可逆控制和弱磁控制的直流调速系统课件

可逆控制可逆控制和弱磁控制的直流调速系统和弱磁控制的直流调速系统 电力拖动自动控制系统第第 4 章章 可逆控制和弱磁控制的直流调速系统 电力拖动自动控制系统第 1图2-1 晶闸管晶闸管-电动机调速系统电动机调速系统（V-M系统）原理图 电动机是朝一个方向旋转电动机是朝一个方向旋转(U(Ud d0,0,转速不能反向，单象限的运行转速不能反向，单象限的运行)图2-1 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图 电动2+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctg图图2-18 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图电动机是朝一个方向旋转电动机是朝一个方向旋转(U(Ud d0,0,转速不能反向，单象限的运行转速不能反向，单象限的运行)+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn 3+TGnASRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG图3-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 内环内环外外 环环niACR电动机是朝一个方向旋转电动机是朝一个方向旋转(U(Ud d0,0,转速不能反向，单象限的运行转速不能反向，单象限的运行)+TGnASRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-Ud4n电动机除电动转矩外还须产生制动转矩，实现生产机械快速的减速、停车与正反向运行等功能。n在转速和电磁转矩的坐标系上，就是四象限运行的功能，n这样的调速系统需要正反转，故称可逆调速系统。图4-1 调速系统的四象限运行电动机除电动转矩外还须产生制动转矩，实现生产机械快速的减速、54.1 直流直流PWM可逆可逆调速系统调速系统单闭环双环调速系统 电动机都是朝一个方向旋转(单象限的运行)可逆调速系统可逆调速系统:电动机能正、反转；快速地电动和制动；实现生产机械减速、停车；四象限运行的特性。转速反向：改变转速反向：改变PWMPWM变换器输出电压的变换器输出电压的正负极性正负极性。生产机械要求电动机的电磁转生产机械要求电动机的电磁转矩矩(Te)能够自由改变方向能够自由改变方向.4.1 直流PWM可逆调速系统单闭环电动机都是朝一个方向旋6PWM变换器形式：变换器形式：可逆可逆不可逆不可逆双极式双极式单极式单极式受限单极式受限单极式无制动无制动有制动有制动Ud(n)PWM变换器形式：可逆不可逆双极式单极式受限单极式无制动有制7+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图4-2 桥式可逆PWM变换器n双极式双极式可逆可逆PWM变换器(H形)主电路结构4.1.1 桥式可逆桥式可逆PWM变换器变换器可逆：可逆：电动机电动机M两端的两端的电压电压UAB的极性随开关的极性随开关器件驱动电压极性的变器件驱动电压极性的变化而改变。化而改变。双极式：双极式：UAB在一个周期内正负相间的脉冲波形在一个周期内正负相间的脉冲波形+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug28+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图4-2 桥式可逆PWM变换器4个电力晶体管的基级驱动电压分为两组：个电力晶体管的基级驱动电压分为两组：1）VT1和VT4同时导通和关断，其驱动电压Ug1=Ug4；2）VT2和VT3同时导通和关断，其驱动电压Ug2=Ug3=-Ug1；+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug29+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图4-2 桥式可逆PWM变换器12（1）正向运行）正向运行第第1阶段，在阶段，在 0 t ton 期间，期间，Ug1、Ug4为正，为正，VT1、VT4导通，导通，Ug2、Ug3为负，为负，VT2、VT3截止，电流截止，电流 id 沿回路沿回路1流通，电动机流通，电动机M两端电压两端电压UAB=+Us；第第2阶段，在阶段，在ton t T期间，期间，Ug1、Ug4为负，为负，VT1、VT4截止，截止，VD2、VD3续流，续流，并钳并钳位使位使VT2、VT3保持截止，电流保持截止，电流 id 沿回路沿回路2流通，电动机流通，电动机M两端电压两端电压UAB=Us；+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug210（2）反向运行）反向运行+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图4-2 桥式可逆PWM变换器43第第4阶段，在阶段，在 0 t ton 期间，期间，Ug2、Ug3为负，为负，VT2、VT3截止，截止，VD1、VD4 续流，并钳位续流，并钳位使使 VT1、VT4截止，电流截止，电流 id 沿回路沿回路4流通，流通，电动机电动机M两端电压两端电压UAB=+Us；第第3阶段，在阶段，在ton t T 期间，期间，Ug2、Ug3 为为正，正，VT2、VT3导通，导通，Ug1、Ug4为负，使为负，使VT1、VT4保持截止，电流保持截止，电流 id 沿回路沿回路3流流通，电动机通，电动机M两端电压两端电压UAB=Us；（2）反向运行+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD11U,iUdEid+UsttonT0-UsO(1)正向电动运行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO(2)反向电动运行波形n双极式控制可逆双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压变换器的输出平均电压(2 1)Usn 输出波形输出波形调速：调速：=01，=-11Us 1/2,为正，电动机正转；为正，电动机正转；1/2,为负，电动机反转；为负，电动机反转；=1/2,为为0，电动机停止。电动机停止。U,iUdEid+UsttonT0-UsO(1)正向电动12VDUs+UgCVTidM+_Ea）主电路原理图 MUdOtUg图图2-10 简单的不可逆简单的不可逆PWM变换器变换器-直流电动机系统直流电动机系统4.1.3 直流直流PWM功率变换器的能量回馈功率变换器的能量回馈 PWM变换器变换器的直流电源的直流电源VDUs+UgCVTidM+_Ea）主电路原理图 MUdO13M+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1ECUs+MVT2Ug2VT1Ug1图图2-11 有制动电流通路的不可逆有制动电流通路的不可逆PWM变换器变换器 PWM变换器变换器的直流电源的直流电源M+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1ECUs+MVT214+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图图4-2 桥式可逆桥式可逆PWM变换器变换器 PWM变换器变换器的直流电源的直流电源+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug215C C+PWM变换器的直流电源变换器的直流电源Us通常由交流通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，把电网电网经不可控的二极管整流器产生，把电网提供的交流电整流成直流电；并采用大电容提供的交流电整流成直流电；并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压。滤波，以获得恒定的直流电压。滤波；当电动机制动时吸收当电动机制动时吸收运行系统动能的作用运行系统动能的作用。CC+PWM变换器的直流电源Us通常由交流电网16n泵升电压产生的原因及泵升电压泵升电压产生的原因及泵升电压 当脉宽调速系统的当脉宽调速系统的电动机减速或停车时，电动机减速或停车时，储存在电动机中和负载储存在电动机中和负载转动部分的动能将变成转动部分的动能将变成电能，并通过电能，并通过PWMPWM变换变换器回馈给直流电流。由器回馈给直流电流。由于直流电源靠二极管整于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，使电容两端电压升高，称作称作“泵升电压泵升电压”。C C+泵升电压产生的原因及泵升电压 当脉宽调速系统的电动机17RbVTbn 泵升电压限制及泵升电压限制电路泵升电压限制及泵升电压限制电路 如果要让电容器全部吸收回馈能量，将需要很大的电如果要让电容器全部吸收回馈能量，将需要很大的电容量，或者迫使泵升电压升高而损坏器件。在不希望使用容量，或者迫使泵升电压升高而损坏器件。在不希望使用大容量电容器从而大大增加调速装置的体积和重量时，可大容量电容器从而大大增加调速装置的体积和重量时，可以采用以采用放电电阻放电电阻Rb 和和开关器件开关器件VTb 组成的组成的泵升电压限制电泵升电压限制电路。路。超过泵升超过泵升电压允许值电压允许值导通导通 把能量回馈把能量回馈的一部分消耗的一部分消耗在放电电阻中在放电电阻中 泵升电压限制电路靠开关器件泵升电压限制电路靠开关器件在泵升电压达到允许时接通。在泵升电压达到允许时接通。RbVTb 泵升电压限制及泵升电压限制电路 18n 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路桥式可逆直流脉宽调速系统主电路图1-18 桥式可逆PWM变换器Ug4MUg3Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3AVT1+-VD1VD2VD3VD4BMVT2VT3VT4RbVTbR0UsC PWM控制器控制器UcUcUgUdPWM控制器PWM变换器图2-13 PWM控制与变换器的框图 桥式可逆桥式可逆PWM变换器变换器限流电阻限流电阻 PWM变换器的直变换器的直流电源由不可控整流电源由不可控整流器提供流器提供滤波滤波;当电动机制动时吸收当电动机制动时吸收运行系统动能的作用运行系统动能的作用。泵升电压限制电路泵升电压限制电路 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路图1-18 桥式可逆PW19图1-18 桥式可逆PWM变换器Ug4MUg3Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3AVT1+-VD1VD2VD3VD4BMVT2VT3VT4RbVTbR0UsCUcPWM控制器控制器桥式可逆电力电子变换器：实现电能桥式可逆电力电子变换器：实现电能回馈电网，以获取好的制动效果并节回馈电网，以获取好的制动效果并节能，把多余电能逆变后回馈电网。能，把多余电能逆变后回馈电网。图1-18 桥式可逆PWM变换器Ug4MUg3Ug1Ug2204.2 V-M可逆直流调速系统可逆直流调速系统V-M系统的可逆线路有两种方式：l电枢反接可逆线路电枢反接可逆线路l励磁反接可逆线路一一.两组晶闸管装置反并联线路与可逆两组晶闸管装置反并联线路与可逆V-M系统的系统的四象限运行四象限运行1.接触器开关切换的可逆线路2.晶闸管开关切换的可逆线路3.3.两组晶闸管装置反并联可逆线路两组晶闸管装置反并联可逆线路适用于不经常正反适用于不经常正反转的生产机械；转的生产机械；适用于中、小功适用于中、小功率的可逆系统；率的可逆系统；适用于各种可适用于各种可逆系统。逆系统。4.2.1 V-M可逆直流调速系统的主电路及环流可逆直流调速系统的主电路及环流4.2 V-M可逆直流调速系统V-M系统的可逆线路有两种方21图4-8 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路 b)运行范围正向正向反向反向OId-n-IdnId-IdMVRVF+-+-a)电路结构VF:正组晶闸正组晶闸管整流装置管整流装置VR:反组晶闸反组晶闸管整流装置管整流装置1 1、两组晶闸管装置反并联线路、两组晶闸管装置反并联线路1.1.两套晶闸管分别由两套触发装置控制，灵活控制两套晶闸管分别由两套触发装置控制，灵活控制电机起、制动和升、降速；电机起、制动和升、降速；2.2.电源短路：两组晶闸管电源短路：两组晶闸管同时同时处于整流状态。处于整流状态。图4-8 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路 b)运行范22 1）当）当 0 0，晶闸管装置处，晶闸管装置处于于整流状态整流状态，电功率从，电功率从交流侧输送到直流侧；交流侧输送到直流侧；Ud0/2 2）当）当 /2 max 时，时，Ud0 0，装置处于，装置处于有源有源逆变状态逆变状态，电功率反向，电功率反向传送。传送。整流整流 max 有源逆变有源逆变通过设置控制电通过设置控制电压限幅值，来限压限幅值，来限制最大触发角。制最大触发角。逆变颠覆逆变颠覆图图 相位整流器的电压控制曲线相位整流器的电压控制曲线 1）当 0 0 23 在电流连续的条件下，晶闸管装置的平均理想空载输出电压为 cosd0maxU=整流状态：整流状态：90 Ud0为正为正逆变状态：逆变状态：90 Ud0为负为负逆变颠覆：逆变颠覆：180 Ud0 在电流连续的条件下，晶闸管装置的平均理24 Ud0=Ud0max cos定义逆变角逆变角：=180 =180 ，则逆变电压公式可改写为：2、逆变角逆变角min min 保护：保护：为了保护晶闸管安全换向不致造成逆变颠覆，为了保护晶闸管安全换向不致造成逆变颠覆，不能让不能让太接近太接近0 00 0，应在控制电路中设法加以保护。，应在控制电路中设法加以保护。minmin30300 0 Ud0=Ud0max cos定义逆变角：25-+Ud0RMnEV-3.单组单组晶闸管装置供电的晶闸管装置供电的V-M系统的整流和逆变系统的整流和逆变（1）整流状态提升重物整流状态提升重物：90，Ud0 E，n 0 由电网向电动机提供能量。PId-+n-nIdO提升提升-+Ud0RMnEV-3.单组晶闸管装置供电的V-26+-Ud0RMnEV-（2）逆变状态逆变状态放下重物放下重物：90，Ud0 E，n 0 由电动机向电网回馈能量。PId3.单组单组晶闸管装置供电的晶闸管装置供电的V-M系统的整流和逆变系统的整流和逆变n-nIdO提升提升+-放下放下+-Ud0RMnEV-（2）逆变状态放下重物：27n-nIdTe提升放下n整流状态：整流状态：电动机工作于第一象限n逆变状态：逆变状态：电动机工作于第四象限TL图4-3c 单组V-M系统带起重机类型负载时的整流和逆变状态 O单组单组晶闸管装置供电的晶闸管装置供电的V-MV-M系统的整流和逆变系统的整流和逆变n-nIdTe提升放下整流状态：TL图4-3c 单组V-28-+Ud0RM+-nEV-PId整流状态整流状态+-+-Ud0RMnEV-PId逆变状态逆变状态1.电流方向不变电流方向不变 2.平均电压的极平均电压的极性相反性相反 同一套同一套(单组单组)晶晶闸管装置既可以闸管装置既可以工作在整流状态，工作在整流状态，也可在逆变状态。也可在逆变状态。3.在整流状态中在整流状态中输出电能，在逆输出电能，在逆变状态中吸收电变状态中吸收电能。能。-+Ud0RM+-nEV-PId整流状态+-+-U29两组晶闸管两组晶闸管反并联：反并联：正组整流正组整流两组晶闸管两组晶闸管反并联：反并联：反组整流反组整流nId单组晶闸管：单组晶闸管：逆变逆变发电回馈制动发电回馈制动逆变逆变反组反组两组晶闸管反并联：两组晶闸管反并联：nId单组晶闸管：逆30图4-9 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)正组整流电动运行正组整流电动运行 a)正组晶闸管装置VF整流nVF处于整流状态：处于整流状态：f 90，Ud0f E，n 0 电机从电路输入能量作电动运行。PR-+Ud0 fM+-nEVF-4.两组两组晶闸管装置反并联的整流和逆变晶闸管装置反并联的整流和逆变+-+-Ud0rRMnEVR-Id图4-9 两组晶闸管反并联可逆V-M系统的正组整流和反组逆31b)反组晶闸管装置VR逆变nVR逆变状态：逆变状态：r 90，E|Ud0r|，n 0 电机输出电能实现回馈制动。4.两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图4-9 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)正组整流电动运行正组整流电动运行 PR-+Ud0 fM+-nEVF-+-+-Ud0rRMnEVR-IdP-Idb)反组逆变回馈制动反组逆变回馈制动b)反组晶闸管装置VR逆变VR逆变状态：r 90，32c）机械特性范围）机械特性范围 正组正组整流状态整流状态：V-M系统工作在第一象限。反组反组逆变状态逆变状态：V-M系统工作在第二象限。图4-9c 机械特性运行范围 Id-Idn反组逆变回馈制动正组整流电动运动O+-+-Ud0rRMnEVR-P-IdR-+Ud0 fM+-nEVF-PIdc）机械特性范围 正组整流状态：V-M系统工作在第一象限。33二、二、可逆可逆V-M系统中的环流问题系统中的环流问题 1.环流定义环流定义n环流环流:采用两组晶闸管采用两组晶闸管反并联的可逆反并联的可逆V-M系统，如果两系统，如果两组装置的组装置的整流电整流电压同时出现压同时出现，不不流过负载而直接流过负载而直接在两组晶闸管之在两组晶闸管之间流通的短路电间流通的短路电流流，称作环流。，称作环流。图4-10 反并联可逆V-M系统中的环流 MVR VFUd0f+-+Ud0rRrecRrecRa-IdIc 环流环流Id 负载电流负载电流 Ic二、可逆V-M系统中的环流问题 1.环流定义环流:图4-342.环流的分类环流的分类环流环流静态环流静态环流动态环流动态环流：两组可逆线路在一定控制角一定控制角 下稳定工作下稳定工作时出现的环流。：稳态运行时并不存在，仅在可逆V-M系统处于过渡过程过渡过程中出现的环流。直直流流平平均均环环流流由晶闸管装置输出的直直流流平平均电压均电压所产生的环流，称作直流平均环流。瞬时脉动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，瞬时电压差瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。MVRVFUd0f+-+Ud0rRrecRrecRa-IdIc2.环流的分类环流静态环流动态环流：两组可逆线路在一定控制角353.直流平均环流与配合控制直流平均环流与配合控制MVR VF+-+RrecRrecRa-IdIcUd0fUd0r 由晶闸管装置输出的直流由晶闸管装置输出的直流 平平均电压均电压所产生的环流。所产生的环流。图4-10 反并联可逆V-M系统中的环流直流平均环流直流平均环流3.直流平均环流与配合控制MVR VF+-+RrecR363.直流平均环流与配合控制直流平均环流与配合控制为了防止直流平均环流的产生，需要采取必要的措施：n采用封锁触发脉冲的方法，在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作；n采用配合控制的策略，使一组晶闸管装置工作在整流采用配合控制的策略，使一组晶闸管装置工作在整流状态，另一组则工作在逆变状态。状态，另一组则工作在逆变状态。MVR VF+-RrecRrecRa-IdUd0fUd0r-+IcVF:整流整流Ud0f:为正为正VR:逆变逆变Ud0r:为负为负Ic0Ud0r3.直流平均环流与配合控制为了防止直流平均环流的产生，需要373.直流平均环流与配合控制直流平均环流与配合控制MVR VF+-RrecRrecRa-IdUd0f-+VF:整流整流Ud0f:为正为正VR:逆变逆变Ud0r:为负为负Ud0f=Ud0 max cos f Ud0r=Ud0 max cos rUd0f=Ud0rcos r=cos f或或 r+f=180 Ic0Ud0r3.直流平均环流与配合控制MVR VF+-RrecRre38 r：反组的控制逆变角。（1）配合控制原理）配合控制原理cos r=cos f或或 r+f=180 =180 f=r按照此式控制两组晶闸按照此式控制两组晶闸管就可以消除管就可以消除直流平均直流平均环流环流，这称作，这称作 =配配合控制合控制。r：反组的控制逆变角。（1）配合控制原理cos r39（1）配合控制原理）配合控制原理 f=r为了更可靠地消除直流平均环流，可采用：f r MVR VF+-RrecRrecRa-IdUd0f-Ud0rVF:整流整流Ud0f:为正为正VR:逆变逆变Ud0r:为负为负Ic0【cos f cos r】Ud0f=Ud0 max cos fUd0r=Ud0 max cos r（1）配合控制原理 f=r为了更可靠地消除直流平均40（2）配合控制方法）配合控制方法为实现配合控制，可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定90,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，电机处于停止状态。，电机处于停止状态。n增大控制电压增大控制电压Uc 移相时，只要使两组触发装置的控移相时，只要使两组触发装置的控制电压制电压大小相等符号相反大小相等符号相反就可以了。就可以了。MVR VF+-RrecRrecRa-IdUd0f-Ud0rIc0Ud0f=Ud0r f=r（2）配合控制方法为实现配合控制，可将两组晶闸管装置的触发脉41图4-11 =配合控制电路MVRVFRrecRrec-1ARGTRGTFUcRaM（3）=配合控制电路配合控制电路同一个控制电同一个控制电压压Uc去控制两去控制两组触发装置组触发装置.同一个控制电同一个控制电压压Uc去控制两去控制两组触发装置组触发装置.AR:反号器反号器GTF正组触发装置GTR 反组触发装置 f=rUd0f=Ud0r图4-11 =配合控制电路MVRVFRrecRr42（4）=配合控制特性配合控制特性Uc-Uc 90o180o 0o90o0o 180o-UcmUcm fmin rminGTFGTR rmin fmin图4-12 =配合控制特性（4）=配合控制特性Uc-Uc 90o143经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量StudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe学习总结经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量学44结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日 结束语45