第4章 可逆调速系统Liu1

id
Ug2>0 Vd2 Vt2
1 0 4 t4 ton
2 t2 3 T
t
二象限不可逆PWM变换器在不同工作状态下的导通器件和电流回路与方向
4.1.1 桥式可逆PWM变换器
图4-2
桥式可逆PWM变换器电路
U g1 U g 4 U g 2 U g 3
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；

双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为
t on T t on 2t on Ud Us Us ( 1)U s T T T
（4-1）

占空比ρ和电压系数γ的关系为
2 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。
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
U g1 U g 4 U g 2 U g 3
在一个开关周期内，
当ton≤t<T时，驱动电压反号， id 沿回路2经二极管续流， UAB=US 。
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
U g1 U g 4 U g 2 U g 3
VF
M
-Id +
VR
O
正向
-
-Id
Id
反向
-n
图4-2 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路
两组晶闸管装置可逆运行模式
电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电； 反转时，由反组晶闸管装置VR供电。

两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能 灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。 但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状 态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提 出了严格的要求。
1. 电枢反接可逆线路 电枢反接可逆线路的形式有多种，这 里介绍如下3种方式：
（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）两组晶闸管装置反并联可逆线路
（1） 接触器开关切换的可逆线路
• KMF闭合，电动机正转； • KMR闭合，电动机反转。
V + U Udd KMR
KMF
+Id
（4-2）
逆变的概念
■逆变产生的条件 ◆以单相全波电路代替上述发 电机来分析 ☞电动机M作电动机运行， 全波电路应工作在整流状态， 的范围在0~/2间，直流侧输出 Ud为正值，并且Ud>EM，交流电 网输出电功率，电动机则输入电 功率。 ☞电动机M作发电回馈制动 运行，由于晶闸管器件的单向导 电性，电路内Id的方向依然不变， 而M轴上输入的机械能转变为电 能反送给G，只能改变EM的极性， 为了避免两电动势顺向串联，Ud 的极性也必须反过来，故的范 围在/2~，且|EM|>|Ud|。
4.1.4 单片微机控制的PWM可逆直流 调速系统



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，再经过直流PWM变换器得到可调的 直流电压，给直流电动机供电。 检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，转 速检测用数字测速。 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和报警。 一般选用专为电机控制设计的单片微机，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。
对于功率晶体管，死区时间约需30µ s；对 于IGBT，死区时间约需5µ s或更小些。
4.1.2 直流PWM可逆直流调速系统转速 反向的过渡过程



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。
• 系统控制 控制系统一般采用转速、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。无论是电流 采样值还是转速采样值都有交流分量，常 采用阻容电路滤波，但阻容值太大时会延 缓动态响应，为此可采用硬件滤波与软件 滤波相结合的办法。
系统控制（续） 当转速给定信号在-n*max ~ 0 ~ +n*max 之间 变化并达到稳态后，由微机输出的PWM信 号占空比ρ在 0 ~ ½ ~ 0 的范围内变化，使 UPEM的输出平均电压系数为
图4-4 在坐标系上表示的电动机反向轨迹
4.1.3 直流PWM功率变换器的能量回馈
滤波大电容 放电电阻
H型桥式 PWM变 换器
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



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。
（4-1）

逆变电压公式
当控制角为 90°，晶闸管装置处于整流状态； 当控制角为 90°，晶闸管装置处于逆变状态。 因此在整流状态中，Ud0 为正值；在逆变状 态中，Ud0 为负值。为了方便起见，定义逆变角 = 180 – ，则逆变电压公式可改写为
Ud0 = －Ud0 max cos

二. 晶闸管-电动机系统的回馈制动 1. 晶闸管装置的整流和逆变状态 在两组晶闸管反并联线路的V-M系统中， 晶闸管装置可以工作在整流或有源逆变 状态。 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
m π U d0 U m sin cos U d0max cos π m


小 结
（1）V-M系统的可逆线路可分为两大类：

电枢反接可逆线路——电枢反接反向过 程快，但需要较大容量的晶闸管装置； 励磁反接可逆线路——励磁反接反向过 程慢，控制相对复杂，但所需晶闸管装 置容量小。

（2）每一类线路又可用不同的换向方式：
接触器切换线路——适用于不经常正反 转的生产机械； 晶闸管开关切换线路——适用于中、小 功率的可逆系统； 两组晶闸管反并联线路——适用于各种 可逆系统。



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。
, UAB的平均值为正， 电动机正转；反之则反转。 ,平均输出电压为零， T t on 电动机停止。 2
t on T 2
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



电流波形存在两种情况。 电动机负载较重的情况时， 负载电流id1大，在续流阶段 电流仍维持正方向，电动机 始终工作在第Ⅰ象限的电动 状态。 负载很轻时，平均电流小， 在续流阶段电流很快衰减到 零，于是二极管终止续流， 而反向开关器件导通，电枢 电流反向，电动机处于制动 状态。 id2电流中的线段3和4 是工作在第Ⅱ象限的制动状 态。 电枢电流的方向决定了电流 是经过续流二极管还是经过 开关器件流动。
V
+ Id
--
VF M
+ Id -Id
-
VR
-
-
+
晶闸管反并联励磁反接可逆线路

励磁反接的特点
优点：供电装置功率小。 由于励磁功率仅占电动机额定功率的 1~5%，因此，采用励磁反接方案，所需 晶闸管装置的容量小、投资少、效益高。
缺点：改变转向时间长。 由于励磁绕组的电感大，励磁反向的过 程较慢；又因电动机不允许在失磁的情况 下运行，因此系统控制相对复杂一些。
Ud可正可负，电流可正可负
双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点： （1）电流一定连续； （2）可使电动机在四象限运行； （3）电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区； （4）低速平稳性好，系统的调速范围大； （5）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。


双极式控制方式的不足之处是： 在工作过程中，4个开关器件可能都处 于开关状态，开关损耗大，而且在切换时 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， 应设置逻辑延时。
应用：不经常正反转的生产机械。


（3）两组晶闸管装置反并联可逆线路 较大功率的可逆直流调速系统多采用 晶闸管-电动机系统。由于晶闸管的单向 导电性，需要可逆运行时经常采用两组 晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路， 如下图所示。

两组晶闸管装置反并联可逆供电方式
a) 电路结构 + Id b) 运行范围 n
= –1 ~ 0 ~ +1
，实现双极式可逆控制。
4.2 有环流控制的可逆晶闸管-电动机系统 一. V-M系统的可逆线路 根据电机理论，改变电枢电压的极性， 或者改变励磁磁通的方向，都能够改变 直流电机的旋转方向。因此，V-M系统 的可逆线路有两种方式： 电枢反接可逆线路； 励磁反接可逆线路。
Ud
ton U s U s T
电流不能反向
电压Ud时钟大于零