运动控制系统 第3章可逆、弱磁控制的 直流调速系统 n可逆直流调速系统 n弱磁控制的直流调速系统 内 容 提 要3.1 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 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 反向运行等功能。n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， 问题就变得复杂起来了。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 的坐标系表征之， 就是要求运动控制 系统具有在该坐标 系上作四象限运行 的功能，由于这样 的调速系统转速可 以反向，故称作可 逆调速系统。3.1.1 相控整流器-可逆直流调速 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 在运动过程中负载转矩恒定（不计空载损 耗的影响），它贯穿于、象限。n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 小与方向都不变，与TL相等；n其运行状态有正转电动状态、与反转 制动状态两种。 单组V-M系统图3-2 单组V-M系统带位能性负载时的整流和逆变状态注意电流 方向单组晶闸管装置的整流状态n当E（E为电机反电动势），输 出整流电流，n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V传送给电 动机，V处于整流状态，V-M系统运行于 第一象限。单组晶闸管装置的有源逆变n当90时， Ud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，n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。n产生了与整流时同方向的电流，产生了与提 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 重物的位能转化成电能，通过晶闸管装置V回 馈给电网，nV工作于逆变状态，V-M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n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）状态时，电动机 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，需要改 变电枢电流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 闸管可控整流装置反并联的可逆线路， 反并联的可逆线路 图3-3 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VF整流nVF处于整流状态n f 90，Ud0f E，n 0n 电动机从电路输 入能量作电动运 行，运行在第 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VR逆变nVR逆变处于状态nr 90，E |Ud0r|， n 0n电机输出电能实 现回馈制动。nV-M系统工作在 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系统的四象限运行n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 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 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， 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 了，效果都较差。 表3-1 V-M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+电机运行状态电动回馈发电电动回馈发电晶闸管工作的组别 和状态正组整流反组逆变反组整流正组逆变机械特性所在象限一二三四3.1.2 可逆V-M系统的环流n在使用反并联的V-M可逆电路时，在 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 流，称作环流。n原因是两组晶闸管装置的输出存在电 压差。环流的形成图3-5 反并联可逆V-M系统中的环流 Id-负载电流 Ic-环流 Rrec-整流装置内阻 Ra-电枢电阻 配合控制原理n当正组VF和反组VR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 较大的环流。n如果在正组处于整流状态，ud0f=+时，强迫 让反组处于逆变状态， ud0r =-，且幅值与 ud0f相等，使逆变电压把整流电压顶住，则 环流为零。n于是=配合控制 n当环流为零时，应有或 （3-1）n如果反组的控制角用逆变角表示，则（3-2）“待”工作状态 n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 组不工作，n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 信号仍然存在，此不工作状态被称为“ 待”工作状态。整流与待逆变在正向运行时：nVF组是整流状态，RF组是待逆变状 态， ，或 ，n由于整流装置的单向导电性，只能是 VF组晶闸管工作，VR组晶闸管待工 作。 待整流与逆变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 动电流的要求，改变了触发控制角的 大小， ，或 ，n由于整流装置的单向导电性，反向电 流只能通过VR组晶闸管的逆变工作状 态返回电网，VF组晶闸管变成为待整 流工作状态。 =配合控制方法 n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90，即n当控制电压 Uc= 0 时，使 f = r = 90 ，此时 Ud0f = Ud0r = 0 ，电机处于停止 状态。n增大控制电压Uc 移相时，只要使两组 触发装置的控制电压大小相等符号相 反就可以了。图3-6 配合控制特性=配合控制特性 消除直流平均环流 n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 直流平均电压相等，它所防止的环流 被称为直流平均环流。n在工程上为了更可靠地消除直流平均 环流，可采用 （3-3）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 变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆 ”现象，必须在控制电路中进行限幅，形成 最小逆变角min保护。n根据式（3-3）的要求，对角也实施保护 ，以免出现而产生直流平均环流。n通常取 图3-7 配合控制电路 GTF正组触发装置 GTR反组触发装置 AR反号器=配合控制电路 瞬时脉动环流 n在采用=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 值而言的，n由于整流与逆变电压波形上的差异， 仍会出现瞬时电压 的情况， 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瞬时脉动 环流。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 控制角的不同而异。n以 f = r = 60为例，分析三相零式 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 为了绘制波形简单。三相零式反并联可逆线路图3-8 配合控制 的三相零式反 并联可逆线路 的瞬时脉动环 流（ ）(a)三相零式 可逆线路和瞬时 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n正组整流电压和反组逆变电压之间的瞬 时电压差，ud0 = ud0f ud0rn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。n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 流分量Icp ，但Icp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。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 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 ，叫做环流电抗器，或称均衡电抗器，如 图3-8(a)中的 Lc1和 Lc2 。n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5%10%来 设计。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 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 需要一个平波电抗器。 图3-9 配合控制的有环流可逆V-M系统原理框图电流传感器要正确反 映实际电流的极性 3.1.3转速制动过程的分析n电动机作正向电动工作，由VF供电。n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。n在电流未反向之前，它只能在VF与电 动机组成的回路中流通，VF组工作在 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VR组投 入工作以提供反向电枢电流的通路。n反向制动电流从零增大到所规定的制 动电流值。n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 减速直到停车或者进一步地反向升速 到指定的反向转速。正向制动的运行轨迹 n系统制动过程的三个阶段：(1) 本组逆变阶段：电动机正 向电流衰减阶段，VF组工 作；(2) 它组建流阶段：电动机反 向电流建立阶段，VR组工 作； (3) 它组逆变阶段：电动机恒 值电流制动阶段，VR组工 作。 图3-10 在表示的电动机制动轨迹坐标系上图3-11 配合控制 有环流可逆直流调 速系统正向制动过 渡过程波形 1本组逆变阶段n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3-9，由于ASR 、ACR调节器的倒相作用，所以图中参数 的极性为： 。nVF组是工作在整流状态，称它为本组；nVR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 的正向电流衰减阶段： n本组VF组由整流状态很快变成 的逆变状态，n反组VR组由待逆变状态转变成待整流状态 。 n电动机反电动势E极性未变，迫使Id迅速下 降，主电路电感迅速释放储能，企图维持 正向电流，n大部分能量通过本组回馈电网，所以称作“ 本组逆变阶段”。 n波形图见图3-11中的阶段。2它组建流阶段n当主电路电流下降过零时，本组逆变终止 ，第1阶段结束，转到反组VR工作，开始 通过反组制动。n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。n当 时， ，意味着反向电流建 流阶段的开始。 n当 时，反组VR由“待整 流”进入整流，向主电路提供。正组VF由“ 逆变”进入待逆变。 n在反组整流电压和反电动势E的同极性的 情况下，反向电流很快增长，电机处于反 接制动状态，n波形见图4-10中的阶段，可称作“它组建 流状态”或“它组反接制动阶段”。 3它组逆变阶段nACR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 电动机恒值电流制动阶段的开始：nACR的控制目标是维持Id= Idm 。由于ACR 是型系统，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 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 属于机械能的动能转换成电能，其中 大部分通过VR逆变回馈电网，n过渡过程波形为图3-11中的第阶段 ，称作“它组逆变阶段”或“它组回馈制 动阶段”。正转制动和反转起动 n最后，转速下降得很低，无法再维持-Idm，电 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， Id=-Idm的过程 就会延续下去，直到反向转速稳定时为