电力拖动自动控制系统 第 4 章 可逆直流调速系统和位置随动系统

4.1 可逆直流调速系统 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 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

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。

问题的提出（续） 只有改变电磁转矩的方向，才能改变转速的方向。 改变电枢电流的方向 改变励磁电流的方向

一。 单片微机控制的PWM可逆直流调速系统

主电路： Ug4 M + - Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 A B

正反转的实现 调速时， PWM信号占空比 的可调范围为0 ~ ½ ~ 1 ，使UPEM的输出平均电压系数的变化范围为 –1< <+1。 当 >0.5时，  为正，电机正转 当 <0.5时，  为负，电机反转 当 = 0.5时，  = 0 ，电机停止

二。 有环流控制的可逆晶闸管-电动机系统 电枢反接可逆线路 励磁反接可逆线路 1. V-M系统的可逆线路 二。 有环流控制的可逆晶闸管-电动机系统 1. V-M系统的可逆线路 根据电机理论，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。因此，V-M系统的可逆线路有两种方式： 电枢反接可逆线路 励磁反接可逆线路

（1） 电枢反接可逆线路 电枢反接可逆线路的形式有多种，这里介绍如下3种方式： 接触器开关切换的可逆线路 晶闸管开关切换的可逆线路 两组晶闸管装置反并联可逆线路

（a） 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。 I M d

（b）晶闸管开关切换的可逆线路 VT1、VT4导通，电动机正转； VT2、VT3导通，电动机反转。

（c）两组晶闸管装置反并联可逆线路 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。

两组晶闸管装置反并联可逆供电方式 正向 - 反向 M Id b) 运行范围 - n -Id n a) 电路结构 VR VF Id -Id + O 正向 反向 a) 电路结构 M VR VF Id -Id + - -- 图4-2 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路

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。  两组晶闸管装置可逆运行模式 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。 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。

（2） 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，可以采用接触器开关或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。

励磁反接可逆供电方式 M V Id + - VR VF -Id -- 晶闸管反并联励磁反接可逆线路

 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。

小 结 （1）V-M系统的可逆线路可分为两大类 电枢反接可逆线路——电枢反接反向过程快，但需要较大容量的晶闸管装置； 小 结 （1）V-M系统的可逆线路可分为两大类 电枢反接可逆线路——电枢反接反向过程快，但需要较大容量的晶闸管装置； 励磁反接可逆线路——励磁反接反向过程慢，控制相对复杂，但所需晶闸管装置容量小。

（2）每一类线路又可用不同的换向方式 接触器切换线路——适用于不经常正反转的生产机械； 晶闸管开关切换线路——适用于中、小功率的可逆系统； 两组晶闸管反并联线路——适用于各种可逆系统。

二. 晶闸管-电动机系统的回馈制动 1. 晶闸管装置的整流和逆变状态 1. 晶闸管装置的整流和逆变状态 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

当控制角为  90°，晶闸管装置处于整流状态； 当控制角为  90°，晶闸管装置处于逆变状态。  逆变电压公式 当控制角为  90°，晶闸管装置处于整流状态； 当控制角为  90°，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  = 180  –  ，则逆变电压公式可改写为 Ud0 = －Ud0 max cos （4-2）

（1）整流状态 提升重物，  90°，Ud0  E，n  0 由电网向电动机提供能量。 2. 单组晶闸管装置的有源逆变 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。 （1）整流状态 提升重物，  90°，Ud0  E，n  0 由电网向电动机提供能量。 - + Ud0 R M n E V -- P Id

  90°，Ud0  E，n  0 由电动机向电网回馈能量。 （2）逆变状态 放下重物   90°，Ud0  E，n  0 由电动机向电网回馈能量。 + - -Ud0 R M n E V -- P Id

图4-3c 单组V-M系统带起重机类型负载时的整流和逆变状态 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 提升 Te O Id TL 放下 - n 图4-3c 单组V-M系统带起重机类型负载时的整流和逆变状态

3. 两组晶闸管装置反并联的整流和逆变 M VR VF Id -Id + - --

(1) 正组晶闸管装置VF整流 VF处于整流状态 此时， f  90°，Ud0f  E， n  0 电机从电路输入能量作电动运行。 图4-4 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 R - + Ud0 f M n E VF -- P Id

（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。

此时，r  90°，E > |Ud0r|， n  0 VR逆变处于状态 此时，r  90°，E > |Ud0r|， n  0 电机输出电能实现回馈制动。 图4-4b 两组晶闸管反并联可逆V-M系统的反组逆变状态 + - -Ud0r R M n E VR -- P Id

（3）机械特性范围 V-M系统工作在第一象限。 V-M系统工作在第二象限。  整流状态  逆变状态 Id -Id n 反组逆变回馈制动 正组整流电动运动 O 图4-4c 机械特性运行范围

4. V-M系统的四象限运行 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4-1中。 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4-1中。

M VR VF Id -Id + - --

+ － 一 二 三 四 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 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

 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，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。

三. 可逆V-M系统中的环流问题 1. 环流及其种类 环流的定义

 环流的形成 Ic — 环流 Id — 负载电流 图4-5 反并联可逆V-M系统中的环流 M VR VF Ud0f - Ud0r Rrec + - Ud0r Rrec Ra -- ~ Id Ic Ic — 环流 Id — 负载电流

 环流的危害和利用 危害：一般地说，这样的环流对负载无益，徒然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，因此应该予以抑制或消除。 利用：只要合理的对环流进行控制，保证晶闸管的安全工作，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 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。 在不同情况下，会出现下列不同性质的环流： （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，其中又有两类： 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。

2. 直流平均环流与配合控制 图4-5 反并联可逆V-M系统中的环流 M VR VF Ud0f + - Ud0r Rrec Ra -- ~

在两组晶闸管反并联的可逆V-M系统中，如果让正组VF 和反组VR都处于整流状态，两组的直流平均电压正负相连，必然产生较大的直流平均环流。为了防止直流平均环流的产生，需要采取必要的措施，比如： 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；－－无环流可逆调速系统 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。

（1）配合控制原理 为了防止产生直流平均环流，应该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，用逆变电压把整流电压 顶住，则直流平均环流为零。于是 Ud0r = －Ud0f Ud0f = Ud0 max cosf Ud0f = Ud0 max cosr 其中 f 和r 分别为VF和VR的控制角。

cos r = – cos f 如果反组的控制用逆变角  r 表示，则  f =  r （4-4） 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 或  r +  f = 180  （4-3） 如果反组的控制用逆变角  r 表示，则  f =  r （4-4）

由此可见，按照式（4-4）来控制就可以消除直流平均环流，这称作  =  配合控制。为了更可靠地消除直流平均环流，可采用  f ≥  r

（2）配合控制方法 这样的触发控制电路示于下图。 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。 这样的触发控制电路示于下图。

GTF－正组触发装置 GTR －反组触发装置 AR －反号器 （3） =  配合控制电路 ～ M VR VF Rrec -1 AR GTR GTF Uc Ra 图4-6  =  配合控制电路 GTF－正组触发装置 GTR －反组触发装置 AR －反号器

在如图电路中，用同一个控制电压去控制两组触发装置，正组触发装置GTF由 Uc 直接控制，而反组触发装置GTR由 控制， 是经过反号器AR后获得的。

（4） =  配合控制特性   r  fmin  rmin  r  f  rmin f  fmin 180o 0o   180o 0o r  fmin  rmin  r GTR 90o 90o GTF  f  rmin f  fmin 0o 180o - Ucm Uc1 Ucm Uc 图4-7 =配合控制特性

四.  =  配合控制的有环流可逆V-M系统 -1 Uc U*n + - Un Ui U*i Lc1 Lc2 Lc3 Lc4 Ld TM VR VF -1 AR GTR GTF Uc ASR ACR U*n + - Un Ui U*i TG Lc1 Lc2 Lc3 Lc4 TM TA Ld --

最小逆变角限制 为了防止 “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 直流平均环流。 一般取

瞬时脉动环流的抑制 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。 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。

制动过程分析 I II t Id -Idm IdL n Uc -Ucm E III

I.本组逆变阶段 II.它组反接制动阶段 III.它组逆变回馈制动阶段 有环流控制可逆系统的优点是反向快、过渡过程平滑，但须设置多个环流电抗器。

五。无环流控制的可逆V-M系统 当无环流控制可逆系统的一组晶闸 管工作时，另一组被封锁，完全处 于阻断状态，从根本上切断了环流 通路，既没有直流平均环流，又没 有瞬时脉动环流。

按照实现无环流控制原理的不同，无环流可逆系统又有两大类： （1）逻辑控制无环流系统 （2）错位控制无环流系统

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，从根本上切断环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。

错位控制的无环流可逆系统 采用正反两组配合控制，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°。 这样，当待逆变组的触发脉冲来到时，它的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。

4.2 位置随动系统 广义的随动系统输出量可以是其他物理量，只要是“输出量快速而准确地复现给定量”，就叫做随动系统。 4.2 位置随动系统 位置随动系统的被控制量是负载机械的线位移或角位移，当位置给定量任意变化时，要求输出量快速而准确地复现给定量的变化。 广义的随动系统输出量可以是其他物理量，只要是“输出量快速而准确地复现给定量”，就叫做随动系统。 随动系统又称“伺服系统”。

位置随动系统的组成 位置传感器 稳态误差分析和参数计算 动态校正与控制

随动系统的控制方案 1.位置、转速、电流三环控制系统 2.单位置环随动系统 3.复合控制随动系统——反馈控制 加前馈控制