1、第第4章章 可逆控制和弱磁控制可逆控制和弱磁控制的直流調速系統的直流調速系統電力拖動自動控制系統電力拖動自動控制系統 運動控制系統運動控制系統內 容 提 要n直流PWM可逆直流調速系統 nV-M可逆直流調速系統 n弱磁控制的直流調速系統 n電動機除電動轉矩外還須產生制動轉矩，實現生產機械快速的減速、停車與正反向運行等功能。n在轉速和電磁轉矩的坐標系上，就是四象限運行的功能，n這樣的調速系統需要正反轉，故稱可逆調速系統。圖4-1 調速系統的四象限運行4.1 直流PWM可逆調速系統nPWM變換器電路有多種形式，可分為不可逆與可逆兩大類，n還有一種帶制動電流通路的不可逆PWM-直流電動機系統，其電流

2、能夠反向。之所以不可逆是因為平均電壓始終大于零，因而轉速不能反向。n如果要求轉速反向，需要改變PWM變換器輸出電壓的正負極性，使得直流電動機可以在四象限中運行，由此構成了可逆的PWM變換器-直流電動機系統。4.1.1 橋式可逆PWM變換器圖4-2橋式可逆PWM變換器電路圖4-3 雙極式控制可逆PWM變換器的驅動電壓、輸出電壓和電流波形3241ggggUUUU在一個開關周期內，n當0tton時，UAB=US，電樞電流id沿回路1流通；n當tont1/2時，為正，電動機正轉；當1/2時， 為負，電動機反轉；當=1/2時， =0，電動機停止。 sonsonsondUTtUTtTUTtU) 12(12

3、（4-1） （4-2） n雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優點：（1）電流一定連續；（2）可使電動機在四象限運行；（3）電動機停止時有微振電流，能消除靜磨擦死區；（4）低速平穩性好，系統的調速范圍大；（5）低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。n雙極式控制方式的不足之處是： 在工作過程中，4個開關器件可能都處于開關狀態，開關損耗大，而且在切換時可能發生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時。4.1.2 直流PWM可逆直流調速系統轉速反向的過渡過程na點過渡到b點，Id從正向IdL降低為零。n b點過渡到c點 ， Id從零反

4、向上升到允許的制動電流-Idm 。nc點過渡到d點 ，回饋制動狀態，轉速將減速到0 。nd點過渡到e點 ，反向起動狀態 ,轉速要超調，轉速環退飽和 。n在f點穩定工作，電樞電流與負載電流-IdL相等。圖4-4 在坐標系上表示的電動機反向軌跡4.1.3 直流PWM功率變換器的能量回饋圖4-5橋式可逆直流脈寬調速系統主電路的原理圖整流器 H型橋式PWM變換器 放電電阻 濾波大電容n當可逆系統進入制動狀態時，直流PWM功率變換器把機械能變為電能回饋到直流側，n由于二極管整流器導電的單向性，電能不可能通過整流器送回交流電網，只能向濾波電容充電，使電容兩端電壓升高，稱作泵升電壓。n在大容量或負載有較大慣

5、量的系統中，不可能只靠電容器來限制泵升電壓，n當PWM控制器檢測到泵升電壓高于規定值時，開關器件VTb導通，使制動過程中多余的動能以銅耗的形式消耗在放電電阻中。n如果在大容量的調速系統中希望實現電能回饋到交流電網，以取得更好的制動效果并且節能，可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的電能逆變后回饋電網。n在突加交流電源時，大電容量濾波電容C相當于短路，會產生很大的充電電流，容易損壞整流二極管。為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流電阻。n合上電源后，經過延時或當直流電壓達到一定值時，閉合接觸器觸點K把電阻短路，以免在運行中造成附加損耗。4.1.4 單片微機控制的PWM可逆直流 調

6、速系統n三相交流電源經不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經過直流PWM變換器得到可調的直流電壓，給直流電動機供電。n檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉速檢測，轉速檢測用數字測速。n微機控制具備故障檢測功能，對電壓、電流、溫度等信號進行實時監測和報警。n一般選用專為電機控制設計的單片微機，配以顯示、鍵盤等外圍電路，通過通信接口與上位機或其他外設交換數據。 圖4-6 微機數字控制雙閉環直流PWM調速系統硬件結構圖n控制軟件一般采用轉速、電流雙閉環控制，電流環為內環，轉速環為外環，內環的采樣周期小于外環的采樣周期。n無論是電流采樣值還是轉速采樣值都含有擾動，常采用阻容電路濾波，但濾波時間常數太大

7、時會延緩動態響應，為此可采用硬件濾波與軟件濾波相結合的辦法。n轉速調節器ASR和電流調節器ACR大多采用PI調節，當系統對動態性能要求較高時，還可以采用各種非線性和智能化的控制算法，使調節器能夠更好地適應控制對象。4.2 V-M可逆直流調速系統4.2.1 V-M可逆直流調速系統的主回路及環流1V-M可逆直流調速系統的主回路結構n對于拖動位能性負載的起重機而言，采用單組晶閘管裝置就能實現重物的提升和下放。n當E（E為電動機反電動勢），輸出整流電流Id，電動機產生電磁轉矩作電動運行，提升重物，這時電能從交流電網經晶閘管裝置傳送給電動機，V-M系統運行于第象限。 圖4-7單組V-M系統帶位能性負載時

8、的整流和逆變狀態(a)提升工作，整流狀態 (b)下放工作，逆變狀態 (c)機械特性n90，Ud0為負，晶閘管裝置本身不能輸出電流，電機不能產生轉矩提升重物，只有靠重物本身的重量下降，迫使電機反轉，產生反向的電動勢-E。n當|E|Ud0|時，產生Id，因而產生與提升重物同方向的轉矩，起制動作用，使重物平穩下降。n電動機處于反轉制動狀態，成為受重物拖動的發電機，將重物的位能轉化成電能，通過晶閘管裝置V回饋給電網，V則工作于有源逆變狀態，V-M系統運行于第象限。 n對于需要電流反向的直流電動機可逆調速系統，必須使用兩組晶閘管整流裝置反并聯線路來實現可逆調速。n電動機正轉時，由正組晶閘管裝置VF供電；

9、n反轉時，由反組晶閘管裝置VR供電。 圖4-8兩組晶閘管可控整流裝置反并聯可逆線路正組晶閘管裝置VF整流狀態圖4-9 兩組晶閘管反并聯可逆V-M系統的正組整流和反組逆變狀態(a)正組整流電動運行 nVF處于整流狀態n f 90， Ud0f E， n 0n 電動機從電路輸入能量作電動運行，運行在第象限。 反組晶閘管裝置VR逆變狀態圖3-4 兩組晶閘管反并聯可逆V-M系統的正組整流和反組逆變狀態(b)反組逆變回饋制動 nVR逆變處于狀態nr 90， E |Ud0r|， n 0n電機輸出電能實現回饋制動。nV-M系統工作在第二象限。 圖4-9 兩組晶閘管反并聯可逆V-M系統的正組整流和反組逆變狀態(

10、c)機械特性允許范圍n晶閘管裝置的平均理想空載輸出電壓Ud0為n定義逆變角=180-，則逆變電壓可改寫為n在晶閘管整流裝置反并聯可逆調速系統轉速反向的過渡過程中，在電樞電流未反向前，電流只能在VF與電動機組成的回路中流通，VF組工作在整流狀態 。n當電流過零開始反向時，VR組投入工作，以提供反向電樞電流的通路。電動機工作在回饋制動狀態，VR組工作在逆變狀態。 coscossinmax00dmdUmUmUcosmax00ddUU （4-3）（4-4） 2V-M可逆直流調速系統中的環流問題n兩組晶閘管整流裝置同時工作時，便會產生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作。n一般地說，環流

11、對系統無益，徒然加重晶閘管和變壓器的負擔，消耗功率，環流太大時會導致晶閘管損壞，因此必須予以抑制或消除。 圖4-10 反并聯可逆V-M系統中的環流Id負載電流 Ic環流 Rrec整流裝置內阻 Ra電樞電阻n如果讓正組VF和反組VR都處于整流狀態，兩組的直流平均電壓正負相連，必然產生較大的直流平均環流。n應該在正組處于整流狀態、Ud0f為正時，強迫讓反組處于逆變狀態，使Ud0r為負，且幅值與Ud0f相等，使逆變電壓Ud0r把整流電壓Ud0f頂住，則直流平均環流為零。 fdrdUU00n當環流為零時，應有 或 （4-5）n如果反組的控制角用逆變角表示，則 （4-6）n這稱作=配合控制。為了更可靠地

12、消除直流平均環流，可采用 （4-7）fdfdUUcosmax00rdrdUUcosmax00frcoscos180frrfn為了實現=配合控制，可將兩組晶閘管裝置的觸發脈沖零位都定在90。n當控制電壓 Uc= 0 時，使 f = r = 90，此時 Ud0f = Ud0r = 0 ，電機處于停止狀態。n增大控制電壓Uc 移相時，只要使兩組觸發裝置的控制電壓大小相等符號相反就可以了。圖4-11 配合控制電路GTF正組觸發裝置 GTR反組觸發裝置 AR反號器 是經過反號器AR后獲得 cU圖4-12 =配合控制特性n當控制電壓Uc=0時，f和r都調整在90。n在正轉過程中始終保持f= r ，反轉時應

13、保持f= r 。n為了防止出現“逆變顛覆” ，必須形成最小逆變角min保護。通常取min= min=30 。 4.2.2 V-M可逆直流調速系統的控制1配合控制的有環流可逆V-M系統 n在采用=配合控制以后，消除了直流平均環流，但這只是就電壓的平均值而言的，n由于整流與逆變電壓波形上的差異，仍會出現瞬時電壓 ud0f ud0r 的情況，從而仍能產生環流，這類因為瞬時的電壓差而產生的環流被稱為瞬時脈動環流。n瞬時電壓差和瞬時脈動環流的大小因控制角的不同而異，以下分析三相零式反并聯可逆線路的情況 ，60rf圖4-13 配合控制的三相零式反并聯可逆線路的瞬時脈動環流（ ）(a)三相零式可逆線路和瞬時

14、脈動環流回路 60rf 60ffdu0(b)時整流電壓波形 60r120rrdu0(c)(時逆變電壓波形 )0ducpi(d)瞬時電壓差和瞬時脈動環流波形 n直流平均環流可以用配合控制消除，而瞬時脈動環流卻是自然存在的。n為了抑制瞬時脈動環流，可在環流回路中串入電抗器，叫做環流電抗器，或稱均衡電抗器。n環流電抗的大小可以按照把瞬時環流的直流分量限制在負載額定電流的5%10%來設計。n在三相橋式反并聯可逆線路中，由于每一組橋又有兩條并聯的環流通道，總共要設置四個環流電抗器，另外還需要一個平波電抗器。n在=配合控制下，負載電流可以迅速地從正向到反向（或從反向到正向）平滑過渡，在任何時候，實際上只有

15、一組晶閘管裝置在工作，另一組則處于等待工作的狀態。n移相時，如果一組晶閘管裝置處于整流狀態，另一組便處于逆變狀態，這是指控制角的工作狀態而言的。實際上，這時逆變組除環流外并未流過負載電流，它只是處于“待逆變狀態”，表示該組晶閘管裝置是在逆變角控制下等待工作。n只有在制動時，當發出信號改變控制角后，同時降低了ud0f和ud0r的幅值，一旦電機反電動勢E|ud0f|=|ud0r|，整流組電流將被截止，逆變組才真正投入逆變工作，使電機產生回饋制動，將電能通過逆變組回饋電網。n當逆變組工作時，另一組也是在等待著整流，可稱作處于“待整流狀態”。n直流平均環流和瞬時脈動環流都屬于靜態環流，是兩組可逆線路在

16、一定控制角下穩態工作時出現的環流。n還有一種動態環流，僅在可逆V-M系統處于過渡過程中可能出現。 圖4-14 配合控制的有環流可逆V-M系統原理框圖環流電抗器 平波電抗器 2邏輯控制的無環流可逆V-M系統n邏輯控制的無環流可逆系統邏輯控制的無環流可逆系統:當可逆系統中一組晶閘管工作時（不論是整流工作還是逆變工作），用邏輯關系控制使另一組處于完全封鎖狀態，徹底斷開環流的通路，確保兩組晶閘管不同時工作。n被封鎖那組整流裝置的移相觸發環節應有配合控制所對應的輸入控制信號，但其輸出觸發脈沖通過邏輯控制作用予以封鎖，可以認為是移相觸發環節處于“待工作”狀態，可根據需要隨時送出必要的脈沖信號。圖4-15

17、邏輯控制無環流可逆調速系統原理框圖DLC無環流邏輯控制環節，ZC零電流檢測環節n主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯線路。n由于沒有環流，不用設置環流電抗器。n仍保留平波電抗器 Ld ，以保證穩定運行時電流波形連續。n控制系統采用轉速、電流雙閉環方案。n電流環分設兩個電流調節器，1ACR用來控制正組觸發裝置GTF，2ACR控制反組觸發裝置GTR。n1ACR的給定信號經反號器AR作為2ACR的給定信號，可以采用不反映極性的電流檢測方法。n新增的關鍵部件是無環邏輯控制環節DLC，它按照系統的工作狀態，指揮系統進行正、反組的自動切換。 邏輯切換的必要條件 nASR的輸出信號Ui*代表了轉矩方向，n反轉運行

18、和正轉制動都需要電機產生負的轉矩，正轉運行和反轉制動都需要電機產生正的轉矩，nUi*的極性恰好反映了電機電磁轉矩方向的變化。n采用Ui*作為邏輯控制環節的一個輸入信號，稱作“轉矩極性鑒別信號”。 邏輯切換的充分條件 nUi*的極性已發生變化，表示了系統期望的轉矩極性，n在實際電流方向還未改變之前，仍須保持原先的開放和封鎖組別。n邏輯切換轉折點的特征是電流降低到零。因此要把電流到零信號作為邏輯控制環節的第二個輸入信號，稱作“零電流檢測信號”， n由于主電流的實際波形是脈動的，如果脈動的主電流瞬時低于I0就立即發出零電流數字信號，實際上電流仍在連續地變化，突然封鎖觸發脈沖將產生逆變顛覆。 n在檢測

19、到零電流信號后等待一段時間，若仍不見主電流再超過I0 ，說明電流確已終止，再封鎖本組脈沖。n封鎖延時tabl 大約需要半個到一個脈波的時間。n在封鎖觸發脈沖后，已導通的晶閘管要過一段時間后才能關斷，再過一段時間才能恢復阻斷能力。如果在此以前就開放它組脈沖，仍有可能造成兩組晶閘管同時導通，產生環流。 n開放延時時間 tdt ，一般應大于一個波頭的時間n在邏輯控制環節的兩個輸出信號ublf和ublr之間必須有互相聯鎖的保護，決不允許出現兩組脈沖同時開放的狀態。n現在的邏輯控制無環流可逆調速系統大多已經用微機數字控制實現。 圖4-16邏輯控制切換程序的流程圖 4.2.3 轉速反向的過渡過程分析圖4-

20、4 在坐標系上表示的電動機反向軌跡系統制動過程的三個階段： (1) 本組逆變階段：從a點到b點，電動機正向電流衰減階段，VF組工作； (2) 它組整流階段：從b點到c點，電動機反向電流建立階段，VR組工作； (3) 它組逆變階段：從c點到d點 ，電動機恒值電流制動階段，VR組工作。 如果是反向起動，則從d點開始又一次地進入起動過程。 圖4-17 配合控制有環流可逆直流調速系統正向制動過渡過程波形 1. 本組逆變階段(圖4-17中的階段 )n在正向制動過程以前，電動機是處于正向電動穩定工作狀態，對照圖4-14，由于ASR、ACR調節器的倒相作用，所以圖中參數的極性為：Un*(+) Ui*(-)

21、Uc (+) 。nVF組是工作在整流狀態，稱它為本組；nVR組是工作在待逆變狀態，稱它為它組。n發出停車指令后，進入電動機制動過程中的正向電流衰減階段：Un*(=0) Un(-) Ui*(=U*im) Uc(=-Ucm) n本組VF組由整流狀態很快變成f=min的逆變狀態，n它組VR組由待逆變狀態轉變成待整流狀態。n電動機反電動勢E極性未變，迫使Id迅速下降，主電路電感迅速釋放儲能，企圖維持正向電流，n大部分能量通過本組回饋電網，所以稱作“本組逆變階段”。 rdfddUUEtIL00dd正向運行過程系統狀態+ - - - -+Id有環流系統正向運行過程MVRVF-1ARGTRGTFUcASRA

22、CRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-PnI. 本組逆變階段 在這階段中，電流由正向負載電流下降到零，其方向未變，因此只能仍通過正組VF流通，具體過程如下：l發出停車（或反向）指令后，轉速給定電壓突變為零（或負值）；lASR輸出躍變到正限幅值 +U*im ；lACR輸出躍變成負限幅值 -Ucm ；lVF由整流狀態很快變成的逆變狀態，同時反組VR由待逆變狀態轉變成待整流狀態。l在VF-M回路中，由于VF變成逆變狀態，極性變負，而電機反電動勢 E 極性未變，迫使電流迅速下降，主電路電感迅速釋放儲能，企圖維持正向電流，這時d0rd0fdddUUEtI

23、L大部分能量通過 VF 回饋電網，所以稱作“本組逆變階段”。由于電流的迅速下降，這個階段所占時間很短，轉速來不及產生明顯的變化，其波形圖見圖4-10中的階段 I 。本組逆變過程系統狀態MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-+ - - - -+Id0+-+-l 它組整流階段 （1）Id 過零并反向，直至到達 - Idm 以前，ACR并未脫離飽和狀態，其輸出仍為 - Ucm 。這時，VF和 VR 輸出電壓的大小都和本組逆變階段一樣，但由于本組逆變停止，電流變化延緩， 的數值略減，使d0rd0fdddUUEt

24、ILtILddd（2）反組VR由“待整流”進入整流，向主電路提供 Id 。 由于反組整流電壓 Ud0r 和反電動勢 E 的極性相同，反向電流很快增長，電機處于反接制動狀態，轉速明顯地降低，因此，又可稱作“它組反接制動狀態”。反接制動過程系統狀態+ -MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUcKFKR+-+ - - - -+0+-+Id-l它組逆變階段 當反向電流達到 Idm 并略有超調時，ACR輸出電壓 Uc 退出飽和，其數值很快減小，又由負變正，然后再增大，使VR回到逆變狀態，而 VF 變成待整流狀態。此后，在AC

25、R的調節作用下，力圖維持接近最大的反向電流 Idm ，因而0dddtILd0rd0fUUE 電機在恒減速條件下回饋制動，把動能轉換成電能，其中大部分通過 VR 逆變回饋電網，過渡過程波形為圖4-10中的第 II2 階段，稱作“它組回饋制動階段”或“它組逆變階段”。 由圖可見，這個階段所占的時間最長，是制動過程中的主要階段。 它組回饋制動過程系統狀態+ -MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUcKFKR+-+ - - - -+0+-+ Id+-+- - 在這一階段，轉速下降得很低，無法再維持 -Idm，于是電流立即衰

26、減。 在電流衰減過程中，電感 L上的感應電壓 LdId/dt 支持著反向電流，并釋放出存儲的磁能，與電動機斷續釋放出的動能一起通過VR逆變回饋電網。 如果電機隨即停止，整個制動過程到此結束。+ -MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUcKFKR+-+ - - - -+0+-+ Id+-+- 反向減流過程系統狀態0000000-tttOOOId n Uc 制動過程系統響應曲線I II1II2II3-Idm IdL -Ucm E 圖4-10 配合控制有環流可逆直流調速系統正向制動過渡過程波形n 反向起動 如果需要在制動

27、后緊接著反轉， Id = -Idm的過程就會延續下去，直到反向轉速穩定時為止。 由于正轉制動和反轉起動的過程完全銜接起來，沒有間斷或死區，這是有環流可逆調速系統的優點，適用于要求快速正反轉的系統。MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-+ - - - -+Id0+-+反向起動過程系統狀態Id-+-+-00-+-+-+-IdL Id n Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 ttIVVVIt5 t6 -Idm -IdL n* -n* 有環流系統可逆運行曲線2它組整流階段（圖4-17中的階段 ）n當

28、主電路電流下降過零時，本組逆變終止，第階段結束，轉到它組VR工作，開始通過它組制動。n當 時，它組VR由“待整流”進入整流，向主電路提供-Id。本組VF由“逆變”進入待逆變。 n在它組整流電壓Udor和反電動勢E的同極性的情況下，反向電流很快增長，電機處于反接制動狀態，稱作 “它組反接制動階段”。rdfddUUEtIL00dd3它組逆變階段（圖4-17中的階段 ）nACR調節器退飽和的唯一途徑是反向電流Idm的超調，此超調表示了制動軌跡圖中的電動機恒值電流制動階段的開始：nACR的控制目標是維持Id= Idm 。由于ACR是型系統，電流調節系統的擾動是電動機的反電動勢，它是一個線性漸減的擾動量，所以系統做不到無靜差，而是接近于 -Idm 。 n電動機在恒減速條件下回饋制動，把屬于機械能的動能轉換成電能，其中大部分通過VR逆變回饋電網，稱作“它組逆變階段”或“它組回饋制動階段”。n“它組反接制動階段”和“它組逆變階段”都是反組VR工作，直到制動結束，總稱它們為“它組制動階段”。n最后，轉速下降得很低，并略有反轉，ASR開始退飽和。于是，電流減小，電動機隨即停止。n如果需要