电力拖动自动控制系统：运动控制系统：第四章

可逆控制和弱磁控制的直流调速系统电力拖动自动控制系统第4章内容提要直流PWM可逆调速系统V-M可逆直流调速系统弱磁控制的直流调速系统+nOTe-Te-n正转电动状态正转制动状态反转电动状态反转制动状态电动机除电动转矩外，还须产生制动转矩，实现生产机械的快速减速、停车与正反向运行等功能；在转速和电磁转矩坐标系统上，就是四象限运行的功能；这样的调速系统需要正反转，故称可逆调速系统。4.1直流PWM可逆调速系统1.桥式PWM可逆调速系统可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图所示。电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。H型桥式可逆PWM变换器MVT1VT2Ug1Ug2VD1VD21234-+UsUdEVT3VT4Ug3Ug4VD3VD4AB4.1直流PWM可逆调速系统MVT1VT2Ug1Ug2VD1VD212-+UsUdEVT3VT4Ug3Ug4VD3VD4ABUg2tUg3Ug1tonTtVTVT1Ug44VDVD23OUABtonTt+UsO-UsUdEid121212正向电动运行波形第1阶段，在0≤t≤ton期间，Ug1、Ug4为正，VT1、VT4导通，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，电流id沿回路1流通，电动机M两端电压UAB=+Us；第2阶段，在ton≤t≤T期间，Ug1、Ug4为负，VT1、VT4截止，VD2、VD3续流，并钳位使VT2、VT3保持截止，电流id沿回路2流通，电动机M两端电压UAB=–Us；1.桥式PWM可逆调速系统-正向运行4.1直流PWM可逆调速系统MVT1VT2Ug1Ug2VD1VD234-+UsUdEVT3VT4Ug3Ug4VD3VD4ABUg2tontUg3OTUABtonTt+UsO-UsUdEid343434第1阶段，在ton≤t≤T期间，Ug2、Ug3为正，VT2、VT3导通，Ug1、Ug4为负，使VT1、VT4保持截止，电流–id沿回路3流通，电动机M两端电压UAB=–Us；第2阶段，在0≤t≤ton期间，Ug2、Ug3为负VT2、VT3截止，VD1、VD4续流，并钳位使VT1、VT4截止，电流–id沿回路4流通，电动机M两端电压UAB=+Us；1.桥式PWM可逆调速系统-反向运行4.1直流PWM可逆调速系统双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为（4-1）=2–1（4-2）注意：这里的计算公式与不可逆变换器中的公式就不一样了。sonsonsondU)1Tt2(UTtTUTtU调速时，的可调范围为0~1，则–1+1。当0.5时，为正，电机正转;当0.5时，为负，电机反转;当=0.5时，=0，电机停止.当电机停止时电枢电压并不为零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，产生交变电流。交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，但增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。1.桥式PWM可逆调速系统-输出电压4.1直流PWM可逆调速系统双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：1）电流一定连续。2）可使电机在四象限运行。3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区。4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右。5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。双极式控制方式的不足之处：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。1.桥式PWM可逆调速系统-性能评价4.1直流PWM可逆调速系统2.直流PWM可逆调速系统转速反向的过渡过程+n-nId(Te)Id(Te)-IdLIdL-Idm-Oabcdefa点过渡到b点，Id从正向IdL降到零；b点过渡到c点，Id反向上升到Idm；c点过渡到d点，转速减小到0；d点过渡到e点，转速超调，转速环退饱和；在f点稳定工作，电流为-IdL。4.1直流PWM可逆调速系统~M+-R0KUsCRbVTbVT1VT2VT3VT4VD1VD2VD3VD4+-UcPWM控制器3.直流PWM功率变换器的能量回馈桥式可逆直流脉宽调速系统主电路原理图4.1直流PWM可逆调速系统K1I/O通信接口泵升限制故障保护A/DPWM生成数字测速中央处理器显示键盘上位机其他外设K2R0C1C2R1R2RbVTb电压检测电流检测M+-温度检测电流检测综合故障　+U驱动电路FBS脉冲整形转速检测单片微机4.单片微机控制的PWM可逆直流调速系统4.2V-M可逆直流调速系统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时也可能出现整流和有源逆变状态。90°，Ud0E，n0由电网向电动机提供能量。-+Ud0RM+-nEV--PId（2）逆变状态放下重物90°，Ud0E，n0由电动机向电网回馈能量。+-+--Ud0RMnEV--P（1）整流状态提升重物1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－单组晶闸管位能性负载4.2V-M可逆直流调速系统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-nnIdTe提升放下TLO1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－单组晶闸管位能性负载4.2V-M可逆直流调速系统1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－两组晶闸管反并联~M~++--Id-IdVFVR两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路coscossinmax0domdUmUmU)-180(cos0max0dodUU4.2V-M可逆直流调速系统1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－两组晶闸管反并联R-+Ud0fM+-nEVF--PId+-+--Ud0rRMnEVR--PIda)正组整流电动b)反组逆变回馈制动Id-Idn反组逆变回馈制动正组整流电动运动Oc)机械特性允许范围4.2V-M可逆直流调速系统1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－环流问题MVRVFUd0f+--+Ud0rRrecRrecRa--~~IdIc反并联可逆系统中的环流电枢电阻　　　　整流装置内阻　　　　环流　　　　负载电流　　　　　　adRIreccRI4.2V-M可逆直流调速系统1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－环流问题环流的分类：静态环流：两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流；直流平均环流：由晶闸管输出的直流平均电压所产生的环流称为直流平均环流；瞬时脉动环流：两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称为瞬时脉动环流。动态环流：仅在V-M系统处于过渡过程中出现的环流，本书不讨论。4.2V-M可逆直流调速系统MVRVFRrecRrec-1ARGTRGTFUcRaM1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－环流问题α＝β配合控制电路GTF-正组触发装置GTR-反组触发装置AR-反号器4.2V-M可逆直流调速系统1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流－环流问题180o0o-UcmUc90orminUcm90o0o180ofminfminrminrfGTRGTFUc1rfα＝β配合控制特性4.2V-M可逆直流调速系统~M++--VFVRUd0rUd0fABCabc1231'2'3'icpLc1Lc2LdRrecRrecRrecId2.V-M可逆直流调速系统的控制-有环流可逆V-M系统三相零式可逆线路和瞬时脉动环流回路4.2V-M可逆直流调速系统2.V-M可逆直流调速系统的控制-有环流可逆V-M系统abcaud0rOwt2Ud0rwtIcpicpud0fud0fwtabcaO2Ud0fOrud0αf＝βr=600时的电压、瞬时电压差及瞬时脉动环流4.2V-M可逆直流调速系统MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-2.V-M可逆直流调速系统的控制-有环流可逆V-M系统α＝β配合控制的有环流可逆V-M系统原理图4.2V-M可逆直流调速系统ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR----+ZC2.V-M可逆直流调速系统的控制-无环流可逆V-M系统逻辑控制的无环流可逆调速系统原理框图封锁时间tdbl:检测到电流不超过最小电流I0时开始计时，约半个到一个脉波时间，三相桥式约为2~3ms。为了防止两组晶闸管同时导通，设置开放延时时间tdt，一般大于一个波头的时间，对三相桥式可取5~7ms。2.V-M可逆直流调速系统的控制-无环流可逆V-M系统开始极性变化？U*i电流过零？发出逻辑切换指令封锁延时tdbl封锁本组脉冲开放延时tdt开放它组脉冲继续开放本组脉冲互锁保护4.2V-M可逆直流调速系统4.2V-M可逆直流调速系统3.制动过渡过程分析有环流系统正向运行过程+++---+MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-----n-+4.2V-M可逆直流调速系统MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-+++---+Id0+--++----本组逆变过程3.制动过渡过程分析+-4.2V-M可逆直流调速系统+MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-+++---+0+--++Id----它组整流流过程3.制动过渡过程分析+4.2V-M可逆直流调速系统+MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-+++---+0+--++Id+-+-----它组逆变过程3.制动过渡过程分析+4.2V-M可逆直流调速系统3.制动过渡过程分析过渡过程分为三个阶段本组逆变阶段它组制动阶段它组整流阶段它组逆变阶段4.3弱磁控制的直流调速系统变电枢电压方法是从基速（即额定转速）向下调速。在变压调速范围内，因为励磁磁通不变，电磁转矩Te=KmΦId，允许的转矩也不会变，称作“恒转矩调速方式”。降低励磁电流以减弱磁通是从基速向上调速。在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许的转矩不得不减少，转矩与转速的乘积则不变，即允许功率不变，是为“恒功率调速方式”。当负载要求的调速范围大时，就采用变压和弱磁配合控制的办法，即在基速以下保持磁通为额定值不变，只调节电枢电压，而在基速以上则把电压保持为额定值，减弱磁通升速，4.3弱磁控制的直流调速系统图4-18弱磁与调压配合控制特性1.弱磁与调压的配合控制4.3弱磁控制的直流调速系统图4-19带有励磁电流闭环的弱磁与调压的配合控制直流调速系统AFR—励磁电流调节器UPEF—励磁电力电子变换器2.励磁电流的闭环控制4.3弱磁控制的直流调速系统2.励磁电流的闭环控制图4-20弱磁过程直流电动机的动态结构图4.3弱磁控制的直流调速系统即使忽略磁路的非线性，在磁通变化的过程中直流电动机也是一个非线性对象，如果转速调节器ASR仍采用线性的PI调节器，将无法保证在整个弱磁调速范围内都得到优良的控制性能。为了解决这个问题，原则上应使ASR具有可变参数，以适应磁通的变化。采用微机数字控制系统，调节器的参数跟随磁通实时地变化，可以得到优良的控制性能。2.励磁电流的闭环控制