电力拖动自动控制系统第三章

第三章可逆调速系统本章提要♦问题的提出♦晶闸管-电动机(V-M)系统的可逆线路♦晶闸管-电动机(V-M)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♦位置随动系统简介第三章可逆调速系统问题的提出在前两章所讨论的调速系统中，电动机都只朝着一个方向旋转。然而生产实际中，有许多生产机械都要求电动机既能正、反转，又能快速制动。例如龙门刨工作台的往返运动、矿井卷扬机和电梯的提升和下降等。这类生产机械的拖动，需要四象限运行的特性，则必须采用可逆调速系统。第三章可逆调速系统问题的提出（续）◎能够改变电动机转矩方向的系统叫做可逆调速系统。本章在晶闸管供电的双闭环调速系统的基础上解决以下问题：1.如何实现电动机的正反转。2.如何实现电动机的制动。3.可逆调速系统的特殊问题。4.针对这些特殊问题如何控制。第三章可逆调速系统§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路本节提要□电枢反接可逆线路□励磁反接可逆线路□反并联连接与交叉连接□电枢可逆与磁场可逆两种方案的比较§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路要控制电机的转向就应控制电机转矩。由T＝CmΦId知，改变电机转矩有两种方法：•改变电枢电流Id的方向Id→电枢可逆系统→改变Ud的方向实现•改变电机励磁磁通Φ的方向Φ→磁场可逆系统→改变If的方向实现G-M系统电机正反转很容易实现（改变Uf的极性）。V-M系统要实现电机正反转就是一个比较复杂的专门问题（VT的单向导电性）。§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路一、电枢反接可逆线路1.接触器开关切换的可逆线路M~V+-UdKMFKMFKMRKMR+Id-IdUd+Id–IdM•KMF吸合时，M端电压A(+)、B(-)，电动机正转；•KMR吸合时，M端电压A(-)、B(+)，电动机反转。由一套晶闸管给M的电枢供电，实现调速AB§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路♦优点：仅需一组晶闸管装置，简单、经济。♦缺点：①有触点切换，开关寿命短、噪音大；②动作时间长（0.2～0.5s）；③不能经常起制动。需自由停车后才能反向，时间长。否则，如果马上闭合反向接触器，则M反接制动，Id很大，一般不允许。♦应用：经常单方向运行，偶尔才需要反转的生产机械（地铁列车的倒车）。§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路2.无触点的晶闸管开关切换的可逆线路MM~V+-UdVT1VT4VT2VT3•VT1、VT4导通，电动机正转；•VT2、VT3导通，电动机反转。◎工作可靠性高，但经济上无明显优点（10只VT），多用于几十千瓦以下的中小功率可逆线路。VT1~VT4容量大§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路3.两组晶闸管装置反并联可逆线路在要求频繁快速正反转的生产机械上，特别是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。§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路：a)电路结构MVRVFId-Id+--+--Idb)运行范围-n-IdnO正向反向§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路•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。♦优点：VT寿命长，切换速度快♦缺点：不允许两组VT同时处于整流状态，否则将造成电源短路（控制电路要求严格）♦适用场合：要求频繁、快速正反转的生产机械的拖动上得到广泛应用。§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路二、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。与电枢可逆线路一样，磁场可逆线路也有三种方式改变励磁电流的方向，使磁通方向改变。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。§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路晶闸管反并联励磁反接可逆线路MVId+-VRVFIf-If+--+--由一套晶闸管给M的电枢供电，实现调速由另外的两组晶闸管装置给励磁绕组供电，从而改变励磁方向§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路♦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。§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路三、反并联连接与交叉连接（两组VT整流装置反极性并联可逆线路的两种接线方式）MVFVRabcABC--~两组晶闸管装置的反并联连接两组整流装置共用同一个电源§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路MVFVRabcABCa'b'c'--~~两组晶闸管装置的交叉连接两组整流装置的供电电源是彼此独立的两个电源§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路♦说明•如果把交叉连接的反组VR向左翻转180º，M向右下旋转90º，则在电路结构上和反并联连接没有区别。•反并联连接的两组整流装置共用同一个电源；交叉连接的两组整流装置的供电电源是彼此独立的两个电源。•反并联连接的可逆线路中，需4个限制环流的电抗器（有两条环流回路），交叉连接的可逆线路，只需2个限制环流的电抗器（有一条环流回路）§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路四、电枢可逆与磁场可逆两种方案的比较♦电枢可逆•优点：电枢回路电感量小，时间常数小（约几十ms），正反向切换快速性好。•缺点：需要两套容量较大的VT整流装置，投资大。特别是容量大的可逆系统更为突出。适用于频繁起制动、要求过渡过程时间短、中小容量生产机械上。§3-1晶闸管-电动机系统的可逆线路♦磁场可逆•优点：供电装置功率小，容量较电枢可逆方案小的多，投资费用低、经济。•缺点：励磁回路电感量大，时间常数大，系统反向过程缓慢；控制线路复杂，必须保证在换向过程中当励磁磁通接近于零时，电枢供点电压为零（防止“飞车”）。适用于不要求快速正反转的大容量可逆系统中（矿井提升机、电力机车）第三章可逆调速系统§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动本节提要□晶闸管装置的整流和逆变状态□单组晶闸管装置的有源逆□两组晶闸管装置反并联的整流和逆变□V-M系统的四象限运行§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动一、晶闸管装置的整流和逆变状态有些生产机械并不需要正、反转，只需要快速制动。其最简单的方法当然是采用能耗制动，但回馈制动更经济。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。当晶闸管装置进入逆变状态时，把直流电能逆变成交流电能。回馈到电网中去。这种逆变状态显然提供了回馈制动的可能性。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§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动♦逆变电压公式当控制角为α90°，晶闸管装置处于整流状态；当控制角为α90°，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β=180º–α，则逆变电压公式可改写为Ud0=－Ud0maxcosβ§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动♦晶闸管装置的两种工作状态•整流：交流电能→直流电能，Ud0为正值，，电路的共阴极点为正极性，共阳极点为负极性，电流从负极性点流入，正极性流出。-+Ud0LM+-EVT--I§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动•逆变：直流电能→交流电能，，Ud0为负值，,电路的共阴极点为负极性，共阳极点为正极性，电流从正极性点流入，负极性流出。电流由外加的电动机电动势E（发电机）提供并维持。-+Ud0LM+-EVT--I§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动二、单组晶闸管装置的有源逆变G-M系统在回馈制动时（降速时），只需控制发动机电压EG使之低于电动机的反电势Em，电流自然就反向，从而把拖动系统的动能通过发nGGM+-+-EGEm动机及原动机送回电网。VT装置的电流不能反向，逆变时是让电压方向反向，电流方向不变，从电功率的传递方向看，与电流反向而电压极性不变的情况一样都是使电网吸收能量。问题是必须同时使E的极性也反过来，才能提供能量。这种情况只有下放位势性负载时才会出现。原动机§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动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（位势性负载）时也可能出现整流和有源逆变状态。提升机构①提升正转（提升重物）：M：电动状态VT：整流状态-+Ud0M+-nEVT--PIdLα90°，Ud0E，n0由电网向电动机提供能量。即VT输出整流电流，使M产生转矩，将重物提升。§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动②下放重物（释放重物）：+-+--Ud0MnEVT--PIdLM：n0（在重物作用下转向变反）Φ方向不变Id方向不变（整流桥电流不会变）VT：逆变状态α90°E0§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动即，-Udo=-E+IdE-Udo=IdR电流方向不变该电流方向与提升重物时一样，这个方向的转矩能阻止重物下降得太快而避免事故。M—处于发电状态（由重物拖动，将重物的位能转化成电能通过V装置输送到交流电网）VT—工作在逆变状态因此，这一阶段是由电动机向电网回馈能量。§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动用一组晶闸管，既要实现整流，又要实现逆变，只有上述负载（位势性负载）才能实现。V-M系统实现逆变的必要条件:（1）控制角α90°，使VT整流装置输出负的逆变电压-Ud；（2）外电路必须有一个直流电势源E，其极性与晶闸管导通方向一致，但数值比稍大，提供逆变能量，维持回馈电流。§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动③机械特性•整流状态电动机工作于第一象限•逆变状态电动机工作于第四象限n-nIdTe提升放下TLO单组V-M系统带起重机类型负载时的整流和逆变状态§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动三、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。§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动1.正组晶闸管装置VF整流•VF处于整流状态此时，αf90°，Ud0fE，n0电机从电路输入能量作电动运行。R-+Ud0fM+-nEVF--a)正组整流电动运行PId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§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动2.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。•VR逆变处于状态：此时，αr90°，E|Ud0r|，n0电机输出电能实现回馈制动。+-+--Ud0rRMnEVR--PId两组晶闸管反并联可逆V-M系统的反组逆变状态§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动3.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。机械特性运行范围Id-Idn反组逆变回馈制动正组整流电动运动O§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动四、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3-1中§3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动表3-1V-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§3-1晶闸管-电动机系统的回馈制动◎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，