电力拖动自动控制系统-3.ppt

可逆调速系统,第3章,3.0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。,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,3.1V-M系统的可逆线路,改变直流电机的旋转方向的方法有改变电枢电压的极性；改变励磁磁通的方向因此，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,1.电枢反接可逆线路,三种基本电枢反接可逆线路（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。,,Id,–Id,,,,,,,,,M,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,V,,-,U,d,KMF,KMF,KMR,KMR,,,,,,,,（2）晶闸管开关切换的可逆线路,VT1、VT4导通，电动机正转；VT2、VT3导通，电动机反转。,,,,Ud,–Id,,,,,VT2,VT3,VT4,,Id,,,,,,,,,,,,,,M,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,V,,-,VT1,,,,,,,,,,,,,,,（3）两组晶闸管装置反并联可逆线路,大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管-电动机系统。,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。,2.励磁反接可逆线路,3.2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,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。,即在整流状态中，Ud0为正值；在逆变状态中，Ud0为负值。定义逆变角180–，则逆变电压公式可改写为Ud0－Ud0maxcos,,,,,,-,,Ud0,R,,M,,,,-,,,,,,n,E,V,,,--,,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。,a）整流状态提升重物，90，Ud0E，n0，由电网向电动机提供能量。,,,Id,,,,,,,,,-,,-,-Ud0,R,,M,,,,,,,,n,E,V,,--,,b）逆变状态放下重物90，Ud0E，n0由电动机向电网回馈能量。,,,Id,,c）机械特性,整流状态电动机工作于第1象限；逆变状态电动机工作于第4象限。,3.两组晶闸管装置反并联的整流和逆变,,,,VF处于整流状态f90，Ud0fE，n0，电机从电路输入能量作电动运行。,VR处于逆变状态r90，E|Ud0r|，n0，电机输出电能实现回馈制动。,机械特性范围,整流状态V-M系统工作在第一象限。逆变状态V-M系统工作在第二象限。,4.V-M系统的四象限运行,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。这样，采用两组晶闸管装置的反并联，就可实现电动机的四象限运行。,V-M系统反并联可逆线路的工作状态,正向运行,,反向制动,回馈发电,,正组整流,,正组逆变,,,3.3.可逆V-M系统中的环流问题,,环流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。,1.环流及其种类,反并联可逆V-M系统中的环流,,M,,,,,,,VR,VF,Ud0f,,-,-,,,,,,,,Ud0r,Rrec,Rrec,Ra,,,--,,,,,环流的形成,Id,,,,Ic,,,,Ic环流Id负载电流,环流的危害和利用,危害一般地说，环流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。利用只要合理控制，保证晶闸管的安全工作，环流可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工作在电流连续区。,环流的分类,（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.包括,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。,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。,（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。,,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，必然产生较大的直流平均环流。环流抑制措施封锁触发脉冲在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作；配合控制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。,（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，且二者幅值相等，则直流平均环流为零。即Ud0r－Ud0fUd0maxcosfUd0maxcosr其中f和r分别为VF和VR的控制角.,由于两组晶闸管最大输出电压Ud0max相同，故cosr–cosf或rf180即fr（3-5）,按照式（3-5）来控制就可以消除直流平均环流，这称作配合控制。为了更可靠地消除直流平均环流，可采用f≥r（3-6）,配合控制电路,,,,,,,M,,,,,,,VR,VF,,,,,Rrec,Rrec,,,,,,-1,,,,,,,,,,,,AR,GTR,GTF,Uc,,,,Ra,,,,,（2）配合控制原理和控制电路,GTF--正组触发装置GTR--反组触发装置AR--反号器,配合控制移相特性,如果一组晶闸管装置处于整流状态，则另一组处于逆变状态,（3）配合控制特性,（4）控制的工作状态,待逆变状态逆变组除环流外并未流过负载电流，没有电能回馈电网，它只是处于“待逆变状态”，表示该组晶闸管装置是在逆变角控制下等待工作。逆变状态只有在制动时，当发出信号改变控制角后，同时降低了整流电压和逆变电压的幅值，一旦电机反电动势E|Ud0r||Ud0f|，整流组电流将被截止，逆变组才真正投入逆变工作，使电机产生回馈制动，将电能通过逆变组回馈电网。,待整流状态同样，当逆变组工作时，另一组也是在等待着整流，可称作处于“待整流状态”。所以，在配合控制下，负载电流可以迅速地从正向到反向（或从反向到正向）平滑过渡，在任何时候，实际上只有一组晶闸管装置在工作，另一组则处于等待工作的状态。,（5）最小逆变角限制,为了防止出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中采用限幅作用，形成最小逆变角min保护。与此同时，对也实施min保护，以免出现Ud0fUd0r而产生直流平均环流。通常取,3.瞬时脉动环流及其抑制,（1）瞬时的脉动环流产生的原因由于晶闸管装置的输出电压是脉动的，造成整流与逆变电压波形上的差异，会出现瞬时电压差，从而仍能产生瞬时的脉动环流。,（2）瞬时脉动环流产生情况举例以fr60为例，分析三相零式反并联可逆线路产生瞬时脉动环流的情况。,,,,,,Id,,,,,,,,Icp,例配合控制的三相零式反并联可逆线路的瞬时脉动环流,,,,,,,,,,三相零式反并联的电压波形,瞬时电压差和瞬时脉动环流波形,整流电压波形,逆变电压波形,（3）瞬时脉动环流的抑制,直流平均环流可以用配合控制消除，而瞬时脉动环流却是自然存在的。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，,,3.4配合控制的有环流可逆V-M系统,,,,,主电路,主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，其中正组晶闸管VF，由GTF控制触发，正转时，VF整流；反转时，VF逆变。反组晶闸管VR，由GTR控制触发，反转时，VR整流；正转时，VR逆变。,转速给定与检测电路,给定电压、转速反馈、电流反馈都具有正负极性。给定电压正转时，KF闭合，U*n“”反转时，KR闭合，U*n“-”转速反馈正转时，Un“-”反转时，Un“”电流反馈电压正转时，Ui“”；反转时，Ui“-”。,控制电路,控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统,,2.控制方式,两组触发装置的控制特性如图所示。,反转时-Uc0，r90，VR整流Ud0r“”；Uc0，f0，f90，VF整流Ud0f“”；-Uc0，r90，VR逆变Ud0r“-”。,停转时Uc0，rf90，Ud0fUd0r0。,AR“-”VR逆变,3.工作过程,正向运行过程KF闭合，U*n“”U*i“-”Uc“”,电动机正向运行,VF整流,,,,正向运行过程系统状态,,,,,--,--,P,n,,,,,制动过程,整个制动过程可以分为两个主要阶段I.本组逆变阶段；II.它组制动阶段。,I.本组逆变阶段电流由正向负载电流下降到零，方向未变，仍通过正组VF流通.发出停车指令后，转速给定电压突变为零；ASR输出跃变到正限幅值U*im；ACR输出跃变成负限幅值-Ucm；VF由整流状态很快变成的逆变状态，同时反组VR由待逆变状态转变成待整流状态。,在VF-M回路中，由于VF变成逆变状态，极性变负，而电机反电动势E极性未变，迫使电流迅速下降,,大部分能量通过VF回馈电网，所以称作“本组逆变阶段”。由于电流的迅速下降，这个阶段所占时间很短，转速来不及产生明显的变化。,,本组逆变过程系统状态,,,,,,Id,,,,,--,--,,,,,Ⅱ.它组制动阶段,当主电路电流下降过零时，本组逆变终止，第I阶段结束，转到反组VR工作，开始通过反组制动。从这时起，直到制动过程结束，统称“它组制动阶段”。它组制动阶段又可分成三个子阶段它组建流子阶段；它组逆变子阶段；反向减流子阶段。,它组建流子阶段,（1）Id过零并反向，直至到达-Idm以前，ACR并未脱离饱和状态，其输出仍为-Ucm。电流变化延缓，的数值略减，使,,,（2）反组VR由“待整流”进入整流，向主电路提供–Id。由于反组整流电压Ud0r和反电动势E的极性相同，反向电流很快增长，电机处于反接制动状态，转速明显地降低，因此，又可称作“它组反接制动状态”。,,反接制动过程系统状态,,,,,,,,,Id,,,,,--,--,,,,,它组逆变子阶段,当反向电流达到–Idm并略有超调时，ACR输出电压Uc退出饱和，其数值很快减小，又由负变正，然后再增大，使VR回到逆变状态，而VF变成待整流状态。此后，在ACR的调节作用下,电机在恒流条件下回馈制动，把动能转换成电能，其中大部分通过VR逆变回馈电网这个阶段所占的时间最长，是制动过程中的主要阶段。,,它组回馈制动过程系统状态,,,,,,--,--,,,,,反向减流子阶段,在这一阶段，转速下降得很低，无法再维持-Idm，于是电流立即衰减。在电流衰减过程中，电感L上的感应电压LdId/dt支持着反向电流，并释放出存储的磁能，与电动机断续释放出的动能一起通过VR逆变回馈电网。如果电机随即停止，整个制动过程到此结束。,,,,,,,M,,,,,,,VR,VF,,,,,,,,,,-1,,,,,,,,AR,GTR,GTF,Uc,,ASR,ACR,U*n,,,-,,,,Un,Ui,U*i,,-,,,,,,,,,,,,,,,TG,,,,,Lc1,Lc2,Lc3,Lc4,,,,,,,,,TM,TA,Ld,,,,Uc,,,,,,,,,,,,,Id,,,,,反向减流过程系统状态,,0,,,,,--,--,,,,,,制动过程系统响应曲线,-Idm,IdL,-Ucm,E,3.5无环流控制的可逆晶闸管-电动机系统,概述有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，当工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求不很高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流控制可逆系统。,系统分类按照实现无环流控制原理的不同，无环流可逆系统又有大类逻辑控制无环流系统；错位控制无环流系统。,逻辑控制的无环流可逆系统当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬件）或逻辑算法（软件）去封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，以确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。,错位控制的无环流可逆系统在错位控制的无环流可逆系统中，同样采用配合控制的触发移相方法，但两组脉冲的关系是rf300,甚至是rf360，即初始相位整定在rf150或180。这样，当待逆变组的触发脉冲来到时，它的晶闸管已经完全处于反向阻断状态，不可能导通，当然就不会产生瞬时脉动环流了。,,,1.逻辑无环流系统,（1）系统的组成,系统结构的特点,主电路采用两组晶闸管装置反并联线路；不用设置环流电抗器；保留平波电抗器Ld，以保证电流波形连续；控制系统采用转速、电流双闭环方案；设2个电流调节器，1ACR控制正组GTF，2ACR控制反组GTR；1ACR的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号。设置无环流逻辑控制环节DLC，它按照系统的工作状态，控制正、反组的自动切换，Ublf控制正组触发脉冲的封锁或开放，Ublr用来控制反组触发脉冲的封锁或开放。,,（2）工作原理,正向运行,,--,--,,反向运行,,,--,--,2．无环流逻辑控制环节,（1）逻辑控制环节的设计要求DLC的输入要求分析V-M系统四象限运行的特性，有如下共同特征正向运行和反向制动时，电流为正；反向运行和正向制动时，电流为负。因此，应选择电流转矩信号作为DLC的输入信号。,由于ACR的输出信号正好代表了电流转矩方向，即有正向运行和反向制动时，U*i为正；反向运行和正向制动时，U*i为负。又因为U*i极性的变化只表明系统转矩反向的意图，转矩极性的真正变换还要滞后一段时间。只有在实际电流过零时，才开始反向，因此，需要检测零电流信号作为DLC的另一个输入信号。,DLC的输出要求,正向运行VF整流，开放VF，封锁VR；反向制动VF逆变，开放VF，封锁VR；反向运行VR整流，开放VR，封锁VF；正向制动VR逆变，开放VR，封锁VF；因此，DLC的输出有两种状态VF开放Ublf1，VF封锁Ublf0；VR开放Ublr1，VR封锁Ublr0。,DLC的内部逻辑要求,对输入信号进行转换，将模拟量转换为开关量；根据输入信号，做出正确的逻辑判断；为保证两组晶闸管可靠切换，需要有两个延时时间1t1延时-关断等待时间，以确认电流已经过零，而非因电流脉动引起的误信号；2t2延时-触发等待时间，确保被关断的晶闸管已恢复阻断能力，防止其重新导通。具有逻辑连锁保护功能，以保证在任何情况下，两个信号必须是相反的。,（2）电路总体结构,根据上述分析DLC电路应具有如下结构,（3）无环流逻辑控制环节的实现,无环流逻辑控制环节通常都用数字控制，如数字逻辑电路、微机、PLC等，用以实现其逻辑控制关系。,4.无环流系统可逆运行曲线,本章小结,主要讨论直流调速系统的可逆运行问题由于V-M系统晶闸管的单向导电性，需可逆线路来使电动机反向运行或制动，主要的可逆线路有电枢反接可逆线路；励磁反接可逆线路；两组晶闸管反并联是大功率传动系统的主要供电方式。,在两组晶闸管反并联线路中，会出现环流，为此，需要采取措施抑制环流设置环流电抗器；采取配合控制方式；采取封锁触发脉冲的方式.根据控制环流方式，直流可逆调速系统分为有环流可逆调速系统；无环流可逆调速系统。,