直流可逆调速系统

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2.晶闸管装置实现逆变的条件是什么?
3.V-M可逆调速系统中,电动机的四象限运行状态与晶 闸管装置的四象限工作状态有着怎样的对应关系?
三. 可逆V-M系统中的环流问题
1. 环流及其种类
环流的定义: 采用两组晶闸管反并联的可逆V-M
系统,如果两组装置的整流电压同时 出现,便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,如下图中所示。
然而当电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,需要专用的可逆电 力电子装置和自动控制系统。
4.1.1 单片微机控制的PWM可逆直流调速系统
中、小功率的可逆直流调速系统多采 用由电力电子功率开关器件组成的桥式可 逆PWM变换器,如本书第 1.3.1 节中第 2 小节所述。第1.3.4 节图1-22 绘出了 PWM 可逆调速系统的主电路,其中功率开关器 件采用 IGBT ,在小容量系统中则可用将 IGBT、续流二极管、驱动电路以及过流、 欠压保护等封装在一起的智能功率模块— IPM。
经济。
3。应用场合 : 适用于中小容量的可逆系统。
一、电枢反接可逆线路
(三)两组晶闸管反向并联的可逆线路
1。正反转切换 : 当正组晶闸管装置VF供电时,电动机正转; 当反组晶闸管装置VR供电时电动机反转。
2。特点 : 不仅能控制电动机的正、反转,而且能灵活地控制电动机的启动、制动 和调速。 3。应用场合 : 在可逆调速系统中得到广泛应用
正向制动过程。 5. 掌握逻辑无环流可逆调速的组成、工作原理及DLC的作
用。 6. 掌握逻辑无环流可逆调速系统的一般调试方法。
4.1 可逆直流调速系统
内容提要
问题的提出 晶闸管-电动机系统的可逆线路 晶闸管-电动机系统的回馈制动 两组晶闸管可逆线路中的环流 有环流可逆调速系统 无环流可逆调速系统
优点 : 简单、经济。 缺点 : 有噪音、切换慢。 3。应用场合 : 不需要频繁切换、对切换快速性要求不高的生产机械。
一、电枢反接可逆线路
(二)用晶闸管开关切换的可逆线路
1。正反转切换 : VD1、VD4导通时,电动机正转; VD2、VD3导通时,电动机反转
2。特点 : 克服了接触器切换的缺点,简单、
1。电动运行状态:电机的电磁转矩方向与电机的转 向 同方向,电磁转矩是驱动电机转运的动力。
2。制动状态:电机的电磁转矩方向与电机的转向反 方向,电磁转矩是驱动电机转运的阻力。
电磁转矩与电枢电流成正比,即 T KmId
电磁转矩的方向与电枢电流方向一致。
一、电机的工作状态
3。电机的四象限工作状态
第一象限,电动机转速为正向,电流也为正 向,电磁转矩的方向与转速相同,电动机处 于正向运行工作状态。 第二象限,电动机转速为正向,但电流为负向,说明电磁转矩的方向与 转速相反,起阻转作用,电动机处于正向制动工作状态。
(1)配合控制原理
为了防止产生直流平均环流,应该当正组处 于整流状态时,强迫让反组处于逆变状态,且 控制其幅值与之相等,用逆变电压把整流电压 顶住,则直流平均环流为零。于是
V-M系统的可逆线路
改变直流电机转向有两种方法: 电枢反接: 改变电枢电压的极性 励磁反接: 改变励磁电压的极性 认识两种方法的特点及适用场合,然后选择合适的方法。
一、电枢反接可逆线路
根据电动机正、反转的切换方式不同,电枢反接可逆线路一般有3种形式 (一)用接触器切换的可逆线路
1。正反转切换 : KMF触点闭合时, 电枢电压极性是A(+)、B( − ),电动机正转 KMR触点闭合时,电枢电压极性是A ( − ) 、B(+),电动机反转 2。特点 :
对于功率晶体管,死区时间约需30µs; 对于IGBT,死区时间约需5µs或更小些。
4.1.2 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。
•电枢反接:电流反向速度快,但初期投资较大。 •励磁反接:电流反向速度慢,且控制复杂;初期投资小。
励磁换向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。
综合以上分析,可逆直流调速系统中应用较多的是电枢反接可逆线路, 且一般采用两组晶闸管装置反并联的可逆线路,后面主要分析这种线路构 成的可逆调速系统。
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 ~ 1 的范围内变化,使 UPEM的输出平均电压系数为
= –1 ~ 0 ~ +1
[参看式(1-20)],实现双极式可逆控制。
在变流中,为了避免同一桥臂上、下两 个电力电子器件同时导通而引起直流电源 短路,在由 VT1、VT4 导通切换到 VT2、 VT3 导通或反向切换时,必须留有死区时 间。
(2)外部条件是外电路存在维系电流的直流电源
二、晶闸管的工作状态
3。可逆线路中晶闸管装置工作状态的判定 (1)VF与VR哪一组工作取决于负载电流的方向 如图所示:M中电流向下,则VF工作;电流向上,则VR工作。 (2)工作晶闸管是处于整流还是逆变状态,取决于电机工作状态。 电机电动运行时,工作的晶闸管输出电能,处于整流状态;
直流平均环流——由晶闸管装置输出的直流 平均电压所产生的环流称作直流平均环流。
瞬时脉动环流——两组晶闸管输出的直流平 均电压差为零,但因电压波形不同,瞬时电 压差仍会产生脉动的环流,称作瞬时脉动环 流。
环流的分类(续)
(2)动态环流——仅在可逆V-M系统处于 过渡过程中出现的环流。
这里,主要分析静态环流的形成原因, 并讨论其控制方法和抑制措施。
• 系统组成
图4-1 PWM可逆直流调速系统原理图
系统组成(续)
图中
UR—整流器; UPEM—桥式可逆电力电子变换器,主电
路与图1-22相同,须要注意的是,直流变 换器必须是可逆的;
GD—驱动电路模块,内部含有光电隔离电 路和开关放大电路;
系统组成(续)
UPW—PWM波生成环节,其算法包含在单 片微机软件中;
电力拖动自动控制系统
第4章
可逆调速系统和位置随动系统
本章在前三章的基础上进一步探讨可逆
调速系统和位置随动系统。考虑到大多数 学校教学学时的限制和电气工程及其自动 化专业的一般教学需求,本课件选择可逆 调速系统为主要内容。
直流可逆调速系统
学习目标:
1. 了解V-M可逆线路接线形式及各自的优、缺点 。 2. 了解V-M可逆线路中电动机和整流装置的工作状态。 3. 了解环流的定义、利弊及抑制措施。 4. 理解配合控制的方法及工作原理,掌握有环流可逆系统
电机制动工作时,电机处于发电状态,动态减小,转换为电能,通 过晶闸管的逆变,将电能回馈到电网
二、晶闸管的工作状态
4。晶闸管装置的四象限工作状态 可逆线路中,取M中电流向下为电 枢电流的正方向,则: (1) Id>0,VF工作;Id<0,VR工作
(2)电机电动运行时,晶闸管处于整流状态;电机制动时,晶闸管处于 逆变。
表4-1 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
晶闸管工作的组别 和状态
机械特性所在象限
+
+
+

+
+
电动
回馈发电
正组整流 反组逆变


- - -
电动
反组整流


+

回馈发电
正组逆变

思考题: 1.什么是电动机的电动运行和制动运行?
4.1.0 问题的提出
有许多生产机械要求电动机既能正转, 又能反转,而且常常还需要快速地起动 和制动,这就需要电力拖动系统具有四 象限运行的特性,也就是说,需要可逆 的调速系统。
4.1.0 问题的提出(续)
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,这本来是很简单的事。
以三相桥式整流电路为例,输出直流电压 Ud 2.34U cos 0 ≤ 90 ,晶闸管装置输出电压为正,且向电动机提供能量时,
其处于整流工作状态;
90 180,晶闸管装置输出电压为负,且从外电路吸收能量回
馈给电网时,其处于逆变工作状态。
2。晶闸管装置逆变工作的条件:(1)内部条件是 90 180
2. 直流平均环流与配合控制
在两组晶闸管反并联的可逆V-M系统中,如果 让正组VF 和反组VR都处于整流状态,两组的直 流平均电压正负相连,必然产生较大的直流平均 环流。为了防止直流平均环流的产生,需要采取 必要的措施,比如:
采用封锁触发脉冲的方法,在任何时候,只允 许一组晶闸管装置工作;
采用配合控制的策略,使一组晶闸管装置工作 在整流状态,另一组则工作在逆变状态。
环流的形成
Rrec
VF
+
Rrec
Ra
- VR
~
Ud0f
-M-
Ud0r
~
Id -
Ic
+
Ic — 环流 Id — 负载电流
图4-5 反并联可逆V-M系统中的环流
环流的危害和利用
危害:一般地说,这样的环流对负载无益, 徒然加重晶闸管和变压器的负担,消耗功率, 环流太大时会导致晶闸管损坏,因此应该予 以抑制或消除。
注意:该线路不允许两组晶闸管装置同时处于整流工作状态,否则将 造成电源短路。
二、励磁反接可逆线路
励磁反接也有3种切换方式,即 ① 接触器切换的励磁反接可逆线路。 ② 晶闸管开关切换的励磁反接可逆线路。 ③ 两组晶闸管装置反并联的可逆线路。
下图为两组晶闸管装置反并联的可逆线路
三、电枢反接与励磁反接可逆线路的比较
第三象限,电动机转速为负向,电流也为负向,电磁转矩的方向与转速相 同,电动机处于反向运行工作状态。
第四象限,电动机转速为负向,但电流为正向,电磁转矩的方向与转 速相反,电动机处于反向制动工作状态。
二、晶闸管的工作状态
1。可逆线路中,正组晶闸管装置(VF)和反组晶闸管装置(VR) 均有整流和逆变两种工作状态。
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。
三、电枢反接与励磁反接可逆线路的比较
•电枢反接:电流反向速度快,但初期投资较大。 •励磁反接:电流反向速度慢,且控制复杂;初期投资小。
励磁换向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。
综合以上分析,可逆直流调速系统中应用较多的是电枢反接可逆线路, 且一般采用两组晶闸管装置反并联的可逆线路,后面主要分析这种线路构 成的可逆调速系统。
利用:只要合理的对环流进行控制,保证晶 闸管的安全工作,可以利用环流作为流过晶 闸管的基本负载电流,使电动机在空载或轻 载时可工作在晶闸管装置的电流连续区,以 避免电流断续引起的非线性对系统性能的影 响。
环流的分类
在不同情况下,会出现下列不同性质的环流:
(1)静态环流——两组可逆线路在一定控制角 下稳定工作时出现的环流,其中又有两类:
思考题: 1.直流电动机实现可逆运行有哪两种方法?
2.从正、反转的切换方式上,可逆线路有哪些形式? 3.电枢反接与励磁反接各有什么优缺点?各适用于什么场合? 4.可逆直流调速系统的主电路一般采用什么形式的线路?
可逆线路中电机和晶闸管的工作状态
一、电机的工作状态 可逆线路中,电机即可正转,又可反转;即可工作于 电动运行状态,又可工作于制动状态。
TG—为测速发电机,当调速精度要求较高 时可采用数字测速码盘;
TA—霍尔电流传感器; 给定量 n*,I*d 和反馈量 n,Id 都已经是数
Байду номын сангаас字量。
• 系统控制
该原理图的硬件结构如图3-4所示,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。
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