第三章可逆直流调速系统.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,*,第三章 可逆直流调速系统,内容提要,1、V-M调速系统的可逆运行方案；,2、有环流可逆系统；,3、无环流可逆系统；,4、直流脉宽调制调速系统,在前面两章讨论的各种晶闸管直流调速系统，由于晶闸管的单向导电性，只用一组晶闸管变流器对电动机供电的调速系统只能获得单方向的运行，是不可逆调速系统。这类系统只适用于不要求经常改变电动机转向，同时对制动的快速性无特殊要求的生产机械。但是在生产实际中，有一定数量的生产机械对拖动系统中的电动机要求是，既能正转，又能反转，且在减速和停车时还要求产生制动转矩，以缩短制动时间，这就出现了可逆直流调速系统。,本章主要讨论直流调速系统的可逆运行问题：由于V-M系统中晶闸管的单向导电性，需要设置可逆线路来使电动机反向运行或制动，主要的可逆线路有：电枢反接可逆线路；励磁反接可逆线路；,两组晶闸管反并联是大功率传动系统的主要供电方式。在两组晶闸管反并联线路中，会出现环流，为此，需要采取措施抑制环流,如：设置环流电抗器；采取,=,配合控制方式；采取封锁触发脉冲的方式，使两组晶闸管不能同时工作等。,根据控制环流方式，直流可逆调速系统分为：,有环流可逆调速系统；,无环流可逆调速系统。,本章重点讨论逻辑控制无环流可逆调速系统的工作过程。,对于中、小功率的可逆直流调速系统多采用由电力电子功率开关器件组成的桥式可逆PWM变换器，对其原理也将进行分析。,第一节 晶闸管一直流电动机可逆调速 系统构成及存在问题,问题的提出,工业中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,。,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。,一、可逆运行运行方案及回馈制动,(一)可逆运行方案,根据电机理论,，,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。因此，V-M系统的可逆线路有两种方式：,电枢反接可逆线路,励磁反接可逆线路,1.电枢反接可逆线路,在要求频繁正反转的生产机械上，经常采用两组晶闸管装置供电的可逆线路，如图3-1所示。两组晶闸管分别由两套触发器控制，当正组晶闸管装置VF向电动机供电时，提供正向电枢电流,I,d,，电动机正转；当反组晶闸管装置VR向电动机供电时，提供反向电枢电流,-Id,，电动机反转。,两套晶闸管反并联可逆线路,图3-1电枢反接可逆线路,两组晶闸管装置供电的可逆线路在连接上又有两种形式：,反并联和交叉连接,，,如图32所示。两者的差别在于反并联线路中的两组晶闸管由同一个交流电源供电，且要有四个限制环流的电抗器；,（a）反并联可逆线路 （b）交叉连接可逆线路,图3-2 两组三相桥式变流器交叉联接可逆线路,而交叉连接线路由两个独立的交流电源供电。只要两个限制环流的电抗器。这里所说的两个独立的交流电源可以是两台整流变压器，也可以是一台整流变压器的两个二次绕组。,由两组晶闸管组成的电枢可逆线路，具有切换速度快、控制灵活等优点，在要求频繁、快速正反转的可逆系统中得到广泛应用，是可逆系统的主要型式。,2励磁反接可逆线路,改变励磁电流的方向也能使直流电动机反转。因此又有励磁反接可逆线路，如图33 所示。这时电动机电枢只要用一组晶闸管装置供电并调速，如图-3（a）所示，而励磁绕组则由另外的两组晶闸管装置反并联供电，象电枢反接可逆线路一样，可以采用反并联或交叉连接中的任意一种方案来改变其励磁电流的方向。图33（b）中只画了两组晶闸管装置反并联提供励磁电流的方案，其工作原理读者可以自行分析。,（,a）电枢电路 （b）励磁反接可逆线路,图3-3 两组晶闸管供电的励磁反接可逆线路,由于励磁功率只占电动机额定功率的1%5%，显然反接励磁所需的晶闸管装置容量要小得多，只要在电枢回路中用一组大容量的晶闸管装置就够了，这对于大容量的电动机，励磁反接的方案投资较少，在经济上是比较便宜的。但是由于励磁绕组的电感较大，励磁电流的反向过程要比电枢电流的反向过程慢得多，因此，励磁反接的方案只适用于对快速性要求不高，正、反转不太频繁的大容量可逆系统，例如卷扬机、电力机车等等。,(二)回馈制动1.电动机的两种工作状态,我们知道，直流他励电动机无论是正转还是反转，都可以有两种工作状态，一种是电动状态，一种是制动状态（或称发电状态）。,电动运行状态，就是指电动机电磁转矩方向与电动机转速方向相同，此时，电网给电动机输入能量，并转换为负载的动能。,制动运行状态，就是电动机电磁转矩的方向与电动机转速方向相反，此时，电动机将动能转换为电能输出，如果将此电能回送给电网，则这种制动就叫做回馈制动。,2.晶闸管装置的两种工作状态,晶闸管装置也有两种工作状态，一种是整流状态，另一种是逆变状态。下面结合一个具体实例说明如下：,由一组晶闸管组成的全控整流电路中，电动机带的是位势性负载，如图34所示。当控制角,E,，所以能输出整流电流,I,d,，使电动机产生电动转矩而将重物提升，如图34（a）所示。这时电能从交流电网经晶闸管装置输送给电动机，晶闸管装置处于整流状态。,（a）整流状态（提升）（b）逆变状态（下放）（c）机械特性,图3-4 单组V-M系统带位势负载时的整流和逆变状态,当重物下放时，必须将控制角,移到大于90,0,，这时晶闸管装置直流侧输出的理想空载电压,U,d0,的极性反向，其值变为负值。电动机在重物的作用下被拉向反转，并产生反向的电动势,E,，其极性示于图34（b）。,当|,E,|,U,d0,|时，又将产生电流和转矩，它们的方向仍和提升重物时一样，但此时由于转速已反向，故电磁转矩变为制动转矩，以阻止重物下降的太快，电动机处于反转制动状态，同时电动机将重物的位能转换为电能，经晶闸管装置回馈到电网，晶闸管装置则处于逆变状态。,由上面分析可知，同一套晶闸管装置可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态。两种状态中电流方向不变，而输出电压的极性相反。因此在整流状态中输出电能（,I,d,U,do,乘积）为正，而在逆变状态中回馈电能（,I,d,U,do,乘积）为负。产生逆变的两个必要条件可归纳为：,1）控制角,90,0,使晶闸管装置直流侧产生一个负的平均电压-,U,do,，这是装置的内部条件。,2）外电路必须有一个直流电源,E，,其极性应与-,U,do,的极性相同，其数值应稍大于|,U,do,|，以产生和维持逆变电流，这是装置的外部条件。这样的逆变称为“有源逆变”。,3.电动机的回馈制动及其系统实现,有许多生产机械在运行过程中要求快速减速或停车，最经济有效的方法就是采用回馈制动，使电动机运行在第二象限的机械特性上，将制动期间释放的能量通过晶闸管装置回送到电网。在上面的分析中已经表明，要通过晶闸管装置回馈能量，必须让其工作在逆变状态。所以电动机回馈制动时，晶闸管装置必须工作在逆变状态。,实现回馈制动，从电动机方面看，要么改变转速的方向，要么改变电磁转矩（即电枢电流）的方向。由于负载在减速制动过程中，转速方向不变，所以要实现回馈制动，只有设法改变电动机电磁转矩的方向，即改变电枢电流的方向。,对于单组V-M系统，要想改变电枢电流方向是不可能的，也就是说利用一组晶闸管不能实现回馈制动。但是，我们可以利用两组晶闸管装置组成的可逆线路实现直流电动机的快速回馈制动，即电机制动时，原工作于整流的一组晶闸管装置逆变使电机电流迅速降到零，然后利用另外一组反并联的晶闸管装置整流使电机建立起反向电流后立刻逆变来实现电动机的回馈制动，如图35所示。,（a）正组整流电动运行 b）反组逆变回馈制动 （c）运行范围,图3-5 V-M系统正组整流电动运行和反组逆变回馈制动,图3-5（a）表示正组VF给电动机供电，晶闸管装置处于整流装态，输出整流电压,d0,f,(极性如图)，电动机吸收能量作电动运行。,当需要回馈制动时，通过控制电路切换到反组晶闸管装置VR，见图3-5（b），并使其工作于逆变状态，输出逆变电压,d0r,，（极性如图），由于这时电动机的反电动势极性未改变，当,略大于|,d0 r,|时，产生反向电流,-,I,d,而实现回馈制动，这时电动机释放能量经晶闸管装置VR回馈到电网。图（c）绘出了电动运行和回馈制动运行的运行范围。,由此可见，即使是不可逆系统，只要是要求快速回馈制动，也应有两组反并联（或交叉联）的晶闸管装置，正组作为整流供电，反组提供逆变制动。这时反组晶闸管只在短时间内给电动机提供反向制动电流，并不提供稳态运行电流，因而其容量可以小一些。对于两组晶闸管供电的可逆系统，在正转时可以利用反组晶闸管实现回馈制动，反转时可以利用正组晶闸管实现回馈制动，正反转和制动的装置合而为一，两组晶闸管的容量自然就没有区别了。把可逆线路正反转及回馈制动时的晶闸管和电动机的工作状态归纳起来，可列成表-。,表3-1 V-M系统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,电动机旋转方向,电动机运行状态,晶闸管工作组别和状态,机械特性所在象限,+-,+-+,+-,电动 回馈制动 电动 回馈制动,正组整流 反组逆变 反组整流 正组逆变,注：表中各量的极性均以正向电动运行时为“+”。,二、可逆调速系统存在问题,(一)可逆系统运行中的环流分析,1.环流及其种类,采用两组晶闸管反并联或交叉连接是可逆系统中比较典型的线路，它解决了电动机频繁正反转运行和回馈制动中电能的回馈通道，但接踵而来的是影响系统安全工作并决定可逆系统性质的一个重要问题环流问题。,环流是指不流过电动机或其它负载，而直接在两组晶闸管装置之间单方向流通的短路电流，图3-6中所示的是反并联线路中的环流电流,Ic,。,Id,负载电流,Ic,环流,Rrec,整流,装置内阻,图3-6 反并联可逆线路中的环流,环流的利弊,环流的存在会显著地加重晶闸管和变压器的负担，消耗无用功率，环流太大时甚至会导致晶闸管损坏，因此必须予以抑制。,但环流也并非一无是处，只要控制的好，保证晶闸管安全工作，可以利用环流作为保证电动机在空载或轻载时使晶闸管工作的最小电流连续，避免了电流断续引起的非线性现象对系统静、动态性能的影响。而且在可逆系统中存在少量环流，可以保证电流的无间断反向，加快反向的过渡过程。在实际系统中，要充分利用环流的有利方面，避免其不利方面。,环流可以分为两大类：,(1)静态环流 当晶闸管装置在一定的控制角下稳定工作时，可逆线路中出现的单方向流动的环流叫静态环流。静态环流又可分为,直流环流和脉动环流。,(2)动态环流 系统稳态运行时并不存在，只在系统处于过渡过程中出现的环流，叫作动态环流。,因篇幅有限，这里只对系统影响较大的静态环流作定性分析。下面以反并联线路为例来分析静态环流。,(二)直流环流与配合控制,1.直流环流,由图3-6的反并联可逆线路可以看出，如果让正组晶闸管VF和反组晶闸管VR都处于整流状态，正组整流电压,U,dof,和反组整流电压,U,dor,正负相连，将造成直流电源短路，此短路电流即为直流平均环流。,为防止产生直流平均环流，最好的解决办法是当正组晶闸管VF处于整流状态时，其整流输出电压,U,dof,，这时应该让反组晶闸管VR处于逆变状态，输出一个逆变电压,U,dor,把它顶住，即,U,dof,=U,dor,。,现在设VF组处于整流状态，即,f,90,0,则对应的VR组处于逆变状态，即,r,90,0,则,U,dof,=U,domax,cos,f,（3-1),U,dor,=U,domax,cos,r,（3-2）,U,dof,和,U,dor,极性相反，但其数值又有如下三种情况：,第一种情况，若两组触发脉冲相位之间满足,f,U,dor,，由于两组晶闸管装置的内电阻很小，即使不大的直流电压差也会导致很大的直流环流。由于直流环流不能用电抗器进行限制，所以一般不允许系统中出现直流环流，除非系统中对环流有一定的限制措施。,第二种情况，若两组触发脉冲相位之间满足,f,=,r,则,U,dof,=U,dor,。由于主回路无直流电压差，所以无直流环流。,第三种情况，若两组触发脉冲相位之间满足,f,r,则,U,dof,U,dor,。两组晶闸管之间存在反向直流电压差，由于正组晶闸管的单向导电性，也不产生直流环流。,同理，若VF组处于逆变状态。VR处于整流状态，同样可以分析出，,f,r,时有直流环流；当,f,r,时无直流环流。,综上所述，可以得出：,当,0时，正组控制角,f,90,0,或,r,90,0,，反组晶闸管处于逆变状态。,由于 =-,所以在移相过程中，始终保持了,f,=,r,。,为了防止晶闸管在逆变工作时因逆变角,太小，而发生逆变颠覆事故，必须在控制电路中设有限制最小逆变角,min,的保护环节。,为了严格保持,=,配合控制，对,min,也要加以限制，使,min,=,min,。为了实现对,min,和,min,的限制，一般应使前级放大器具有输出限幅。限幅值,U,ctm,按需要选取，通常取,min,=,min,=,30,0,可视晶闸管元件的阻断时间等因素决定。,（a）每组特性 （b）两组特性,图3-8 触发装置的移相控制特性,(三)脉动环流及其抑制 1.脉动环流的产生,在,=,配合控制工作制的条件下，整流电压与逆变电压始终是相等的，因而没有直流环流。,然而晶闸管装置输出的瞬时电压是脉动的，正组瞬时整流电压,u,dof,值和反组瞬时逆变电压,u,dor,值并不相等，当整流电压瞬时值,u,dof,大于逆变电压瞬时值,u,dor,时，便产生瞬时电压差,u,do,，从而产生瞬时环流。,控制角不同时，瞬时电压差和瞬时环流也不同。图3-9画出三相零式反并联可逆线路当,f,=,r,=,60,0,时的情况：,图3-9（b）是正组瞬时整流电压,u,dof,的波形；,图3-9（c）是反组瞬时逆变电压,u,dor,的波形。,图中打阴影线的部分是u相整流和v相逆变时的电压，显然其瞬时值并不相等，而其平均值却相等。瞬时电压差,u,do,=u,dof,u,dor,，其波形绘于图3-9（d）。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动环流,icp,。,（a）三相零式可逆线路中脉动环流回路 （b）,f,=60,0,时整流电压U,do,f的波形,（c）,r,=,120,0,时逆变电压,U,do,r,的波形 （d）,u,do,和,i,cp,波形,图3-9 配合控制的三相零式反并联可逆线路中的脉动环流,图3-9（a）绘出u相整流和v相逆变时的瞬时环流回路，由于晶闸管装置的内阻,R,rec,很小，环流回路的阻抗主要是电感，所以,i,cp,不能突变，并且落后于,u,do,；又由于晶闸管的单向导电性，,i,cp,只能在一个方向脉动，所以称作瞬时脉动环流。但这个瞬时脉动环流存在直流分量,I,cp,，显然,I,cp,和平均电压差所产生的直流环流是有根本区别的。,2.脉动环流的抑制,直流环流可以用,配合控制消除，而瞬时脉动环流却始终存在，必须设法加以限制，不能让它太大。抑制瞬时脉动环流的办法是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3-9（a）中的,L,c1,和,L,c2,，一般要求把瞬时脉动环流中的直流分量,I,cp,限制在负载额定电流的5%10%之间。,环流电抗器的电感量及其接法因整流电路而异，一般可按下式计算：,L,c,=K,j,U,2,/,I,dmin,环流电抗器并不是在任何时刻都能起作用的，所以在三相零式可逆线路中正、反两个回路各设一个环流电抗器，它们在环流回路中是串联的，但是其中总有一个电抗器因流过直流负载电流而饱和。,例如图3-9（a）中正组整流时，,L,c1,因流过较大的负载电流,Id,而饱和，使电感值大为降低，失去了限制环流的作用。而反组逆变回路中的电抗器,L,c2,由于没有负载电流通过，才能真正起限制瞬时脉动环流的作用。,同理，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通道，总共要设置四个环流电抗器，见图3-2（a）。,若采用交叉连接的可逆线路，环流电抗器的数量可以减少一半，见图3-2（b）,第二节 有环流可逆调速系统,一、配合控制的有环流可逆调速系统,在,=,工作制配合下，电枢可逆系统中虽然可以消除直流平均环流，但是有瞬时脉动环流存在，所以这样的系统称作,有（脉动）环流可逆调速系统。,如果在这种系统中不施加其它控制，则这个瞬时脉动环流是自然存在的，因此又称作,自然环流系统,。,(一)系统的组成,=,配合控制工作制的有环流可逆调速系统原理框图示于图3-10，图中主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的线路，因为有两条并联的环流通路，所以要用四个环流电抗器。,L,C1,，L,C2,，L,C3,，L,C4,。,由于环流电抗器流过较大的负载电流会饱和，因此在电枢回路中还要另外设置了一个体积较大的平波电抗器,L,d,。,控制线路采用典型的转速、电流双闭环系统，转速调节器和电流调节器都设置了双向输出限幅，以限制最大动态电流和最小控制角,min,与最小逆变角值,min,。,为了在任何控制角时都保持,f,-,r,=180,0,的配合关系，应始终保持 ，在GTR之前加放大倍数为1的反相器AR，可以满足这一要求。,根据可逆系统正反运行的需要，给定电压,U,n,*,应有正负极性，可由继电器KF和KR来切换，调节器输出电压对此能作出相应的极性变化。为了保证转速和电流的负反馈，必须使反馈信号也能反映出相应的极性。测速发电机的反馈电压极性随电动机转向改变而改变。图3-10中电流反馈极性采用霍尔电流变换器反映。,图3-10,=,配合控制工作制的有环流可逆调速系统原理框图,(二)系统的工作原理,正向运行时，正向继电器KF接通，转速给定值,U,n,*,为正值，经转速调节器、电流调节器输出移相控制信号 为正，正组触发器GTF输出的触发脉冲控制角,a,f,90,0,或,r,|,U,dor,|=|,U,dof,|时，整流组电流将被截止，逆变组就立即投入真正的逆变状态，电动机便进入回馈制动状态，将能量回馈电网。同样，当逆变组回馈电能时，另一组也是处在待整流，但不进行电能整流，故称作“待整流状态”。,所以，在这种,=,配合控制下，负载电流可以很方便地按正反两个方向平滑过渡，在任何时候，实际上只有一组晶闸管装置在工作，另一组则处于等待工作的状态。,尽管,=,配合控制有很多优点，但在实际系统中，由于参数的变化，元件的老化或其它干扰作用，控制角可能会偏离,=,的关系。一旦变成,，整流电压将大于逆变电压，即使这个电压差很小，但由于均衡电抗器对直流不起作用，仍将产生较大的直流平均环流，如果没有有效的控制措施将是危险的。为了避免这种危险，在整定零位时应留出一定的裕度，使,略大于,，例如,=+,零位应整定在：,fo,=,ro,=90,0,+则,fo,=,ro,=90,o,-,这样，可使任何时候的整流电压均小于逆变电压，保证不产生直流平均环流，当然瞬时电压差产生的瞬时脉动环流也降低了。,只是不应过大，否则会产生两个问题。,一是显著地缩小了移相范围,，因为,min,是整定好的，而现在,min,必须大于,min,，所以,min,比原来更大了,使晶闸管容量得不到充分的利用；,二是造成明显的控制死区,例如在启动时,从零位,0,=90,o,+移到,=90,o,这一段时间内，整流电压一直为零。,二、制动过程的分析,可逆系统的启动过程与不可逆系统相同。制动过程有它的特点，反转过程则是正向制动过程与反向启动过程的衔接，整个正向制动过程可按电流方向的不同分成两个主要阶段:,第一阶段,，电流,I,d,由正向负载电流,+,I,dL,下降到零，这时正组VF装置处于逆变状态，所以称为“,本组逆变阶段,”。,第二阶段,，电流由零变到负的最大电流,-,I,dm,，转速降落,这时电流流过反组VR装置，所以称为“,它组制动阶段,”。,在本组逆变阶段中主要是电流降落，而在它组制动阶段中主要是转速降落。,(一)本组逆变阶段,系统正向运行时各主要部位的电位极性示于图3-11（a）。,图3-11（a）正向运行，正组整流,系统正向运行转速给定电压,U,n,*,为正，转速反馈电压,U,n,为负，ASR的输入偏差电压,U,n,=U,n,*,-U,n,为正。由于ASR的倒相作用，其输出,U,i,*,为负，电流反馈,U,i,为正，ACR输入偏差电压,U,i,=U,*,i,-U,i,为负。经ACR倒相输出的控制电压 为正，为负。根据图3-8的触发移相特性可知，此时,f,90,0,所以反组待逆变。,主电路在忽略环流电抗器对负载电流变化的影响下，用粗箭头表示能量的流向，其中双线箭头表示电能主要由正组晶闸管VF输送给电动机。,发出停车（或反向）指令后，转速给定电压,U,n,*,突变为零（或负）。由于转速反馈电压,U,n,极性仍为负，所以,U,n,为负，则ASR饱和，输出,U,i,*,跃变到正限幅值,U,im,*,。这时电枢电流方向还没有来得及改变，电流反馈电压,U,i,的极性仍为正，ACR在,U,im,*,+U,i,合成信号的输入下，输出电压 跃变成负的限幅值-，使正组VF由整流状态很快变成,f,=,min,的逆变状态，同时反组VR由待逆变状态变成待整流状态。,图3-11（b）中表示了这时调速系统各处电位的极性和主电路中能量的流向。,图3-11 （b）本组逆变阶段,I,：正组逆变，反组待整流,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,+,+,+,-,-,-,-,+,+,I,d,0,+,-,-,+,+,-,-,在负载电流回路中，由于正组由整流变成逆变，,U,dof,的极性反过来了，而电动机反电动势,E,的极性未变，迫使,I,d,迅速下降，在主电路总电感,L,两端感应出很大的电压,L,其极性见图3-11（b）中所示。这时,L -E U,dof,=U,dor,由电感L释放的磁场能量维持正向电流，大部分能量通过VF回馈电网，而反组VR并不能真正输出整流电流。由于这一阶段中投入逆变工作的仍是原来处于整流状态工作的VF装置，所以称作,本组逆变阶段,。,本组逆变阶段,I,波形如图3-12所示:,(二)它组制动阶段,当主回路电流,I,d,下降过零时，本组逆变终止，转到反组VR工作,直到制动结束，,称为,它组制动阶段。,它组制动过程中能量流向的变化可分成三个子阶段，在图3-12波形图中分别标以1,2 和3,分别称为:,它组建流子阶段（1）,它组逆变子阶段（2）,反向减流子阶段（3）,1.它组建流子阶段（1）,当,I,d,过零并反向，直到达到,-I,dm,以前，,U,i,为负，但其数值小于,U,*,im,U,i,0 ，因此ACR仍处于饱和状态，其输出电压 仍为负，,U,dof,和,U,dor,都和本组逆变阶段一样。但由于,L,的数值略有减小，使,L,-E U,dor,，才能维持-,I,dm,基本恒定。当,U,dor,=0时，,E,仍继续下降，这时就无法维持-,I,dm,不变了，于是电流立即衰减，开始了反向减流子阶段。,在电流衰减过程中，电感,L,上的感应电压,L,支持着反向电流，并释放出储存的磁能，和电动机释放出来的动能一起通过VR逆变回馈电网，如图3-11（e）中粗实线箭头代表能量流向。,图（e）反向减流子阶段3：反组逆变（或有一段整流），电机停车。,+,-,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,+,+,+,-,-,-,-,+,0,+,-,-,+,+,I,d,+,-,+,-,0,0,0,0,0,0,0,-,-,如果电动机很快停止，整个制动过程到此结束。,如果由于各种可能的因素，电机并未立即停止，可能在最后一小段时间里出现一些变化。其一是：=0后可能反向，则,U,dor,也反向，反组又变成整流；其二 是，,n,=0后可能反向，,Un,也反向，才使ASR退出饱和。图3-11（e）中用虚线箭头来表示这些变化时所伴随的能量流向，在图3-12的波形图中也,用虚线表示了这些变化。,从上述分析和波形图可以看出，正向制动过程主要是通过反组逆变回馈制动，这时电机的转速在最大减速度下衰减到零，只在制动的开始和末尾经历一些不同的状态。,如果制动后紧接着反向起动，只要将,I,d,=-I,dm,的时间再延长下去，直到反向转速稳定为止。制动和起动过程完全衔接起来，没有任何间断或死区，这是有环流可逆系统的突出优点，对于要求快速正反转,的系统特别合适。,其缺点是需要添置环流电抗器，而且晶闸管等元件都要负担负载电流加上环流，因此只适用于中、小容量的系统。,三、可控环流的可逆系统,为了更充分利用有环流可逆系统制动和反向过程的平滑性和连续性，最好能有电流波形连续的环流,。,当主回路电流可能断续时，采用,的控制方式,，遏制环流至零。这样根据实际情况来控制环流的大小和有无，扬环流之长而避其短，称为可控环流的可逆调速系统。,1系统的组成,图3-13是可控环流可逆调速系统的原理图。主电路采用两组晶闸管交叉连接线路。控制线路仍为典型的转速、电流双闭环系统，但电流互感器和电流调节器都用了两套，分别组成正反向各自独立的电流闭环，,并在正、反组电流调节器1ACR、2ACR输入端分别加上了控制环流的环节,。控制环流的环节包括,环流给定电压,-U,c,*,和由二极管VD、电容,C,、电阻,R,组成的环流抑制电路。,为了使1ACR和2ACR的给定信号极性相反，,U,*,i,经过放大系数为1的反相器AR输出，作为2ACR的电流给定。这样，,当一组整流时，另一组就可作为控制环流来用。,图3-13 可控环流可逆系统原理图,2环流的控制原理,当转速给定电压时，ASR输出电压,U,i,*,=0，则1ACR和2ACR仅依靠环流给定电压,-U,c,*,（其值可根据实际情况整定），使两组晶闸管同时处于微微导通的整流状态，输出相等的电流,I,f,=I,r,=I,c,*,（给定环流）在原有的瞬时脉动环流之外，又加上恒定的直流平均环流，其大小可控制在(5%10%),nom,，而这时电动机的电枢电流为,I,d,=I,f,I,r,=0，电动机不运转。,正向运行时，,U,i,*,为负，二极管VD1导通，-,U,i,*,加在正组电流调节器1ACR输入端，使正组控制角,f,更小，输出电压,U,dof,升高，正组流过的电流,I,f,也增大；,与此同时，反组的电流给定 为+，二极管VD2截止，只能通过与VD2并联的电阻,R,加到反组电流调节器2ACR输入端，抵消了环流给定电压,-U,c,*,的作用，抵消的程度取决于电流给定信号,U,i,*,的大小。,稳态时，电流给定信号基本上和负载电流成正比，因此，当负载电流小时，不足以抵消,-U,c,*,，所以反组有很小的环流流过，电枢电流,I,d,=I,f,I,r,；,当负载电流增大时，增大，抵消,-U,c,*,的程度增大，当负载电流大到一定程度时，=|,U,c,*,|，环流就完全被遏制住了。这时正组流过负载电流，反组则无电流通过。与,R,、VD2 并联的电容,C,则是对遏制环流的过渡过程起加快作用的,。反向运行,时，反组提供负载电流，正组控制环流。,可控环流系统的主电路一般都采用交叉连接线路，将变压器的二次绕组一组接成星形，另一组接成三角形,，,使两组装置电源的相位差30,o,。这样可使系统处于零位时（,U,n,*,=0）避开瞬时脉动环流的峰值，从而可使均衡电抗器大为减小，甚至可以不用,。,由以上分析可知,可控环流系统充分利用了环流的有利一面，避开了电流断续区，使系统在正反向过渡过程中没有死区，提高了快速性；同时又克服了环流不利的一面，减小了环流的损耗。,所以在各种对快速性要求较高的可逆调速系统和随动系统中得到了日益广泛的应用。,第三节 无环流可逆调速系统,有环流可逆调速系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但需要设置几个环流电抗器，增加了系统的体积、成本和损耗。因此，当生产工艺过程对系统过渡特性的平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统，从生产可靠性要求出发，常采用既没有直流环流又没有脉动环流的,无环流可逆调速系统,。,按实现无环流的原理不同，可将无环流系统分为两类：,逻辑无环流系统和错位无环流系统。,逻辑控制的无环流可逆系统是用逻辑控制电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使另一组完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路。,错位无环流系统是,采用触发脉冲相位配合控制的原理,，当一组晶闸管整流时，另一组晶闸管处于待逆变状态，但两组触发脉冲的相位错开较远（150,0,），使待逆变组触发脉冲到来时，它的晶闸管元件却处于反向阻断状态，不能导通，从而也不能产生环流。,鉴于目前已使用不多,本节不再介绍,一、.系统的组成和工作原理,逻辑无环流可逆调速系统的原理框图如图3-14所示。主电路采用两组晶闸管反并联线路，由于无环流，不用再设置环流电抗器，但仍然保留平波电抗器，以抑制电枢电流的脉动和保证电流连续。,控制回路仍采用典型的转速、电流双闭环系统，并分设了两个电流调节器(并非必须如此)，lACR用来控制正组触发装置GTF，2ACR用来控制反组触发装置GTR。,图中1ACR的给定信号经反相器反相后作为2ACR的给定信号，这样可使电流反馈信号的极性在正、反转时都不必改变，从而可以采用不反映极性的电流检测器。,为了对正、反两组触发脉冲实施封锁和开放控制，达到无环流的目的，在系统中设置了,无环流逻辑控制器DLC,，这是系统中的关键部分。它必须根据系统的工作状态，,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。,保证在任何时候，决不允许两组晶闸管同时开放，确保主电路没有环流产生。,工作原理,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,正向运行,+,-,+,+,-,-,+,-,+,+,-,-,反向运行,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,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,-,-,正、反组触发脉冲的零位仍整定在90,0,，工作时移相方法仍和自然环流系统一样，只是用DLC来控制两组触发脉冲的封锁和开放。除此之外，系统其它的工作原理和自然环流系统没有多大区别。下面着重分析无环流逻辑控制器。,二、可逆系统对无环流逻辑控制器的要求,无环流逻辑控制器的任务是：,根据可逆系统各种运行状态，正确地控制两组晶闸管装置触发脉冲的封锁与开放，使得在正组晶闸管VF工作时，封锁反组脉冲；在反组晶闸管VR工作时，封锁正组脉冲。两组触发脉冲决不允许同时开放。,图3-14 逻辑无环流可逆调速系统的原理,逻辑控制器的输入应该根据什么信息来发出切换信号呢?,我们可以分析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,。,因此，应选择转矩信号作为,DLC,的输入信号。,由于ASR的输出信号,U,*,i,正好代表了转矩（电流Id）的方向，即：,*电机正向运行和反向制动时(、)，,U,*,i,为负,，U,cf,为正,应 开放VF，封锁VR，(VF提供+I,d,)；,*反向运行和正向制动时(、)，,U,*,i,为正,，U,cr,为正,应开放VR，封锁VF，(VR提供-I,d,)。,但是，,U,*,I,极性的变化只表明了系统转矩反向的意图，转矩极性的真正改变还必须要滞后一段时间，以防止开放组,发生逆变颠覆事故,，,只有在实际电流真正过零时，才能够安全切换,。因此，,需要检测零电流信号U,i0,作为DLC的另一个输入信号。,对DLC的输出要求,正向运行：要求,VF,整流，,开放,VF,，封锁,VR,；,正向制动：要求,VR,逆变，,开放,VR,，封锁,VF,；,反向运行：要求,VR,整流，,开放,VR,，封锁,VF,；,反向制动：要求,VF,逆变，,开放,VF,，封锁,VR,；,因此，,DLC,的输出有两种状态：,U,blf,=1,，开放,VF,，,U,blr,=0,，封锁,VR,U,blr,=1,，开放,VR,，,U,blf,=0,，封锁,VF,。,对DLC的内部逻辑要求,对输入信号,U,*,i,、,U,i0,模拟量,转换为开关量,。,根据输入信号，做出正确的,逻辑判断,。,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,封锁延时时间,，约,2,3ms,；从,U,*,i,变极性,发出切换指令到真正封锁掉原工作组脉冲的等待时间，以确认原工作组本组逆变电流已经真正为零，而非因电流脉动过零引起的误信号,造成逆变颠覆；,(2),t,2,开放延时时间,，约,5,7ms;,从封锁原工作组脉冲到开放另一组脉冲之间的等待时间，以确保原工作组关断的晶闸管已恢复阻断能力，防止两组同时导通短路。,零电流检测和封锁延时的作用,图315零电流检测封锁延时的作用,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触发器同时开放脉冲，确保主电路没有环流出现。,综上所述，对无环流逻辑控制器的要求可归纳如下：,1.,两组晶闸管进行切换的充分必要条件是，电流给定信号,U,i,*,改变极性,和零电流检测器,发出零电流信号,U,io,，这时才能发出逻辑切换指令。,2.,发出切换指令后，必须先经过封锁延时,t,1,才能封锁原导通组脉冲；再经过开放延时,t,2,后，才能开放另一组脉冲。,3.,在任何情况下，两组晶闸管的触发脉冲决不允许同时开放，当一组工作时，另一组的脉冲必须被封锁住。,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,三、无环流逻辑控制器的组成原理,1电平检测器,电平检测器的,功能是,将输入的连续变化模拟量U,i,*、U,io,转换成“1”或“0”两种状态的数字量。,它实际上是一个模数转换器。一般可用带正反馈的运算放大器构成，并且具有一定要求的回环继电特性.,电平检测器包含,转矩极性鉴别器DPT,和,零电流检测器DPZ,转矩极性鉴别器DPT及输入输出特性图,图3-18 转矩极性鉴别器DPT,零电流检测器DPZ及输入输出特性图,图3-19 零电流检测器DPZ,2逻辑判断电路,逻辑判断电路的,功能是,根据转矩极性鉴别器输出信号,U,T,和零电流检测器输出信号,U,Z,的状态，正确地发出切换信号,U,F,和,U,R,，封锁原来工作组的脉冲，开放另一组脉冲。,切换信号,U,F,和,U,R,公式如下：,电平检测与逻辑判断电路,3延时电路,延时电路的,功能是,：,产生合适的封锁延时时间,t,1,，,确保原工作的晶闸管装置在本组逆变阶段不发生逆变颠覆；再经过适当的开放延时时间,t,2,，,确保两组晶闸管装置之间不会造成环流短路。,图3-21 带与非门的延时电路,延时时间与延时电容的计算,t=RC,ln,根据对无环流逻辑控制器的要求，应在逻辑电路中加入图3-21延时电路，以实现封锁延时和开放延时，如图3-20所示。,图中，VD1、,C1,组成,封锁延时电路,；,VD2、,C2,组成,开放延时电路,。,例如，系统从正组切换到反组工作，,U