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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,*,第五章 直流电动机 调速控制系统,前 言,许多生产机械都有调速要求，在相当长的电力拖动历史中，凡要求平滑调速且调速性能指标较高时，直流电动机调速系统一直占有绝对的统治地位，而交流电动机调速系统只能占仆从的位置。随着相关技术与学科的迅速发展，使得高性能的交流调速技术得到了人们的重视，并不断抢占直流调速的传统应用领域。但直流调速多年来形成的成熟理论确是现代交流调速技术的基础。所以，在电力拖动自动控制的体系性理论及学习中，将直流调速技术放在核心位置仍是不二的选择。,本章介绍直流调速系统中常用的可控直流电源，给出了速度负反馈闭环调整的概念。重点介绍了性能优良的转速、电流双闭环直流调速系统的结构与工作原理。对转速可逆直流调速系统则做了简要介绍。图,5-0,为热连轧板材生产线，主拖动多为大功率直流电动机系统。,图,5-0,热连轧生产线,提纲,直流调速的基础知识,反馈控制直流调速系统,无静差直流调速系统,直流可逆调速系统简介,5.1,直流调速的基础知识,直流电动机优点：,转矩易于控制，具有良好的起制动性能，在相当长的时间内，一直在高性能调速领域占有绝对的统治地位。此外，直流调速技术方面的理论相对成熟，其研究方法和许多基本结论很容易在其它调速领域内推广，所以直流调速一直是研究调速技术的主流。,电动机,直流电动机,交流电动机,交流调速系统,直流调速系统,由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，本章将对直流调速的基本理论做较详细的介绍。,5.1,直流调速的基础知识,（,5-1,）,式中：,电机,转速（,r/min,）,I,R,K,e,U,电枢电压（,V,）,电枢电流（,A,）,电枢回路总电阻（,）,励磁磁通（,Wb,）,由电机结构决定的结构常数,在稳定运转,时，直流电动机的转速与其它参量的关系,：,由（,5-1,）式可知，直流电动机的调速方法有三种：,1.,改变电枢回路电阻,R,2.,改变励磁磁通,3.,改变电枢外加电压,U,对于要求大范围无级调速的系统来说，改变电枢回路总电阻的方案难以实现,改变电动机磁通,的方案虽然可以平滑调速，但调速范围不可能很大,调电枢端电压,U,的方法调速，此时电动机磁通,应为最大值,(,额定值,),且保持不变，以求得充分发挥电动机的负载能力。而在额定转速,(,基速,),以上时，因电枢端电压,U,已不允许再增加，可采用减弱磁通,的方法使电动机的转速进一步提高，从而提高整个系统的速度调节范围,调速范围宽、简单易行、负载适应性广，是当今直流电动机调速的主要方法。,GT,为晶闸管触发装置，,V,为晶闸管整流器，合起来为一可控直流电源。可控直流电源给直流电动机电枢供电组成直流调速系统。这类直流调速系统简称,V-M,系统,工作原理：,改变,GT,的输入信号大小，就可改变,GT,输出脉冲的相位，晶闸管在不同的相位,处开始导通，使整流器输出的电压平均值,U,d,大小变化，进而改变电动机的转速。和传统的,G-M,系统相比，晶闸管可控直流电源的功率放大倍数高出旋转变流机组两到三个数量级，而系统反应速度也要高出二个数量级以上。,晶闸管整流,5.1.1,可控变流装置,图,5-1,晶闸管整流装置供电的直流调速系统,+,+,_,+,_,L,V,GT,U,d,M,直流斩波器,工作原理：,图,5-2a,中，当,VT,被触发导通时，电源电压,Us,加到电动机电枢上；当,VT,在控制信号作用下，通过强迫关断电路关断时，电源与电动机电枢断开，电动机经二极管,VD,续流，此时，图中,A,、,B,两点间电压接近零。若使,VT,反复通断，就得到,A,、,B,间电压波形如图,5-2b,。常用的是周期,T,不变，改变导通时间,ton,进而改变输出直流电压平均值，最终完成转速调节，这种方式称脉冲宽度调制，此时系统简称,PWM,调速系统。,目前，由于全控型电力电子器件的发展，线路被优化，性能更优越。,5.1.2,转速控制的要求和调速指标,调速范围,生产机械要求电动机所提供的最高转速与最低转速之比称为调速系统的调速,范围。常用字母,D,来表示。,（,5-2,）,这里 、 通常指电动机带上额定负载时的转速值。,2.,静差率,系统转速的变化主要由负载变化引起，反映负载变化对转速影响的一个指标,被定义为静差率。其定义为：调速系统在额定负载下的转速降落与理想空载转速,之比。静差率用字母,S,表示：,（,5-3,）,调速,稳速,速度变化率,静差率百分数表示：,对一般系统来说，,S,越小时说明系统转速的相对稳定性越好。而对同一系统,而言，静差率不是定值，电动机工作速度降低时，静差率就会变大。请看图,5-3,。,结论：,调速系统只要在调速范围的最低,工作转速时满足静差率要求，则其在整个调,速范围内都会满足静差率要求。,给出了系统两条稳定工作特性，对应于电枢上两个不同的外加电压。对于调压调速来说，两条特性是平行的，即在负载相同时，两种情况下转速降落值应是相同的，若是额定负载，两者的速降均为 。而根据静差率,S,的定义，因,，显然有,S1U,com,时，二极管导通，电流负反馈信号,U,i,即可加到放大器上去；当,I,d,R,s,Idcr,时，电流负反馈起作用，此时系统同时有,转速负反馈和电流负反馈，静特性为：,（,1,）当,I,d,I,dcr,时，电流负反馈被截止，系统只是单纯的转,速负反馈闭环调速系统，其静特性方程为：,（,5-14,）,n,0,-A,段,A-B,段,直到电动机转速为零，当堵转时，电流为,I,db1,，,此电流称为,堵转电流,。,图,5-10,带电流截止负反馈的转速闭环调速系统的静特性,在式（,5-14,）中，令,n=0,得，,一般 ，因此,（,5-15,）,为保证系统有尽可能宽的正常运行段，取临界截止电流略大于电动机的额定电,流，通常取,I,dcr,=(1.01.2)I,nom,；而堵转电流应小于电动机的最大允许电流，通常取,I,db1,=(1.52)I,nom,。,需要说明的是,，电流截止负反馈，不仅在电动机处于堵转状态起作用，而且在,起、制动过程中也能起限制起、制动电流的作用。当动态过程将近结束时通过电流,反馈环节调整电流下降至,I,dcr,，使得,电动机过渡到,n,0,-A,段工作。,比较电压,U,nom,的选取：,图,5-9,电流截止负反馈中，比较电压,U,com,是由比较电源取出，如图,5-11,采用稳压管获取,比较电压的线路更为简单，而且更容易办到 。,稳压管的稳压值,U,dw,相当于比较电压，当反馈信号,I,d,R,s,低于稳压值,U,dw,时，反馈回路只能通过极小的漏电流，电流负反馈被截止，当,I,d,R,s,大于,U,dw,时，稳压管被反向击穿，反馈回路有反馈电流通过，得到下垂特性。,缺点：,用该线路省掉了比较电源，但临界截止电流的调整不够方便，且因稳压管,稳压值的分散性，选取合适稳压值的稳压管也常有一些困难。,Back,图,5-11,用稳压管作比较电源的电流截止负反馈,5.3,无静差直流调速系统,有静差系统,无静差系统,采用一般按比例放大的放大器的自动调速系统，尽管放大倍数很大，但毕竟为有限值，所以在负载改变后，它不可能维持被调量完全不变，这种系统称为,有静差系统,就是系统的被调量在稳态时完全等于系统的给定量，其偏差为零，这就是说，在无静差系统中，电动机转速在稳态时与负载无关，只取决于给定量。,系统正是靠误差进行调节 ，系统的正常工作是依靠偏差来维持 。,要想使偏差为零，系统又能正常工作，必须使用有积分作用的调节器。,5.3.1,比例（,P,）、积分（,I,）、比例积分（,PI,）调节器,1.,比例调节器,P,如图,5-12,所示的比例调节器有两个输入信号，它们采用电压并联，在放大器输入端电流相减的方式完成运算。,A,点为虚地点,当我们对,A,点列写电流运算式时，可有下,列结果：,集成运算放大器具有开环放大倍数高、输入电阻大、输出电阻小、漂移小、线性度好等优点，所以它在模拟量控制系统中作为调节器的基本元件得到了广泛应用。运算放大器配以适当的反馈网络就可组成,比例、积分、比例积分,等调节器，可得到不同的调节规律，满足控制系统的要求。,图,5-12,比例调节器线路图,由 可得,令 ，可得,（,5-16,）,在此式中，没有考虑运算放大器输入与输出间的反相关系，实际上，这里的,k,p,可看成是输出与输入之间的绝对值之比。,在采用,比例调节器,的调速系统中，调节器的输出是触发装置的控制电压,U,ct,，且,U,ct,=k,p,（,U,n,*-U,n,）,=k,p,U,n,。只要电动机在运行，,U,ct,就不能为零，也就是调节器的输入偏差电压,U,n,不能为零，这是此类调速系统,有静差的根本原因,。,2.,积分调节器,I,积分调节器又称,I,调节器。,由虚地点,A,的假设可以很容易得到：,（,5-17,）,式中：,积分时间常数,由上式（,5-17,）可见，积分调节器输出电压,U,sc,与输入电压,U,in,的积分成,正比,。当然，这里暂也不考虑输入与输出两者的反极性关系。,图,5-13,积分调节器线路图,当,U,sc,的初始值为零时，在阶跃输入下，对式（,5-17,）进行积分运算，得积分调节器的输出时间特性（见图,5-14a,）：,(5-18),图,5-14,积分调节器输入输出特性,a),积分调节器阶跃输入时的输出特性,b),积分调节器的输出保持特性,当,U,in,突加的初瞬，由于电容尚未充电以及其两端电压不能突变，相当于电容短路，使放大器输出全部电压都反馈到输入端，由于这是强烈的负反馈，在其作用下，使,U,sc,开始时为零，然后电容充电，电容两端电压,U,c,升高，负反馈逐渐减弱，,U,sc,开始增长。因为电容充电电流接近为恒定值，所以,U,c,及,U,sc,都接近线性增长。其上升斜率决定于,U,in,/,。积分时间常数越大，,U,sc,增长越慢。显然，调速系统中加入积分调节器后系统的反应速度会变慢。,如果采用,积分调节器,时，因其输出积分的保持作用（图,5-14b,），则在系统稳态工作时，尽管调节器的输入偏差电压,而其输出,U,ct,仍可是不为零的某一电压，而这一电压正是维持该运行状态所必要的电压值。,积分的保持作用是系统无静差的根本原因,。,工作原理：,3.,比例积分调节器,PI,把比例和积分两种控制规律结合起来 ，使系统稳态精度高，又有足够快的反,应速度。,在不计输入和输出的反相关系,利用,A,点的虚地：,，,（,5-19,）,式中，,R,0,C,1,PI,调节器的积分时间常数；,PI,调节器的比例放大系数。,1,1,图,5-15,比例积分调节器线路图,由式（,5-19,）可知，在输入电压,U,in,（阶跃函数）的初瞬，输出电压有一跃变，以后随时间的延续线性增长，变化规律如图,5-16,所示：,输出电压,U,sc,由两部分组成：,第一部分为输入,U,in,的比例放大部分,在输入电压加上的初瞬，电容,C1,相当于短路，此时只相当于比例调节器，输出电压,U,sc,=K,p,U,in,，输出电压毫不迟延地跳到,K,p,U,in,值，因而调节速度快。,第二部分是积分部分 随着,C1,被充电，,U,sc,不断上升，上升快慢取决于,比例积分调节器特点：,1,） 有比例调节功能，就有了较好的动态响应特性，良好的快速性，弥补了积分调节的延缓作用；,2,） 有积分调节功能，只要输入端有微小的信号，积分就进行，积累过程，如图,5-22,。在积分过程中，如果输入信号变为零，其输出有保持过程，如图,5-20b,所示。这种,积累、保持特性，能在控制系统中能够消除稳态误差。,图,5-16,比例积分调节器的输入输出特性,5.3.2,采用,PI,调节器的单闭环自动调速系统,定义：,在一个调节系统中引入了比例积分调节器组成的反馈控制系统能够消除误差，,维持被调量不变，这样的调节系统为,无,静,差调节系统,。,系统的被调量是电动机的转速，这里比例积分调节器在系统中起调节转速的作用，因此也叫做,速度调节器,。,电动机的转速实际值,n,通过测速发电机得到的反馈电压,U,n,反映出来，把,U,n,反馈到系统的输入端与速度给定信号,U,n,*,相比较，把差值,U,n,=U,n,*,-U,n,作为速度调节器的输入。,图,5-17,采用,PI,调节器的单闭环调速系统,当电动机起动时，接通速度给定电压,U,n,*,（相对电动机转速,n,1,），开始时电动机转速为零，即,U,n,=0,速度调节器输入电压,U,n,=U,n,*,是很大的。此时，若无限流环节，则电动机电枢电流会在很短的时间内升高到一个很大的值上，为避免起动电流的冲击，,系统仍需加电流负反馈来做限流保护。在电流负反馈环节的作用下，电枢电流达到某一最大值后不再升高。随着起动过程的延续，转速迅速上升，当电动机转速上升到给定转速,n1,时，速度反馈电压,Un,正好与给定,Un*,相等。也就是此时速度调节器的输入信号,Un=0,。,电动机起动时系统的工作过程：,负载突变时系统的调节过程：,假定系统已在稳定运行，对应的负载电流为,I,1,，在某一时刻突然将负载加大到,I,2,，由于电动机轴上转矩突然失去平衡，电动机转速开始下降产生一个转速偏差,n,，如图,5-18b,所示，这时速度反馈电压,U,n,相应减少，因给定量未变，从而使调节器的输入偏差电压,U,n,=(U,n,*,-,U,n,),0,。,（,1,）比例输出的调节作用,比例输出是没有惯性的，由于产生偏差,n(,U,n,),使晶闸管整流输出电压增加了,U,d01,，如图,5-18c,曲线,1,所示。这个电压增量使电动机转速很快回升，速度偏差愈大，比例调节的作用愈强，,U,d01,就愈大，电动机转速回升也愈快。当转速回到原来转速,n,1,以后，,U,d01,也相应减少到零。,（,2,）积分调节的作用：,当负载增加时，电动机转速降低，调节器输入出现偏差电压,U,n,，,积分作用下,，晶闸管整流器输出电压也要升高。积分作用产生的电压增量,U,d02,对应于调节器对输入偏差电压,U,n,的积分。偏差愈大，电压,U,d02,增长速度愈快，即偏差最大时，电压增长速度最快。开始时,U,n,很小，,U,d02,增长很慢，在调节后期,n,减小了，,U,d02,增加的也慢了。一直到,U,n,等于零时,U,d02,才不再继续增加，在这以后就一直保持这个值不变，如图,5-18c,曲线,2,所示。,图,5-18,负载变化时调解过程曲线,（,3,）比例作用与积分作用的合成效果,图,5-18c,曲线,3,为其合成效果曲线。从这里可以看出，晶闸管整流电压增长的速度与偏差,U,n,相对应，只要存在偏差,电压就要增长，而且电压增长的数值是积累的。因为,U,d0,=,U,n,t,，所以整流电压最后值不但取决于偏差值的大小，还取决于偏差存在的时间。在调节的开始和中间阶段，比例调节起主要作用，它首先阻止,n,的继续增大，并能使转速回升。在调节的后期转速偏差,n,很小了，比例调节的作用不显著了，而积分调节作用上升到主导地位，最后依靠它来完全消灭偏差,n,。因此不论负载怎样变化，积分调节的作用是一定要把负载变化的影响完全补偿掉，使转速回到原来的转速为止。这就是,无差调节的基本道理,。,（,4,）调节过程结束,电动机转速又回升到给定转速,n,1,。速度调节器的输入偏差电压,U,n,=0,。但速度调节器的输出电压,U,ct,，由于积分的保持作用，稳定在一个大于负载增大前的,U,ct1,的新值上。晶闸管整流输出电压,U,d0,等于调节过程前的数值,U,d01,加上比例和积分两部分的增量,U,d01,和,U,d02,。调节结束后晶闸管整流输出电压,U,d0,稳定在,U,d02,上，如图,5-18d,所示。,5.3.3,带有速度调节器和电流调节器的双闭环直流调速系统,在单闭环系统中，为了限制电枢电流不超过最大允许电流可以采用电流截止负反馈环节。但电流截止负反馈环节只是在超过临界电流,I,dcr,值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图,5-19,所示。,由图可见，在整个起动过程中，电枢电流只在一点达到了最大允许电流,I,dm,，而在其余的时间里，电枢电流均小于,I,dm,，这使得电动机的动态加速转矩无法保持在最大值上，因而加速过程必然拖长。,图,5-19,带电流截止负反馈的的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形,1.,最佳过渡过程的概念,电动机的最大转矩有一个极限值，充分利用电动机这个极限值，使过渡过程时间最短，获得最高生产率的过渡过程叫做,限制极值转矩的最佳过渡过程,。,即,电动机机电时间常数,尽量保持最大转矩不变，对于调压调速系统来说也就是保持电动机工作于最大允许电流,I,dm,上。在,I,dm,不变的情况下，电动机是怎样加速的呢？,于是,（,5-20,）,式中,电动机加速度,M,dm,电动机最大电磁转矩,J,2,电动机飞轮惯量,I,dm,电动机最大允许电流,I,e,电动机负载电流,T,M,机电时间常数,R,电枢回路总电阻,C,M,=K,M,电动机转矩常数,C,e,=K,e,电动机电动势常数,积分得,（,5-21,）,速度变化规律：,即,n,按,线性增长,，当速度,n,上升到稳定值时，加速度应为零，即,d,n,/d,t,=0,此时电动机电流,Id,应等于负载电流,I,e,，即动态加速电流为零。,由,当电动机以最大恒加速升速时，晶闸管整流器输出的整流电压平均值,U,do,变化规律：,但实际系统，由于电枢回路电感的存在电枢电流不可能立即从零上升到最大值,I,dm,，在起动过程结束，转速升到给定转速时电枢电流同样不可能由最大电流,I,dm,一下子降到稳态电流,I,e,上。实际过渡过程中各量变化关系图,5-21,所示。,如果电枢回路电感值相对很小，在电流变化时的影响不计，上式是成立的。这就是说,I,dm,R,为常数，,C,e,为常数，即,U,do,也应与,n,一样变化而为一线性增长。最佳过渡过程中各量变化关系图,5-20,。,图,5-20,最佳条件下各量变化曲线线,图,5-21,实际系统过渡过程各量变化曲线,综上分析，要实现最佳过渡过程，必须,满足下列要求,：,（,1,）电动机在起动过程中，电枢电流应一直保持在最大容许电流值,I,dm,上，而在过渡过程结束时，要立即下降到稳态值即负载电流值,I,e,上。,（,2,）电动机转速,n,是按照线性上升（即恒最大加速度上升）到给定转速,n,*,，加速度的大小除与动态加速电流（,I,dm,-I,e,）成正比外，还与表示电机惯性的机电时间常数,T,M,成反比。,（,3,）为了在起动过程中使电枢电流,I,d,立刻由零升到最大允许值,I,dm,，晶闸管整流器输出的整流电压平均值,Ud0,必须立即为,I,dm,R,，以后按线性上升。在上升的过程中应始终保持,，以保证得到最大的,d,n,/d,t,值。到转速,n,达到给定稳态转速,n,*,时，又要立刻下降到稳态所需要的值,U,do,上。,2.,双闭环系统的组成及其工作原理,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。,图中，速度调节器,ASR,和电流调节器,ACR,均采用了带有输出限幅环节的比例积分（,PI,）调节器。,图,5-22,转速、电流双闭环系统,图,5-23,转速、电流双闭环调速系统稳态结构图,所以速度反馈系数 ,与电流反馈系数们,可分别计算为：,（,5-22,）,（,5-23,）,式中，,U,nm,*,电机最高转速时所需的系统给定电压,U,im,*,速度调节器的输出限幅压，其值与电枢最大容许电流相对应。,由图,5-23,可看出，双闭环系统在稳定工作时，两个调节器均不应饱和，各量之间满足下列关系：,系统工作过程参量图,：,（,1,）起动过程,（,2,）负载变化过程,图,5-24,起动过程中各参量变化曲线,图,5-25,负载变化时各参量变化曲线,（,3,）静特性,Back,图,5-26,转速、电流双闭环调速系统的静特性,5.4,直流可逆调速系统简介,5.4.1,电枢反接可逆线路,电枢反接就是按照控制要求改变电枢外接电源的电压极性，常用的有几种不同的方法 。,1.,直流,PWM,可逆线路,图,5-27,可逆,PWM,直流调速系统主电路原理图,1,）正向运行：,第,1,阶段：在 期间， 为正，,VT1,、,VT4,导通，电流 沿回路,1,流通， 为负，,VT2,、,VT3,截止，电动机,M,两端电压,第,2,阶段，在 期间， 为负，,VT1,、,VT4,截止，,VD2,、,VD3,续流， 并钳位使,VT2,、,VT3,保持截止，电流 沿回路,2,流通，电动机,M,两端电压,电枢两端电压均值为正。,其余各量如图,5-28a,所示,。,2,）反向运行：,第,1,阶段，在 期间， 为负，,VT2,、,VT3,截止，,VD1 VD4,续流，并钳位使,VT1,、,VT4,截止，电流 沿回路,4,流通，电动机,M,两端电压,；,第,2,阶段，在,期间， 为正，,VT2,、,VT3,导通， 为负，使,VT1,、,VT4,保持截止，电流 沿回路,3,流通，电动机,M,两端电压 ；电枢两端电压均值为负。,其余各量如图,5-28b,所示。,2.,采用两组晶闸管整流器反并联的可逆线路,若设,I,组为正向晶闸管整流器，则,II,组即为反向晶闸管整流器，它们,可分别为电枢回路提供不同方向的电流。当,I,组整流工作时，输出的整流电压,U,d,的极性如图所示，给电枢提供的电流方向如实线所示；当,II,组整流工作时，提供的电枢回路电流方向就会如虚线所示方向。,图,5-29,两组整流器反并联可逆线路,反并联电路在控制上有较严格的要求，一般情况下都不允许两组整流器都工作在整流状态，否则的话就会造成电源短路。,图,5-30,反并联可逆线路主电路原理图,反并联主电路,我们重点介绍一下,反并联可逆线路,：,在反并联线路中，存在的一个重要问题就是如何处理环流问题。,所谓,环流,就是指不流过电动机或其它负载，而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。,环流的存在，加大了系统的损耗，降低了系统的效率，所以一般应设法消除。在有环流系统中，大多采用交叉反并联的连接方式，而在其它系统，一般采用普通反并联连接方式。,环流,稳态环流,：指可逆线路工作在一定 控制角的稳定工作状态所存在的环流 。,动态环流,：指系统工作于过渡过程中，也就是控制角在变化过程中所产生的环流，该环流在稳态工作中并不存在。 （不做讨论）,直流平均环流,：在有环流系统中，当整流组输出的整流电压平均值大于逆变组输出的逆变电压平均值时即产生该种环流。,脉动环流,：它的产生是由于在有环流系统中，整流组与逆变组输出的电压瞬时值不等，当顺着晶闸管的导通方向出现正的电压差时，所产生的脉动式的电流 。,5.4.2,采用,配合工作制的有环流可逆直流调速系统,工作原理：,由电力电子变流理论可知，在反并联可逆连接线路中，只要设法保证当一组工作于整流状态时，另一组让其处于逆变工作壮态，且使整流组的触发角,与逆变组的逆变角 ,在量值上相等,（采用相同触发器），,于是整流输出电压与逆变输出电压平均值相等且极性相反，这样直流平均环流将不会产生。按此原理组成的反并联无直流平均环流的可逆调速系统见图,5-37,。,主电路采用两组三相晶闸管整流器反并联的线路，存在两条脉动环流通路，每条环流通路需两个限制环流电抗器，其中一个因流过较大的负载电流而饱和，只有另一个起限制环流的作用，这样，共需四个限制环流电抗器,Lc1Lc4,。,因限制环流电抗器流过负载电流而饱和，为抑制电枢电流的脉动及防止电流断续，电枢中还要串入一个体积比较大的平波电抗器,L,d,。,AR,为反号器，其作用是保证正、反组触发器得到的控制信号大小相等，极性相反，即图中,用两个继电器来进行给定电压,Un*,极性的切换，给定信号极性不同时，对应电动机的不同转动方向。,图,5-31,采用,配合工作制的有环流可逆调速系统,控制线路采用,典型的转速、电流双闭环系统,。速度调节器和电流调节器均需设置双向输出限幅，以限制最大动态电流和最小触发角 ,min,与最小逆变角 ,min,。,在选择合适的触发器配合关系时，就能做到使正组的触发角 与反组的逆变角 相等，即前面提到的 配合关系。,工作过程：,的配合关系只是指控制角的工作状态。,实际上，当正组工作于整流工作状态时，反向组直流平均电流为零，严格地说，它只是处于“待逆变状态”。当需要制动时，因控制角的改变，使,U,dof,和,U,dor,同时降低，一旦电动机反电动势 时，整流组电流被截止，逆变组才能真正投入逆变状态，使电动机在能量回馈电网的过程中实现制动降速。,当逆变组回馈电能时，另一组也是工作于“待整流状态”。所以，在这种,的配合工作制下，电动机的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状态。,通过切换,U,n,*,的极性,本系统可以在运行中进行正反向的相互切换。,切换过程：,当突然,U,n,*,从正极性变为负极性电压时，系统先是,正向制动,，使转速下降到零，然后,反方向起动,，完成起动过程后，系统稳定运行于某一反方向的转速值上。,制动过程,：,当发出反向指令后，,U,n,*,突然变负，速度反馈信号与给定电压极性相同了，速度调节器,ASR,的输出迅速改变极性且为限幅值，此时电流没来得及变化，,U,i,仍为正极性电压，在,U,im,*,与,Ui,同为正极性电压的作用下，,ACR,的输出,U,ct,迅速反向且达负限幅值,U,ctm,，在其作用下使正组,VF,由原来的整流状态很快变成逆变状态，且逆变角,f,=,min,，同时反组,VR,由原,“待,逆变状态,”,转为,“待,整流状态,”,。此时在电枢回路中，,VF,输出电压改变极性，而反电势仍为原极性，迫使,I,d,迅速下降，,I,d,的迅速减小使电枢电路中电感,L,两端感应出很大的电压,其极性是力图阻止,I,d,下降的。这时 ，由电感,L,释放的磁场能量维持原来的正向电流，大部分能量通过,VF,的逆变状态回馈电网，而反组,VR,尽管触发信号在整流区，但并不能真正输出整流电流。,随着磁场能量的减少，,Id,逐渐减少到零。,通常将制动的这个子阶段称作,本组逆变阶段,，有些书上称其为,本桥逆变,。理由是在这一阶段中投入逆变工作的仍是原来处于整流工作的一组装置。,I,dL,I,d,n,I,dm,O,O,I,II,III,t,4,t,3,t,2,t,1,t,t,IV,V,VI,t,5,t,6,-,I,dm,-,I,dL,n,*,-,n,*,采用,配合工作制的有环流可逆直流调速系统动态波形图,它组制动阶段又可分成三个子阶段：,它组建流子阶段；,它组逆变子阶段；,反向减流子阶段。,当主电路电流下降过零时，本组逆变终止，第,I,阶段结束，转到反组,VR,工作，开始通过反组制动。从这时起，直到制动过程结束，统称“它组制动阶段”。,（,1,）,I,d,过零并反向，直至到达,-,I,dm,以前，,ACR,并未脱离饱和状态，其输出仍为,-,U,cm,。这时，,VF,和,VR,输出电压的大小都和本组逆变阶段一样，但由于本组逆变停止，电流变化延缓，,L,d,I,/d,t,的数值略减，使,反组,VR,由“待整流”进入整流，向主电路提供,I,d,。,由于反组整流电压,U,d0r,和反电动势,E,的极性相同，反向电流很快增长，电机处于反接制动状态，转速明显地降低，因此，又可称作“它组反接制动状态”。,（,2,） 当反向电流达到,I,dm,并略有超调时，,ACR,输出电压,U,c,退出饱和，其数值很快减小，又由负变正，然后再增大，使,VR,回到逆变状态，而,VF,变成待整流状态。此后，在,ACR,的调节作用下，力图维持接近最大的反向电流,I,dm,，因而,电机在恒减速条件下回馈制动，把动能转换成电能，其中大部分通过,VR,逆变回馈电网，这一阶段称作“它组回馈制动阶段”或“它组逆变阶段”。,这个阶段所占的时间最长，是制动过程中的主要阶段。,当转速下降得很低，无法再维持,I,dm,时，电流立即衰减，进入下一阶段。,（,3,） 在电流衰减过程中，电感,L,上的感应电压,L,d,I,/d,t,支持着反向电流，并释放出存储的磁能，与电动机断续释放出的动能一起通过,VR,逆变回馈电网。,若给定信号为零，在,I,d,的作用下，转速出现一定大小的负值后，,随着,I,d,的,减小，经几次衰减震荡后，转速稳定在零上；,若给定信号为一定大小的负值，则转速变负 后，,ASR,仍不退饱和，在电流环的作用下维持,I,dm,，电动机处于反向起动状态。,系统的突出优点：,切换时电流无死区，快速性好；,缺点：,存在脉动环流，额外加限制脉动环流电抗器。,5.4.3,无环流可逆调速系统,无环流可逆调速系统,逻辑控制,无环流系统：,错位控制,无环流系统,：,（,略）,采用的无环流控制方法：当一组整流装置工作时，用逻辑电路封锁另一组整流装置的触发脉冲，使其根本不能导通，这样，无论是直流平均环流还是瞬时脉动环流都不存在了。,采用的仍是配合控制，工作时，两组整流装置均可得到触发脉冲，但两组装置的触发脉冲的相位错开的比较远，这样，当一组工作时，另一组虽也得到触发脉冲，但因其晶闸管承受反压而无法导通，自然环流也就不存在了。,1.,逻辑控制的无环流可逆调速系统,逻辑控制器,逻辑控制器的作用：,根据系统的工作状态，适时发出正反两组触发脉冲的封锁和开放信号,U,bef,、,U,ber,。,图,5-32,逻辑控制无环流可逆调速系统,系统工作原理：,当,U,n,*,为,正给定,时，,U,i,*,为负，,U,ctf,为正，,DLC,通过,U,bef,开放,GTF,的脉冲输出，使正组整流装置,VF,工作于整流状态，电动机正向运行，同时,DLC,通过,U,ber,封锁,GTR,的脉冲输出，使反组,VR,的晶闸管全部处于关断状态。,若当,U,n,*,为,负给定,时，,U,i,*,为正，则,U,ctr,为正，,DLC,通过,U,ber,开放反组脉冲，,VR,工作于整流状态，电动机反转运行，而正组触发脉冲被,DLC,通过,U,bef,封锁。,逻辑控制器的输入信号：,（,1,）是速度调节器的输出,U,i,*,，其值的极性反映了电动机电磁转矩的给定极性。,（,2,）第二个信号,U,io,是反映电枢电流是否接近零值的，当该信号为一个二极管管压降时，可认为电枢中有电流，而当信号小于二极管管压降时，就可认为电枢回路是零电流，所以该信号可称为零电流检测信号。,正向运行,时，,U,i,*,为负，,DLC,通过,U,bef,开放正组触发脉冲，通过,U,ber,封锁反组触发脉冲，正组工作于整流状态,反组不工作。,正向制动过程及,DLC,工作特点：,当,给定信号变为零,时，,ASR,输出迅速反向，由原来的,Ui*,为负变为正，,DLC,得到了封锁正组，开放反组触发脉冲的必要条件，但不是充分条件。此时系统的制动过程,首先,要进行的是,本组逆变,。,本组逆变终止,，电枢电流因接近零而断续时,DLC,才应准备封锁正组的触发脉冲，所以电枢回路电流是否接近零值是,DLC,封锁正组的另一条件，图中的零电流检测信号,U,io,正是起这种作用的。,DLC,工作条件,1.,2.,设置,开放延时时间,的,目的,是由于已封锁组最后被触发导通的晶闸管应完全关断后才能开放另一组的触发脉冲，否则会造成两组都有导通的晶闸管而形成环流。,判明电枢回路电流已断续后，大约等待,2-3ms,后，才能真正封锁正组触发脉冲。这一时间称为,封锁等待时间,。,设置,封锁等待时间,的,目的,是为了确保电流已断续。否则的话，电流连续时就封锁触发脉冲会使工作于逆变状态的整流装置因失去触发脉冲而发生逆变颠覆故障。,正组触发脉冲被封锁的同时，还不能立即开放反组的触发脉冲，需要,5-7ms,的延时时间才能开放反组的触发脉冲，这一时间常称为,开放延时时间,。,Back,反组开放后，余下的过程与前述的有环流系统相同,2.,全数字式,PWM,可逆直流调速系统简介,图,5-33,采用单片机控制的,PWM,可逆直流调速系统硬件结构图,拓展,早期的直流调速系统都是模拟量控制系统，其控制性能指标的提高有较大的局限性。随着相关技术的发展，全数字化的直流调速技术有了长足的发展，各种专用于直流电动机调速的微型计算机正不断被开发问世，具有各种人工智能的理论和方法已经应用于直流调速系统中，为不断提高直流调速系统的性能展现出灿烂的前景。图,5-35,为五机架冷连轧板材轧制生产线，其主拖动系统大多采用高性能的全数字自流调速系统。,图,5-35,五机架冷连轧生产线,
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