第4章 可逆控制弱磁控制直流调速系统

第4章 可逆控制与弱磁控制河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）运动控制系统——《电力拖动自动控制系统》 ——《电气传动自动控制系统》内容提要„ 有些生产机械（可逆轧机、龙第4章可逆控制的直流调速系统图4-1 调速系统的四象限运行门刨等），不但要求能实现 正、反转，还要求能实现快速 制动。

„ 把生产工艺要求归结为“运控 系统性能”： • 电动机除产生“（正、反向） 电动转矩”外，还需产生 “（正、反向）制动转矩”，以 实现生产机械的快减速、快停 车，与正反向运行等功能。

——即：在n和Te的坐标系上， 能实现四象限运行的功能。

„这样的调速系统需要正反转，且要求能实现快速 制动，称为可逆调速系统。

2第4章 可逆控制与弱磁控制河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）第4章 可逆控制与弱磁控制河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）内容提要¾ 电动机: 改电压极性，或变励磁 方向，都可改变电机转向。

¾ 电力电子装置: 因器件单相导电 性，问题复杂。

内容提要4.1 直流PWM可逆直流调速系统•控制简单，但其可逆控制有能量回馈问题。

第2章：不可逆系统4.2 V-M可逆直流调速系统•• 晶闸管-电动机系统：电流不能反向，只能工作于1、4象限。

包括：主电路的可逆线路、晶闸管装置的逆变与回 馈、可逆线路的环流及其控制系统。

• PWM变换器-M系统：即使带制动电流通路，因电压不能反 向，只能工作于1、2象限（转 速不可逆）。

„4.3* 弱磁控制的直流调速系统 • 在转速、电流双闭环直流调速系统的基础上增设电 动势控制环、励磁电流控制环，可以控制直流电动 机的气隙磁通，实现弱磁调速。

3 4本章介绍：两种可控制直流电源-电动机可逆调速系统.第4章 可逆控制与弱磁控制河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）第4章 可逆控制与弱磁控制河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）4.1 直流PWM可逆调速系统„4.1.1 桥式可逆PWM变换器PWM变换器电路有多种形式。

分两大类: 不可逆、 可逆。

带制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统:„图4-2 桥式可 逆PWM变换 器电路• 其电流虽能反向，但因平均电压始终大于零，因而 转速不能反向，所以属于不可逆的。

• 如果要求转速反向，需要改变PWM变换器输出电 压的正负极性，使得直流电动机可以在四象限中运 行，由此构成可逆PWM变换器-直流电动机系统。

5„ „可逆PWM变换器有多种形式，常用桥式（H形）电路。

双极式、单极式、受限单极式。

常用“双极式控制”方式。

61第4章 可逆控制与弱磁控制 图4-3 双极式控制可逆PWM变 换器的驱动电压、输出电压和电 流波形河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）第4章 可逆控制与弱磁控制 图4-3 双极式控制可逆PWM变 换器的驱动电压、输出电压和电 流波形河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）U g 1 = U g 4 = −U g 2 = −U g 3„ 电流波形存在两种情况：• 电动机负载较重时：id1平均值较大。

续流阶段电流仍维持正向，电动机始 终工作在第Ⅰ象限的电动状态。

• 负载很轻时：id2平均值小。

续流阶段 的电流很快衰减到零；反向开关器件 导通，电流反向，电机制动状态（id2 波形中的3和4段，第Ⅱ象限）。

„ 电枢电流的方向决定了：电流是经续 流二极管，还是经开关器件流动。

在一个开关周期内： „ 当0≤t<ton时：UAB=US，电枢电流id 沿回路1流通； „ 当ton≤t<T时：驱动电压反号，id沿回 路2经二极管续流，UAB= -US。

„ 当ton>T/2时：UAB的平均值为正，电 动机正转；反之则反转。

„ 当ton=T/2时：平均输出电压为零，电 动机停止。

78第4章 可逆控制与弱磁控制河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）第4章 可逆控制与弱磁控制河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）„ 双极式控制桥式可逆PWM 变换器有下列优点 ： 变换器有下列优点：• • • • •„„双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为：Ud = t on T − t on 2t Us − U s = ( on − 1)U s （4-1） T T T„占空比ρ 和电压系数γ 的关系为：电流一定连续； 可使电动机在四象限运行； 电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区； 低速平稳性好，系统的调速范围大； 低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器 件的可靠导通。

γ = 2 ρ − 1 （4-2）• 当ρ>1/2时：γ 为正，电动机正转； • 当ρ<1/2时：γ 为负，电动机反转； • 当ρ=1/2时：γ =0，电动机停止。

9双极式控制的不足：工作中4个开关器件处于开关状态，开关 损耗大；且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故。

„ 为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置“死区” （逻辑延时）。

„ 采用单极式控制，使部分器件处于常通或常断状态，降耗。

10第4章 可逆控制与弱磁控制河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）第4章 可逆控制与弱磁控制河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）4.1.2 直流PWM可逆直流调速系统 转速反向的过渡过程恒流快 速制动4.1.3 直流PWM功率变换器的（电压 泵升与）能量回馈中小功率可逆直流调速系统多采用桥式可逆PWM 变换器。

图中：省略了吸收电路。

滤波大电容 放电电阻 H型桥式 PWM变换器„ 系统从正向电动Æ反向电动：• a 点过渡到 b 点：Id 从正向IdL 降低为零。

• b 点过渡到 c 点：Id 从零反向上 升到允许的制动电流 -Idm。

• c 点过渡到 d 点：回馈制动状 态，转速将减速到0。

• d 点过渡到 e 点：反向起动状 态，转速要超调，转速环退饱 和。

• 在 f 点稳定工作：电枢电流与负 载电流 –IdL 相等。

11恒流快速 反向起动图4-4 在坐标系上表示的电动机 反向轨迹 【带反抗性恒转矩负载】略去吸 收电路整流器 图4-5 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图122第4章 可逆控制与弱磁控制河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）第4章 可逆控制与弱磁控制河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）„当可逆系统进入制动 状态时，直流PWM 功率变换器把机械能 变为电能回馈到直流 侧。

„„由于二极管整流器导电的单向性，电能不可能通过整流器送 回交流电网，只能向滤波电容充电，使电容两端电压升高， 称作泵升电压。

在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来 限制泵升电压。

当PWM控制器检测到泵升电压高于规定值 时，开关器件VTb导通，使制动过程中多余的动能以铜耗的 形式消耗在放电电阻中。

13„„如果在大容量的调速系统中希望实现电能回馈到交流电网， 以取得更好的制动效果并且节能，可以在二极管整流器输出 端“并接逆变器”，把多余的电能逆变后回馈电网。

在突加交流电源时，大电容量滤波电容C相当于短路，会产 生很大的充电电流，容易损坏整流二极管。

为了限制充电电 流，在整流器和滤波电容之间串入“限流电阻”。

合上电源后，经过延时或当直流电压达到一定值时，闭合接 触器触点K，把电阻短路，以免在运行中造成附加损耗。

14„第4章 可逆控制与弱磁控制河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）第4章 可逆控制与弱磁控制河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）4.1.4 微机控制PWM可逆直流调速系统„ PWM可逆直流调速系统原理图• UR：整流器； • UPEM：桥式可逆 PWM变换器； • GD：驱动电路模 块（内含光隔和开 关放大电路）； • UPW：PWM波生 成环节，软件； • 给定量：n*，I*d， 反馈量：n，Id 都 是数字量。

„ 控制系统（硬件）图4-6 微 机数字控 制双闭环 直流 PWM调 速系统硬 件结构图TG —测发；高精度，用码盘 TA —霍尔电流传感器可用FBS编 码器测速15 16第4章 可逆控制与弱磁控制 „河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）第4章 可逆控制与弱磁控制河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源， 再经直流PWM变换器得可调直流电压，给直流电机供电。

检测回路：包括电压、电流、温度和转速检测。

其中电压、 电流和温度检测由A/D通道变为数字量，送入微机；转速检测 可用数字测速，或测发+A/D。

微机控制具备故障检测功能：对电压、电流、温度等信号进 行实时监测、分析。

故障时：采取措施、报警。

电机数字控制器：一般选用专为电机控制设计的单片微机/或 DSP，配以显示、键盘等外围电路，通过通信接口与上位机或 其他外设交换数据。

——数控芯片一般带有A/D、通用I/O和通信接口，还带有一 般微机不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能。

可大 大简化数控系统的硬件电流。

转速给定: 可由电位器定，经A/D送入微机/或数字键盘给定； 现在更倾向于上位控制器直接发出运行命令、给定转速。

17„ 控制系统（软件）• 控制软件一般采用转速、电流双闭环控制，电流环为 内环，转速环为外环。

内环的采样周期小于外环的采 样周期。

• 信号滤波：电流采样值、转速采样值都含有扰动。

常 采用阻容电路滤波，但滤波时间常数太大时会延缓动 态响应，为此可采用（阻容）硬件滤波、软件滤波相 结合的办法。

• 调节器：转速调节器ASR、电流调节器ACR大多采 用PI调节。

当系统对动态性能要求较高时，还可以采 用各种非线性和智能化的控制算法，使调节器能够更 好地适应控制对象。

18„„„„3第4章 可逆控制与弱磁控制河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）第4章 可逆控制与弱磁控制河南科大《运动控制》课件（Bu W.S）4.2 V-M可逆直流调速系统了解内容V-M可逆直流调速系统的主回路结构¾ α>90°时：Ud0为负，晶闸管装置本身不能输出电流，重物 靠本身重量下降，迫使电机反转，产生反向电动势 -E。

• 当|E|>|Ud0|时：产生正电流 Id，产生与提升重物同方向的转 矩，起制动作用，使重物平稳下降。

—电动机处于反转制动 状态，成为受重物拖动 的发电机，将重物的位 能转化成电能，通过晶 闸管装置V回馈给电网， V则工作于有源逆变状 态。

V-M系统运行于第 Ⅳ象限。

图4-7 单组V-M系统带位能性负载时整流和逆变状态 (a)提升，整流状 (b)下放，逆变状 (c)机械特性4.2.1 V-M可逆直流调速系统的主回路及环流 1、V-M可逆直流调速系统的主回路结构对于拖动位能性负载的起重机：采用单组晶闸管装置就能实现重物的提升、下放。