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1、运动控制系统第第3章章可逆、弱磁控制的可逆、弱磁控制的直流调速系统直流调速系统 n可逆直流调速系统可逆直流调速系统 n弱磁控制的直流调速系统弱磁控制的直流调速系统 内内 容容 提提 要要3.1 可逆直流调速系统可逆直流调速系统n电动机不仅要能提供带动生产机械运电动机不仅要能提供带动生产机械运动的电动转矩，还能产生制动转矩，动的电动转矩，还能产生制动转矩，实现生产机械快速的减速、停车与正实现生产机械快速的减速、停车与正反向运行等功能。反向运行等功能。n直流电动机采用电力电子装置供电时，直流电动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，问由于电力电子器件的单向导电性，问题就变得复杂起
2、来了。题就变得复杂起来了。调速系统的四象限运行调速系统的四象限运行图3-1 调速系统的四象限运行n以转速和电磁转矩的以转速和电磁转矩的坐标系表征之，就坐标系表征之，就是要求运动控制系是要求运动控制系统具有在该坐标系统具有在该坐标系上作四象限运行的上作四象限运行的功能，由于这样的功能，由于这样的调速系统转速可以调速系统转速可以反向，故称作可逆反向，故称作可逆调速系统。调速系统。3.1.1 相控整流器相控整流器-可逆直流调速可逆直流调速系统的主回路结构系统的主回路结构n对卷扬机械这一类位能性负载，其特点是对卷扬机械这一类位能性负载，其特点是在运动过程中负载转矩恒定（不计空载损在运动过程中负载转矩恒
3、定（不计空载损耗的影响），它贯穿于耗的影响），它贯穿于、象限。象限。n当调速系统带有这一类负载时，不论作正当调速系统带有这一类负载时，不论作正向运行还是反向运行，电机的电磁转矩大向运行还是反向运行，电机的电磁转矩大小与方向都不变，与小与方向都不变，与TL相等；相等；n其运行状态有正转其运行状态有正转电动状态、与反转电动状态、与反转制动状态两种。制动状态两种。单组单组V-M系统系统图图3-2 单组单组V-M系统带位能性负载时的整流和逆变状态系统带位能性负载时的整流和逆变状态注意电流注意电流方向方向单组晶闸管装置的整流状态单组晶闸管装置的整流状态n当当E（E为电机反电动势），输为电机反电动势），输
4、出整流电流，出整流电流，n电机产生电磁转矩作电动运行，提升重物，电机产生电磁转矩作电动运行，提升重物，n电能从交流电网经晶闸管装置电能从交流电网经晶闸管装置V传送给电传送给电动机，动机，V处于整流状态，处于整流状态，V-M系统运行于第系统运行于第一象限。一象限。单组晶闸管装置的有源逆变单组晶闸管装置的有源逆变n当当90时，时，Ud为负，晶闸管装置本身不能输为负，晶闸管装置本身不能输出电流，电机不能产生转矩提升重物，出电流，电机不能产生转矩提升重物，n重物靠本身的重量下降，迫使电机反转，感重物靠本身的重量下降，迫使电机反转，感生反向的电动势，图中标明了它的极性。生反向的电动势，图中标明了它的极性
5、。n产生了与整流时产生了与整流时同方向同方向的电流，产生了与提的电流，产生了与提升重物同方向的转矩，起制动作用，升重物同方向的转矩，起制动作用，n电动机处于带位能性负载反转制动状态，将电动机处于带位能性负载反转制动状态，将重物的位能转化成电能，通过晶闸管装置重物的位能转化成电能，通过晶闸管装置V回回馈给电网，馈给电网，nV工作于逆变状态，工作于逆变状态，V-M系统运行于第四象限。系统运行于第四象限。两组晶闸管装置反并联的整流和逆变两组晶闸管装置反并联的整流和逆变n当要求直流电动机能工作在正向电动（象限当要求直流电动机能工作在正向电动（象限）和反向电动（象限）和反向电动（象限）状态时，电动机）状
6、态时，电动机需要产生正向或反向的电动转矩。需要产生正向或反向的电动转矩。n在励磁电流维持额定且方向不变时，需要在励磁电流维持额定且方向不变时，需要改改变电枢电流方向变电枢电流方向来改变电动机的转矩方向，来改变电动机的转矩方向，n由于晶闸管的单向导电性，通常采用两组晶由于晶闸管的单向导电性，通常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，闸管可控整流装置反并联的可逆线路，反并联的可逆线路反并联的可逆线路 图图3-3 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路正组晶闸管装置正组晶闸管装置VF整流整流nVF处于整流状态处于整流状态n f 90，Ud0f E，n 0n 电
7、动机从电路输电动机从电路输入能量作电动运入能量作电动运行，行，运行在第运行在第象限。象限。图3-4 两组晶闸管反并联可逆V-M系统的正组整流和反组逆变状态(a)正组整流电动运行 反组晶闸管装置反组晶闸管装置VR逆变逆变nVR逆变处于状态逆变处于状态n r 90，E|Ud0r|，n 0n电电机机输输出出电电能能实实现回馈制动。现回馈制动。nV-M系系统统工工作作在在第二象限。第二象限。图3-4 两组晶闸管反并联可逆V-M系统的正组整流和反组逆变状态(b)反组逆变回馈制动 机械特性范围机械特性范围图3-4 两组晶闸管反并联可逆V-M系统的正组整流和反组逆变状态(c)机械特性允许范围V-M系统的四象
8、限运行系统的四象限运行n在可逆调速系统中，正转运行时可利用反组晶闸在可逆调速系统中，正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动，反转运行时同样可以利用正组管实现回馈制动，反转运行时同样可以利用正组晶闸管实现回馈制动。晶闸管实现回馈制动。n采用两组晶闸管装置的反并联，可实现电动机的采用两组晶闸管装置的反并联，可实现电动机的四象限运行。四象限运行。n对于不可逆调速系统，如果它需要快速的制动，对于不可逆调速系统，如果它需要快速的制动，它也需要采用两组反并联的晶闸管装置，实现回它也需要采用两组反并联的晶闸管装置，实现回馈制动，否则它只能是自由停车或者是能耗制动馈制动，否则它只能是自由停车或者是能耗制动了，
9、效果都较差。了，效果都较差。表表3-1 V-M系统反并联可逆线路的工作状态系统反并联可逆线路的工作状态 V-M系统的工作状态正向运行正向制动反向运行反向制动电枢端电压极性+电枢电流极性+电机旋转方向+电机运行状态电动电动回馈发电回馈发电电动电动回馈发电回馈发电晶闸管工作的组别和状态正组整流正组整流反组逆变反组逆变反组整流反组整流正组逆变正组逆变机械特性所在象限一一二二三三四四3.1.2 可逆可逆V-M系统的环流系统的环流n在使用反并联的在使用反并联的V-M可逆电路时，在可逆电路时，在一定的条件下，会产生不流过负载而一定的条件下，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直接在两组晶闸管
10、之间流通的短路电流，称作流，称作环流环流。n原因是两组晶闸管装置的输出存在电原因是两组晶闸管装置的输出存在电压差。压差。环流的形成环流的形成图图3-5 反并联可逆反并联可逆V-M系统中的环流系统中的环流Id-负载电流负载电流 Ic-环流环流 Rrec-整流装置内阻整流装置内阻 Ra-电枢电阻电枢电阻 配合控制原理配合控制原理n当正组当正组VF和反组和反组VR都处于整流状态时，都处于整流状态时，两组的直流平均电压正负相连，必然产生两组的直流平均电压正负相连，必然产生较大的环流。较大的环流。n如果在正组处于整流状态，如果在正组处于整流状态，ud0f=+时，强迫时，强迫让反组处于逆变状态，让反组处于
11、逆变状态，ud0r=-，且幅值与，且幅值与ud0f相等，使逆变电压把整流电压顶住，则相等，使逆变电压把整流电压顶住，则环流为零。环流为零。n于是于是=配合控制配合控制 n当环流为零时，应有当环流为零时，应有 或或 （3-1）n如果反组的控制角用逆变角表示，则如果反组的控制角用逆变角表示，则 （3-2）“待待”工作状态工作状态 n在配合控制下工作的两组晶闸管装置在配合控制下工作的两组晶闸管装置始终都是一组整流装置在工作，另一始终都是一组整流装置在工作，另一组不工作，组不工作，n不工作是指该组整流装置不导通，其不工作是指该组整流装置不导通，其直流侧无输出电流，但它的驱动触发直流侧无输出电流，但它的
12、驱动触发信号仍然存在，此不工作状态被称为信号仍然存在，此不工作状态被称为“待待”工作状态。工作状态。整流与待逆变整流与待逆变在正向运行时：在正向运行时：nVF组是整流状态，组是整流状态，RF组是待逆变状组是待逆变状态，态，或，或 ，n由于整流装置的单向导电性，只能是由于整流装置的单向导电性，只能是VF组晶闸管工作，组晶闸管工作，VR组晶闸管待工组晶闸管待工作。作。待整流与逆变待整流与逆变 在正向制动的回馈制动时：，在正向制动的回馈制动时：，n把动能转换为电能送回电网，根据制把动能转换为电能送回电网，根据制动电流的要求，改变了触发控制角的动电流的要求，改变了触发控制角的大小，大小，或，或 ，n由
13、于整流装置的单向导电性，反向电由于整流装置的单向导电性，反向电流只能通过流只能通过VR组晶闸管的逆变工作状组晶闸管的逆变工作状态返回电网，态返回电网，VF组晶闸管变成为待整组晶闸管变成为待整流工作状态。流工作状态。=配合控制方法配合控制方法 n为了实现配合控制，可将两组晶闸管装为了实现配合控制，可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在置的触发脉冲零位都定在90，即，即n当控制电压当控制电压 Uc=0 时，使时，使 f=r=90，此时此时 Ud0f=Ud0r=0，电机处于电机处于停止状态。停止状态。n增大控制电压增大控制电压Uc 移相时，只要使两组移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等符号相
14、触发装置的控制电压大小相等符号相反就可以了。反就可以了。图图3-6 配合控制特性配合控制特性=配合控制特性配合控制特性 消除直流平均环流消除直流平均环流 n在实施配合控制时，达到的目标是在实施配合控制时，达到的目标是Ud0r=-Ud0f，指的是两组晶闸管装置的，指的是两组晶闸管装置的直流平均电压相等，它所防止的环流直流平均电压相等，它所防止的环流被称为被称为直流平均环流直流平均环流。n在工程上为了更可靠地消除直流平均在工程上为了更可靠地消除直流平均环流，可采用环流，可采用（3-3）防止逆变颠覆防止逆变颠覆 n为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致
15、换流失败，出现变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠逆变颠覆覆”现象，必须在控制电路中进行限幅，现象，必须在控制电路中进行限幅，形成最小逆变角形成最小逆变角min保护。保护。n根据式（根据式（3-3）的要求，对）的要求，对角也实施保护，角也实施保护，以免出现以免出现而产生直流平均环流。而产生直流平均环流。n通常取通常取 图图3-7 配合控制电路配合控制电路GTF正组触发装置正组触发装置 GTR反组触发装置反组触发装置 AR反号器反号器=配合控制电路配合控制电路 瞬时脉动环流瞬时脉动环流 n在采用在采用=配合控制以后，消除了直配合控制以后，消除了直流平均环流，但这只是就电压的平均流平均环流，但这只
16、是就电压的平均值而言的，值而言的，n由于整流与逆变电压波形上的差异，由于整流与逆变电压波形上的差异，仍会出现瞬时电压仍会出现瞬时电压 的情况，的情况，从而仍能产生环流，这类因为瞬时的从而仍能产生环流，这类因为瞬时的电压差而产生的环流被称为电压差而产生的环流被称为瞬时脉动瞬时脉动环流环流。瞬时脉动环流的产生瞬时脉动环流的产生n瞬时电压差和瞬时脉动环流的大小因瞬时电压差和瞬时脉动环流的大小因控制角的不同而异。控制角的不同而异。n以以 f =r=60为例，分析三相零式为例，分析三相零式反并联可逆线路产生瞬时脉动环流的反并联可逆线路产生瞬时脉动环流的情况，这里采用零式线路的目的只是情况，这里采用零式线
17、路的目的只是为了绘制波形简单。为了绘制波形简单。三相零式反并联可逆线路三相零式反并联可逆线路图图3-8 配合控制配合控制的三相零式反的三相零式反并联可逆线路并联可逆线路的瞬时脉动环的瞬时脉动环流（流（）(a)三相零式三相零式可逆线路和瞬时可逆线路和瞬时脉动环流回路脉动环流回路(b)时整流电压波形(c)(时逆变电压波形)(d)瞬时电压差和瞬时脉动环流波形 瞬时脉动环流的产生瞬时脉动环流的产生n正组整流电压和反组逆变电压之间的瞬正组整流电压和反组逆变电压之间的瞬时电压差，时电压差，ud0=ud0f ud0rn由于这个瞬时电压差的存在，便在两组由于这个瞬时电压差的存在，便在两组晶闸管之间产生了瞬时脉
18、动环流晶闸管之间产生了瞬时脉动环流 icp。n又由于晶闸管的单向导电性，只能在一又由于晶闸管的单向导电性，只能在一个方向脉动，所以瞬时脉动环流也有直个方向脉动，所以瞬时脉动环流也有直流分量流分量Icp，但但Icp与平均电压差所产生的与平均电压差所产生的直流平均环流在性质上是根本不同的。直流平均环流在性质上是根本不同的。瞬时脉动环流的抑制瞬时脉动环流的抑制n直流平均环流可以用配合控制消除，而瞬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，时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，叫做叫做环流电抗器环流
19、电抗器，或称均衡电抗器，如图，或称均衡电抗器，如图3-8(a)中的中的 Lc1和和 Lc2。n环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直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流分量限制在负载额定电流的5%10%来来设计设计。瞬时脉动环流的抑制瞬时脉动环流的抑制n在三相桥式反并联可逆线路中，由于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，每一组桥又有两条并联的环流通道，总共要设置四个环流电抗器，另外还总共要设置四个环流电抗器，另外还需要一个平波电抗器。需要一个平波电抗器。图图3-9 配合控制的有环流配合控制的有环流 可逆可逆V-M系统原理框图系统原理框图电流
20、传感器要正确反电流传感器要正确反映实际电流的极性映实际电流的极性 3.1.3转速制动过程的分析转速制动过程的分析n电动机作正向电动工作，由电动机作正向电动工作，由VF供电。供电。n在系统获停车指令后，电动机电流先在系统获停车指令后，电动机电流先要从当前电流降低到零。要从当前电流降低到零。n在电流未反向之前，它只能在在电流未反向之前，它只能在VF与电与电动机组成的回路中流通，动机组成的回路中流通，VF组工作在组工作在逆变状态，为电流提供衰减的通路。逆变状态，为电流提供衰减的通路。n当电流过零开始反向时，应由当电流过零开始反向时，应由VR组投组投入工作以提供反向电枢电流的通路。入工作以提供反向电枢
21、电流的通路。n反向制动电流从零增大到所规定的制反向制动电流从零增大到所规定的制动电流值。动电流值。n通过电流环的控制作用维持电流不变通过电流环的控制作用维持电流不变以获得理想的制动过程，使得电动机以获得理想的制动过程，使得电动机减速直到停车或者进一步地反向升速减速直到停车或者进一步地反向升速到指定的反向转速。到指定的反向转速。正向制动的运行轨迹正向制动的运行轨迹 n系统制动过程的三个阶段：系统制动过程的三个阶段：(1)本组逆变阶段：电动机正本组逆变阶段：电动机正向电流衰减阶段，向电流衰减阶段，VF组工组工作；作；(2)它组建流阶段：电动机反它组建流阶段：电动机反向电流建立阶段，向电流建立阶段，
22、VR组工组工作；作；(3)它组逆变阶段：电动机恒它组逆变阶段：电动机恒值电流制动阶段，值电流制动阶段，VR组工组工作。作。图3-10 在表示的电动机制动轨迹坐标系上 图图3-11 配合控制配合控制有环流可逆直流调有环流可逆直流调速系统正向制动过速系统正向制动过渡过程波形渡过程波形 1本组逆变阶段本组逆变阶段n在正向制动过程以前，电动机是处于正向在正向制动过程以前，电动机是处于正向电动稳定工作状态，对照图电动稳定工作状态，对照图3-9，由于，由于ASR、ACR调节器的倒相作用，所以图中参数的调节器的倒相作用，所以图中参数的极性为：极性为：。nVF组是工作在整流状态，称它为本组；组是工作在整流状态
23、，称它为本组；nVR组是工作在待逆变状态，称它为它组。组是工作在待逆变状态，称它为它组。n发出停车指令后，进入电动机制动过程中发出停车指令后，进入电动机制动过程中的正向电流衰减阶段：的正向电流衰减阶段：n本组本组VF组由整流状态很快变成组由整流状态很快变成 的逆变状态，的逆变状态，n反组反组VR组由待逆变状态转变成待整流状态。组由待逆变状态转变成待整流状态。n电动机反电动势电动机反电动势E极性未变，迫使极性未变，迫使Id迅速下迅速下降，主电路电感迅速释放储能，企图维持降，主电路电感迅速释放储能，企图维持正向电流，正向电流，n大部分能量通过本组回馈电网，所以称作大部分能量通过本组回馈电网，所以称
24、作“本组逆变阶段本组逆变阶段”。n波形图见图波形图见图3-11中的中的阶段阶段。2它组建流阶段它组建流阶段n当主电路电流下降过零时，本组逆变终止，当主电路电流下降过零时，本组逆变终止，第第1阶段结束，转到反组阶段结束，转到反组VR工作，开始通工作，开始通过反组制动。过反组制动。n它是电动机反向电流建立阶段，目的是让它是电动机反向电流建立阶段，目的是让反向电流快速地增长。反向电流快速地增长。n当当 时，时，意味着反向电流建，意味着反向电流建流阶段的开始。流阶段的开始。n当当 时，反组时，反组VR由由“待整待整流流”进入整流，向主电路提供。正组进入整流，向主电路提供。正组VF由由“逆变逆变”进入待
25、逆变。进入待逆变。n在反组整流电压和反电动势在反组整流电压和反电动势E的同极性的情的同极性的情况下，反向电流很快增长，电机处于反接况下，反向电流很快增长，电机处于反接制动状态，制动状态，n波形见图波形见图4-10中的中的阶段阶段，可称作，可称作“它组它组建流状态建流状态”或或“它组反接制动阶段它组反接制动阶段”。3它组逆变阶段它组逆变阶段nACR调节器退饱和的唯一途径是反向电流调节器退饱和的唯一途径是反向电流Idm的超调，此超调表示了制动轨迹图中的的超调，此超调表示了制动轨迹图中的电动机恒值电流制动阶段的开始：电动机恒值电流制动阶段的开始：nACR的控制目标是维持的控制目标是维持Id=Idm。
26、由于。由于ACR是是型系统，电流调节系统的扰动是电动型系统，电流调节系统的扰动是电动机的反电动势，它是一个线性渐减的扰动机的反电动势，它是一个线性渐减的扰动量，所以系统做不到无静差，而是接近于量，所以系统做不到无静差，而是接近于 -Idm。n电动机在恒减速条件下回馈制动，把电动机在恒减速条件下回馈制动，把属于机械能的动能转换成电能，其中属于机械能的动能转换成电能，其中大部分通过大部分通过VR逆变回馈电网，逆变回馈电网，n过渡过程波形为图过渡过程波形为图3-11中的中的第第阶段阶段，称作称作“它组逆变阶段它组逆变阶段”或或“它组回馈它组回馈制动阶段制动阶段”。正转制动和反转起动正转制动和反转起动
27、 n最后，转速下降得很低，无法再维持最后，转速下降得很低，无法再维持-Idm，电，电流和转速都减小，电机随即停止。流和转速都减小，电机随即停止。n如果需要在制动后紧接着反转，如果需要在制动后紧接着反转，Id=-Idm的过程的过程就会延续下去，直到反向转速稳定时为止。就会延续下去，直到反向转速稳定时为止。n正转制动和反转起动的过程完全衔接起来，没正转制动和反转起动的过程完全衔接起来，没有间断或死区，这是有环流可逆调速系统的优有间断或死区，这是有环流可逆调速系统的优点，适用于要求快速正反转的系统。点，适用于要求快速正反转的系统。3.1.4 无环流控制的可逆无环流控制的可逆 晶闸管晶闸管-电动机系统
28、电动机系统n无环流控制可逆系统是指既没有直流平均无环流控制可逆系统是指既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的可逆调速系统。环流又没有瞬时脉动环流的可逆调速系统。n按照实现无环流控制原理的不同，无环流按照实现无环流控制原理的不同，无环流可逆系统又有两大类：逻辑控制无环流系可逆系统又有两大类：逻辑控制无环流系统和错位控制无环流系统。统和错位控制无环流系统。逻辑控制的无环流可逆系统逻辑控制的无环流可逆系统 n当可逆系统中一组晶闸管工作时（不论是当可逆系统中一组晶闸管工作时（不论是整流工作还是逆变工作），使另一组处于整流工作还是逆变工作），使另一组处于完全完全封锁状态封锁状态，从而彻底断开了环流的通，
29、从而彻底断开了环流的通路。路。n所谓封锁状态是指该整流装置没有触发脉所谓封锁状态是指该整流装置没有触发脉冲送入，此时的整流装置也就不处于冲送入，此时的整流装置也就不处于“等等待待”工作状态。从根本上切断了环流的通工作状态。从根本上切断了环流的通路，这就是路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统逻辑控制的无环流可逆系统。逻辑控制无环流可逆调速系统原理逻辑控制无环流可逆调速系统原理 图图3-12 逻辑控制无环流可逆调速系统原理框图逻辑控制无环流可逆调速系统原理框图DLC无环流逻辑控制环节，无环流逻辑控制环节，ZC零电流检测环节零电流检测环节系统结构的特点系统结构的特点n主电路采用两组晶闸管装置反并联线路
30、。主电路采用两组晶闸管装置反并联线路。n由于没有环流，不用设置环流电抗器。由于没有环流，不用设置环流电抗器。n仍保留平波电抗器仍保留平波电抗器 Ld，以保证稳定运行以保证稳定运行时电流波形连续。时电流波形连续。n控制系统采用转速、电流双闭环方案。控制系统采用转速、电流双闭环方案。n电流环分设两个电流调节器，电流环分设两个电流调节器，1ACR用来用来控制正组触发装置控制正组触发装置GTF，2ACR控制反组控制反组触发装置触发装置GTR。系统结构的特点系统结构的特点n1ACR的给定信号经反号的给定信号经反号器器AR作为作为2ACR的给的给定信号，因此电流反馈信号的极性不需要变化，定信号，因此电流反
31、馈信号的极性不需要变化，可以采用不反映极性的电流检测方法。可以采用不反映极性的电流检测方法。n新增的部件是无环逻辑控制环节新增的部件是无环逻辑控制环节DLC，这是系，这是系统中的关键环节，它按照系统的工作状态，指统中的关键环节，它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动切换。挥系统进行正、反组的自动切换。无环流逻辑控制环节无环流逻辑控制环节 n无环流逻辑控制环节（无环流逻辑控制环节（DLC）的任务是：）的任务是：n当需要切换到正组晶闸管当需要切换到正组晶闸管VF工作时，封锁工作时，封锁反组触发脉冲而开放正组脉冲；反组触发脉冲而开放正组脉冲；n在任何情况下，两个信号在任何情况下，两个信号
32、和和 必须必须是相反的，决不允许两组晶闸管同时开放是相反的，决不允许两组晶闸管同时开放脉冲。脉冲。逻辑切换的必要条件逻辑切换的必要条件 nASR的输出信号的输出信号Ui*代表了转矩方向，代表了转矩方向，n反转运行和正转制动都需要电机产生负的反转运行和正转制动都需要电机产生负的转矩，正转运行和反转制动都需要电机产转矩，正转运行和反转制动都需要电机产生正的转矩，生正的转矩，nUi*的极性恰好反映了电机电磁转矩方向的的极性恰好反映了电机电磁转矩方向的变化。变化。n采用采用Ui*作为逻辑控制环节的一个输入信号，作为逻辑控制环节的一个输入信号，称作称作“转矩极性鉴别信号转矩极性鉴别信号”。逻辑切换的充分
33、条件逻辑切换的充分条件 nUi*的极性已发生变化，表示了系统期望的的极性已发生变化，表示了系统期望的转矩极性，转矩极性，n在实际电流方向还未改变之前，仍须保持在实际电流方向还未改变之前，仍须保持原先的开放和封锁组别。原先的开放和封锁组别。n逻辑切换转折点的特征是电流降低到零。逻辑切换转折点的特征是电流降低到零。因此要把电流到零信号作为逻辑控制环节因此要把电流到零信号作为逻辑控制环节的第二个输入信号，称作的第二个输入信号，称作“零电流检测信零电流检测信号号”，切换的封锁延时切换的封锁延时(a)无封无封锁锁延延时时，造成逆，造成逆变颠变颠覆覆 (b)设设置封置封锁锁延延时时，保，保证证安全安全零电
34、流检测器最小动作电流零电流检测器输出信号封锁正组脉冲信号封锁延时时间图3-13 零电流检测和封锁延时的作用n由于主电流的实际波形是脉动的，如果脉动由于主电流的实际波形是脉动的，如果脉动的主电流瞬时低于的主电流瞬时低于I0就立即发出零电流数字就立即发出零电流数字信号，实际上电流仍在连续地变化，突然封信号，实际上电流仍在连续地变化，突然封锁触发脉冲将产生逆变颠覆。锁触发脉冲将产生逆变颠覆。n在检测到零电流信号后等待一段时间，若仍在检测到零电流信号后等待一段时间，若仍不见主电流再超过不见主电流再超过I0，说明电流确已终止，说明电流确已终止，再封锁本组脉冲。再封锁本组脉冲。n封锁延时封锁延时 大约需要
35、半个到一个脉波的时间。大约需要半个到一个脉波的时间。切换的封锁延时切换的封锁延时 n在封锁触发脉冲后，已导通的晶闸管要过在封锁触发脉冲后，已导通的晶闸管要过一段时间后才能关断，再过一段时间才能一段时间后才能关断，再过一段时间才能恢复阻断能力。如果在此以前就开放它组恢复阻断能力。如果在此以前就开放它组脉冲，仍有可能造成两组晶闸管同时导通，脉冲，仍有可能造成两组晶闸管同时导通，产生环流。产生环流。n开放延时时间开放延时时间 ，一般应大于一个波头的，一般应大于一个波头的时间，时间，切换的开放延时切换的开放延时 软件逻辑控制软件逻辑控制n现在的逻辑控制无环现在的逻辑控制无环流可逆调速系统大流可逆调速系
36、统大多已经用微机数字多已经用微机数字控制实现，控制实现，n在程序中所采用的逻在程序中所采用的逻辑控制切换程序的辑控制切换程序的流程图如图所示。流程图如图所示。图3-14 逻辑控制切换程序的流程图 3.1.5 PWM可逆直流调速系统可逆直流调速系统n中、小功率的可逆直流调速系统多采中、小功率的可逆直流调速系统多采用桥式可逆用桥式可逆PWM变换器，在第变换器，在第1章里章里已描述了它和相控整流器的区别。已描述了它和相控整流器的区别。n桥式可逆桥式可逆PWM变换器使得电流连续，变换器使得电流连续，可使电动机在四象限运行，这是晶闸可使电动机在四象限运行，这是晶闸管整流装置所不具备的。管整流装置所不具备
37、的。图图3-15 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图制动过程的能量回馈制动过程的能量回馈 n当可逆系统进入制动过程时，晶闸管整流当可逆系统进入制动过程时，晶闸管整流装置通过逆变工作状态把电动机的动能回装置通过逆变工作状态把电动机的动能回馈到电网，馈到电网，n在直流在直流PWM系统中，它是把动能变为电能系统中，它是把动能变为电能回馈到直流侧，但由于不可控整流器的能回馈到直流侧，但由于不可控整流器的能量单向传递性，电能不可能通过整流装置量单向传递性，电能不可能通过整流装置送回交流电网，只能向滤波电容充电，产送回交流电网，只能向滤波电容充电，产生泵升电压。生
38、泵升电压。能量释放回路能量释放回路n开关器件开关器件VTb提供了能量释放回路，它受到提供了能量释放回路，它受到了了PWM控制器的控制，当控制器的控制，当PWM控制器检控制器检测到泵升电压高于了规定值时，开关器件测到泵升电压高于了规定值时，开关器件VTb导通，令制动过程中储存在导通，令制动过程中储存在C中的那部中的那部分电场能量以铜耗的形式消耗在放电电阻分电场能量以铜耗的形式消耗在放电电阻Rb中。中。nPWM可逆调速系统的制动过程是一种形式可逆调速系统的制动过程是一种形式上的回馈制动、实际上的能耗制动过程。上的回馈制动、实际上的能耗制动过程。充电电流的限制充电电流的限制n滤波电容滤波电容C的大电
39、容量，在突加电源时会的大电容量，在突加电源时会产生很大的充电电流，容易损坏整流二极产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管。管。n用电阻用电阻R0串在整流器和滤波电容之间，用串在整流器和滤波电容之间，用以限制充电电流。以限制充电电流。n经过延时或当直流电压达到一定值时，闭经过延时或当直流电压达到一定值时，闭合接触器触点合接触器触点K把电阻把电阻R0短路，以免在运短路，以免在运行中造成附加损耗。行中造成附加损耗。单片微机控制的单片微机控制的PWM可逆直流调速系统可逆直流调速系统 n三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流直流电源，再经
40、过直流PWM变换器得到可调的变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。直流电压，给直流电动机供电。n检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中电压、电流和温度检测由中电压、电流和温度检测由A/D转换通道变为数转换通道变为数字量送入微机，转速检测用数字测速。字量送入微机，转速检测用数字测速。n微机控制的优势之一是能具备故障检测功能，对微机控制的优势之一是能具备故障检测功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即报警，以便及时处理，避免故障进一步故障立即报警，以便及时处理，避免故障进一步扩大。扩大
41、。n数字控制器选用专为电机控制设计的数字控制器选用专为电机控制设计的Intel 8X196MC系列或系列或TMS320X240系列单片微系列单片微机，配以显示、键盘等外围电路，通过通机，配以显示、键盘等外围电路，通过通信接口与上位机或其他外设交换数据。信接口与上位机或其他外设交换数据。n控制软件采用转速、电流双闭环控制，转控制软件采用转速、电流双闭环控制，转速调节环节速调节环节ASR和电流调节环节和电流调节环节ACR大多大多采用采用PI调节，当系统对动态性能要求较高调节，当系统对动态性能要求较高时，还可以采用各种非线性和智能化的控时，还可以采用各种非线性和智能化的控制算法。制算法。图图3-16
42、 微机数字控制双闭环直流微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图调速系统硬件结构图 3.2 弱磁控制的直流调速系统弱磁控制的直流调速系统n受到了直流电动机产品特性的限制，在基受到了直流电动机产品特性的限制，在基速以下，维持磁通为额定值，可以得到最速以下，维持磁通为额定值，可以得到最大的电磁转矩，通过电枢电压的调整，可大的电磁转矩，通过电枢电压的调整，可得到所需要的转速；得到所需要的转速；n在基速以上，电枢电压已不可能再升高了，在基速以上，电枢电压已不可能再升高了，只能依赖于磁通的减少，来得到转速的升只能依赖于磁通的减少，来得到转速的升高，但电动机能提供的最大电磁转矩也被高，但电动机能提供
43、的最大电磁转矩也被减少。减少。3.2.1弱磁与调压的配合控制弱磁与调压的配合控制n弱磁控制的调速系统是采用弱磁控制的调速系统是采用调压和弱磁配合控制的办法调压和弱磁配合控制的办法n在基速以下保持磁通为额定在基速以下保持磁通为额定值不变，只调节电枢电压，值不变，只调节电枢电压，n在基速以上则把电压保持为在基速以上则把电压保持为额定值，减弱磁通升速。额定值，减弱磁通升速。n调压与弱磁配合控制只能在调压与弱磁配合控制只能在基速以上满足恒功率调速的基速以上满足恒功率调速的要求，在基速以下，输出功要求，在基速以下，输出功率不得不有所降低。率不得不有所降低。图3-17 调压与弱磁配合控制特性3.2.2调压
44、与弱磁配合控制调压与弱磁配合控制 的调速系统的调速系统n独立控制励磁的调速系统：在原有的调压独立控制励磁的调速系统：在原有的调压调速系统转速给定电位器之外再单独设置调速系统转速给定电位器之外再单独设置一个调磁电位器，通过励磁电流调节器来一个调磁电位器，通过励磁电流调节器来控制直流电动机磁通。控制直流电动机磁通。n基速以下调速：励磁电位器放在满磁位置基速以下调速：励磁电位器放在满磁位置不动，调节调压电位器。不动，调节调压电位器。n弱磁调速：减小调磁电位器输出电压，同弱磁调速：减小调磁电位器输出电压，同时增加转速给定。时增加转速给定。n两个电位器必须配合调节。两个电位器必须配合调节。非独立控制励磁
45、的调速系统非独立控制励磁的调速系统n把调压与弱磁的给定装置统一成一个电位器，把调压与弱磁的给定装置统一成一个电位器，弱磁升速靠系统内部的信号自动进行。弱磁升速靠系统内部的信号自动进行。n在基速以下，应该在满磁的条件下调节电压，在基速以下，应该在满磁的条件下调节电压，在基速以上，应该在额定电压下调节励磁，在基速以上，应该在额定电压下调节励磁，因此存在恒转矩的变压调速和恒功率的弱磁因此存在恒转矩的变压调速和恒功率的弱磁调速两个不同的区段。调速两个不同的区段。n选择一种合适的控制方法，可以在这两个区选择一种合适的控制方法，可以在这两个区段中交替工作，也能从一个区段平滑地过渡段中交替工作，也能从一个区
46、段平滑地过渡到另一个区段中去，到另一个区段中去，图图3-18 非独立控制励磁的调速系统非独立控制励磁的调速系统RPn调速电位器调速电位器 RPe基速电动势给定电位器基速电动势给定电位器 AE电动势运算器电动势运算器励磁控制系统励磁控制系统 n在原先转速、电流双闭环系统的基础上，在原先转速、电流双闭环系统的基础上，设置一个励磁控制系统，由电动势环和励设置一个励磁控制系统，由电动势环和励磁电流环组成。磁电流环组成。n励磁电流环是内环，它直接控制励磁电流，励磁电流环是内环，它直接控制励磁电流，达到控制磁通的目的；电动势环是外环，达到控制磁通的目的；电动势环是外环，它实现了电枢电压与励磁的配合控制。它
47、实现了电枢电压与励磁的配合控制。电动势调节器电动势调节器AER n电动势调节器电动势调节器AER有饱和与不饱和两种工有饱和与不饱和两种工作状态，作状态，n在基速以下时，在基速以下时，AER处于饱和工作状态，处于饱和工作状态，它的输出限幅值是它的输出限幅值是Uifm，保持直流电动机，保持直流电动机励磁电流为额定值不变，靠电枢电压的双励磁电流为额定值不变，靠电枢电压的双闭环控制系统来控制转速。闭环控制系统来控制转速。n电动势给定信号电动势给定信号Ue*的设置值为相当于的设置值为相当于Emax=(0.90.95)UdN，在基速以下时，在基速以下时，Ue Ue*，AER迅速饱和。迅速饱和。AER的退饱
48、和的退饱和n在转速上升到在转速上升到 Ue Ue*时，时，AER退出饱退出饱和状态，其输出量和状态，其输出量Uif*开始降低，通过开始降低，通过AFR减小励磁电流，系统便自动进入减小励磁电流，系统便自动进入弱磁升速范围。弱磁升速范围。电动势电动势E的控制的控制 n在弱磁升速范围内，在弱磁升速范围内，AER的目的是保持电的目的是保持电动势动势E不变，由于不变，由于E=Ken，且，且ACR已经受已经受到了限幅值到了限幅值Ucm的限制，的限制，AER调节器将减调节器将减小励磁电流调节器的给定值小励磁电流调节器的给定值Uif*，n通过通过AFR减弱励磁，电动势减弱励磁，电动势E值被保持不值被保持不变，
49、采用变，采用PI型的电动势调节器保证了电动型的电动势调节器保证了电动势无静差的控制要求。势无静差的控制要求。nAFR调节器以跟随性能为主，一般也采用调节器以跟随性能为主，一般也采用PI调节器。调节器。AE电动势运算器电动势运算器 n用用AE电动势运算器来重构反电动势信号电动势运算器来重构反电动势信号Ue （3-3）n无论在稳态还是在动态过程中，它都能反无论在稳态还是在动态过程中，它都能反映真实的电动势值。映真实的电动势值。电位器的调节电位器的调节n有两个电位器，分别是调速电位器有两个电位器，分别是调速电位器RPn和基速电动势给定电位器和基速电动势给定电位器RPe，n基速电动势给定电位器基速电动势给定电位器RPe可事先离线可事先离线调好，调好，n在调速时，只要改变调速电位器在调速时，只要改变调速电位器RPn即可。即可。