第3、4章(电力拖动控制系统)rev

第3章直流电动机V-M可逆调速系统3.1V-M可逆系统主电路结构形式及工作状态可逆系统的目的：获得电机四象限的运行特性（正、反转和电、制动）。3.1.1单组晶闸管供电切换电流极性的可逆电路1．切换电机电枢与电源之间连接极性1C2CdUM-aEaIVTa)2C1C～VT1dUM-aETVT4VT3VT2b)VaI～a）用接触器切换b)用晶闸管开关切换2．切换电机励磁电流dUaEaIV-M～1C1C2C2Cfi～图3-2切换电动机励磁电流方向的可逆电路3.1.2两组晶闸管供电的可逆电路两种连接方式，反并联连接及交叉连接。a)b)c)1CL2CLVFVRABCNVFVRABCNdLdLVFVRN~MMM图3-3采用三相半波整流电路的反并联可逆电路VFb)M-VRa)VFVRAM-dU1CL2CL4CL3CLABBCCdLaIaE图3-4采用三相桥式电路的反并联可逆电路VFVR2CL1CL1A1B1C2A2B2CdLM)a)b2A2B2C1A1B1C2CL1CLdLMVFVR2N1Na)三相半波电路构成的交叉可逆电路b）三相桥式电路构成的交叉可逆电路区别：反并联连接电路的两组整流桥VF、VR使用的是同一个交流电源，交叉连接电路的两组整流桥VF、VR使用的是无电气连接的两个独立电源主要特征：任何时刻都不让VF、VR两组桥同时工作，若VF工作，则VR封锁；若VR工作，则VF封锁；或VF、VR同时封锁。以此使产生环流的必要条件不再存在。2．有环流系统基本工作方式：VF、VR同时加触发脉冲信号，但控制角满足，目的是使两组整流桥输出同一个数值、同一个方向的Ud。称为αβ配合控制。电动机M工作状态正向电动正向制动反向电动反向制动工作象限ⅠⅡⅢⅣ转速n、反电势Ea、电压Ud＋＋－－转矩T，电枢电流Ia+－－+无环流系统正组VF状态整流封锁封锁逆变反组VR状态封锁逆变整流封锁有环流系统正组VF状态整流待整流待逆变逆变反组VR状态待逆变逆变整流待整流180RF哪组真正工作由电流决定;不工作的处于”待逆变或待整流状况。VFVR0dFU0dRUaIMcI～～3.1.3反并联可逆电路的工作状态1．无环流系统优点：安全可靠，无环流，体积小。缺点：存在换流死区，动态响应慢。3.2可逆电路中的环流及其抑制办法3.2.1环流及其种类环流，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。环流的存在会显著地加重晶闸管和变压器的负担，消耗无用的功率，环流太大时甚至会导致晶闸管损坏，因此必须予以抑制。对环流的分析必须一分为二。环流分类：VFVRdoFUdoRUaIM～～Ic反并联可逆线路中的环流IcIa—负载电流静态环流：系统稳定工作时所出现的环流。动态环流：系统处于过渡过程中出现的环流。直流平均环流瞬时脉动环流静态环流动态环流3.2.2直流平均环流产生的原因及消除办法1．产生的原因正组VF输出：FdomdoFcosUU两端的电势差即两个电源的直流平均电压差为：222RFRFdomdoRdoFdocoscosU)U(UU180FR电压差如能产生直流平均环流则其流向与图中的Ic反向，与晶闸管装置所允许的电流流动方向相反而实际不能流通。这时不会产生直流平均环流。180RF产生直流平均环流Ic。由于两边电源的内阻都较小，很小的也会引起较大的直流平均环流，且是一个直流平均量，它无法依靠电抗器来抑制Ic的大小，只能靠改变来减弱或消除它。dUdURF)(RF)(RF2．消除办法（1）使略大于1800FR（2）使minminVFVR0dFU0dRUaIMcI～～反组输出：RdomdoRcosUU1．产生的原因2．抑制办法晶闸管装置输出的电压是脉动的，正组VF的udoF和反组VF的udoR的瞬时值并不相同，当VR的瞬时值大于VF的瞬时值时，便产生正向瞬时电压差，从而产生瞬时环流。在环流回路中串入电抗器，叫做限环流电抗器或称均衡电抗器。一般要求把瞬时脉动环流中的直流分量Icp限制在负载额定电流的5%～10%之间。图3-7三相半波反并联可逆电路及其时的环流电压和电流30RF3.2.3瞬时脉动环流产生原因及抑制办法3．环流电抗器的配置位置及数量连接方式反并联连接交叉连接整流电路形式三相半波三相桥式三相半波三相桥式环流通路1211限环流电抗器个数2422VFVR2CL1CL1A1B1C2A2B2CdLM)a)b2A2B2C1A1B1C2CL1CLdLMVFVR2N1NVFVRABCNdLMVFVRA-dU1CL2CL4CL3CLABBCCdLaIaEM3.3有环流V-M可逆调速系统3.3.1α＝β配合控制的反并联连接的有环流可逆调速系统1．系统原理图三相桥式供电，2条环流通道，配备四个环流电抗器。可正反转，四象限运行。4．调节器输出双向限幅2．配合控制的实现3．信号双极性TGARM--1ctUGTRVRVFTALdLC3LC4LC1LC2GTF~TM+*nUnUctUASR*iUiUACR通过放大倍数为－1的反向放大器得到－Uct，来实现α＝β的配合控制。ASR设置限幅，限制最大动态电流，ACR设置限幅，限制最小控制角αmin和最小逆变角βmin系统原理图信号都是双极性的，相应的实际量都是可反相或可反向的，这是四象限运行系统的一个特征。1．正向稳态运行阶段（t=0～t1）2．本组逆变阶段（t=t1～t2）5．他组逆变阶段(t=t4～t5)6．转速超调阶段（t=t5～t6）3．他组建流阶段(t=t2～t3)4．电流超调阶段（t=t3～t4）3.3.2正向回馈制动过程分析tt002doUaLI00b)c)d)e)tttiU*iUnUa)Ea*nU653421t6t5t4t3t2t1t4t3t2t1t6t5min,domUmin,aUdomimdmUI,imdmUI,*imUEadoUn0aI，aIctU，+*nUnUctUASR*iUiUACR在可四象限运行的调速系统中，正向回馈制动过程的分析具有普遍的典型意义。*nUnUTG~ARASR*iU-1GTFVRTAFTMLdLC1LC2iU-+1ACRCVD12ACRCVD2iU*cU-VF*iUTARGTRRR1.系统原理图正向运行时，为负。*iU环流给定电压*cU3.3.3可控环流可逆调速系统2.工作原理3.优点当主回路电流可能断续时，采用的控制方式时有意提供一个附加的直流平均环流，使电流连续。180RF一旦负载电流连续了，则设法形成的控制方式，遏制环流至零。180RF充分利用了环流的有利一面，避开了电流断续区，使系统在正反向过渡过程中没有死区，提高了快速性。同时又克服了环流不利的一面，减少了环流的损耗。所以在各种对快速性要求较高的可逆调速系统和随动系统中得到了广泛的应用。AiBiCi1TA2TA1VD2VD0iUaI-+a)b)0R0R+-1RVDoutu2Rinu00.6Vinuoutu-+a)b)0iU0R+-1RVDZU-+refU2R0ZU0iUrefUU0.6V•零电流检测电路•极性鉴别器•电平转换电路几个单元电路（后续章节中要用到）例：在图8-1、图8-9，图9-17中例：在图9-33中第4章直流电动机直流斩波调速系统1.主电路结构简单，功率元件少。2.开关频率高，电流容易连续，谐波分量少，电机损耗和发热小。3.低速性能好，稳速精度高，调速范围宽。4.动态响应好，抗扰能力强。5.功率元件开关状态，导通损耗小，装置效率高。6.直流电源采取不控整流时，电网功率因素高。直流斩波器依靠的是脉冲宽度调制（PWM）的工作方式，因此直流斩波调速系统也称直流脉宽调速系统。V-M的固有问题：与V-M相比，直流斩波调速系统的优越性：1.存在电流的谐波分量，深调速时转矩脉动大。2.深调速时功率因素低，限制了调速范围。3.平波电抗器限制了系统的快速性。斩波器dU控制器斩波器控制器b)a)～a)电源是直流电源b)电源是交流电源直流电动机直流斩波调速系统框图1．单象限工作电路aEGDa)dUoiGDoudUVDVD0IoUaEdUb)c)d)VToiVTaEnTtt000ouoioua)集电极输出电路b)发射极输出电路c)波形图d)工作象限4.1直流斩波调速系统主电路图4-2单象限工作的直流斩波调速系统主电路及工作波形onOodTUuUTOaUEOaOaUEIR2．电流可反向的二象限工作电路1).主电路的结构形式2).工作原理正向电动工况。当UoEa时，Io0，电动机正向电动。电路的电压平衡方程为ooaaoadiiRLuEdt电动工作时，VT2、VD1并没有参与工作，去掉这两个元件后，电路与单象限工作电路完全一致，是一个典型的降压斩波电路。VT1、VT2互补工作，VD2是I0为正时的续流二极管，VD1是为I0为负时的续流二极管。为了防止直流电源经VT1、VT2直通短路，GD2、GD1中应设延时电路以形成“死区”。•输出电压平均值•电动机最高空载转速是0max/denUC1odtdTUUUTaEGDoudUVD1oia)GDVT12gTu1gTuaLt000i0u2gTu1gTu001T2T1T2Tb)c)d)e)VT2VD2TtttoUtt00di0if)g)h)0Tndi1VT2VT2VD1VDdI图4-3电流可反向两象限斩波调速系统正向制动工况。当UoEa时，Io反向，电动机工作在第Ⅱ象限的回馈制动状态。dioudU2VTaE1VDaLoi两象工作电路在发电状态时的等效电路可知，直流电机通过斩波器向直流电源输送电能（发电）时，Ea的范围是0～Ud,转速范围是0～n0max。“能正常发电”的要求是EaUd，而不是EaUd。若EaUd，则发电电流不再可控，电流将变得很大而不允许。该电路用作发电运行，则发电机(直流电机)可变速发电，在转速0～n0max的范围内，都可向恒直流电压源实现电流大小可控的发电。制动时，VT2或VD1有电流，VT1和VD2无电流。把不参与工作的VT1、VD2去掉，可把电路重画于右图，图中按习惯画法把能量输入方即电机画在了左边。这就是典型的升压斩波器电路。电流的参考方向同前，实际为负值从上面的分析可知，图4-3所示的电路可以实现正向回馈制动，制动时电流(转矩)反向，其运行象限为Ⅰ、Ⅱ象限。该电路称电流可反向的两象限工作电路。3)波形分析及能量传递t0i0oudU0t稳态电动区电流转换区稳态回馈制动区T不变电流过零时刻不变T2T1D2D1T2D1T2T1D1D1D1D2T2T2T2D2D2D2D1T1T1T1T1P2PLaPCupLaPLaPLaP1P1P1P2P2P2PCupCupCup改变时刻t图4-5两象限工作斩波调速系统从电动到制止转换过程的电压电流波形及能量传递简图dUa)1VD1VT0i2VD2VTou0Tnb)图4-6电压可反向的两象限工作电路a)电路图b)工作象限电压可反向的两象限工作电路3．可四象限运行的电路t000T0ub)c)d)e)f)t00u0i0i0u0itt0u0u0u0i0i0iTT0u0i0u0idU3VDa)2VD1VD4VD1VT4VT3VT2VTou0i0Tn图4-7可四象限运行的斩波调速电路a）电路图b)～e）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限波形图f）工作象限1.工作原理H型桥式斩波电路的工作模式非常灵活，以最常用的可逆运行模式说明之。VT1、VT2为一组，VT3、VT4为另一组，两组在一个PWM斩波周期内互补工作。2.输出电压的平均值3.优点:调节连续平滑，四象限工作。21odtdTTUUUT4.2直流斩波调速系统*nUTGnUASRnUACR*iUiUcUPWMGTDCDCGMiU1．系统原理图转速、电流双闭环GM为载波（三角波或锯齿波）发生器PWM为脉宽调制单元，其输入信号是控制电