1、4 直流可逆调速系统,学习目标： 1. 了解V-M可逆线路接线形式及各自的优、缺点 。 2. 了解V-M可逆线路中电动机和整流装置的工作状态。 3. 了解环流的定义、利弊及抑制措施。 4. 理解配合控制的方法及工作原理，掌握有环流可逆系统正向制动过程。 5. 掌握逻辑无环流可逆调速的组成、工作原理及DLC的作用。 6. 掌握逻辑无环流可逆调速系统的一般调试方法。,4.1 V-M系统的可逆线路,改变直流电机转向有两种方法：,4.1.1 V-M系统可逆线路的选择,电枢反接：,励磁反接：,改变电枢电压的极性,改变励磁电压的极性,认识两种方法的特点及适用场合，然后选择合适的方法。,一、电枢反接可逆线路
2、,根据电动机正、反转的切换方式不同，电枢反接可逆线路一般有3种形式,(一)用接触器切换的可逆线路,1。正反转切换 ：,KMF触点闭合时，,电枢电压极性是A（+）、B（ ），电动机正转,KMR触点闭合时，,电枢电压极性是A （ ） 、B（+），电动机反转,2。特点 ：,优点 ：,简单、经济。,缺点 ：,有噪音、切换慢。,3。应用场合 ：,不需要频繁切换、对切换快速性要求不高的生产机械。,一、电枢反接可逆线路,(二)用晶闸管开关切换的可逆线路,1。正反转切换 ：,2。特点 ：,克服了接触器切换的缺点，简单、经济。,3。应用场合 ：,VD1、VD4导通时，电动机正转；,VD2、VD3导通时，电动机反
3、转,适用于中小容量的可逆系统。,一、电枢反接可逆线路,(三)两组晶闸管反向并联的可逆线路,1。正反转切换 ：,2。特点 ：,3。应用场合 ：,当正组晶闸管装置VF供电时，电动机正转；,当反组晶闸管装置VR供电时电动机反转。,不仅能控制电动机的正、反转，而且能灵活地控制电动机的启动、制动和调速。,在可逆调速系统中得到广泛应用,注意：该线路不允许两组晶闸管装置同时处于整流工作状态，否则将造成电源短路。,二、励磁反接可逆线路,励磁反接也有3种切换方式，即, 接触器切换的励磁反接可逆线路。, 晶闸管开关切换的励磁反接可逆线路。, 两组晶闸管装置反并联的可逆线路。,下图为两组晶闸管装置反并联的可逆线路,
4、综合以上分析，可逆直流调速系统中应用较多的是电枢反接可逆线路，且一般采用两组晶闸管装置反并联的可逆线路，后面主要分析这种线路构成的可逆调速系统。,三、电枢反接与励磁反接可逆线路的比较,电枢反接：电流反向速度快，但初期投资较大。,励磁反接：电流反向速度慢，且控制复杂；初期投资小。,励磁换向的方案只适用于对快速性要求不高，正、反转不太频繁的大容量可逆系统，例如卷扬机，电力机车等。,3电枢反接与励磁反接各有什么优缺点？各适用于什么场合？,1直流电动机实现可逆运行有哪两种方法？,2从正、反转的切换方式上，可逆线路有哪些形式？,思考题：,4可逆直流调速系统的主电路一般采用什么形式的线路？,4.1.2 可
5、逆线路中电机和晶闸管的工作状态,一、电机的工作状态,1。电动运行状态：电机的电磁转矩方向与电机的转向 同方向，电磁转矩是驱动电机转运的动力。,可逆线路中，电机即可正转，又可反转；即可工作于电动运行状态，又可工作于制动状态。,2。制动状态：电机的电磁转矩方向与电机的转向反方向，电磁转矩是驱动电机转运的阻力。,电磁转矩与电枢电流成正比，即,电磁转矩的方向与电枢电流方向一致。,一、电机的工作状态,3。电机的四象限工作状态,第四象限，电动机转速为负向，但电流为正向，电磁转矩的方向与转速相反，电动机处于反向制动工作状态。,第一象限，电动机转速为正向，电流也为正向，电磁转矩的方向与转速相同，电动机处于正向
6、运行工作状态。,第二象限，电动机转速为正向，但电流为负向，说明电磁转矩的方向与转速相反，起阻转作用，电动机处于正向制动工作状态。,第三象限，电动机转速为负向，电流也为负向，电磁转矩的方向与转速相同，电动机处于反向运行工作状态。,二、晶闸管的工作状态,，晶闸管装置输出电压为正，且向电动机提供能量时，其处于整流工作状态；,1。可逆线路中，正组晶闸管装置（VF）和反组晶闸管装置（VR）均有整流和逆变两种工作状态。,以三相桥式整流电路为例，输出直流电压,，晶闸管装置输出电压为负，且从外电路吸收能量回馈给电网时，其处于逆变工作状态。,2。晶闸管装置逆变工作的条件：,(1)内部条件是,(2)外部条件是外电
7、路存在维系电流的直流电源,二、晶闸管的工作状态,3。可逆线路中晶闸管装置工作状态的判定,(1)VF与VR哪一组工作取决于负载电流的方向,如图所示：M中电流向下，则VF工作；电流向上，则VR工作。,(2)工作晶闸管是处于整流还是逆变状态，取决于电机工作状态。,电机电动运行时，工作的晶闸管输出电能，处于整流状态；,电机制动工作时，电机处于发电状态，动态减小，转换为电能，通过晶闸管的逆变，将电能回馈到电网,二、晶闸管的工作状态,4。晶闸管装置的四象限工作状态,可逆线路中，取M中电流向下为电枢电流的正方向，则：,(1) Id0,VF工作；Id0，VR工作,(2)电机电动运行时，晶闸管处于整流状态；电机
8、制动时，晶闸管处于逆变。,思考题：,3V-M可逆调速系统中，电动机的四象限运行状态与晶闸管装置的四象限工作状态有着怎样的对应关系？,1什么是电动机的电动运行和制动运行？,2晶闸管装置实现逆变的条件是什么？,4.2 可逆线路的环流问题,4.2.1 环流及其利弊,所谓环流，是指不流过电动机或其他负载，而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。如图中电流Ic所示。,一环流的定义,Rrec为整流装置内阻,但工业实际生产中，直流电动机的容量一般较大，系统本身能满足电流连续的需求，环流的优点不能体现，因此，对环流常常加以抑制。,2环流的优缺点,(1)缺点：环流的存在会加重晶闸管和变压器的负担、消耗无用的功率，
9、环流太大时甚至会导致晶闸管损坏。,(2)优点：, 避免电流断续。, 加快电流换向。,理论上，环流有利的一面主要表现在电机空载或轻载时。,不同类型的环流，产生的机制不同，抑制方法也不一样。,4.2.2 环流类型及其抑制措施,一环流的种类,直流平均环流,静态环流,动态环流,瞬时脉动环流,静态环流 ：,系统稳定工作时，所出现的环流叫做静态环流。,直流平均环流：,由于两组晶闸管装置之间存在正向的直流电压差而产生的环流，称为直流平均环流。,由于两组晶闸管装置输出电压的瞬时值不相等而产生的环流，称为瞬时脉动环流。,瞬时脉动环流：,动态环流：,当系统由一种工作状态过渡到另一种工作状态时才出现的环流，叫做动态
10、环流 。,(不做分析),2直流平均环流的抑制措施,(1)产生原因：两组晶闸管装置之间存在正向的直流电压差。,若Udf与Udr始终大小相等，方向也相同，则可消除偏差，即,故有,当VF整流时让VR处于待逆变，且VF的整流角等于VR的逆变角，以消除直流电压差 ；反之亦然。这种措施称之为 配合控制。,(2)抑制措施：,采用 配合控制。,(3)采用 配合控制的可逆线路,主要特征：,两组晶闸管触发电路的控制电压大小相等，符号相反。,3瞬时脉动环流的抑制措施,(1)瞬时脉动环流的产生,(2)瞬时脉动环流的抑制-在主回路上串入环流电抗器,脉动环流是自然存在的，不能根除，只能通过在主回路中串环流电抗器来加以抑制
11、，使其幅值减小。,(3) 环流电抗器的接法,假设某时刻，电源A相的电位高B相的电位，根据晶闸管的单向导电线，存在如图所示两条环流回路。,为什么要串四个环流电抗器？,原因1：两条环流回路。,原因2：流过负载电流的环流电抗器因饱和而失去作用。,电动机回路平波电抗器仍保留，以改善电枢电流的平滑性,思考题：,2环流有哪些种类？怎样抑制环流？,1什么是环流？环流有什么优点和缺点？,4.3 有环流可逆调速系统,一有环流可逆调速系统的定义,4.3.1 配合控制有环流可逆调速系统,在 配合控制下，电枢可逆线路中虽然没有直流平均环流，但有瞬时脉动环流，所以这样的控制系统称为有环流可逆调速系统。由于脉动环流是自然
12、存在的，所以又称为自然环流系统。,二系统的构成,思想：,双闭环控制 + 配合控制, 主电路构成, 控制电路采用典型的转速、电流双闭环控制。, 配合控制的体现。, 电流反馈, 电动机的转向控制,三系统的工作过程分析,（1）电动机停止状态：,1什么是自然环流可逆调速系统？其构成有何特点？,2. 配合控制中，VF与VR的触发控制电压、输出直流电压各有怎样的关系？,思考题：,4.3.2 制动过程分析,可逆调速系统由正转直接反向，则可看作是正向制动与反向启动过程的衔接，所以只需对其正向制动过程加以分析。,可逆调速系统,双闭环不可逆调速系统,启动过程,分为电流上升、恒流升速、转速调节3个阶段,分为电流上升
13、、恒流升速、转速调节3个阶段,停车过程,无制动，自然停车,有制动，快速停车,4.3.2 制动过程分析,一、制动过程的波形,电机由正转到停车过渡过程,1。电流变化过程：,正向电流,电流反向，并升到最大值,电流保持,电流减小至零,初如状态,为制动做准备,主要制动过程,转速减至零，电流回零,4.3.2 制动过程分析,一、制动过程的波形,电机由正转到停车过渡过程,2。转速变化过程：,正向转速,转速减小,转速减小到零,初如状态,电流反向后开始制动减速,停车,4.3.2 制动过程分析,3。能量转换,(1)平波电抗器：,(3)晶闸管：,当电枢电流减小时，释放磁场能；当电枢电流增大时，储存磁场能。(时段分析)
14、,(2)电动机：,制动过程中，电机动能减小，转化为电能送出，工作于发电状态。,电流为正时，VF工作；电流为负电VR工作,(4)电枢电阻：,消耗电能。,整流状态输出能量，逆变状态吸收能量。,4.3.2 制动过程分析,4。制动过程划分,(根据电流变化分),阶段I：本组逆变阶段,正向电流减小，但尚未反向，无制动,阶段II：它组制动阶段,VF工作，电感释放能量，VF逆变,电流反向，产生制动作用，VR工作。,阶段II又分为三个子阶段：,II1：它组建流子阶段,II2：它组逆变子阶段,II3：反向减流子阶段,(制动准备),(主要制动过程),(停车前调整),4.3.2 制动过程分析,二、正向制动过程分析,初
15、始工作状态：,VF整流输出能量转化为电机的动能，VR待逆变,4.3.2 制动过程分析,二、正向制动过程分析,I本组逆变阶段：,正向电流减小，Ld释放能量，经VF逆变回馈电网。,4.3.2 制动过程分析,二、正向制动过程分析,II1它组建流子阶段：,电流反向增大，Ld储存能量，VR整流输出能量，电机动能减小，发电输出能量。,4.3.2 制动过程分析,二、正向制动过程分析,II2它组逆变子阶段：,电流恒定，电机转速下降，动能减小，发电输出能量。 VR逆变向电网回馈能量。,4.3.2 制动过程分析,二、正向制动过程分析,II3反向减流子阶段：,恒流制动阶段，电机的平衡方向为：,随着转速下降，E和Ud
16、r同步减小，VR的逆变电压减小为0时，平衡被打破，电流将不能再保持恒定，电流减小，进入II3子阶段。,II3反向减流子阶段，VR逆变终止，转速已接近于0，余下的动能转换为电能，消耗在电阻上。,转速减为0时，电流也减为0，电机停车。,3制动各阶段维系电流Id的电压源分别是什么？,1正向制动过程分为哪几个阶段？分别是哪组晶闸管在工作？处于什么工作状态？,2制动过程各阶段的主要能量转换分别是什么？,思考题：,4.4 逻辑无环流可逆调速系统,有环流可逆调速系统的缺点：,需要在主电路中串入四个环流电抗器，不经济；大容量系统中，环流电抗器的容量不容易满足。,无环流可逆调速系统,既没有直流平均环流，也没有瞬
17、时脉动环流，不需要串入环流电抗器。,常见无环流可逆调速系统,逻辑控制无环流可逆调速系统,错位控制无环流可逆调速系统,两大类,4.4.1 逻辑无环流可逆调速系统的组成,1什么是逻辑无环流可逆调速系统？,当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保2组闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆调速系统，简称“逻辑无环流系统”。,没有环流。,任何时候中有一组晶闸管被触发。,关键部分：逻辑无环环流控制器,2系统的组成和特点,(1)主电路：两组晶闸管并联的可逆线路，无环流电抗器。,(2)控制电路：双闭环控制。,(3)设置了无环流逻辑控制器
18、DLC。,2逻辑无环流可逆调速系统在构成上有什么特点？,1什么是逻辑无环流可逆调速系统？,思考题：,4.4.2 逻辑无环流可逆调速系统的工作原理,由于采用双闭环控制，起动过程也分三个阶段。,制动过程与有环流可逆调速系统相同，所不同的是：有环流系统两组晶闸管都被触发，一组工作时，另一组仅输出电压，处于待整流(或待逆变)状态；逻辑无环流系统任何时候仅有一组晶闸管被触发。,主要分析逻辑无环环流控制器的控制原理,4.4.2 逻辑无环流可逆调速系统的工作原理,1DLC的任务,在逻辑无环流系统中，DLC的主要任务是在正组晶闸管VF工作时封锁反组脉冲，在反组晶闸管VF工作时封锁正组脉冲，确保2组不会同时开放
19、。,DLC输出的为逻辑信号，即高、低电平信号，用于控制触发脉冲功放电路的使能端，输出低电平信号时，表示允许工作。,DLC控制状态表如下：,Ulf=0, Ulr=1,允许VF工作，VR被封锁,Ulf=1, Ulr=0,允许VR工作，VF被封锁,任何时候，Ulf和Ulr都不能同时为低电平。,4.4.2 逻辑无环流可逆调速系统的工作原理,2DLC控制功能的实现,(1)DLC输入信号的选择,转速给定为正时，Ui*0，电机正转，应该VF工作，即Ulf=0, Ulr=1,当电机由正转变为反转时， Ui*由负变正，工作的晶闸管应由VF换为VR，何时切换呢？即DLC的切换指令何时发出呢？,VF逆变结束，正向电
20、流减小为0时切换!,转速给定为负时， Ui*0，电机反转，应该VR工作，即Ulf=1, Ulr=0,所以，Ui*的极性决定了该让哪一组晶闸管工作，即决定了DLC输出命令的内容。,所以，电枢电流减小为零时DLC才能发出切换指令。,4.4.2 逻辑无环流可逆调速系统的工作原理,2DLC控制功能的实现,(1)DLC输入信号的选择,DLC的输入有两个：电流给定信号Ui* 、零电流检测信号Uio,Ui*0 ： Ulf=0, Ulr=1,Ui*的极性决定DLC输出命令的内容，Ui0决定命令发出的时刻。,Ui*0 ： Ulf=1, Ulr=0,(2)DLC的控制时序,DLC封锁一组脉冲和开放另一组脉冲不是同
21、时进行的，需经过2个延时才完成控制切换。,(2)DLC的控制时序,(以电机由正转切换到反转为例),封锁延时：,当检测到电枢电流减小到零时，延时t1时间后，封锁VF,开放延时：,封锁VF后，再延时t2时间后，开放VR。,3对DLC的要求：, 任何情况下都不允许对2组脉冲同时施加开放信号。, 由Ui*和Ui0共同完成逻辑切换，Ui*的极性决定DLC控制命令的内容，Ui0为零决定控制命令发出的时刻。, 发出切换命令后，须经过封锁延时t1才能封锁原导通组脉冲，再经过开放延时t2后，才能开放另一组脉冲。,思考题：,3写出DLC输出状态真值表及其表达的控制含义？,1逻辑无环流系统中，DLC的任务是什么？,
22、2为实现DLC的控制作用，在功能上对DLC有什么具体要求？,4.4.3 逻辑控制器DLC构成,根据对逻辑控制器DLC的要求，它由4部分组成，即电平检测环节、逻辑判断环节、延时电路环节及联锁保护环节。,2逻辑判断环节,逻辑判断环节的任务是根据转矩极性鉴别和零电平检测的输出UM和UI状态，正确地判断晶闸管的触发脉冲是否需要进行切换及切换条件是否具备。,1电平检测,完成对输入量的模/数转换。,3延时环节,用于实现封锁延时t1和开放延时t2。,4联锁保护环节,保证2组晶闸管不能同时开放。,转矩极性鉴别器及其输入输出特性 ：,零电流检测器及其输入输出特性,除去电平检测部分，DLC控制器的原理图如下图示,
23、VD1、VD2、C1、C2起t1的延时作用,VD3、VD4、C3、C4起t2的延时作用,真值表说明：,2、UI=1(电流为0)时，输出改变；,1、UM=1(Ui*0)，反转需求，让VR开放，VF封锁。,UI=0(电流不为0)时，输出保持原来状态,电容C2、C3充电；电容C1、C4不能充电,正向启动状态,电容C2、C3已充电；电容C1、C4不能充电,正向工作状态,正转启动后，UI由1变0，只改变了两个电平(红色),当UM改变后，若UI没变，则输出状态不会有任何改变；当UI变为1时电容C1、C4开始充电，t1后C1充电至高电平，Uz、Ulf反转；t2后C4充电至高电平，UF、Ulr反转。( t2t
24、1 ),正转向反转切换状态,电容C1、C4充电；电容C2、C3不能充电。电路电平状态如图示。,反向电流建立之后,当UZ和UF都是0时，表示都是开放信号，此时保护动作：一方面发出一个推信号U ，另一方面让A点电位为0，V3、V4均不通，两组晶闸管装置都加封锁信号。,DLC的联锁保护,2参照表4-1写出电动机“反转启动反转运行切换到正转正转运行”过程中输入量 、 及输出量 、 . 的状态真值表。,思考题：,1无环流逻辑控制器由哪几部分构成？各环节的作用是什么？,逻辑无环流实验前辅导,一、系统原理图,该图中有两个电流调节器，但任何情况下都只有一个调节器在起作用。,能否将两者合二为一呢？,逻辑无环流实
25、验前辅导,二、两电流调节器合二为一的可行性分析,1、实验台上，正、反桥的功放电路是分开的，但触发电路是同一个。,即触发电路产生的6路脉冲，同时送到两块功放电路上，输出分别做为正、反桥触发脉冲。所以，正、反桥的触发电路的移相控制电压可以是同一个信号，即来自同一个电流调节器的输出。,2、无环流系统原理图中，两电流调节器的给定互为相反： Ui*和- Ui* 。,可以将两个给定同时接入一个电流调节器，不过要对它们加以控制，任何时候只让一个起作用：需要VF工作时，让Ui*起作用；需要VR工作时，让-Ui*起作用。,3、DLC可提供所需的控制信号 。,逻辑无环流实验前辅导,三、两电流调节器合二为一的接线方
26、法,VF工作时，UF=1， -Ui*不起作用,VR工作时，UZ=1， Ui*不起作用,四、逻辑无环流可逆调速系统的接线图,一、要知道实验做什么？,1.基本单元调试同双闭环,实验前指导：,2.测试：正反桥均能正常工作,二、实验前准备,1、熟练掌握双闭环调速系统接线和调试方法是进行本实验的基础。,4.5 逻辑无环流可逆调速系统实验,3.DLC输出状态测试,4.逻辑无环流系统接线与调试,2、熟悉逻辑无环流可逆调速系统的原理，掌握DLC控制功能，理解其真值表的含义。,3、预习4.5章节和附录中相关电路模块的介绍，做到实验目的明确、思路清晰。,4、能熟练画出逻辑无环流可逆调速系统的实验接线图,1、什么是逻辑无环流可逆调速系统？,预习效果检查,2、DLC的输入信号是什么？各自的控制作用是什么在？,3、DLC的输出信号有哪些？它们的值与VF、VR的工作怎样对应？,4、为什么可将系统原理图中的两个电流调节器合二为一？,5、实验中电流调节器的输入端接哪些信号？各自的作用是什么？,6、在进行逻辑无环流系统接线前，为什么要先对正反桥分别作双闭环实验？,7、转矩极性鉴别器的输入端和输出端分别接至何处？,实验后交流与总结,8、零电平检测器的输入端和输出端分别接至何处？,
