0时，最小触发延迟角αm是设计变流装置的重要参数，amm取得太大，会使变压器及变流装置的容量无谓增加，并使功率因数恶化；αmn选得过低，会使输出电压因没有足够的储备而影响精度和快速性：,般选取时应考虑下述因素：(1)无逆变运行情况的单向变流装置(如电动机励磁装置)的a可按5³~10°范围选取；有逆变运行情况的可逆变流装置，必须考虑am与βm相适应：在有环流回路中，考虑到器件正向压降以及回路电阻压降，矿按α=F或a略小于F选取，以保证在环流回路中不存在电流的直流成分，在龙环流回路中，α可以取得小一些，-般情况下，大致在15°~30°范围(2)采用锅齿波移相时，在α=0附近变流装置的放大系数较小。从动态性能考虑，不希望经常工作在α=0附近，应留有充分的裕量(例如取amia≥10°~15°)。6.2.1.5电流断续对变流器工作特性的影响在电动机空载运行时，岩电路中电感不足，则有可能出现变流器输出电流断续的情况，其输出电流和电压波形及等效电路见图6-47。在一般条件下，电路总电抗aL和电路总电阻R满足wL>R,变流器输出电压平均值U₈(V)和电流平均值1₂(A)应满足下式：式中K₁μ——计算系数(见表6-6);U——阀侧相电压有效值(V);m——整流电压脉波数；a——触发延迟角();λ——导通角();L——电路等效总电感量(包括附加电感和电源等效漏电感)(H);w——电源角频率。在三相桥式整流电路中，m=6及Kμ=√6时，有第6章直流传动系统423表达式中参变量是导通角λ,在不同触发延迟角α时变流器的外特性见图6-48。其中纵在导通角λ=2πlm时所对应的U。和I₄值，是变流器开始转入断续工作状态的临界点，是设计变流器的重要参数，其有特殊的意义。此时，对丁：相桥式整流电路.当m=6,Kuy=√6或者时，有式(6-29)、式(6-30)成立的临界条件是变流器最小的触发延迟角α应大于临界触发延迟角α、并满足在导通角λ很小时，不等式可用简化形式表小为即在断续工作范围内，对于确定的导通角A,都存在具对应的临界触发延迟角α₄。当触发延迟角α小于a₄时，将出现导通的延迟滞后，并要求足够的触发脉冲宽度。在空载时，λ~0,若滞后角α≥π/m,则若α<πlm,则临界触发延迟角在临界连续A=2π/m时，临界触发延达角a、满足424电气传动自动化技术手册当单相全波m=2时，αx=32.48°,当三相半波m=3时，α=20.68°;当三相全波m=6总之，在电流断续区内，变流器控制特性的特点是等效的内阻加大，输出特性软化。由电流连续过渡到电流断续所引起的变流器特性变化，往往造成系统动态性能恶化。通常可通过在控制系统内加入某些自适应环节或加大电路附加电感等方式解决。因此，计算变流器电路临界连续点电流式(6-34),对电抗器电感量设计很有意义。6.2.2.1变流电压的原始方程假定：①整流回路电感足够大；②忽略变压器及主电路馈线电阻，则式中U₄——变流器输出电压平均值(V);K-----整流电压计算系数(见表6-6);Kx—--换相电抗压降计算系数(见表6-6);b——电网电压下波动系数，无特殊要求时取b=0.95;αmia—最小触发延迟角，cosa取0.85～1.0(在可逆变流系统中，有环流系统接近该值的下限，无环流时接近上限);e--变压器阻抗电压百分值(见表6-7);līma/1w——变压器允许过载系数；Uu——变流变压器二次相电压(V);Um——晶闸管正向瞬态压降，取1.5V;n----电流通过晶闸管的器件数。6.2.2.2变流变压器二次相电压对于电压调节系统，按式(6-43)计算，变流器输出电压等于电动机额定电压，即U₁=Uwn。变压器阀侧相电压(V)为对于转速调节系数，按式(6-43)计算，变流器输出电压(V)为变压器二次相电压(V)为式中U电动机额定电压(V);第6章直流传动系统425Rw——电动机电枢回路附加电阻(Ω);对于转速调节系统，按式(6-46)选择的二次相电压Uy,还应该校验在电动机为额定转速并超调5%及供电交流电网电压下波动h=0.95时是否满足下式：式中Un——额定励磁电压(V);一般情况下，励磁电流不需要强励；特殊场合下，要求励磁电流超调，电流强励倍数可考虑1.2～1.3倍。在要求励磁电流快速变化的条件下，考虑L,di,/dt对输出电压的影响，电压强迫倍数一般取2～4倍。在实际应用中，标准变流器系列已规定了阀侧电压值，使用时可不必计算。例如，对中小功率装置，品阐管变流器主电路采用三相全控桥线路时，变流变压器二次线电压和直流电一次(阀侧)相电流(A)为426电气传动自动化技术手册K—…二次(阀侧)相电流计算系数(见表6-6)。系统电动机额定电压电动机额定电压在品阐管供电时，x=1m;在晶闸管励磁时，则等于额定励磁电流，即1ax=I。在有环流系统中，变压器设有两套独立的二次绕组(见表6-5),在转矩换向时轮换通电，每套二次绕组的通电持续率是50%。一次相电流(A)为通常考虑环流变流变压器…次(刚侧)相电流(A)为式中K₄——-次(网侧)相电流计算系数(见表6-