运动控制-第四章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 4 章,可逆,直流,调速系统,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,。,V-M,系统可逆运行的实现,晶闸管可逆直流调速系统介绍,PWM,可逆直流调速系统简介,4.1,V-M,系统可逆运行的实现,一、知识回顾:电动机的工作状态,电动机的工作状态可以用四象限图来加说明,I,d,n,M,E,I,d,n,T,e,M,E,I,d,n,T,e,M,E,I,d,n,T,e,M,E,I,d,n,T,e,M,:,正向,电动,M,:,反向制动,M,:,反向电动,M,:,正向制动,4.1,V-M,系统可逆运行的实现,二、可逆运行的实现,由图可知,电动机要实现反转和制动,其电流(即转矩)必须反向!,为此,要提供反向电流的通路,通常采用,反并联可逆电路,.如图:,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。,电动机正向制动时，由,VR,提供反向电流；,反向制动时，由,VF,提供正向电流。,M,VR,VF,I,d,-I,d,+,-,-,+,-,4.1,V-M,系统可逆运行的实现,三、反并联可逆线路中晶闸管装置的工作状态,晶闸管装置的整流与有源逆变,整流状态：,90,逆变,状态：,90,当,U,d0,E,时有电流,I,d,当|,E|U,d0,|,时有电流,I,d,有源逆变的条件：,90；,有,实际极性与相抵的直流电源。,M,VF,I,d,+,-,-,E,M,VR,-I,d,+,-,-,E,说明：,1。,U,d0,=E,时为待逆变状态待整流状态,2。逆变角的定义：,+=180,3。,逆变失败触发脉冲丢失；,太小,；,min,限制,P,P,4.1,V-M,系统可逆运行的实现,电动机的制动方式,：,制动 耗能制动 能耗制动消耗电机的储能,反接制动外接能源一起消耗,发电回馈制动,V-M,系统中电机制动时也要使用反并联电路，此时提供反向电流的晶闸管装置处于逆变状态，实现了电机的,发电回馈制动,。,I,d,n,M,E,I,d,n,T,e,M,E,I,d,n,T,e,M,E,I,d,n,T,e,M,E,I,d,n,T,e,M,:,正向,电动,M,:,反向,回馈,制动,M,:,反向电动,M,:,正向,回馈,制动,V,:,反组逆变,V,:,正组整流,V,:,反组整流,V,:,正组逆变,4.1,V-M,系统可逆运行的实现,四、反并联电路中的环流,1.,环流及其种类,环流的定义,采用两组晶闸管反并联的可逆,V-M,系统，如果两组装置的整流电压同时出现，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。,R,rec,R,rec,M,VR,VF,U,d0f,+,-,-,+,U,d0r,R,a,-,I,d,I,c,4.1,V-M,系统可逆运行的实现,环流的种类,（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不等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，瞬时电压差不等仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。,（2）动态环流,仅在可逆,V-M,系统处于过渡过程中(,角变化时)出现的环流。,4.1,V-M,系统可逆运行的实现,2.直流平均环流的消除与配合控制,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,U,d0r,=,U,d0f,而,U,d0f,=,U,d0 max,cos,f,U,d0r,=,U,d0 max,cos,r,所以,cos,f,=,cos,r,或,f,+,r,=180,如果反组的控制用逆变角,r,表示，则,f,=,r,由此可见，按照上式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,4.1,V-M,系统可逆运行的实现,=,配合控制移相特性与配合控制方法,=,配合控制系统的移相控制特性示于下图:,当控制电压,U,c,=0,时，使,f,=,r,=90，,此时,U,d0f,=,U,d0r,=,0，,电机处于停止状态。,移相时(,U,c,增大时)，,f,减小而,r,增大(,r,减小),使正组整流,反组逆变,在控制过程中始终保持,f,=,r,。,U,c,-,U,cm,U,c,90,o,rmin,180,o,0,o,U,cm,90,o,0,o,180,o,fmin,fmin,rmin,r,f,GTR,GTF,U,c1,r,f,为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中“逆变颠覆”现象，采取最小逆变角,min,保护。与此同时，对,角也实施,min,保护，以免出现,U,d0f,U,d0r,而产生直流平均环流。通常取,4.1,V-M,系统可逆运行的实现,3.瞬时脉动环流及其抑制,瞬时的脉动环流产生的原因,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瞬时电压不等的情况，从而产生瞬时的脉动环流。(,现以,f,=,r,=,60,为例，分析三相零式反并联可逆线路在,=,工作制下,产生瞬时脉动环流的情况，,先看下页),瞬时脉动环流的抑制,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，如下页图中的,L,c1,和,L,c2,。,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。如图:,1,2,M,VF,VR,a,b,c,A,B,C,-,U,d0f,L,c1,R,rec,R,rec,U,d0r,VF,VR,i,cp,TM,I,d,a,b,c,a,u,d0r,O,w,t,p,2,p,U,d0r,w,t,I,cp,i,cp,u,d0,a,f,u,d0f,w,t,a,b,c,a,O,p,2,p,U,d0f,O,a,r,u,d0,4.2 晶闸管可逆直流调速系统介绍,一、,=,配合控制的有环流可逆,V-M,系统,-,-,1.系统组成,M,VR,VF,-1,AR,GTR,GTF,U,c,ASR,ACR,U,*,n,+,-,U,n,U,i,U,*,i,+,-,TG,L,c1,L,c2,L,c3,L,c4,TM,TA,L,d,U,c,主电路,主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，其中：,正组晶闸管,VF，,由,GTF,控制触发,正转时，,VF,整流；反转时，,VF,（,待）,逆变。,反组晶闸管,VR，,由,GTR,控制触发,反转时，,VR,整流；正转时，,VR,（,待）,逆变。,-,-,1.系统组成,M,VR,VF,-1,AR,GTR,GTF,U,c,ASR,ACR,U,*,n,+,-,U,n,U,i,U,*,i,+,-,TG,L,c1,L,c2,L,c3,L,c4,TM,TA,L,d,U,c,控制电路,控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，其中：,转速调节器,ASR,控制转速，设置双向输出限幅电路，以限制,最大起制动电流,；,电流调节器,ACR,控制电流，设置双向输出限幅电路，以限制,最小控制角,min,与,最小逆变角,min,。,所以在可逆系统中,ACR,是会饱和的。,-,-,1.系统组成,M,VR,VF,-1,AR,GTR,GTF,U,c,ASR,ACR,U,*,n,+,-,U,n,U,i,U,*,i,+,-,TG,L,c1,L,c2,L,c3,L,c4,TM,TA,L,d,U,c,给定与检测电路（转速）,根据可逆系统正反向运行的需要，给定电压、转速反馈电压、电流反馈电压都应该能够反映正和负的极性。这里：,给定电压：正转时，,KF,闭合，,U,*,n,=,“,+,”,；,反转时，,KR,闭合，,U,*,n,=,“,-,”,。,转速反馈：正转时，,U,n,=,“,-,”,，,反转时，,U,n,=,“,+,”,。,-,-,1.系统组成,M,VR,VF,-1,AR,GTR,GTF,U,c,ASR,ACR,U,*,n,+,-,U,n,U,i,U,*,i,+,-,TG,L,c1,L,c2,L,c3,L,c4,TM,TA,L,d,U,c,给定与检测电路（电流）,电流反馈电压：,正转时，,U,i,=,“,+,”,；,反转时，,U,i,=,“,-,”,。,注意：,由于电流反馈应能否反映极性，因此图中的电流互感器需采用,直流电流互感器,或,霍尔变换器,，以满足这一要求。,-,-,1.系统组成,M,VR,VF,-1,AR,GTR,GTF,U,c,ASR,ACR,U,*,n,+,-,U,n,U,i,U,*,i,+,-,TG,L,c1,L,c2,L,c3,L,c4,TM,TA,L,d,U,c,2.,=,配合控制方式的实现,采用前述移相控制特性，如图所示。,-,-,1.系统组成,M,VR,VF,-1,AR,GTR,GTF,U,c,ASR,ACR,U,*,n,+,-,U,n,U,i,U,*,i,+,-,TG,L,c1,L,c2,L,c3,L,c4,TM,TA,L,d,U,c,U,c,-,U,cm,U,c,90,o,rmin,180,o,0,o,U,cm,90,o,0,o,180,o,fmin,fmin,rmin,r,f,GTR,GTF,U,c1,r,f,具体而言，就是在,GTR,前加一反号器,AR,使,GTR,的控制电压为 于是有：,停转时,U,c,=0，,r,=,f,=,90，,U,d0f,=,U,d0r,=0,正转时,U,c,0，,f,90，VF,整流：,U,d0f,=,“,+,”,；,0，,r,0，,r,90，VR,整流：,U,d0r,=,“,+,”,；,U,c,0，,f,90，VF,逆变：,U,d0f,=,“,-,”,。,M,VR,VF,R,rec,R,rec,-1,AR,GTR,GTF,U,c,R,a,U,c,U,c,-,U,cm,U,c,90,o,rmin,180,o,0,o,U,cm,90,o,0,o,180,o,fmin,fmin,rmin,r,f,GTR,GTF,U,c1,r,f,4.2 晶闸管可逆直流调速系统介绍,二、,无环流控制的可逆晶闸管-电动机系统,1.,系统分类,按照实现无环流控制原理的不同，无环流可逆系统又有二大类：,逻辑控制无环流系统,当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬件）或逻辑算法（软件）去封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，以确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路,从“宏观”上切断环流的通路。,错位控制无环流系统,同样采用配合控制的触发移相方法，但两组脉冲的关系是,r,+,f,=300,o,，,甚至是,r,+,f,=360,o,，,也就是说，初始相位整定在,r,=,f,=150,o,或180,o,。,这样，当待逆变组的触发脉冲来到时，它的晶闸管已经完全处于反向阻断状态，不可能导通，当然就不会产生瞬时脉动环流了,从“微观”上切断环流的通路。,二、,无环流控制的可逆晶闸管-电动机系统,2.,逻辑控制的无环流可逆系统,系统组成,ASR,DLC,-1,TA,VR,VF,GTR,2,ACR,M,TG,GTF,1,ACR,+,U,*,n,U,n,-,U,i,U,*,i,U,cf,U,blf,U,blr,U,cr,U,*,i,+,U,i,U,*,i,U,i0,L,d,AR,-,-,+,系统结构的特点,主电路采用两组晶闸管装置反并联线路。,由于没有环流，不用设置环流电抗器。,仍保留平波电抗器,L,d,，,以保证稳定运行时电流波形连续。,控制系统采用转速、电流双闭环方案。电流环分设两个电流调节器，1,ACR,用来控制正组触发装置,GTF，2ACR,控制反组触发装置,GTR。,ASR,DLC,-1,TA,VR,VF,GTR,2,ACR,M,TG,GTF,1,ACR,+,U,*,n,U,n,-,U,i,U,*,i,U,cf,U,blf,U,blr,U,cr,U,*,i,+,U,i,U,*,i,U,i0,L,d,AR,-,-,+,系统结构的特点,1,ACR,的给定信号经反号器,AR,作为2,ACR,的给定信号，因此电流反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。,为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控制环节,DLC，,这是系统中的关键环节。它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动切换，其输出信号,U,blf,用来控制正组触发脉冲的封锁或开放，,U,blr,用来控制反组触发脉冲的封锁或开放。,ASR,DLC,-1,TA,VR,VF,GTR,2,ACR,M,TG,GTF,1,ACR,+,U,*,n,U,n,-,U,i,U,*,i,U,cf,U,blf,U,blr,U,cr,U,*,i,+,U,i,U,*,i,U,i0,L,d,AR,-,-,+,2.,逻辑控制的无环流可逆系统,无环流逻辑控制环节,（1）逻辑控制环节的设计要求,DLC,的输入要求,分析,V-M,系统四象限运行的特性，有如下共同特征：正向运行和反向制动时，电动机转矩方向为正，即电流为正；反向运行和正向制动时，电动机转矩方向为负，即电流为负。,应选择转矩信号作为,DLC,的输入信号。,由于,ACR,的输出信号正好代表了转矩方向，即有：正向运行和反向制动时，,U,*,i,为正；反向运行和正向制动时，,U,*,i,为负。所以,U,*,i,是,DLC,的输入信号之一,。,又因为,U,*,I,极性的变化只表明系统转矩反向的意图，转 矩极性的真正变换还要滞后一段时间。只有,在实际电流过零时，才开始反向,，因此，需要,零电流检测信号,U,i0,作为,DLC,的另一个输入信号。,（1）逻辑控制环节的设计要求,DLC,的输出要求,正向运行：,VF,整流，开放,VF，,封锁,VR；,反向制动：,VF,逆变，开放,VF，,封锁,VR；,反向运行：,VR,整流，开放,VR，,封锁,VF；,正向制动：,VR,逆变，开放,VR，,封锁,VF；,因此，,DLC,的输出有两种状态：,VF,开放,U,blf,=1，VF,封锁,U,blf,=0；,VR,开放,U,blr,=1，VR,封锁,U,blr,=0。,DLC,的内部逻辑要求,对输入信号进行转换，将模拟量转换为开关量。,根据输入信号，做出正确的逻辑判断。,DLC,的内部逻辑要求（续）,为保证两组晶闸管装置可靠切换，需要有两个延时时间：,(1),t,1,延时 关断等待时间，以确认电流已经过零，而非因电流脉动引起的误信号；,(2),t,2,延时 触发等待时间，以确保被关断的晶闸管已恢复阻断能力，防止其重新导通。,具有逻辑连锁保护功能，以保证在任何情况下，两个信号必须是相反的，决不容许两组晶闸管同时开放脉冲，确保主电路没有出现环流的可能。,（2）电路总体结构,这样，根据上述分析,DLC,电路应具有如下结构：,电平,检测,逻辑,判断,延时,电路,连锁,保护,U,i0,U,*,i,U,blf,U,blr,4.3,PWM,可逆直流调速系统简介,系统组成,整流器,桥式可逆电力电子变换器,驱动电路模块,PWM,波生成环节,系统工作原理,控制系统一般采用转速、电流双闭环控制，使用微机数字式控制；,具体控制方式（双极式、单极式、受限单极式）由微机软件决定；,在变流中，为了避免同一桥臂上、下两个电力电子器件同时导通而引起直流电源短路，在由,VT,1,、VT,4,导通切换到,VT,2,、VT,3,导通或反向切换时，必须留有死区时间。,对于功率晶体管，死区时间约需30,s,；,对于,IGBT，,死区时间约需5,s,或更小些。,整流器,桥式可逆电力电子变换器,驱动电路模块,PWM,波生成环节,