可逆调速系统的可逆调速

第一章可逆调速系统理论1.1可逆运行及可逆电路电动机可逆运行的本质是电磁转矩可逆，所以实现可逆运行的关键是使电动机的电磁转矩改变方向。

由电动机的工作原理可知，直流电动机的电磁转矩T e=K mΦI a转矩方向有磁场方向和电枢电压的极性共同决定。

磁场方向不变，通过改变电枢电压极性实现可逆运行的系统，叫电枢可逆调速系统；电枢电压极性不变，通过改变励磁电流方向，实现可逆运行的系统，叫磁场可逆调速系统。

与此相对应，晶闸管——电动机系统的可逆调速就有两种方式，即电枢反接可逆电路和励磁反接可逆电路。

1.1.1电枢反接可逆线路采用两组晶闸管装置供电的可逆线路如图1-1所示。

图1-1两组晶闸管分别有两套触发器控制，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—I d，电动机反转。

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1-2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，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。

(a)(b)图1-21.1.2励磁反接可逆线路要使直流电动机反转，除了改变电枢电压极性外，改变励磁电流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1-3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1-3（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，想电枢反接可逆线路一样，可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。

(a)(b)由于励磁功率只占电动机额定功率的1%~5%,显然励磁反接所需的晶闸管容量装置容量要比电枢反接可逆装置小的多，只要在电枢回路中用一组大容量的装置就够了，这对于大容量的调速系统，励磁反接的方案投资较少。

但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的多，此外，在反向过程中，当励磁电流由额定值下降到零这段时间里，如果电枢电流依然存在，电动机将会出现弱磁升速的现象，这在生产工艺上是不允许的。

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。

1.2回馈制动1.2.1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传还是反转，都可以有两种工作状态，一种是电动状态，一种是制动状态。

电动运行状态，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，是指电动机电磁转矩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。

励磁磁通方向恒定时，电动机电磁转矩的方向就是电枢电流的方向，转速的方向也就是反电动势的方向。

所以常用电枢电流I d和反电动势E方向的相对关系来表示电动机的电动运行状态和制动运行状态。

1.2.2晶闸管装置的两种工作状态晶闸管也有两种工作状态，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：在一组晶闸管组成的全控整流电路中，电动机带位能负载，当控制角α<90°时，晶闸管装置直流侧输出的理想空载电压U d0为正，且U d0>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，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。

当重物放下时，必须将控制角α移到大于90°，这时晶闸管装置直流侧输出的理想空载电压变为负值。

电动机在重物作用下被拉向反转，并产生反向的电动势—E，当E>U d0时，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。

整流状态时输出电能，而逆变状态时回馈电能。

这样的逆变成为“有源逆变”。

1.2.3电动机的回馈制动及系统实现要使电动机快速减速或停车，最经济有效的方法就是采用回馈制动，将制动期间释放的能量通过晶闸管装置回送到电网。

上面的分析已表明，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。

而任何负载在减速制动过程中，转速方向都不变，所以要实现回馈制动，必须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带非位能负载系统的回馈制动。

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，原工作于整流状态的一组晶闸管装置待整流，利用另外一组反并联的晶闸管装置逆变，实现电动机的回馈制动，如图1-3所示。

图1-3（a）表示正组VF给电动机供电，晶闸管装置处于整流状态，输出整流电压U d0f（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如图1-3（b）并使其工作于逆变状态，输出逆变电压U d0f（极性如图），由于这时电动机的反电动势极性未改变，当E略大于U d0f时，产生反向电流—I d而实现回馈制动，这时电动机释放的等量经晶闸管装置VR回馈到电网。

R(a)R(b)图1-3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，并不提供稳定运行电流，因而其容量可以小一些。

对于两组晶闸管供电的可逆系统，在正转和制动的装置合二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的晶闸管和电动机的工作状态归纳起来，可列成表1-1。

表1-1 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+ + - -电动机运行状态电动回馈制动电动回馈制动晶闸管工作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ⅠⅡⅢⅣ1.3可逆调速系统中的环流分析1.3.1环流的利弊及其种类所谓环流是指不流过电动机或负载，而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流如图1-4所示的是反并联线路中的环流电流I c。

Ra Ra图1-4环流的优点：在保证晶闸管安全工作的前提下，适度的环流能使晶闸管——电动机系统在空载或轻载时保持电流连续，避免电流断续对系统静、动态性能的影响；可逆系统中的少量的环流，可以保证电流无换向死区，加快过渡过程。

环流的缺点：环流的存在会显著地加重晶闸管和变压器的负担，消耗无功功率，环流太大时甚至会损坏晶闸管，为此必须予以抑制。

在实际系统中，要充分利用环流的有利面而避免其不利面。

环流可分为两大类：一、静态环流。

当晶闸管装置在一定的控制角下稳定工作时，可逆线路中出现的环流叫静态环流。

静态环流又可分为直流平均环流和瞬时脉动环流。

由于两组晶闸管装置之间存在正向直流电压差而产生的环流称为直流平均环流；由于整流电压和逆变电压瞬时值不相等而产生的环流称为瞬时脉动环流。

二、动态环流。

系统稳态运行时并不存在，只在系统处于过度过程中出现的环流，叫动态环流。

这里仅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。

1.3.2直流平均环流与配合控制直流平均环流产生的原因。

在图1-4的反并联可逆线路中，如果正组晶闸管VF和反组晶闸管VR都处于整流状态，且正组整流电压U d0f和反组整流电压U d0r正负相连，将造成直流电流源短路，此时短路电流即为直流平均环流。

消除直流平均环流的措施。

为防止产生直流平均环流，最好的结局办法是：当正组晶闸管VF处于整流状态输出电压U d0f时，让反组晶闸管处于逆变状态，输出一个逆变电压U d0r把U d0r顶住。

设VF组处于整流状态，即αf<90°，则U d0f=U d0max cosαf；对应的VR组处于逆变状态，即βr<90°，则U d0r=U d0max cosβr。

此时U d0f与U d0r极性相反，但其数值又有如下三种情况：若两组触发脉冲相位之间满足αf<βr，则U d0f>U d0r。

由于两组晶闸管装置的内阻很小，即使不大的直流电压差也会导致很大的直流环流。

若两组触发脉冲相位之间满足αf=βr，则U d0f=U d0r。

由于主回路无直流电压差，所以无直流环流。

若两组触发脉冲相位之间满足αf>βr，则U d0f>U d0r。

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，不产生直流环流。

同理，若VF处于逆变状态，VR处于整流状态。

同样可以分析出αf<βr时有直流环流αf≥βr时无直流环流。

所以，在两组晶闸管组成的可逆线路中，消除直流环流的方法是使αf≥βr，即整流组的触发角大于或等于逆变组的逆变角。

α=β工作制的配合控制实现消除直流环流的原理实现方法。

实现α=β工作制的配合控制比较容易，只要将两组触发脉冲的零位都整定在90°，并且使两组触发装置的移相控制电压大小相等、极性相反即可。

所谓触发脉冲的零位，就是指控制电压U c t=0时，调节偏置电压使触发脉冲的初始相位确定在αf0=αr0=90°，此时两组晶闸管的整流和逆变电压均为0。

这样的触发控制电路示于图1-44，它用同一个控制电压U c t去控制两组触发装置，即正组触发装置GTF由U c t直接控制，而反组触发装置GTR由U c t控制，U c t=−U c t，是经过反号器AR后的到的。

移相控制特性。

同步信号为锯齿波的两组触发装置的移相控制特性示于图1-45。

当U c t=0时，αf=βr=90°，触发脉冲在90°的零位；当U c t>0时，正组控制角αf<90°，正组晶闸管处于整流状态，而反组控制角βr<90°，反组晶闸管处于逆变状态。

因为U c t=−U c t，所以U c t移相过程中，始终保持了αf=βr，U d0f=−U d0r。