湘潭大学：《电力拖动自动控制系统》第四章 可逆调速系统和位置随动系统（4.1）可逆直流调速系统

电力拖动自动控制系统 第4章 可逆调速系统和位置随动系统

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

本章在前三章的基础上进一步探讨可逆调速系统和位置随动系 统。考虑到大多数学校教学学时的限制和电气工程及其自动化 专业的一般教学需求,本课件选择可逆调速系统为主要内容。 41可逆直流调速系统 内容提要 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

本章在前三章的基础上进一步探讨可逆调速系统和位置随动系 统。考虑到大多数学校教学学时的限制和电气工程及其自动化 专业的一般教学需求，本课件选择可逆调速系统为主要内容。 4.1 可逆直流调速系统 内容提要 • 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

4.1.0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,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

4.1.0 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，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

41.1单片微机控制的PWM可逆直流调速系统 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PWwM变换器,如本书第1.3.1节中第2 小节所述。第1.34节图1-22绘出了PWM 可逆调速系统的主电路,其中功率开关器 件采用IGBT,在小容量系统中则可用将 IGBT、续流二极管、驱动电路以及过流 欠压保护等封装在一起的智能功率模块一

4.1.1 单片微机控制的PWM可逆直流调速系统 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，如本书第1.3.1 节中第 2 小节所述。第1.3.4 节图1-22 绘出了 PWM 可逆调速系统的主电路，其中功率开关器 件采用 IGBT ，在小容量系统中则可用将 IGBT、续流二极管、驱动电路以及过流、 欠压保护等封装在一起的智能功率模块— IPM

系统组成 UR 单片微机 ASR ACR UPW GD UPEM d 平转换 TA 电平转换 图4-1PWM可逆直流调速系统原理图

• 系统组成 图4-1 PWM可逆直流调速系统原理图

系统组成(续) ·UR—整流器; ·UPEM桥式可逆电力电子变换器,主电路与图1-22 相同,须要注意的是,直流变换器必须是可逆的; GD_驱动电路模块,内部含有光电隔离电路和开关 放大电路; UPW_PWM波生成环节,其算法包含在单片微机软件中; ·TG为测速发电机,当调速精度要求较高时可采用数 字测速码盘; TA霍尔电流传感器; 给定量n,rd和反馈量n,l都已经是数字量

系统组成（续） 图中 • UR—整流器； • UPEM—桥式可逆电力电子变换器，主电路与图1-22 相同，须要注意的是，直流变换器必须是可逆的； • GD—驱动电路模块，内部含有光电隔离电路和开关 放大电路； • UPW—PWM波生成环节,其算法包含在单片微机软件中； • TG—为测速发电机，当调速精度要求较高时可采用数 字测速码盘； • TA—霍尔电流传感器； • 给定量 n * ，I * d和反馈量 n，Id 都已经是数字量

·系统控制 该原理图的硬件结构如图3-4所示,控制系统一般采 用转速、电流双闭环控制,电流环为内环,转速环 为外环,内环的采样周期小于外环的采样周期。无 论是电流釆样值还是转速采样值都有交流分量,常 采用阻容电路滤波,但阻容值太大时会延缓动态响 应,为此可采用硬件滤波与软件滤波相结合的办法。 当转速给定信号在nm~0~+n*m之间变 化并达到稳态后,由微机输出的PWM信号占空 比p在0~≌~0的范围内变化,使UPEM的输出 平均电压系数为 1~0~+1 [参看式(1-20)],实现双极式可逆控制

• 系统控制 该原理图的硬件结构如图3-4所示，控制系统一般采 用转速、电流双闭环控制，电流环为内环，转速环 为外环，内环的采样周期小于外环的采样周期。无 论是电流采样值还是转速采样值都有交流分量，常 采用阻容电路滤波，但阻容值太大时会延缓动态响 应，为此可采用硬件滤波与软件滤波相结合的办法。 当转速给定信号在-n * max ~ 0 ~ +n * max 之间变 化并达到稳态后，由微机输出的PWM信号占空 比ρ在 0 ~ ½ ~ 0 的范围内变化，使UPEM的输出 平均电压系数为  = –1 ~ 0 ~ +1 [参看式（1-20）]，实现双极式可逆控制

在变流中,为了避免同一桥臂上、 下两个电力电子器件同时导通而引起 直流电源短路,在由VT1、VT4导通切 换到ⅴT2、VT3导通或反向切换时, 必须留有死区时间。 对于功率晶体管,死区时间约需 30s;对于IGBT,死区时间约需5或 更小些

在变流中，为了避免同一桥臂上、 下两个电力电子器件同时导通而引起 直流电源短路，在由VT1、VT4 导通切 换到 VT2、VT3 导通或反向切换时， 必须留有死区时间。 对于功率晶体管，死区时间约需 30µs；对于IGBT，死区时间约需5µs或 更小些

4.12有环流控制的可逆晶闸管电动机系统 原因: 晶闸管单向导通,组晶闸管装置供电的调速系统,电动机 单象限运行,许多生产机械要求能正转、反转、快速制动, 四象限运行,必须采用可逆调速系统 转矩公式:M=CI或T= Cm p Id 改变转矩方向的两种方法 电枢反接可逆线路(改变L方向)形式有多种,介绍3种 (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 二励磁反接可逆线路(改变q方向)

4.1.2 有环流控制的可逆晶闸管-电动机系统 •转矩公式: Me=Ceφ Id 或 Te=Cmφ Id •改变转矩方向的两种方法: • 一. 电枢反接可逆线路( 改变Id方向)形式有多种，介绍3种： • （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 • 二. 励磁反接可逆线路(改变φ方向) 原因: 晶闸管单向导通,一组晶闸管装置供电的调速系统,电动机 单象限运行. 许多生产机械要求能正转、反转、快速制动， 四象限运行，必须采用可逆调速系统

(1)接触器开关切换的可逆线路 一组晶闸管整流装置,2个接触器切换改变整流电压极性 ·KMF闭合,电动机正转; ·KMR闭合,电动机反转 KME KMR M KMR KME 简单、经济;但噪声大寿命低,不经常正反转的生产机械

（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 + - Ud KMF KMR KMF KMR 简单、经济；但噪声大寿命低，不经常正反转的生产机械. 一组晶闸管整流装置，2个接触器切换改变整流电压极性