第四章 可逆调速控制系统和 全数字调速控制器 2019/5/8

本讲主要内容： 第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真（2） 第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真（1） 第四章 可逆调速控制系统和 全数字调速控制器 第442－451讲 本讲主要内容： 第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真（2） 　　第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真（1） 2019/5/8

第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真 二、逻辑控制装置的设计过程 2019/5/8

第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真 二、逻辑控制装置的设计过程 2019/5/8

第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真 二、逻辑控制装置的设计过程 如果把我们所设计的逻辑控制装置安装在如图所示控制系统中，形 成无环流可逆调速系统。当按动起动按键控制系统能够正常的升速并且 达到稳定状态，但是制 动时将会发生严重的故 障，为什么呢？ 2019/5/8

第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真 二、逻辑控制装置的设计过程 如果把我们所设计的逻辑控制装置安装在如图所示控制系统中，形 成无环流可逆调速系统。当按动起动按键控制系统能够正常的升速并且 达到稳定状态，但是制 动时将会发生严重的故 障，为什么呢？ 2019/5/8

第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真 二、逻辑控制装置的设计过程 问题讨论： 1) 系统状态翻转时会出现两正反两组同时开放的现象 2019/5/8

第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真 二、逻辑控制装置的设计过程 问题讨论： 1) 系统状态翻转时会出现两正反两组同时开放的现象 2019/5/8

二、逻辑控制装置的设计过程 假设，原状态为正向稳定运行，各状态情况如下图所示。如果系统需 要正向制动, 当UT=1→0逻辑控制装置的状态不发生翻转， 仅当电流降至零时出现：UI=0→1，就出现了先开反组，后关正组的现象如下图所示。 2019/5/8

二、逻辑控制装置的设计过程 不论是否能出现故障，这种现象首先不满足逻辑无环流可逆调速控 制系统的定义(注意：做工程时小心类似现象)。解决这个问题最简单 的办法是加一个开延时，封锁不延时的电路。如下图所示。 2019/5/8

二、逻辑控制装置的设计过程 对于如图所示的延时电路 其特点是：输入信号从“1”变“0”不延时；从 “0”变“1” 延时。达到了封锁不延时，开放延时的目的。如下图所示。 此时： 电容C2的充电时间≥晶闸管的阻断时间 2019/5/8

二、逻辑控制装置的设计过程 2) 制动初期本桥逆变还没有结束电流Id瞬时过零问题 2019/5/8

二、逻辑控制装置的设计过程 2) 制动初期本桥逆变还没有结束电流Id瞬时过零问题 　其宽度取决于电容C2的充电时间 2019/5/8

二、逻辑控制装置的设计过程 当电枢电流比较小时产生电流断续现象 2) 制动初期本桥逆变还没有结束电流Id瞬时过零问题 导致正组提前被封锁 　当电枢电流比较小时产生电流断续现象 2) 制动初期本桥逆变还没有结束电流Id瞬时过零问题 　导致正组提前被封锁 　反组提前又被开放 2019/5/8

二、逻辑控制装置的设计过程 当电枢电流比较小时产生电流断续现象 2) 制动初期本桥逆变还没有结束电流Id瞬时过零问题 导致正组提前被封锁 　当电枢电流比较小时产生电流断续现象 2) 制动初期本桥逆变还没有结束电流Id瞬时过零问题 　导致正组提前被封锁 　反组提前又被开放 2019/5/8

二、逻辑控制装置的设计过程 2) 制动初期本桥逆变还没有结束电流Id瞬时过零问题 解决方法：制动后，当UI=1时，让UR1=1的变化不能立即引起UF1的变化， 即延时封锁，就是让电枢电源真正为零之后再封锁原工作组具体实现方法 如下图所示。 2019/5/8

二、逻辑控制装置的设计过程 如果电容C1和C2选择适当，既能保证正常制动时不因电流断续而发生 误翻转，又能保证在本组桥完全阻断后，逻辑输出状态发生可靠翻转。 　　在正常运行期间如果负载电流变小导致电枢电流变小，逻辑切换装置 装置是否发生误翻转？ 2019/5/8

二、逻辑控制装置的设计过程 NOTES: 1）对于三相全控桥，只要在0.02/6秒内电流没有出现，就认为本桥逆变就已经结束，所以对C1的充电时间不能小于0.02/6秒(判断电流真正为零的时间)。 2)C2的充电时间＝晶闸管的阻断时间+C1的充电时间(判断电流真正为零的时间) 2019/5/8

二、逻辑控制装置的设计过程 5、 逻辑装置的应用问题 ① 输出必须加逻辑保护环节和开关管故障保护环节 正常工作时，两个输出总是相反，但是如果电路发生故障，使两个 输出都为“1”将造成两组同时开放，所以为了避免出现这种故障加多“1”保 护环节。如下图所示。 2019/5/8

二、逻辑控制装置的设计过程 5、 逻辑装置的应用问题 ① 输出必须加逻辑保护环节和开关管故障保护环节 只要有一个大功率开关管发生故障，在制动过程中，逻辑切换电路就 能误认为本桥逆变已经结束，提前进行封锁正组、开放反组的误动作，导 致本桥逆变颠覆，而发生电源短路事故。 2019/5/8

二、逻辑控制装置的设计过程 5、 逻辑装置的应用问题 ② 维修更换晶闸管时一定要校核电容C2的参数 可控整流桥短路事故。 2019/5/8

二、逻辑控制装置的设计过程 5、 逻辑装置的应用问题 ③输入需要加电平检测环节，输出需要加功率放大环节 ④ 根据用户和工艺要求增加其它保护环节 2019/5/8

三、逻辑控制无环流可逆调速系统的仿真波形 n I 三、逻辑控制无环流可逆调速系统的仿真波形 注意：图中的电流反馈信号取自直流侧 n 2019/5/8

三、逻辑控制无环流可逆调速系统的仿真波形 n I 三、逻辑控制无环流可逆调速系统的仿真波形 注意：图中的电流反馈信号取自直流侧 2019/5/8

三、逻辑控制无环流可逆调速系统的仿真波形 注意：图中的电流反馈信号取自直流侧 2019/5/8

三、逻辑控制无环流可逆调速系统的仿真波形 2019/5/8

逻辑控制装置构造小结 　　　一个从理论上推导出来的逻辑控制装置，当遇到实际问题时，如何进行功能完善才能投入实际应用的过程。 2019/5/8

逻辑控制装置构造小结 一个从理论上推导出来的逻辑控制装置，当遇到实际问题时，如何进行功能完善才能投入实际应用的过程。 　　　一个从理论上推导出来的逻辑控制装置，当遇到实际问题时，如何进行功能完善才能投入实际应用的过程。 1、电容C2的参数（充电时间）主要取决于： 　　晶闸管的阻断时间和电容C1的参数。 　　设备维修时，所换晶闸管的阻断时间与电容C2的参数一定要匹配。 2019/5/8

逻辑控制装置构造小结 一个从理论上推导出来的逻辑控制装置，当遇到实际问题时，如何进行功能完善才能投入实际应用的过程。 　　　一个从理论上推导出来的逻辑控制装置，当遇到实际问题时，如何进行功能完善才能投入实际应用的过程。 1、电容C2的参数（充电时间）主要取决于： 　　晶闸管的阻断时间和电容C1的参数。 　　设备维修时，所换晶闸管的阻断时间与电容C2的参数一定要匹配。 2019/5/8

逻辑控制装置构造小结 1、电容C2的参数（充电时间）主要取决于： 晶闸管的阻断时间和电容C1的参数。 　　如果有一个晶闸管损坏逻辑控制装置容易产生误动作，解决的方法是：设置诊断每个晶闸管能否正常工作的信号Ug。 思考题：怎样才能将工作不正常的晶闸管诊断出来？ 2019/5/8

探索与发现 　电流断续现象能否从理论上让它消失？ 2019/5/8

人们经过长期的生产实践和科学实验发现可控整流器在每个周期内的波头数目的多少直接影响着控制系统的复杂程度和性能的优劣。

每个周期内的波头数目越高, 在平均电流相同的情况下，电流也就容易连续。负载轻时电流连续，既能省去主电路的平波电抗器，又能提高电动机的调速范围。 人们还发现：每个周期内的波头数目越高，失控时间就越短，快速响应性能也就越好，动态抗扰能力也就越强。控制系统结构也就越简单，控制系统的稳定性也就越好。

第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真 第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真 一、脉宽调制主电路的形成过程 要想实现这种目标，人们 自然就想到了大功率晶体管(如 右图所示)，因为只有大功率晶 体管才具有开关频率高、导通电 流大的功能。 脉宽调速系统的电路与晶 闸管电动机调速系统的电路的主 要区别是什么呢？ 2019/5/8

第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真 第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真 我们首先观察一下脉宽调速系统的主电路和晶闸管电动机调速系统的主电路的主要区别(如左图所示) 1) 主电路结构形式: 一个是直接将交流电变成可变直流电； 一个是先将交流电变成直流电再变成可变直流电。 2019/5/8

第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真 第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真 2) 输出波形： 一个是可控整流波形； 一个是脉宽调制波形。 2019/5/8

第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真 第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真 注意：原理框图与实际电路原理图的不同之处。 　实际电容产品的成本与体积，决 定了滤波储能电容的具体结构。 2019/5/8

第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真 第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真 　　　直流脉宽调速系统主电路分为整流电路、滤波储能（直流）电路和脉宽调制变换器三部分。 　　　RL为限流电阻 ， SL为短路开关， CF为滤波储能电容器 ，HL为电源指示灯。 2019/5/8

第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真 第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真 脉宽调速系统和前几章讨论的晶闸管相控整流装置供电的直流调速系 统之间的区别主要在主电路和PWM (Pulse Width Modulation)控制电路， 至于闭环控制系统以及静、动态分析和设计，基本上都是一样的，不必重 复论述。因此本节研究重点是：脉宽调制变换器和PWM控制电路的内部 结构、组成和工作原理 。 2019/5/8

第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真 第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真 二、 脉宽调制变换器的工作原理及构造过程 PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电 压调制成开关频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均 输出电压的大小，以调节电机转速。 PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类。 不可逆变换器 PWM变换器 双极式 可逆变换器 单极式 受限单极式 2019/5/8

二、 脉宽调制变换器的工作原理及构造过程 1、不可逆PWM变换器 1）构造过程 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图如下图所 示，功率开关器件VT可以是任意一种全控型开关器件，因为开关器件 控制的对象是电感，所以 需要再加续流二极管VD。 2019/5/8

二、 脉宽调制变换器的工作原理及构造过程 1、不可逆PWM变换器 1）构造过程 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图如下图所 示，功率开关器件VT可以是任意一种全控型开关器件，因为开关器件控 制的对象是电感，所以 需要再加续流二极管VD。 图中：Us为直流电源电压，C 为滤波储能电容器，VT 的栅极由 脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。 2019/5/8

二、 脉宽调制变换器的工作原理及构造过程 1、不可逆PWM变换器 1）构造过程 如果加在大功率开关管VT 基极(栅极)上的脉宽可调的脉冲电压系列 Ug如左下图所示，那么电枢电流流通情况如右下图所示。 流过电动机的电流和电枢电压 随时间的变化规律如图所示。 2019/5/8

1、不可逆PWM变换器 在一个开关周期T内， 当0 ≤ t < ton时，Ug为正，VT导 通，电源电压通过VT加到电动机 电枢两端； 当ton ≤ t < T 时， Ug为负，VT关 断，电枢失去电源，经VD续流。 2019/5/8

二、 脉宽调制变换器的工作原理及构造过程 1、不可逆PWM变换器 如右图所示不可逆电路中电流不 能反向，因而没有制动能力，不能作 单象限运行，没有使用价值。 2019/5/8

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