可逆直流调速系统.docx

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可逆直流调速系统

摘要：

根据整流装置的不同，直流可逆调速系统可分为V-M可逆调速系统和PWM可逆调速系统。

讨论了晶闸管直流调速系统可逆运行方案，介绍了有环流控制的可逆V-M系统和无环流控制的可逆V-M系统。

除了由晶闸管组成的相控直流电源外，直流电机还可以采用全控器件（IGBT，MOSFET，GTR等）组成的PWM变换器提供直流电源，其特点是开关频率明显高于可控硅，因而由PWM组成的直流调速系统有较高的动态性能和较宽的调速范围。

PWM变换器把恒定的直流电源变为大小和极性均可调直流电源，从而可以方便的实现直流电机的平滑调速，以及正反转运行。

由全控器件构成的PWM变换器，由于开关特性，因此其电枢的电压和电流都是脉动的，其转速和转矩必然也是脉动的。

关键词：

可逆直流调速，PWM变换器，环流。

1.晶闸管直流调速系统可逆运行

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，这本来是很简单的事。

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，问题就变得复杂起来了，需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。

中、小功率的可逆直流调速系统多采用由电力电子功率开关器件组成的桥式可逆PWM变换器。

功率较大的直流调速系统多采用V-M电源，由于晶闸管的不可控关断特性，其可逆调速系统相对较为复杂。

1.1可逆直流调速系统分类

在没有外力作用下，要改变直流电机的旋转方向，根据直流电机转矩表达式Te=CMΦIa可知，改变励磁磁通Φ或改变电枢电流Ia均可改变电机转矩方向，从而达到改变转向的目的。

与此相应得直流电机可逆调速实现方式有：

1、改变电枢电流，通过改变电枢电流的方向，也可改变电磁转矩的方向。

2、改变励磁电流，通过改变励磁电流方向，从而改变电磁转矩的方向。

图1-１两组晶闸管装置反并联可逆线路

改变电枢电流可逆线路：

电枢反接的可逆线路形式是多种多样的，不同的生产机械可以根据各自的要求去选择。

图1.1是一种最简单的桥式晶闸管可逆线路，该线路中，需要一组晶闸管整流装置，还需要四个晶闸管组成的桥式电路，来实现电机的正、反转。

当VT1、VT4导通，电动机正转；VT2、VT3导通，电动机反转。

在工程实际中应用比较多的是采用两组晶闸管装置反并联可逆线路来实现电流的反向。

由于晶闸管的单向导电性，需要电流反向的可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的线路，如图1-2所示。

电机作电动运行时，由正组晶闸管整流装置VF供电；反转时，由反组晶闸管VR供电。

正反转运行时，电机分别位于Ⅰ第和第Ⅲ象限。

图1-2两组晶闸管装置反并联可逆线路

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。

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图1-3，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。

励磁反接的特点是供电装置功率小，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。

缺点是改变转向时间长，这是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。

励磁反接可逆应用在快速性要求不高，不经常正反转运行的大容量可逆调速系统中。

图1-3励磁反接可逆线路

1.2晶闸管-电动机系统的回馈制动

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

在逆变状态中，Ud0为负值。

为了方便起见，定义逆变角β=180°−α，则逆变电压公式为

1、单组晶闸管装置在位能性负载时的有源逆变。

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。

在图1-4a中，当α<90°时，转速n>0，平均整流电压

为正，且理想空载值

，电压平衡方程为

，所以输出整流电流

，电磁转矩T提升重物，电能从电网经晶闸管装置V传送给电机，V处于整流状态，电动运行于第一象限。

在图1-4b中，当控制角α>90°时，整流装置输出电压

为负，晶闸管装置本身不能输出电流，电机不能产生转矩提升重物，只有靠重物本身的重量下降，迫使电机反转，感生反向的电动势−E，图3-4b中标明了它的极性。

而此时转速已经反向，因而该转矩起制动作用，阻止重物使它不要下降得太快。

这时电机处于带位能性负载反转制动状态，成为受重物拖动的发电机，将重物的位能转化成电能，通过晶闸管装置V回馈给电网，V则工作于逆变状态，V-M系统运行于第四象限。

（a）正组整流电动运行（b）反组逆变回馈制动

图1-5两组晶闸管反并联可逆V-M系统

单组晶闸管-电机系统拖动位能性负载时，晶闸管组即可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态。

该逆变状态对应于电机的第Ⅳ象限运行，必须满足下述两个条件，才能实现逆变。

第一其控制角α>90°，整流装置输出电压为负，即要求电枢电压反向，电流仍然按照原来的方向流动，即不要求电流反向；第二反转转速大于额定转速，以满足

要求，维持电流方向不变。

2、两组晶闸管装置反并联逆变。

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。

图1-5a表示正组晶闸管装置VF给电动机供电，VF处于整流状态，输出理想空载整流电压

的极性如图所示，电机从电路输入能量作电动运行，V-M系统工作在第一象限，如图1.5a所示，与图1-4a的整流状态完全一样。

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，由于晶闸管的单向导电性，反向电流是不可能通过正组晶闸管VF流通的。

要完成电流反向流动，这时可以利用控制电路切换到反组晶闸管装置VR如图1-5b所示，并使它工作在逆变状态，产生图中所示极性的逆变电压

，当

时，反向电流便通过VR流通，电机输出电能实现回馈制动，V-M系统工作在第Ⅱ象限。

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，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1-1中。

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。

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

晶闸管工作组和状态

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

表1-1V-M系统反并联可逆线路的工作状态（表中各量的极性均以正向电动运行时为“+”）

2.有环流的可逆调速系统

2.1可逆系统中的环流

两组晶闸管反并联或交叉连接线路解决了直流电动机的频繁换向问题，但是这类线路还存在着是否能保证系统安全工作的环流问题。

在如图2-6的反并联线路中，不流过电动机，而在两组晶闸管之间流通的电流

即为环流。

图2－6反并联可逆线路中的环流

环流分为两大类：

（１）静态环流——当可逆线路在一定的控制角下稳定工作时，所出现的环流叫做静态环流。

静态环流又分为：

直流平均环流和瞬时脉动环流。

（２）动态环流——稳态运行时并不存在，只有当系统由一种工作状态过度到另一种工作状态时才出现的环流。

环流容易造成短路，损坏晶闸管，使系统不能正常工作。

因此，在可逆调速系统中，必须考虑如何抑制或消除环流的影响。

2.2直流平均环流与配合控制

由图2－6的反并联可逆线路可以看出，如果让正组晶闸管VF和反组晶闸管VR都处于整流状态，正组整流电压

和反组整流电压

正负相连，将造成电源短路，此短路电流即为直流平均环流。

为了防止产生直流平均环流，最好的解决办法是当正组晶闸管VF处于整流状态时，其整流电压

=+,这时应该让反组晶闸管VR处于逆变状态，输出一个逆变电压把它顶住，即让

，而且幅值与相等。

一般说来，只要实行了

配合控制，就能保证消除直流平均环流。

其中,

和

分别为正组晶闸管VF和反组晶闸管VR的控制角。

工作制配合控制的可逆线路触发装置的移相控制特性

2.3瞬时脉动环流及其抑制

由于两组晶闸管分别处于整流和逆变状态，所以正组晶闸管的瞬时电压

与反组晶闸管的瞬时电压

不同，存在瞬时电压差

从而产生瞬时脉动环流。

图2-7画出了三相零式反并联可逆线路当

（即=120°）时的情况。

图2-7配合控制的三相零式反并联可逆线路的瞬时脉动环流

为了限制瞬时脉动环流，在环流回路中串入电抗器，该电抗器叫做环流电抗器或均衡电抗器（如图3-7中的

和

）。

　环流电抗器并不是在任何时候都能起作用为了限制瞬时脉动环流，在环流回路中串入足够量的电抗器，以保证对瞬时脉动环流的限制。

2.4直流可调速系统的制动过程分析

直流可逆调速系统的正反向切换过程包括正向制动过程和反向起动过程。

起动过程与不可逆调速系统相同。

下面分析可逆系统的制动过程，以图2-8所示的配合控制为例分如下几个阶段讨论。

本桥逆变阶段：

本桥逆变阶段是指换向时电流

由正向负载电流

下降到零，其方向未变，只能通过正组晶闸管桥流通。

为了把储存在电抗器磁场中的能量迅速释放，正向电流迅速衰减到零，这时正组桥处于逆变状态。

反桥制动阶段：

当电动机电枢回路中的电流

过零时，本桥逆变终止，

的数值略减，

电流开始反向。

这时反组仍处于整流状态，在反组整流电压与反电动势E的共同作用下，反向电流很快增长，电动势承受反向制动。

图2-8

配合控制的有环流可逆调速系统

制动过程各变量的波形见下图：

2.5可控环流可逆调速系统

为了更充分地利用可控环流可逆调速系统制动和反向过程的平滑性和连续性，最好能有电流波形连续的环流。

当主回路电流可能断续时采用

的控制方法，有意提供一个附加的直流平均环流，使电流连续；一旦主回路负载电流连续了，则设法形成

的控制方法，遏制环流至零。

这样根据实际情况来控制环流的大小和有无，扬环流之长而避其短，成为可控环流的可逆调速系统。

其原理图见2－10。

图2－10可控环流可逆调速系统原理图

3.无环流可逆调速系统

在有环流系统中，不仅系统的过渡特性平滑，而且由于两组晶闸管变流装置同时工作，两组变流装置之间切换时不存在控制死区。

因而，除系统过渡特性更加平滑之外，还有快速性能好的优点。

但渡特性更加平滑之外，还有快速性能好的优点。

但是在有环流系统中、需设置笨重而价格昂贵的环流电抗器，而且环流将造成额外的有功和无功损耗，因此除工艺对过渡特性平滑性要求较高及对过渡过程要求快的系统采用有环流系统之外，一般多采用无环流系统。

依据实现无环流原理的不同，无环流可逆系统可分为两种：

逻辑控制无环流系统和错位控制无环流系统。

错位控制无环流系统的基本控制思路借用配合控制的有环流系统的控制，当一组晶闸管整流α=β配合控制的有环流系统的控制，当一组晶闸管整流时，让另一组晶闸管处于待逆变状态，但是两组触发脉冲的零位错开得比较远，彻底杜绝了脉动环流的产生；而逻辑控制无环流系统的特点是，当一组晶闸管变流装置工作时，用逻辑装置封锁另一组晶闸管变流装置的触发脉冲，使其完全处于阻断状态，从而根本上切断了环流通路。

3.1逻辑控制无环流调速系统

图3-11是逻辑控制的无环流可逆调速系统的一种典型结构，其主电路采用两组晶闸管装置反并联线路，由于没有环流，无需再设置环流电抗器，但为了抑制负载电流的脉动并保证在正常稳定运行时电流波形的连续，仍需保留平波电抗器。

控制系统仍采用典型的转速、电流双闭环结构，除了增加无环流逻辑控制器DLC及省去主电路的环流电抗器之外，该系统与配合控制有环流系统完全相同。

图3-11逻辑控制的无环流可逆调速系统原理图

在任何情况下，两组晶闸管装置绝对不允许同时加触发脉冲。

一组晶闸管变流装置工作时，另一组的触发脉冲必须严格封锁；用转速调节器输出电流给定的信号，作为转矩极性鉴别信号，以其极性来决定开放哪一组晶闸管的触发脉冲。

但必须等到零电流检测器给出的零电流信号为零以后，方可正式发出逻辑切换指令，发出逻辑切换指令之后，要经过2～3ms的封锁延时，封锁原导通组的触发脉冲，而后再经过5～7ms左右的开放延时，再开放原封锁组的触5～7ms左右的开放延时，再开放原封锁组的触发脉冲；为保证两组脉冲绝对可靠工作，还应设置保护环节，以防止两组脉冲同时出现而造成电源短路。

根据上述对无环流逻辑控制器的要求，逻辑控制器的输入是转矩极性鉴别和零电流信号，输出是封锁正组脉冲和封锁反向脉冲的信号，即由图3－12所示的电平检测、逻辑判断、延时电路和逻辑保护四部分组成,

图3－12无环流逻辑控制器的组成

4.可逆直流脉宽调速系统（PWM可逆系统）

PWM变换器电路有多种形式，分为不可逆于可逆两大类，还有一种带制动电流通路的不可逆PWM直流调速系统，其电流能够反向。

之所以不可逆是因为平均电压始终大于零，因而转速不能反向。

要求转速反向需改变输出电压的正负极性，使电动机可以再四象限运行，由此构成可逆的PWM变换器直流电动系统。

4.1可逆PWM变换器的工作原理

PWM控制的示意图如图4-13所示:

可控开关S以一定的时间间隔重复地接通和断开，当S接通时，供电电源Us通过开关S施加到电动机两端，电源向电机提供能量，电动机储能：

当开关S断开时，中断了供电电源Us向电动机电流继续流通。

图4-13PWM控制示意图

可逆PWM变换器主电路的结构形式有T型和H型两种，其基本电路如图4-14所示，图中（a）为T型PWM变换器电路，（b）为H型PWM变换器电路。

（a）T型　　（b）H型

T型电路由两个可控电力电子器件和与两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统时便于引出反馈，适用于作为电压低于50V的电动机的可控电压源；但是T型电路需要正负对称的双极性直流电源，电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅值为H型电路的一半。

H型电路是实际上广泛应用的可逆PWM变换器电路，它由四个可控电力电子器件（以下以电力晶体管为例）和四个续流二极管组成的桥式电路，这种电路只需要单极性电源，所需电力电子器件的耐压相对较低，但是构成调速系统的电动机电枢两端浮地。

H型变换器电路在控制方式上分为双极式、单极式和受限单极式三种。

（1）双极式可逆PWM变换器：

  双极式可逆PWM变换器的主电路如图2-3（b）所示。

四个电力晶体管分为两组，VT1和VT4为一组，VT2和VT3为一组。

同一组中两个电力晶体管的基极驱动电压波形相同，即

，VT1和VT4同时导通和关断；

，VT2和VT3同时导通和关断。

而且

，

和

，

相位相反，在一个开关周期内VT1，VT4和VT2，VT3两组晶体管交替地导通和关断，变换器输出电压

在一个周期内有正负极性变化，这是双极式PWM变换器的特征。

5.总结

本文通过对可逆直流调速系统一些分析，阐述了其基本原理，对两类可逆环流系统晶闸管-电动机可逆调速系统（V-M可逆系统）及直流脉宽可逆调速系统（PWM可逆系统）的基本方面做了详细的介绍。

并结合实际讨论了两者的各自优缺点。

参考文献：

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