自然环流可逆直流调速系统的设计文档格式.docx
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1.2三相晶闸管有源逆变电路
1.2.1三相半波逆变电路
图1.2三相半波逆变电路
若控制角,直流端电压Ud的平均值为负。
假定此时直流侧电压E的极性也反过来,且E略大于平均电压Ud,则E输出电能,交流电源吸收电能,完成有源逆变。
1.2.2晶闸管装置的整流和逆变状态
电能-->
势能
势能-->
电能
图1.3晶闸管装置的整流和逆变状态
逆变状态必要条件:
(1)内部条件:
直流侧产生一个负的平均电压-Ud
(2)外部条件:
外电路必须有一个直流电源,且极性须与-Ud的极性相同,其数值应稍大于|Ud0|,以产生和维持逆变电流。
晶闸管装置在上述条件下产生的逆变状态称为“有源逆变”。
整流状态时
,Ud0为正值。
逆变状态时
,Ud0为负值。
逆变角:
;
1.3电动机的发电回馈制动
快速地减速或停车时,让电动机工作在第二象限的机械特性上,将制动期间释放的能量送回电网。
利用反组晶闸管的逆变状态实现电动机的发电回馈制动。
1.3.1在V-M系统中实现发电回馈制动
图1.4发电回馈制动与位势能负载反转制动对比
发电回馈制动时电动机工作在第二象限,转速的方向还是正的,转矩变负;
帯位势能负载反转制动是在第四象限,转速方向为负,转矩不变。
1.3.2可逆V-M系统中的环流及其种类
环流:
指不经过电动机或其它负载,而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。
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。
动态环流:
稳态运行时不存在,只在系统处于过渡过程中出现的环流。
1.3.3直流平均环流与配合控制
图1.5反并联可逆线路中的环流
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Udof和反组整流电压Udor正负相连,将造成电源短路,此短路电流即为直流平均环流。
当正组晶闸管VF处于整流状态时,其整流电压Udof=+,此时让反组处于逆变状态,输出一个逆变电压把它顶住,即让Udor=-,而且幅值与Udof相等。
即
(1-1)
因为
(1-2)
(1-3)
且由
(1-4)
所以
(1-5)
得
(1-6)
按照这样的条件来控制两组晶闸管,可以消除直流平均环流。
这叫做α=β工作制配合控制。
当然,如果αf>
βr,则cosαf<
cosβr,更能消除直流平均环流。
因此消除直流平均环流的条件是:
。
1.3.4瞬时脉动环流及其抑制
α=β工作制配合控制,没有直流平均环流。
晶闸管装置输出的电压是脉动的,Ud0f和Ud0r的瞬时值并不相等。
ud0f>
ud0r时,产生正向瞬时值电压差,从而产生瞬时环流。
抑制瞬时脉动环流的办法是在环流中串入电抗器,叫做环流电抗器或称均衡电抗器。
α=β配合控制下,可以消除直流平均环流,但是一定有瞬时环流存在,所以称为有环流可逆调速系统。
如果系统中不施加其他的控制,则瞬时脉动环流是自然存在的,因此又称为自然环流系统。
第2章α=β配合控制有环流工作原理
不可逆直流调速系统,电动机只能朝一个方向旋转。
它适用于不要求改变电动机旋转方向,且对停车的快速性也没有特殊要求的生产机械。
但是在很多情况下都要求电动机能正、反转,或者要求有电气制动以缩短制动时间,如龙门刨床工作台的往返运动、冷轧机及卷取机的控制、电气机车的前进、后退等,此时必须采用可逆调速系统。
所谓自然环流可逆调速系统,是系统中没有直流环流仅有脉动环流,按a=β配合控制的有环流可逆调速系统。
(直流平均环流:
由晶闸管装置输出的直流平均电压差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虽为零,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。
)α=β配合控制下,可以消除直流平均环流,但是一定有瞬时环流存在,所以称为有环流可逆调速系统。
α=β配合控制的可逆调速系统原理框图如图1.6所示。
图中主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的线路,因为有两条并联的环流通路,所以要用四个环流电抗器。
由于环流电抗器流过较大的负载电流就要饱和,因此在电枢回路中还要另设一个体积较大的平波电抗器Ld。
控制线路采用典型的转速、电流双闭环系统,速度调节器ASR和电流调节器ACR都设置了双向输出限幅,以限制最大动态电流、最小控制角αmin。
和最小逆变角βmin。
为了在任何控制角时都保持αf+αr=180°
的配合关系,应始终保持控制电压=-Uc,在GTR之前加放大倍数为1的反号器AR可以满足这一要求。
根据可逆系统正反向运行的需要,给定电压Un应有正负极性,可由继电器KF和KR来切换,调节器输出电压对此能作出相应的极性变化。
为保证转速和电流的负反馈,必须使反馈信号也能反映出相应的极性。
测速发电机产生的电压是能随电动机转向的改变而改变极性的。
值得注意的是电流反馈必须反映电流的极性,图1中绘出的是直接检测直流电流的方法,例如霍尔电流变换器。
图2.1α=β配合控制的可逆调速系统原理框图
第3章自然环流可逆直流调速系统的工作过程
在进行触发移相时,当一组晶闸管装置处于整流状态时,另一组便处于逆变状态,这是指控制角的工作状态而言的。
实际上,这时逆变组除环流外并不流过负载电流,也就没有电能回馈电网,确切地说,它是处于“待逆变状态”,表示该组晶闸管装置是在逆变角控制下等待工作。
当需要制动时,只要改变控制角,同时降低Udof和Udor,一旦电动机的反电动势E>
│Udor│=│Udof│时,整流组电流将被截止,逆变组才能真正投入逆变状态,使电动机产生回馈制动,将电能回馈电网。
同样,当逆变组回馈电能时,另一组也是在等待着整流,可称为处于“待整流状态”。
所以,在这种α=β配合控制下,负载电流可以很方便地按正反两个方向平滑过渡,在任何时候,实际上只有一组晶闸管装置在工作,另一组则处于等待工作的状态。
尽管a=p配合控制有很多优点,但是在实际系统中,由于参数的变化,元件的老化或其他干扰作用,控制角可能偏离α=β的关系。
一旦变成α<β,此时整流电压大于逆变电压,即使这个电压差别很小,但由于均衡电抗器对直流不起作用,仍将产生较大的直流平均环流,如果没有有效的控制,将是危险的。
为了避免这些危险,在整定零位时应留出一定的裕度,使α略大于β,例如α=β十ψ,零位应整定为
(3-1)
(3-2)
这样,使任何时候整流电压均小于逆变电压,可以保证不产生直流平均环流,当然由瞬时电压差产生的瞬时脉动环流也降低了。
只是ψ值不应过大,否则将产生两个问题:
一是显著地缩小了移相范围,因为βmin。
是整定好的,而现在αmin。
必须大于βmin。
,所以αmin比原来更大了,使晶闸管的容量得不到充分利用;
二是造成明显的控制死区,例如在启动时,α从零位(α0=90°
+1/2ψ)移到α=90°
这一段时间内,整流电压一直为零。
系统的工作过程
3.1停车状态
开关KF和KR均打开,给定电压Un=0,转速调节器ASR的输出Ui=0,电流调节器ACR的输出Uct=0,反向器AR的输出ct=0,则
,两组晶闸管变流器输出平均电压均为零,电枢电流Id=0,电动机转速n=0。
图3.1正向制动过程波形
Ⅰ-正组逆变;
Ⅱ一反组制动;
Ⅱ1-反组建流(反接制动);
Ⅱ2-反组逆变;
Ⅱ3-反向减流
3.2正向制动停车
整个正向制动的过程可按电流方向的不同分成两个主要阶段。
在第一阶段中,电流Id由正向负载电流+IdL下降到零,其方向未变,只能仍通过正组晶闸管装置VF流通,这时正组将处于逆变状态,所以称作“正组逆变阶段”。
在第二阶段里,电流方向变负,由零变为负向最大电流-Idm,维持一段时间后再衰减到负向负载电流-IdL,这时电流流过反组晶闸管装置VR,在允许的最大制动电流(-Idm)下转速迅速降低,所以这个阶段称为“反组制动阶段”。
在正组逆变阶段中主要是电流降落,如图3.1所示。
而在反组制动阶段中主要是转速降落。
下面对每个阶段作进一步的分析。
3.2.1正组逆变阶段
系统正向稳定运行时各主要环节的电位极性如图3.1所示,其中正向继电器KF闭合,转速给定信号Un为正,转速反馈信号Un为负,由于ASR的倒相作用,ASR的输出即电流给定信号Ui为负,电流反馈信号Ui为正,再经过ACR倒相后输出Uct为正,正组VF整流,αf<
90°
而Uct为负,反组VR逆变,βr<
90。
由于αf=βr,│Udor│=│Udof│,这时逆变组除环流外并不流过负载电流,没有电能回馈电网,称之为“待逆变状态”,表示该组晶闸管在逆变角控制下等待工作,这时VF将交流电能变为直流电能送给电动机,电动机处于正向电动运行状态,如图3.2(a)所示。
发出停车指令(或反向指令)后,转速给定信号Un突变为零(或负)。
由于转速反馈信号Un不能突变,则ASR跃变为正限幅值Urm。
这时由于主回路总电感L的作用,电枢电流的方向没有改变,电流反馈信号Ui的极性仍为正。
在(Uim+ui)信号的作用下,ACR的输出电压Uct跃变为负的限幅值-Uctm,使正组VF由整流状态很快变为βf=βmin。
的逆变状态。
同时反组VR由待逆变状态变成整流状态。
由于正组逆变阶段占时间很短,转速和反电势都来不及产生明显的变化,这时
(3-3)
反组VR虽然变成整流状态,但是并不通过负载电流,也是等待着整流,称作“待整流状态”,
(a)正向运行;
(b)正组逆变;
(c)反组建流;
(d)反组逆变
由电感L释放的磁场能维持正向电流,大部分能量通过VF回馈电网,一部分送给电动机,还有一小部分被电枢回路总电阻R所消耗,电流迅速下降到零。
由于在这一阶段中投入逆变工作的仍是原来处于整流状态工作的一组晶闸管装置,所以称为正组逆变阶段。
其波形见图3.1。
3.2.2反组制动阶段
当主回路电流Id下降到零时,正组逆变停止,转到反组VR工作,系统进入反组逆变阶段。
根据系统能量的变化情况,反组制动又可分为以下几个阶段:
A.反组建流阶段(Ⅱ1)
当Id过零并反向达到-Idm以前,Uim为负,但其数值小于Uim,△Ui>
0,因此ACR仍处于饱和状态,其输出电压Uct仍为-Uctm,Udof和Udor都和正组逆变阶段一样。
但由于电感L的能量的释放,Ldid/dt数值略减,Ldid/dt-Ea<Udof=Udor反组VR由待整流状态进入整流,整流电压Udor和反电动势Ea顺极性串联,反向电流迅速增长,电动势处于反接制动状态,开始减速。
在这一阶段中,VR将交流电能转变为直流电能,同时电机也将机械能变为电能,除去电阻上消耗的电能外,大部分转变成磁能储存在电感L中,如图3.2(c)所示。
B.反组逆变阶段(Ⅱ2)
当反向电流达到-Im并略有超调时,ACR输入偏差信号△Ui变负,ACR退出饱和,其输出电压Uct从-Uctm急剧变正,使VR回到逆变状态,而VF变为待整流状态。
此后,在电流调节器的作用下,力图维持Id=-Im,使电动机在恒减速条件下回馈制动。
此阶段中,电动机的动能变为电能,其中大部分通过VR逆变回馈电网,一小部分经R变为热能,由于电流恒定,电感L中磁能基本不变。
能量流向参阅图3.2(d)。
这一阶段是制动过程的主要阶段,所占时间最长。
C.反向减流(Ⅱ3)
在反组逆变阶段中,电压Uct、Udor、反电动势E和转速咒这几个量是同步衰减的,参阅图3.11。
当Udor=0时,电枢电流Id=Ea/R,由于Ea继续下降,Ea无法维持-Idm不变,开始反向减流。
但由于ACR的输入偏差△Ui=Uim-Ui仍为正。
使得Uct变负,从而使VR又进入整流状态。
随着│Uct│增大,反组VR整流电压Udor增大,Udor与Ea顺极性串联,使制动电流又恢复到-Im,这样反复调节,直到n=0、Ea=0为止。
在这一阶段中,电机将机械能变为直流电能,同尉反组VR将交流电能变为直流电能,这两部分能量由电阻R转变为热能。
当n=O,Un=Un*=0时,由于主回路电流仍为-Im,迫使转速超调(反转),Un反号,ASR退出饱和,与ACR同时参与调节,从而使-Id迅速减小到零,转速又回到零,整个制动过程结束。
第4章α=β配合控制有环流可逆调速系统-总体方案设计
设计要求为:
1.调速范围D=20,无静差。
在整个调速范围内要求转速无级、平滑可调。
2.动态性能指标:
电流环超调量σi≤5%;
空载起动到额定转速时转速超调量σn≤10%。
4.1总体的设计原理
晶闸管反并联可逆V-M系统解决了电动机的正反转和回馈制动问题,但是,如果两组装置的整流电压同时出现,便会产生直接在两组晶闸管之间流通的短路电流,称为环流。
加重晶闸管和变压器的负担,消耗功率。
因此应该予以抑制或消除。
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(4-1)
由
(4-2)
得Ud0f=Ud0maxcosf(4-3)
Ud0r=Ud0maxcosr(4-4)
其中f和r分别为VF和VR的控制角。
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
cosr=–cosf(4-5)
或r+f=180(4-6)
如果反组的控制用逆变角r表示,则
f=r(4-7)
称作α=β配合控制。
为更可靠的消除环流,可采用f≥r
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。
4.1配合控制的可逆线路
4.2整体设计框图
图4.2α=β配合控制的可逆调速系统原理框图
主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路,
其中:
正组晶闸管VF,由GTF控制触发,
正转时,VF整流;
反转时,VF逆变。
反组晶闸管VR,由GTR控制触发,
反转时,VR整流;
正转时,VR逆变。
根据可逆系统正反向运行的需要,给定电压、转速反馈电压、电流反馈电压都应该能够反映正和负的极性。
这里
给定电压:
正转时,KF闭合,U*n=“+”;
反转时,KR闭合,U*n=“-”。
转速反馈:
正转时,Un=“-”,
反转时,Un=“+”。
控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统,其中:
转速调节器ASR控制转速,设置双向输出限幅电路,以限制最大起制动电流;
电流调节器ACR控制电流,设置双向输出限幅电路,以限制最小控制角min与最小逆变角min。
第5章配合控制有环流可逆调速系统-主电路设计
5.1主电路原理及电路图
作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。
一般的变压器有整流跟变压两项功能,其中整流是把交流变直流。
整流的过程中,采用三相桥式全控整流电路。
在三相桥式反并联可逆线路中,由于每一组桥又有两条并联的环流通道,总共要设置4个环流电抗器。
主回路原理图如下:
5.1主回路原理图
可控整流的原理:
当晶闸管的阳极和阴极之间承正向电压并且门极加触发信号晶闸管导通,并且去掉门极的触发信号晶闸管依然维持导通。
当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管关断。
晶闸管导通的条件:
受正向阳极电压,同时受正向门极电压,一旦导通后,门极信号去掉后晶闸管仍导通。
晶闸管维持导通的条件:
继续受正向阳极电压,同时流过晶闸管的电流大于它的维持电流。
晶闸管关断条件:
必须去掉阳极所加的正向电压,或者给阳极施加一反电压,或者设法使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。
5.2晶闸管触发电路原理
对三相桥式全控整流电路,六个晶闸管需要依次轮流触发。
为了确保实现每个晶闸管的准确导通,可采用两种方法实现:
一是提供宽度大于60°
小于120°
的宽脉冲,二是提供间隔60°
的双窄脉冲。
前者需要触发电路输出较大的功率,进而使脉冲变压器功率也相应增大,所以很少采用,一般都采用双窄脉冲。
由分立元件组成的晶闸管电路的触发电路种类很多,有阻容移相桥触发电路、单结晶体管触发电路及同步信号为正弦波以及同步信号为锯齿波的触发电路等,这些电路都有自己的特点和适用范围。
相比较而言,同步信号为锯齿波的触发电路由于不受电网波动和波形畸变的影响,同时具有较宽的调节范围和较强的抗干扰能力,因而得到了广泛应用。
此电路的输出为双窄脉冲(也可为单窄脉冲),适用于必须有两相的晶闸管同时导通才能形成通路的电路,例如本例中的晶闸管三相桥式全控电路。
下图所示为同步信号为锯齿波的触发电路。
它由5个基本环节组成:
锯齿波形成与脉冲移相控制环节;
同步检测环节;
脉冲形成、放大和输出环节;
双窄脉冲形成环节和强触发环节。
图5.2同步信号为锯齿波的触发电路
VT5、VT6两个晶体管构成一个“或”门电路,当两个晶体管都导通时,
VT7、VT8截止,不会输出触发脉冲。
但不论哪个管子截止,都会使晶体管VT5集电极电压uC5变为正电压,使得VT7、VT8管导通,从而输出触发脉冲。
所以只要用适当的信号来控制使VT5或VT6截止(前后间隔60°
),就可以产生符合要求的双窄脉冲。
对照下图5.3,同时参看上图的X,Y接线端,1号触发器内由晶体管VT4向VT5的基极送出的负脉冲信号使VT5截止,VT7、VT8导通一次,对元件1输出第一个触发窄脉冲。
经过60°
后,2号触发器同样对元件2送出第一个窄脉冲,同时由该触发器中VT4管的集电极经的X端送到与之相连的1号触发器的Y端,使1号触发器电路中电容C4微分,产生负脉冲送至VT6基极,使VT6截止,VT7、VT8又导通一次,从而由1号触发器输出第二个窄脉冲,且第二个脉冲比第一个脉冲滞后60°
以下重复这样的过程,循环反复,就会使得六个晶闸管都得到相隔60°
的触发脉冲。
VD4、R17的作用是防止双脉冲信号互相干扰。
图5.3
第6章配合控制有环流可逆调速系统-调节器设计
6.1电流调节器设计
双闭环直流调速系统动态结构图如下:
图6.1双闭环直流调速系统动态结构图
忽略反电动势的影响,并把Tc和Toi当作小惯性群近似处理,电流内环可化简为下图:
6.1.1确定时间常数
1)整流装置滞后时间常数Ts。
主电路为三相桥式电路,平均失控时间Ts=0.0017s
2)电流滤波时间常数Toi。
三相桥式电路每个波头时间为3.3ms,应有(1~2)Toi=3.33ms,取Toi=2ms=0.002s。
3)电流环小时间常数之和T∑i。
T∑i=Ts+Toi=0.0037s
4)电枢回路电磁时间常数T
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