电力拖动自动控制系统(陈伯时)第四章课件

北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity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。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。然而当电机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity可逆V-M系统中的环流问题环流的定义：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。MVRVFUd0f+--+Ud0rRrecRrecRa--~~IdIcIc—环流Id—负载电流北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity环流的危害和利用危害：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。利用：对环流进行控制，可以利用环流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可工作在晶闸管装置的电流连续区，以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。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。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。（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。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity直流平均环流与配合控制防止直流平均环流的产生采取的措施：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。配合控制原理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，则直流平均环流为零。于是Ud0r=－Ud0fUd0f=Ud0maxcosfUd0f=Ud0maxcosr其中f和r分别为VF和VR的控制角。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r+f=180如果反组的控制用逆变角r表示，则f=r即=配合控制北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity配合控制方法为了实现配合控制，可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90°，即当控制电压Uc=0时，使f=r=90°，此时Ud0f=Ud0r=0，电机处于停止状态。增大控制电压Uc移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反就可以了。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity=配合控制特性=配合控制系统的移相控制特性示于下图。移相时，如果一组晶闸管装置处于整流状态，另一组便处于逆变状态，这是指控制角的工作状态而言的。-UcmUc90ormin180o0oUcm90o0o180ofminfminrminrfCTRCTFUc1北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity=配合控制的工作状态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，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——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”。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，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。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity最小逆变角限制为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，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角也实施min保护，以免出现Ud0fUd0r而产生直流平均环流。通常取30minmin北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity瞬时脉动环流及其抑制产生原因采用配合控制已经消除了直流平均环流，但是，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，仍会出现瞬时电压的情况，从而仍能产生瞬时的脉动环流。这个瞬时脉动环流是自然存在的，因此=配合控制有环流可逆系统又称作自然环流系统。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity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。环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分量限制在负载额定电流的5%~10%来设计。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity在三相桥式反并联可逆线路中，由于每一组桥又有两条并联的环流通道，总共要设置4个环流电抗器。环流电抗器的设置12MVFVRabcABC--~北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity=配合控制的有环流可逆V-M系统原理图MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-----北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity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。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。给定与检测电路（转速）根据可逆系统正反向运行的需要，给定电压、转速反馈电压、电流反馈电压都应该能够反映正和负的极性。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=“+”。给定与检测电路（电流）电流反馈电压：正转时，Ui=“+”；反转时，Ui=“-”。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity控制电路控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，其中：转速调节器ASR控制转速，设置双向输出限幅电路，以限制最大起制动电流；电流调节器ACR控制电流，设置双向输出限幅电路，以限制最小控制角min与最小逆变角min。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity控制方式采用同步信号为锯齿波的触发电路时，移相控制特性是线性的。rmin180o0o-UcmUcmUc90o90o0o180ofminfminrminrfCTRCTFUc1北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity反转时：0，r90°，VR整流：Ud0r=“+”；Uc0，f90°，VF逆变：Ud0f=“-”。cUcU正转时：Uc0，f90°，VF整流：Ud0f=“+”；0，r90°，VR逆变：Ud0r=“-”。停转时：Uc=0，r=f=90°，Ud0f=Ud0r=0。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity=配合控制有环流可逆直流调速系统正向制动过程波形tttOOOIdnUcIII1II2II3-IdmIdL-UcmE北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity无环流控制的可逆晶闸管-电动机系统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，无环流可逆系统有两大类：逻辑控制无环流系统；错位控制无环流系统。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity控制原理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。错位控制的无环流可逆系统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+f=300°，甚至是r+f=360°，也就是说，初始相位整定在r=f=150°或180°。当待逆变组的触发脉冲来到时，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。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity系统结构的特点主电路采用两组晶闸管装置反并联线路；由于没有环流，不用设置环流电抗器；仍保留平波电抗器Ld，以保证稳定运行时电流波形连续；控制系统采用转速、电流双闭环方案；电流环分设两个电流调节器，1ACR用来控制正组触发装置GTF，2ACR控制反组触发装置GTR；1ACR的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号，因此电流反馈信号的极性不需要变化，可以采用不反映极性的电流检测方法。为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控制环节DLC，这是系统中的关键环节。它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动切换，其输出信号Ublf用来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。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity逻辑无环流系统的特点优点：省去环流电抗器，没有附加的环流损耗；节省变压器和晶闸管装置等设备的容量；降低因换流失败而造成的事故。缺点：由于延时造成了电流换向死区，影响过渡过程的快速性。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity位置随动系统位置随动系统的被控制量（输出量）是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作任意变化时，该系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。