第四章直流可逆调速系统

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？
§4.1.2 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。
(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；
不同类型的环流，产生的机制不同，抑制方法也不一样。
§4.2.2 环流类型及其抑制措施
一．环流的种类
直流平均环流
静态环流 瞬时脉动环流
动态环流
•静态环流 ：系统稳定工作时，所出现的环流叫做静态环流。
•直流平均环流：由于两组晶闸管装置之间存在正向的直流电压差而产 生的环流，称为直流平均环流。
•瞬时脉动环流： 由于两组晶闸管装置输出电压的瞬时值不相等而产 生的环流，称为瞬时脉动环流。
Rrec为整流装置内阻
2．环流的优缺点
(1)缺点：环流的存在会加重晶闸管和变压器的负担、消耗无用的功 率，环流太大时甚至会导致晶闸管损坏。 (2)优点： ① 避免电流断续。
② 加快电流换向。 理论上，环流有利的一面主要表现在电机空载或轻载时。
但工业实际生产中，直流电动机的容量一般较大，系统本身能满足电流 连续的需求，环流的优点不能体现，因此，对环流常常加以抑制。
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 ：
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
转速减小到零 停车
§4.3.2 制动过程分析
3。能量转换
§4.3.2 制动过程分析
(1)平波电抗器：
当电枢电流减小时，释放磁场能；当电 枢电流增大时，储存磁场能。(时段分析)
(2)电动机： 制动过程中，电机动能减小，转化为电 能送出，工作于发电状态。
(3)晶闸管： 电流为正时，VF工作；电流为负电VR工作
整流状态输出能量，逆变状态吸收能量。
(4)电枢电阻： 消耗电能。
§4.3.2 制动过程分析
4。制动过程划分 (根据电流变化分)
阶段I：本组逆变阶段 正向电流减小，但尚未反向，无制动 VF工作，电感释放能量，VF逆变
阶段II：它组制动阶段
电流反向，产生制动作用，VR工作。
阶段II又分为三个子阶段：
II1：它组建流子阶段 II2：它组逆变子阶段
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
转速减为0时，电流也减为0，电机停车。
2. 配合控制中，VF与VR的触发控制电压、输出
直流电压各有怎样的关系？
§4.3.2 制动过程分析
可逆调速系统
启动过程
分为电流上升、恒 流升速、转速调节3
个阶段
双闭环不可逆调速系统
分为电流上升、恒 流升速、转速调节3 个阶段
停车过程 有制动，快速停车
无制动，自然停车
可逆调速系统由正转直接反向，则可看作是正向 制动与反向启动过程的衔接，所以只需对其正向制动 过程加以分析。
§4 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 V-M系统的可逆线路
§4.1.1 V-M系统可逆线路的选择
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
(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、
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。
Udf Ud0max cosf
故有 cosf cosr
f 180 r r
当VF整流时让VR处于待逆变，且 VF的整流角等于VR的逆变角，以消 除直流电压差 ；反之亦然。这种措
施称之为 配合控制。
(2)抑制措施： 采用 配合控Baidu Nhomakorabea。
(3)采用 配合控制的可逆线路
II3：反向减流子阶段
(制动准备) (主要制动过程)
(停车前调整)
二、正向制动过程分析
初始工作状态：
§4.3.2 制动过程分析
VF整流输出能量转化为电机的动能，VR待逆变
二、正向制动过程分析
I本组逆变阶段：
§4.3.2 制动过程分析
正向电流减小，Ld释放能量，经VF逆变回馈 电网。
二、正向制动过程分析
II1它组建流子阶段：
§4.3.2 制动过程分析
电流反向增大，Ld储存能量，VR整流输出能 量，电机动能减小，发电输出能量。
二、正向制动过程分析
II2它组逆变子阶段：
§4.3.2 制动过程分析
电流恒定，电机转速下降，动能减小，发电输 出能量。 VR逆变向电网回馈能量。
§4.3.2 制动过程分析
二、正向制动过程分析
•动态环流： 当系统由一种工作状态过渡到另一种工作状态时才出现 的环流，叫做动态环流 。 (不做分析)
2．直流平均环流的抑制措施 (1)产生原因：两组晶闸管装置之间存在正向的直流电压差。
若Udf与Udr始终大小相等，方向 也相同，则可消除偏差，即
Udf Udr
Udr Ud0max cosr
(2)瞬时脉动环流的抑制---在主回路上串入环流电抗器
脉动环流是自然存在的，不能根除，只能通过在主回路中串环流电 抗器来加以抑制，使其幅值减小。
(3) 环流电抗器的接法
为什么要串四个环流电抗器？
原因1：两条环流回路。
假设某时刻，电源A相的电 位高B相的电位，根据晶闸 管的单向导电线，存在如图 所示两条环流回路。
一、制动过程的波形
电机由正转到停车过渡过程
1。电流变化过程：
正向电流
初如状态
电流反向，并升 到最大值
为制动做准备
§4.3.2 制动过程分析
电流保持
主要制动过程
电流减小至零 转速减至零，电流回零
一、制动过程的波形
电机由正转到停车过渡过程
2。转速变化过程：
正向转速
初如状态
转速减小
电流反向后开始制 动减速
原因2：流过负载电流的环流 电抗器因饱和而失去作用。
电动机回路平波电抗器仍保留， 以改善电枢电流的平滑性
思考题： 1．什么是环流？环流有什么优点和缺点？ 2．环流有哪些种类？怎样抑制环流？
§4.3 有环流可逆调速系统
§4.3.1 配合控制有环流可逆调速系统
一．有环流可逆调速系统的定义
④ 电流反馈
⑤ 电动机的转向控制
三．系统的工作过程分析
（1）电动机停止状态：U
* n

0
Ui* 0
（2）电动机正向启动运行分析：
U
* n
Uct
0
电0机正转Uc。t
0
Uf0ct 0r0
VF9处0于 整流工U作df0状态U，dr0
U
0
ct

0
VnR处0于待逆变状态。
思考题： 1．什么是自然环流可逆调速系统？其构成有何特点？
II3反向减流子阶段：
恒流制动阶段，电机的平衡方向为：
Idm

E Ra
U dr Rrec
随着转速下降，E和Udr同步减小，VR的 逆变电压减小为0时，平衡被打破，电流 将不能再保持恒定，电流减小，进入II3子 阶段。
II3反向减流子阶段，VR逆变终止，转 速已接近于0，余下的动能转换为电能， 消耗在电阻上。
思考题： 1．什么是电动机的电动运行和制动运行？
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？
§4.2 可逆线路的环流问题
§4.2.1 环流及其利弊
一．环流的定义 所谓环流，是指不流过电动机或其他负载，而直接在两组 晶闸管之间流通的短路电流。如图中电流Ic所示。
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。
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
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。
在 配合控制下，电枢可逆线路中虽然没有直流平均环流，
但有瞬时脉动环流，所以这样的控制系统称为有环流可逆调速系统。 由于脉动环流是自然存在的，所以又称为自然环流系统。
二．系统的构成
思想： 双闭环控制 + 配合控制
① 主电路构成
② 控制电路采用典型的转速、电流双闭环控制。
③ 配合控制的体现。
主要特征： 两组晶闸管触发电路的控制电压大小相等，符号相反。
3．瞬时脉动环流的抑制措施
(1)瞬时脉动环流的产生
在 配合控制条件下， Udf Udr ，因而没有直流平均环流， 但这只是对输出电压的平均值而言的，整流电压 U和df 逆变电压 Udr
的瞬时值是不相等的，二者之间仍存在瞬时电压差，从而产生瞬时 脉动环流。
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
•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。
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。
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。