可逆控制和弱磁控制的直流调速系统

可逆控制和弱磁控制的直流调速系统第4章问题的提出有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。n第I象限正传电动状态第IV象限反转制动状态OTe第II象限正转制动状态第III象限反转电动状态图4-1调速系统的四象限运行改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向，这本来是很简单的事。然而当电机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，问题就变得复杂起来了，需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。4.1直流PWM可逆调速系统内容提要桥式可逆PWM变换器直流PWM可逆调速系统转速反向的过渡过程直流PWM功率变换器的能量回馈单片微机控制的PWM可逆直流调速系统4.1.1桥式可逆PWM变换器可逆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4-2所示。这时，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。图4-2桥式可逆PWM变换器H形主电路结构+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4输出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOb)正向电动运行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOc)反向电动运行波形输出平均电压双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中=2–1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。调速范围调速时，的可调范围为0~1，–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。注意当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，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。性能评价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。性能评价（续）双极式控制方式的不足之处是：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。4.1.2直流PWM可逆调速系统转速反向的过渡过程以系统从电动状态正向变换到反向工作为例：Id图4-4电动机反向轨迹nO-nIdLabcdef-IdL-Idm4.1.3直流PWM功率变换器的能量回馈中、小功率的可逆直流调速系统多采用全控器件组成的桥式可逆PWM变换器，如图4-5绘出了PWM可逆调速系统的主电路。当可逆系统进入制动状态时，PWM变换器把机械能变为电能回馈到直流侧，由于二极管的单向导电性，电能不能送回电网，只能向滤波电容充电，使电容两端点压升高，称作泵升电压。图4-5桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图图4-6单片微机控制的PWM可逆流调速系统硬件结构图4.1.4单片微机控制的PWM可逆直流调速系统-+Ud0RM+-nEV--PId4.2V-M可逆直流调速系统4.2.1V-M可逆直流调速系统的主回路及环流对于拖动位能性负载的起重机而言，采用单组晶闸管装置就能实现重物的提升与放下。如图所示a）整流状态：提升重物，90°，Ud0E，n0由电网向电动机提供能量。+-+--Ud0RMnEV--b）逆变状态：放下重物90°，Ud0E，n0由电动机向电网回馈能量。PIdn-nIdTe提升放下c）机械特性整流状态：电动机工作于第1象限；逆变状态：电动机工作于第4象限。TL图4-7单组V-M系统带起重机类型负载时的整流和逆变状态b)运行范围图4-8两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路两组晶闸管装置反并联可逆供电方式Id-n-IdnO正向反向a)电路结构MVRVFId-Id+--+--由于晶闸管的单向导电性，对于需要电流反向的电动机可逆系统，必须使用两组晶闸管反并联线路来实现可逆调速，如图所示：两组晶闸管装置可逆运行模式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。但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。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。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（4-3）coscosmπsinπmd0maxmd0UUU1.晶闸管装置的整流和逆变状态当控制角为90°，晶闸管装置处于整流状态；当控制角为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=180–，则逆变电压公式可改写为Ud0=－Ud0maxcos（4-4）逆变电压公式图4-9a两组晶闸管反并联可逆V-M系统的正组整流R-+Ud0fM+-nEVF--a)正组整流电动运行a)正组晶闸管装置VF整流VF处于整流状态：此时，f90°，Ud0fE，n0电机从电路输入能量作电动运行。PIdb)两组晶闸管反并联可逆V-M系统的反组逆变状态+-+--Ud0rRMnEVR--VR逆变处于状态：此时，r90°，E|Ud0r|，n0电机输出电能实现回馈制动。P-Idb)反组晶闸管装置VR逆变c）机械特性范围Id-Idn反组逆变回馈制动正组整流电动运动c)机械特性运行范围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。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。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。2.V-M可逆系统中的环流问题环流的定义：采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置同时工作，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。图4-10反并联可逆V-M系统中的环流MVRVFUd0f+--+Ud0rRrecRrecRa--~~环流的形成IdIcIc—环流Id—负载电流环流的危害和利用危害：一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。利用：只要合理的对环流进行控制，保证晶闸管的安全工作，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使电动机在空载或轻载时可工作在晶闸管装置的电流连续区，以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。环流的分类在不同情况下，会出现下列不同性质的环流：（1）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，其中又有两类：直流平均环流——由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。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，称作瞬时脉动环流。环流的分类（续）（2）动态环流——仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。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。直流平均环流与配合控制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。为了防止直流平均环流的产生，需要采取必要的措施，比如：采用封锁触发脉冲的方法，在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作；采用配合控制的策略，使一组晶闸管装置工作在整流状态，另一组则工作在逆变状态。（1）配合控制原理为了防止产生直流平均环流，应该当正组处于整流状态时，强迫让反组处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。于是Ud0r=－Ud0f由式（4-3），Ud0f=Ud0maxcosfUd0r=Ud0maxcosr其中f和r分别为VF和VR的控制角。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cosr=–cosf或r+f=180（4-5）如果反组的控制用逆变角r表示，则f=r（4-6）由此可见，按照式（4-6）来控制就可以消除直流平均环流，这称作=配合控制。为了更可靠地消除直流平均环流，可采用f≥r（4-7）（2）配合控制方法为了实现=配合控制，可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90°，即当控制电压Uc=0时，使f=r=90°，此时Ud0f=Ud0r=0，电机处于停止状态。增大控制电压Uc移相时，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。图4-11=配合控制电路GTF--正组触发装置GTR--反组触发装置AR--反号器MVRVFRrecRrec-1ARGTRGTFUcRa（3）=配合控制电路图4-12配合控制移相特性-UcmUc90ormin180o0oUcm90o0o180ofminfminrminrfGTRGTFUc1（4）=配合控制特性=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。4.2.2V-M可逆直流调速系统的控制1、=配合控制的有环流可逆V-M系统采用=配合控制以后，已经消除了直流平均环流，但是，由于晶闸管装置的输出电压是脉动的，造成整流与逆变电压波形上的差异，仍会出现瞬时电压ud0f-ud0r的情况，从而仍能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。图4-13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MVFVRabcABCRrecRrecLc1Lc2Ud0fUd0r++--~--Ud0fLc1RrecRrecUd0rVFVRIdIcp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f=r=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。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b)整流电压波形c)逆变电压波形abcaud0r0wtp2pUd0rwtIcpicpud0fud0fwtabca0p2pUd0f0rud0瞬时脉动环流的抑制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4-13a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。环流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：在图4-13a中当正组VF整流时，流过负载电流，使Lc1铁芯饱和，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。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。12MVFVRabcA