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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
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