可逆直流调速系统

摘要：根据整流装置的不同，直流可逆调速系统可分为V-M可逆调速系统和PWM 可逆调速系统。

讨论了晶闸管直流调速系统可逆运行方案，介绍了有环流控制的可逆V-M系统和无环流控制的可逆V-M系统。

除了由晶闸管组成的相控直流电源外，直流电机还可以采用全控器件（IGBT，MOSFET，GTR等）组成的PWM变换器提供直流电源，其特点是开关频率明显高于可控硅，因而由PWM组成的直流调速系统有较高的动态性能和较宽的调速范围。

PWM变换器把恒定的直流电源变为大小和极性均可调直流电源，从而可以方便的实现直流电机的平滑调速，以及正反转运行。

由全控器件构成的PWM变换器，由于开关特性，因此其电枢的电压和电流都是脉动的，其转速和转矩必然也是脉动的。

关键词：可逆直流调速，PWM变换器，环流。

目录1.晶闸管直流调速系统可逆运行 (3)1.1可逆直流调速系统分类 (4)1.2晶闸管-电动机系统的回馈制动 (6)2.有环流的可逆调速系统 (8)2.1可逆系统中的环流 (8)2.2直流平均环流与配合控制 (9)2.3瞬时脉动环流及其抑制 (10)2.4直流可调速系统的制动过程分析 (11)2.5可控环流可逆调速系统 (13)3.无环流可逆调速系统 (13)3.1逻辑控制无环流调速系统 (14)4.可逆直流脉宽调速系统（PWM可逆系统） (15)4.1可逆PWM变换器的工作原理 (15)5.总结 (17)1.晶闸管直流调速系统可逆运行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。

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。

功率较大的直流调速系统多采用V-M 电源，由于晶闸管的不可控关断特性，其可逆调速系统相对较为复杂。

1.1 可逆直流调速系统分类在没有外力作用下，要改变直流电机的旋转方向，根据直流电机转矩表达式Te =CMΦIa可知，改变励磁磁通Φ或改变电枢电流Ia均可改变电机转矩方向，从而达到改变转向的目的。

与此相应得直流电机可逆调速实现方式有：1、改变电枢电流，通过改变电枢电流的方向，也可改变电磁转矩的方向。

2、改变励磁电流，通过改变励磁电流方向，从而改变电磁转矩的方向。

图1-１两组晶闸管装置反并联可逆线路改变电枢电流可逆线路：电枢反接的可逆线路形式是多种多样的，不同的生产机械可以根据各自的要求去选择。

图1.1 是一种最简单的桥式晶闸管可逆线路，该线路中，需要一组晶闸管整流装置，还需要四个晶闸管组成的桥式电路，来实现电机的正、反转。

当VT1、VT4 导通，电动机正转；VT2、VT3 导通，电动机反转。

在工程实际中应用比较多的是采用两组晶闸管装置反并联可逆线路来实现电流的反向。

由于晶闸管的单向导电性，需要电流反向的可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的线路，如图1-2所示。

电机作电动运行时，由正组晶闸管整流装置VF供电；反转时，由反组晶闸管VR供电。

正反转运行时，电机分别位于Ⅰ第和第Ⅲ象限。

图1-2 两组晶闸管装置反并联可逆线路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。

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图1-3，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。

励磁反接的特点是供电装置功率小，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。

缺点是改变转向时间长，这是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。

励磁反接可逆应用在快速性要求不高，不经常正反转运行的大容量可逆调速系统中。

图1-3 励磁反接可逆线路1.2 晶闸管-电动机系统的回馈制动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在逆变状态中，U d 0为负值。

为了方便起见，定义逆变角β= 180°−α，则逆变电压公式为1、单组晶闸管装置在位能性负载时的有源逆变。

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。

在图 1-4a中，当α< 90°时，转速n > 0，平均整流电压为正，且理想空载值，电压平衡方程为，所以输出整流电流，电磁转矩T提升重物，电能从电网经晶闸管装置V 传送给电机，V 处于整流状态，电动运行于第一象限。

在图1-4b 中，当控制角α> 90°时，整流装置输出电压为负，晶闸管装置本身不能输出电流，电机不能产生转矩提升重物，只有靠重物本身的重量下降，迫使电机反转，感生反向的电动势−E ，图3-4b 中标明了它的极性。

而此时转速已经反向，因而该转矩起制动作用，阻止重物使它不要下降得太快。

这时电机处于带位能性负载反转制动状态，成为受重物拖动的发电机，将重物的位能转化成电能，通过晶闸管装置V 回馈给电网，V 则工作于逆变状态，V-M 系统运行于第四象限。

(a)正组整流电动运行 (b)反组逆变回馈制动图1-5 两组晶闸管反并联可逆V-M 系统单组晶闸管-电机系统拖动位能性负载时，晶闸管组即可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态。

该逆变状态对应于电机的第Ⅳ象限运行，必须满足下述两个条件，才能实现逆变。

第一其控制角α> 90°，整流装置输出电压为负，即要求电枢电压反向，电流仍然按照原来的方向流动，即不要求电流反向；第二反转转速大于额定转速，以满足要求，维持电流方向不变。

2、两组晶闸管装置反并联逆变。

两组晶闸管装置反并联可逆线路的整流和逆变状态原理与此相同，只是出现逆变状态的具体条件不一样。

现以正组晶闸管装置整流和反组晶闸管装置逆变为例，说明两组晶闸管装置反并联可逆线路的工作原理。

图1-5a 表示正组晶闸管装置VF 给电动机供电，VF 处于整流状态，输出理想空载整流电压的极性如图所示，电机从电路输入能量作电动运行，V-M 系统工作在第一象限，如图1.5a 所示，与图1-4a 的整流状态完全一样。

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，由于晶闸管的单向导电性，反向电流是不可能通过正组晶闸管VF 流通的。

要完成电流反向流动，这时可以利用控制电路切换到反组晶闸管装置VR 如图1-5b 所示，并使它工作在逆变状态，产生图中所示极性的逆变电压，当时，反向电流便通过 VR 流通，电机输出电能实现回馈制动，V-M 系统工作在第Ⅱ象限。

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，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1-1中。

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。

表1-1 V-M 系统反并联可逆线路的工作状态(表中各量的极性均以正向电动运行时为“+”)2.有环流的可逆调速系统2.1可逆系统中的环流两组晶闸管反并联或交叉连接线路解决了直流电动机的频繁换向问题，但是这类线路还存在着是否能保证系统安全工作的环流问题。

在如图2-6的反并联线路中，不流过电动机，而在两组晶闸管之间流通的电流c I 即为环流。

RrecRrec图2－6 反并联可逆线路中的环流环流分为两大类：（１）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。

静态环流又分为：直流平均环流和瞬时脉动环流。

（２）动态环流——稳态运行时并不存在，只有当系统由一种工作状态过度到另一种工作状态时才出现的环流。

环流容易造成短路，损坏晶闸管，使系统不能正常工作。

因此，在可逆调速系统中，必须考虑如何抑制或消除环流的影响。

2.2直流平均环流与配合控制由图2－6的反并联可逆线路可以看出，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dof u 和反组整流电压dor u 正负相连，将造成电源短路，此短路电流即为直流平均环流。

为了防止产生直流平均环流，最好的解决办法是当正组晶闸管VF 处于整流状态时，其整流电压dof u =+,这时应该让反组晶闸管VR 处于逆变状态，输出一个逆变电压把它顶住，即让dor u =-，而且幅值与相等。

一般说来，只要实行了αβ≥配合控制，就能保证消除直流平均环流。

其中 , α和β分别为正组晶闸管VF 和反组晶闸管VR 的控制角。

-U ctmU ctmU ct工作制配合控制的可逆线路 触发装置的移相控制特性2.3瞬时脉动环流及其抑制由于两组晶闸管分别处于整流和逆变状态，所以正组晶闸管的瞬时电压dofu 与反组晶闸管的瞬时电压dor u 不同，存在瞬时电压差do dof do u u u ∆=-,从而产生瞬时脉动环流。

图2-7画出了三相零式反并联可逆线路当60f r αβ︒==（即=120°）时的情况。

图2-7 配合控制的三相零式反并联可逆线路的瞬时脉动环流为了限制瞬时脉动环流，在环流回路中串入电抗器，该电抗器叫做环流电抗器或均衡电抗器（如图3-7中的1c L 和2c L ）。

环流电抗器并不是在任何时候都能起作用为了限制瞬时脉动环流，在环流回路中串入足够量的电抗器，以保证对瞬时脉动环流的限制。

2.4直流可调速系统的制动过程分析直流可逆调速系统的正反向切换过程包括正向制动过程和反向起动过程。

起动过程与不可逆调速系统相同。

下面分析可逆系统的制动过程，以图2-8所示的配合控制为例分如下几个阶段讨论。

本桥逆变阶段：本桥逆变阶段是指换向时电流d I 由正向负载电流fz I 下降到零，其方向未变，只能通过正组晶闸管桥流通。

为了把储存在电抗器磁场中的能量迅速释放，正向电流迅速衰减到零，这时正组桥处于逆变状态。

反桥制动阶段：当电动机电枢回路中的电流d I 过零时，本桥逆变终止，/d LdI dt 的数值略减，2/d dof do LdI dt E u u -<=电流开始反向。