电力拖动自动控制系统相关课件c4

1可逆调速系统和位置随动系统电力拖动自动控制系统第4章24.1可逆直流调速系统•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电动机的“可逆运行”包括两种情况：一种是电动机既做正转运行又做反转运行，即转向可逆；另一种是电动机运行时，工作在电动状态，停车时，电磁转矩反向，电机工作在回馈制动状态，即状态可逆。电机转向可逆和状态可逆均称为“可逆运行”。仔细分析一下这两种可逆情况，其本质是电磁转矩可逆，所以实现可逆运行的关键是使电动机的电磁转矩改变方向。4.1.0问题的提出44.1.1PWM可逆直流调速系统+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图1-18桥式可逆PWM变换器54.1.2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。61.电枢反接可逆线路电枢反接可逆线路的形式有如下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。M~V+-UdKMFKMFKMRKMR+Id–IdM（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。M~V+-UdVT1VT4VT2VT3晶闸管开关切换的可逆线路–IdM+Id9•晶闸管、接触器切换可逆线路的特点•优点：仅需一组晶闸管或接触器装置，简单、经济。•缺点：接触器有触点切换，开关寿命短；而晶闸管需强制关断电路，电路复杂。需自由停车后才能反向，时间长。•应用：不经常正反转的生产机械。10（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。11Idb)运行范围图4-2两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路两组晶闸管装置反并联可逆供电方式-n-IdnO正向反向a)电路结构MVRVFId-Id+--+--12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。132.励磁反接可逆线路改变励磁电流的方向也能使电动机改变转向。与电枢反接可逆线路一样，可以采用接触器开关或晶闸管开关切换方式，也可采用两组晶闸管反并联供电方式来改变励磁方向。励磁反接可逆线路见下图，电动机电枢用一组晶闸管装置供电，励磁绕组由另外的两组晶闸管装置供电。14励磁反接可逆供电方式晶闸管反并联励磁反接可逆线路MVId+-VRVFId-Id+--+--15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，大一些的电机，其励磁时间常数可达几秒的数量级；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。16二.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直流他励电动机无论是正转还是反转，都可以有两种工作状态：一种是电动状态，一种是制动状态（或称发电状态）。电动运行状态，是指电动机电磁转矩方向和电动机转速方向相同。此时，电网给电动机输入能量，并转化为负载的动能。制动运行状态，是指电动机电磁转矩方向和电动机转速方向相反。此时，电动机将动能转换为电能输出，如果将此电能回送给电网，则这种制动就叫回馈制动。17在励磁磁通恒定时，电动机电磁转矩方向就是电枢电流方向，转速的方向也就是反电动势的方向。所以常用电枢电流Id和反电动势E方向的相对关系来表示电动机的电动运行状态和制动运行状态。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（4-1）coscosmπsinπmd0maxmd0UUU18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=－Ud0maxcos（4-2）逆变电压公式19-+Ud0RM+-nEV--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。PId20+-+--Ud0RM-nEV--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。PId21n-nIdTe提升放下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。TL图4-3单组V-M系统带起重机类型负载时的整流和逆变状态22晶闸管装置产生逆变状态时普遍适用的两个必要条件：（1）内部条件：控制角α＞90°，使晶闸管装置直流侧产生一个负的平均电压-Ud，这是装置内部的条件。（2）外部条件：外电路必须有一个直流电源，且其极性须与-Ud的极性相同，其数值应稍大于|Ud0|，以产生和维持逆变电流，这是装置外部的条件。233.两组晶闸管装置反并联的整流和逆变两组晶闸管装置反并联可逆线路的整流和逆变状态原理与此相同，只是出现逆变状态的具体条件不一样。现以正组晶闸管装置整流和反组晶闸管装置逆变为例，说明两组晶闸管装置反并联可逆线路的工作原理。24图4-4两组晶闸管反并联可逆V-M系统的正组整流和反组逆变状态R-+Ud0fM+-nEVF--a)正组整流电动运行a)正组晶闸管装置VF整流•VF处于整流状态：此时，f90°，Ud0fE，n0电机从电路输入能量作电动运行。PId25b)反组晶闸管装置VR逆变当电动机需要回馈制动时，由于电机反电动势的极性未变，要回馈电能必须产生反向电流，而反向电流是不可能通过VF流通的。这时，可以利用控制电路切换到反组晶闸管装置VR，并使它工作在逆变状态。26b)两组晶闸管反并联可逆V-M系统的反组逆变状态+-+--Ud0rRMnEVR--•VR逆变处于状态：此时，r90°，E|Ud0r|，n0电机输出电能实现回馈制动。PId27c）机械特性范围Id-Idn反组逆变回馈制动正组整流电动运动c)机械特性运行范围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。28带位势性负载反转制动状态相比，从表面现象看似乎是一样的，都是将电能通过晶闸管装置送回电网，但两者之间有着本质上的区别，主要有以下三点:（1）发电回馈制动时电动机工作在第二象限，转速的方向还是正的，转矩变负；而带位势性负载反转制动是在第四象限，转速的方向变成负的，转矩未变。29（3）位势负载反转制动运行时电动机反电动势的极性随着转速而改变其方向，以维持原来方向电流的流通；而发电回馈制动时，从电动机方面看来，任何负载在减速制动过程中都不可能帮助电动机改变其反电动势的极性，要回馈电能必须设法使电流反向。（2）电动机带位势负载反转制动是一种稳定的运行状态，而发电回馈制动一般是一个过渡过程，最终仍要回到第一象限才能稳定下来，或者最后回到零点而停止运行。304.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。归纳起来，可将可逆线路正反转时晶闸管装置和电机的工作状态列于表4-1中。31表4-1V-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++－－电机运行状态电动回馈发电电动回馈发电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机械特性所在象限一二三四32反并联的晶闸管装置的其他应用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。331.环流及其种类采用两组晶闸管反并联或交叉连接是可逆系统中比较典型的线路，它解决了电动机频繁正反转运行和回馈制动中电能的回馈通道，但接踵而来的是影响系统安全工作并决定可逆系统性质的一个重要问题——环流问题。•环流定义所谓环流，是指不流过电动机或其它负载，而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，如图所示反并联线路中的电流Ic。三.可逆V-M系统中的环流问题34图4-5反并联可逆V-M系统中的环流MVRVFUd0f+--+Ud0rRrecRrecRa--~~环流的形成IdIcIc—环流Id—负载电流35环流的优缺点–优点：在保证晶闸管安全工作的前提下，适度的环流能使晶闸管－电动机系统在空载或轻载时保持电流连续，避免电流断续对系统动态、稳态性能的影响；可逆系统中的少量环流，可以保证电流无换向死区，加快换向过程。36–缺点：环流的存在会显著地加重晶闸管和变压器的负担，消耗无用功率，环流太大时甚至会损坏晶闸管，为此必须进行限制。–在实际系统中，要充分利用环流的有利面而避免其不利面。37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：–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。38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。392.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。40（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Ud0r把整流电压Ud0f顶住，则直流平均环流为零。于是Ud0r=－Ud0f由式（4-1），Ud0f=Ud0maxcosfUd0r=Ud0maxcosr其中f和r分别为VF和VR的控制角。41由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压Ud0max是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有cosr=–cosf或r+f=180（4-3）如果反组的控制用逆变角r表示，则f=r（4-4）由此可见，按照式（4-4）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（4-5）42f=rUd0r=－Ud0maxcosUd0f=Ud0maxcosαMVRVFUd0f+--+Ud0rRrecRrecRa--~~IdIcIc—环流Id—负载电流43（2）配合控制方法为了实现配合控