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n電動機除電動轉矩外電動機除電動轉矩外還須產生制動轉矩，還須產生制動轉矩，實現生產機械快速的實現生產機械快速的減速、停車與正反向減速、停車與正反向運行等功能。運行等功能。n在轉速和電磁轉矩的在轉速和電磁轉矩的坐標系上，就是四象坐標系上，就是四象限運行的功能，限運行的功能，n這樣的調速系統需要這樣的調速系統需要正反轉，故稱可逆調正反轉，故稱可逆調速系統。速系統。圖4-1 調速系統的四象限運行有制動電流通路的不可逆有制動電流通路的不可逆PWM電路電路請問：請

2、問：以下曾經學過的哪個以下曾經學過的哪個PWM電路可實現電機電路可實現電機的正反轉運行？的正反轉運行？n下圖雖帶制動電流通路，且其電流能夠反向，但仍稱之為不可逆，原因為其轉速不轉速不能反向。能反向。4.1 直流PWM可逆調速系統 n如果要求轉速反向，需要改變如果要求轉速反向，需要改變PWM變換器變換器輸出電壓的正負極性，使得直流電動機可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，由此構成了可逆的以在四象限中運行，由此構成了可逆的PWM變換器變換器-直流電動機系統。直流電動機系統。轉速可反向的轉速可反向的為可逆系統為可逆系統轉速不可反向的轉速不可反向的為不可逆系統為不可逆系統4.1.1

3、 橋式可逆PWM變換器圖4-2橋式可逆PWM變換器電路n電流波形存在兩種情況。電流波形存在兩種情況。n電動機負載較重的情況時，負載電流電動機負載較重的情況時，負載電流id1大，在續流大，在續流階段電流仍維持正方向，電動機始終工作在第階段電流仍維持正方向，電動機始終工作在第象象限的電動狀態。限的電動狀態。n負載很輕時，平均電流小，在續流階段電流很快衰負載很輕時，平均電流小，在續流階段電流很快衰減到零，于是二極管終止續流，而反向開關器件導減到零，于是二極管終止續流，而反向開關器件導通，電樞電流反向，電動機處于制動狀態。通，電樞電流反向，電動機處于制動狀態。 id2電電流中的線段流中的線段3和和4是

4、工作在第是工作在第象限的制動狀態。象限的制動狀態。n電樞電流的方向決定了電流是經過續流二極管還是電樞電流的方向決定了電流是經過續流二極管還是經過開關器件流動經過開關器件流動。 n雙極式控制可逆雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為變換器的輸出平均電壓為n占空比占空比和電壓系數和電壓系數的關系為的關系為 n當當1/2時，時，為正，電動機正轉；當為正，電動機正轉；當1/2時，時， 為負，電動機反轉；當為負，電動機反轉；當=1/2時，時， =0，電動機，電動機停止。停止。 sonsonsondUTtUTtTUTtU) 12(12（4-1） （4-2） n雙極式控制的橋式可逆雙極式控制的橋式可逆P

5、WM變換器有下列優點：變換器有下列優點：（1）電流一定連續；）電流一定連續；（2）可使電動機在四象限運行；）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；）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；）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）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。于保證器件的可靠導通。n雙極式控制方式的不足之處是：雙極式控制方式的不足之處是： 在工作過程中，在工作過程中，4個開關器件可能都個開關器件可能都處于開關狀態，開關損耗大，而且在切換處于開關狀

6、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，防止直通，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時。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點過渡到點過渡到b點，點，Id從正向從正向IdL降降低為零。低為零。n b點過渡到點過渡到c點點 ， Id從零反向從零反向上升到允許的制動電流上升到允許的制動電流-Idm 。nc點過渡到點過渡到d點點 ，回饋制動狀態，回饋制動狀態，轉速將減速到轉速將減速到0 。nd點過渡到點過渡到e點點 ，反向起動狀，反向起動狀態態 ,轉速要超調，

7、轉速環退飽轉速要超調，轉速環退飽和和 。n在在f點穩定工作，電樞電流與負點穩定工作，電樞電流與負載電流載電流-IdL相等。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

8、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 單片微機控制的單片微機控制的PWM可逆直流可逆直流 調速系統調速系統n三相交流電源經不可控整流器變換三相

9、交流電源經不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經過直為電壓恒定的直流電源，再經過直流流PWM變換器得到可調的直流電變換器得到可調的直流電壓，給直流電動機供電。壓，給直流電動機供電。n檢測回路包括電壓、電流、溫度和檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉速檢測，轉速檢測用數字測速。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壓、電流、溫度等信號進行實時監測和報警。測和報警。n一般選用專為電機控制設計的單片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，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

10、外設通過通信接口與上位機或其他外設交換數據。交換數據。 n控制軟件一般采用轉速、電流雙閉環控制，電流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。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，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時會常采用阻容電路濾波，但濾波時間常數太大時會延緩動態響應，為此可采用硬件濾波與軟件濾波延緩動態響應，為此可采用硬件濾波與軟件濾波相結合的辦法。相結合的辦法。n轉速調節器轉速調節器ASR和電流調節器和電流調節器ACR大

11、多采用大多采用PI調調節，當系統對動態性能要求較高時，還可以采用節，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。更好地適應控制對象。4.2 V-M可逆直流調速系統1V-M可逆直流調速系統的主回可逆直流調速系統的主回路結構路結構n對于拖動位能性負載的起重機而言，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采用單組晶閘管裝置就能實現重物的提升和下放。的提升和下放。n當當E（E為電動機反電動勢），輸出整為電動機反電動勢），輸出整流電流流電流Id，電動機產生電磁轉矩作，電動機產生電磁轉矩

12、作電動運行，提升重物，這時電能從電動運行，提升重物，這時電能從交流電網經晶閘管裝置傳送給電動交流電網經晶閘管裝置傳送給電動機，機，V-M系統運行于第系統運行于第象限。象限。 4.2.1 V-M可逆直流調速系統的主回路及環流可逆直流調速系統的主回路及環流n90，Ud0為負，晶閘管裝置本身為負，晶閘管裝置本身不能輸出電流，電機不能產生轉矩提不能輸出電流，電機不能產生轉矩提升重物，只有靠重物本身的重量下降，升重物，只有靠重物本身的重量下降，迫使電機反轉，產生反向的電動勢迫使電機反轉，產生反向的電動勢-E。n當當|E|Ud0|時，產生時，產生Id，因而產生與提，因而產生與提升重物同方向的轉矩，起制動作

13、用，升重物同方向的轉矩，起制動作用，使重物平穩下降。使重物平穩下降。n電動機處于反轉制動狀態，成為受重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，通過晶閘管裝置成電能，通過晶閘管裝置V回饋給電回饋給電網，網，V則工作于有源逆變狀態，則工作于有源逆變狀態，V-M系統運行于第系統運行于第象限。象限。 n對于需要電流反向的直流電動機可逆調速系統，必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須使用兩組晶閘管整流裝置反并聯線路來實現可逆調速。調速。n電動機正轉時，由正組晶閘管裝置電動機正轉時，由正組

14、晶閘管裝置VF供電；供電；n反轉時，由反組晶閘管裝置反轉時，由反組晶閘管裝置VR供電。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處于整流狀態處于整流狀態n f 90， Ud0f E， n 0n 電動機從電路輸電動機從電路輸入能量作電動運入能量作電動運行，運行在第行，運行在第象限。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

15、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(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coscossinmax00dmdUmUmUcosmax00ddUU （4-3）（4-4） n在電樞電流未反向前（從在電樞電流未反向前（從a點點到到b點），電流只能在點），電流只能在VF與與電動機組成的回路中流通，電動機組成的回路中流通，VF組工作在整流狀態組工作在整流狀態 ，但電，但電壓壓Ud和和Id都在衰減。都在衰減。n當電流過零開始反向時，當電流過零開始反向時，VR組投入工

16、作，以提供反向電組投入工作，以提供反向電樞電流的通路。電動機工作樞電流的通路。電動機工作在回饋制動狀態，在回饋制動狀態，VR組工作組工作在逆變狀態。在逆變狀態。2V-M可逆直流調速系統中的環流問題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，過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作稱作。n一般地說，環流對系統無益，徒然加重晶閘管和一般地說，環流對系統無益，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

17、抑制或消除。閘管損壞，因此必須予以抑制或消除。 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，應有當環流為零時，應有 或或 （4-5）n如果反組的控制角用逆變角表示，則如果反組的控制角用逆變角表示，則 （4-6）n這稱作這稱作=配合控制。為了更可靠地消除直流平均配合控制。為了更可靠地消除直流平均環流，可采用環流，可采用 （4-7）fdfdUUco

18、smax00rdrdUUcosmax00frcoscos180frrfn為了實現為了實現=配合控制，可以：配合控制，可以：（1）當控制電壓）當控制電壓 Uc= 0 時，使時，使 f = r = 90，此時此時 Ud0f = Ud0r = 0 ，電機處于停止狀態。，電機處于停止狀態。（2）增大控制電壓）增大控制電壓Uc 移相時，只要使兩組觸移相時，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發裝置的控制電壓大小相等符號相反就可以了。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

19、和r都調整在90。n在正轉過程中始終保持f= r ，反轉時應保持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 。 4.2.3 轉速反向的過渡過程分析圖4-4 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。1. 本組逆變階段本組逆變階段(階段階段 )n發出停車指

20、令后，進入電動機制發出停車指令后，進入電動機制動過程中的正向電流衰減階段：動過程中的正向電流衰減階段：Un*(=0) Un(-) Ui*(=U*im) Uc(=-Ucm) ,本組本組VF組由整流狀組由整流狀態很快變成態很快變成f=min的逆變狀態，的逆變狀態，它組它組VR組由待逆變狀態轉變成組由待逆變狀態轉變成待整流狀態。待整流狀態。n電動機反電動勢電動機反電動勢E極性未變，迫極性未變，迫使使Id迅速下降，主電路電感迅速迅速下降，主電路電感迅速釋放儲能，企圖維持正向電流，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，大部分能量通過本組回饋電網，所以稱作所以稱作“本組逆變階段本組逆變階段”。 a點到點到b點點2它組整流階段（階段 ）nId過零并反向，直到到達-Idm之前，ACR并未脫離飽和狀態，其輸出仍為-Ucmn本組逆變停止，反組進入整流階段，向主電路提供-Id。 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”。I