直流电动机可逆调速系统

控制电路与移相特性图
即
GTF Uc
VF
AR GTR -1
Rrec
M Ra
Rrec
VR
将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在 90 当控制电压 Uc = 0 时，使
f 0 r0 r0 90
Ud0 f Ud0r 0
图 4-7（GTF：正组触发装置， GTR： 反组触发装置， AR：反号器）
电机处于停止状态。增大 Uc 时，使两 组触发装置 电压大小相等符号相反
90°，平均整流电压
Ud 为正, 且理想空载值
Ud0 E，所以输出整 流电流 Id，使电机产
图 4-2
生 电 磁 转 矩 Te 作 电 动 运 行 ， 提 升 重 物 ， 时电能从交流电网经晶闸管装置 V 传
n 0，这
送给电机，V 处于整流状态，V-M 系统运行于第一象限.
(2)逆变状态，放下重物
4.4 有环流可逆调速系统 4.4.1 环流及其种类： 1. 两组装置的整流电压同时出现，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 Ic。 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，
5
环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。
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。 直流平均环流：由晶闸管装置输出的直流平均电压差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虽为零，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。 （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。
1
1. 选题背景
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。
改变电枢电压的极性，或改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。
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，
Ud0
m π
Umቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
sin
π cos
m
Ud0max
cos
当 0 < < /2 时,Ud0> 0 ,整流状态,电功率从交流侧输送到直流侧 当 /2 < < max 时,Ud0< 0 ,有源逆变状态，电功率反向传送
定义逆变角 180
晶闸管触发脉冲相位控制 V-M 系统及其主电路的等效电路图
，则逆变电压公式可改写为
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
4. 晶闸管-电动机系统的回馈制动 4.1 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
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
在可机逆械调特速性所 系在统象中限，正转运行一时可利用反组二晶闸管实现三回馈制动，反四转运行时同样可 以利用正组晶闸管实现回馈制动
注：表中各量的极性均以正向电动运行时为“+”。
两组晶闸管反并联装置能产生回馈制动，所以，即使是不可逆的调速系统，只要是需 要快速的回馈制动，常常也采用两组反并联的晶闸管装置，由正组提供电动运行所需的整 流供电，反组只提供逆变制动。这时，两组晶闸管装置的容量大小可以不同，反组只在短 时间内给电动机提供制动电流，并不提供稳态运行的电流，实际采用的容量可以小一些。
第 II 阶段:它组反接制动状态
目录 引言. ……………………………………………………………………………1
1. 选题背景…………………………………………………………………2 2. 方案论证…………………………………………………………………2 3. 过程论证…………………………………………………………………2 4. 晶闸管-电动机系统的回馈制动………………………………………2 4.1 晶闸管装置的整流和逆变状态………………………………………3
90°，Ud 为负，且 Ud0 E，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，靠重物下降，迫使电机反转， n 0 ，感生反向的电动势。
当 90° 时，可以产生与整流同方向的电流，因而产生与提升重物同方向的转矩， 起制动作用，使重物不要下降得太快。这时电机处于带位势性负载反转制动状态，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（ 电动机 向电网回馈能量），V 则工作于逆变状态，V-M 系统运行于第四象限。
U d 0 Ud 0max cos
图 4-1
3
瞬时电压平衡方程式可以写成：
ud0
E
id R
L
did dt
对 ud0 进行积分，即得理想空载整流电压平均值 Ud0
4.2 单组晶闸管装置的有源逆变
单组晶闸管装置供电的 V-M 系统在拖动起重机类型的负载时也可能出现整流和有 源逆变状态。
(1)整流状态，提升重物
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βmin 保护。与此同时，对α角也实 施αmin 保护，以免出现α<β而产生直流平均环流。通常取
4.4.3α=β 配合控制中的瞬时脉动环流及其抑制
采用 α=β 配合控制已经消除了直流平均环流，还称作“有环流”系统。这是因为 αf=βr 能使 Ud0f = -Udor ，这只是就电压的平均值而言的，由于整流与逆变电压波形上的差异， 仍会出现瞬时电压 ud0f > -udor 的情况，仍能产生瞬时的脉动环流。这个瞬时脉动环流是 自然存在的，因此 α=β 配合控制有环流可逆系统又称作自然环流系统
6 . 总结……………………………………………………………11
7.. 参考文献…………………………………………………………………12
引言：
近年来随着科技的飞速发展，电力电子的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控 制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的电力电子系统中，电动机往往是作为一个 核心部件来使用，仅电力电子方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体 应用对象特点的软件结合，加以完善。本系统采用晶闸管为中心器件来设计直流电动机可 逆系统，系统实用性强、操作简单、扩展性强。在现有的可控系统上掌握相关硬件设计与 调试知识，根据所选择题目，设计好电路，正确进行元器件的使用，并实现参考选题中要 求的设计。
(1)-C 两组晶闸管装置反并联可逆线路
图 3-1
a) 电路结构
VF + Id M
-
- VR
-Id
+
图 3-2。
b) 运行范围 n
正向
-Id
O Id
反向
-n
2
（2）励磁反接可逆线路
V+
Id
M--
-
VF + Id
-
- VR
-Id +
图 3-3 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。
在逆变状态电[右枢电 图流]，极性 产生图中所示极+ 性的逆变电－压，当
－
+
E
>
|Ud0r|
时，
电机旋转方向
+
+
－
－
反向电流通过 VR 流通，电机输出电能实现回馈制动，V-M 系统工作在第二象限。（比较：
电机运行状态
电动
回馈发电
电动
回馈发电
VR 逆变时，电流反向，电动机没有反转，转速变慢了工作在第二象限）
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，
.α=β 配合控制的有环流可逆 V-M 系统的组成、动态过程
min min 30
（1）有环流可逆 V-M 系统的原理框图，(书 page85:图 3-10)
（2）动态过程
α=β 配合控制可逆调速系统仍采用转速、电流双闭环控制，其起动和制动过渡过程都 是在允许最大电流限制下转速基本上按线性变化的“准时间最优控制”过程。
图 4-3 4.3 两组晶闸管装置反并联的整流和逆变
4
（a）正组整流电动运行
图 4-4
[左图]正组晶闸管装置 VF 给电动机供电，VF 处于整流状态，输出理想空载整流电压 Ud0f 的极性如图所示，电机从电路输入能量作电动运行，V-M 系统工作在第一象限。
机械特性运行范
机械特性运行范
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。
需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统
2. 方案论证
V-M 系统的可逆线路有两种方式
（1）电枢反接可逆线路：
a、接触器开关切换的可逆线路
b、晶闸管开关切换的可逆线路
c、两组晶闸管装置反并联可逆线路
（2）励磁反接可逆线路
3. 过程(设计或实验)论述：
图 2-1
(1)-a、接触器开关切换的可逆线
(1)-b、晶闸管开关切换的可逆线路
4.2 单组晶闸管装置的有源逆变…………………………………………4 4.3 两组晶闸管装置反并联的整流和逆变………………………………4 4.4 有环流可逆调速系统…………………………………………………5
4.4.1 环流及其种类：………………………………………………………5 4.4.2 直流平均环流与配合控制……………………………………………7 4.4.3α=β 配合控制中的瞬时脉动环流及其抑制………………………… 8 5.. 无环流可逆调速系统……………………………………………………10
V-M 系统电流脉动及其波形的连续与断续
a.电感量大，且负载也足够大时，电流连续（脉动） 图 4-6 b.电感量小，且负载轻时，电流断续
6
抑制电流脉动的主要措施：设置平波电抗器；
增加整流电路相数。
4.4.2 直流平均环流与配合控制
为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态时，强迫反组处于逆变状态， 使逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。
起动过程：与不可逆的双闭环系统相同
制动过程：分为三个主要阶段，以正向制动为例
第 I 阶段: 本组逆变阶段
发出停车（或反向）指令后,Un*突变为零（或变负），则 ASR 输出跃变到正 限幅值 Uim*，而 ACR 输出跃变成负限幅值-Ucm，使 VF 由整流状态很快变成逆变状态.
VR 由待逆变状态转变成待整流状态。在 VF-M 回路中，Ud0f 的极性变负，而电机反电
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。
fmin
rmin
- Ucm
180o 0o
r
90o
90o
f
0o 180o
r
rmin
GTR GTF
f
Uc1
fmin
Ucm Uc
图 4-8 图4-7 =配合控制特性
正组 VF 整流，应接收正的 Uc，所以 αf 减 小而 αr 增大或 βr 减小，使正组整流而反组逆 变，在控制过程中始终保持 αf=βr。反转时， 应保持 αr=βf。
(b) 表反:组V逆-M变系回统馈反制并动联可逆线路的图工4作-4状态(电动机的四象限运行特性)
当电v动-m系机统需的要工作 回状馈态制动时，正电向机运反行 电动势正的向制极动性未变反 ，向 要运回行馈电能反必向须制产动生反向电流，
而反向电流电枢 不端可电能压通极过性 VF 流通。可+ 利用控制电+路切换到反组－晶闸管装置－VR，并使它工作
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动势极性未变，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，这时
在第 I 阶段，
L dId dt
E
Ud0 f
Ud0r
VF，由“整流”变为“逆变”，电流通过 VF，能量通过 VF 回馈电网；VR，“待逆变” 变成“待整流”。
电流 Id 由正向负载电流+IdL 下降到零，其方向未变，因此只能仍通过正组 VF 流通。 本阶段所占时间很短，转速来不及产生明显的变化
U d 0r U d 0 f
当直流平均环流为零时
Ud0 f Ud0r 0
U d 0r U d 0max cos r
cosr cos f r f 180
如果反组的控制角用逆变角 表示，则
f
r
称作α=β 配合控制。为了更可靠地消除直流平均环流，可采用
f r
实现α=β 配合控制
直流电动机是应用广泛的器件，它广泛应用于生产和生活当中，本次课程设计目的主 要是在学完电动机原理和电力电子课程之后综合运用所学知识完成一个系统的设计，培养 综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力，基本掌握电力电子应用 电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力，加深对电力电子知识的理解。