第六章 直流调速系统

节 可逆直流调速系统 一、可逆调速系统的电路 若要改变电动机的转向，就必须改变电磁转矩的方向。改变电磁转矩的方向有两种方法：一是改变电动机电枢电流的方向，亦即改变电动机电枢电压的极性；二是改变电动机励磁磁通的方向，亦即改变电动机励磁电流的方向。根据这两种方法，晶闸管—电动机可逆系统的电路有两种方式：一种是电枢可逆电路，另一种是磁场可逆电路。 1、电枢可逆电路 1）、接触器切换电枢可逆电路 采用一组晶闸管整流器向直流电动机供电时，需要用正反转接触器（FC、RC）变换电动机电流方向来实现电动机的制动和反转，这种电路常称为接触器切换电枢可逆电路，如图6-27a。利用接触器来切换电枢电流的方向，接触器的工作通常用一套切换逻辑电路来指挥，这样，就可以实现切换过程的自动化。当然，对一偶尔进行切换的系统，切换过程也可以手工控制。这种方案的优点是系统结构简单、经济，但由于接触器的切换速度低，约为0.1~0.2s，因此正反换向有一段死区。另外，接触器的噪声较大，触点寿命较短，这种电路只适用于要求不高，动作不频繁的小容量的生产机械上。如车床、磨床等。

图6-27 电枢可逆线路 2）、晶闸管开关切换电枢的可逆电路 为了避免有触点电器的缺点，也可以采用晶闸管开关代替接触器如图6-27b所示。当正向晶闸管FT开关导通时，电动机正转。而当反向晶闸管RT开关导通时，电动机反转。这种电路切换速度快，电路比较简单，而且工作时完全不存在环流，工作可靠性比较高，在有些中小容量的可逆拖动中经常采用。但是作为开关用的四只晶闸管对其耐压和电流容量的要求比较高，与下面讨论的两组晶闸管供电的可逆电路比较，在经济上并不节省。 3）、两组晶闸管整流装置供电的电枢可逆电路 这种电路如图所示。它有两组晶闸管整流装置，正向整流装置PG，它对电动机提供反向电流，反向整流装置为NG，它对电动机提供反向电流，这样就可以实现电动机的可逆运行。如图6-27c。 两组晶闸管整流装置组成的可逆电路有两种连接方式，一种为反并联电路，另一种是交叉连接电路。反并联电路的优点是有一个交流电源同时向两组晶闸管供电，但是它需要四个限制环流的电抗器。交叉联结电路的缺点是两组晶闸管分别由两个独立的交流电源供电，即由两台整流变压器或一台整流变压器的两个二次绕组供电，但是它只需要两个限制环流的电抗器。 这种电枢可逆电路的正、反向转换十分迅速，所以在要求频繁快速正、反转的生产机械的拖动上得到广泛的应用。 2、磁场可逆电路 在磁场可逆电路中，电动机电枢只要用一组晶闸管整流装置供电。而电动机励磁绕组可用一组晶闸管整流装置供电，采用正反向接触器或晶闸管无触点开关来改变励磁电流的方向。另外亦可采用正反两组整流装置交替工作来改变励磁电流的方向，从而使磁通方向改变来达到改变电动机转向的目的。这两组整流装置的联接可以采用反并联方式，也可采用交叉联接方式。 3、电枢可逆电路与磁场可逆电路的比较 电枢可逆电路欲改变电枢回路中的电流方向，需要两套容量较大的晶闸管整流装置，投资往往较大，在大容量系统中尤甚。但由于电枢回路电感小，时间常数小（约几十毫秒），因而切换的快速性好。所以特别适用于小容量的频繁起动、制动、要求建立过程尽量短的生产机械。 磁场可逆电路中电枢回路只需一套整流装置。励磁回路虽然要用两套整流装置，但是由于电动机励磁功率小（一般为1%~5%电机的额定功率），因而整流装置容量较小，投资费用可节省。但是励磁回路电感大，时间常数大（约为零点几秒至几秒），因而励磁反向的过程要比电枢反向慢的多。为了尽可能快地反向，常采用强迫励磁的方法，即在励磁反向过程中加3~4倍的反向励磁电压，迫使励磁电流迅速变化，达到所需数值时立即将励磁电压降到正常值。即使这样，励磁反向的快速性仍很差，其建立时间约为几十毫秒至几百毫秒之间。此外，在反向过程中，当励磁电流有额定值降低到零这段时间里，如果电枢仍然存在，电动即将出现弱磁升速现象。为了避免出现这种情况，应在磁通减弱时保证电枢电流为零，以防止电动机产生原方向的转矩阻碍反向。上诉这些现象和要求都增加了励磁控制系统的复杂性。因此，励磁可逆电路只适用于正反转不太频繁、对快速性要求不高的大容量可逆系统。

二、环流的控制方式及可逆调速系统的分类 1、 什么是环流 在由正反两组晶闸管整流装置供电的电枢可逆电路中，当其中一组向电动机供电的同时，还可能在正反两组晶闸管间产生不流过电动机的电流（I0），这种不流过负载，只在正反两组晶

闸管间流过的电流称为环流。 2、 环流的两重性 环流的存在会消耗功率，加重晶闸管和变压器的负担，投资费用为之上升，并使功率因数变差。但保留适当的环流作为流过晶闸管的基本电流，当负载电流流通时，便会越过机械特性的电流断续区，使系统在线性特性上运行，从而有利于系统性能的改善。 3、 可逆调速系统的分类 由上述分析可见，对可逆系统来说，环流也是有利有弊的。因此根据对系统的不同要求，处理环流的方式也有不同。从利用环流的目的出发，保留环流的可逆系统称为有环流可逆调速系统，没有环流存在的可逆系统称为无环流系统。 1） 有环流可逆调速系统的分类 有环流可逆调速系统的主要目的是利用环流，当系统中负载电流很小或为零时，可能发生电流断续现象，如果此时系统中有些直流环流，那么它就使得晶闸管整流装置中的电流保持连续，这对系统的静、动态特性都是有利的，而且有些直流环流，还可以保证电流反向时没有死区，有助于缩短过渡过程，提高切换的平滑性。电动机负载电流越小，所需要的环流越大，当电动机负载电流大到一定程度后，它本身就连续了，此时的环流是多余而有害的，这时希望环流能自动消失。所以在有环流系统中又分以下类型： ① 配合控制（自然环流）可逆系统 采用α≥β的控制方式，没有直流环流，但有脉动环流，须用平衡电抗器加以限制。这种工作方式，由于对环流不加自动调节，因此又称为自然环流可逆系统。 ② 给定环流可逆系统 如果系统无论工作在什么状态，无论负载大小如何，都存在着同样大小的直流环流，那么该系统就称为给定环流可逆系统 ③ 可控环流系统 如果空载时，有给定的最大环流，随着负载的增加，直流环流随之减小，负载大到一定程度，直流环流消失，这种系统称为可控环流可逆系统。 2） 无环流可逆调速系统 无环流可逆调速系统是既无直流环流又无脉动环流的可逆系统。分为逻辑控制无环流可逆调速系统和错位控制无环流可逆调速系统。本节主要介绍在工业中应用最多的逻辑控制无环流可逆调速系统

三、逻辑控制无环流可逆调速系统 逻辑控制无环流可逆调速系统的基本原理是：当一组晶闸管工作时，用逻辑控制电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使另一组晶闸管完全处于阻断状态，从根本上切断环流的通路。 1、 系统的组成 图6-28为逻辑控制无环流可逆调速系统原理图。 （1） 主电路 主电路采用正反两组晶闸管整流装置反并联供电的电路。由于没有环流，主回路没有设置平衡电抗器。但为了限制整流电压脉动幅值和保证整流电流连续，仍然保留了平波电抗器。TR为(Y，d)联结的三相整流变压器。 （2） 控制电路 采用电流、速度双闭环系统，为了对正、反两组触发脉冲实施封锁和开放控制，达到无环流的目的，在系统中设置了逻辑控制器LC。它的作用是送出两个控制信号Uc1和Uc2，分别送给

正、反两组触发电路的脉冲封锁控制端，这两个控制信号的特点是：当其中一个是“1”（开放）

信号时，则另一个必定是“0”（封锁）信号。于是当其中一组在工作时，另一组的触发脉冲即被封锁，从而保证了在正、反两组晶闸管整流装置中，只可能有一组在工作，不会产生环流。 应该根据什么信号来指挥逻辑控制器的动作呢？由晶闸管的单向导电性可知，当系统需要电动机的电流方向为正时，逻辑控制器应当开放正组触发脉冲使正组晶闸管工作，而封锁反组触发脉冲。当系统需要电动机的电流方向为负时，逻辑控制器应当开放反组触发脉冲使反组晶闸管工作，而封锁正组触发脉冲。在双闭环调速系统中，电流调节器的电流给定信号Usi正好

决定电动机电枢电流的方向。Usi为负时，电枢电流方向为正；Usi为正时，电枢电流方向为负。

因此，电流给定信号Usi可以作为逻辑控制器的指挥信号之一。Usi极性的改变，虽然是电流变向

的指令，但由于电枢和平波电抗器电感等因素的影响，电流变化要滞后一些，而正反组切换还须等到电流衰减到零。因此还须增加一个反映电流到零的信号，即零电流检测信号UI0。

这样，当电流变向指令（Usi极性的变更）和零电流指令（UI0）同时出现时，才可以发出

切换指令。因此，逻辑控制器的输入端引入Usi和反映电流Id为零的信号作为输入信号。

图6-28 逻辑控制无环流可逆调速系统原理图 2、 逻辑控制器的组成原理 根据以上要求，逻辑控制器的结构及输入输出信号如图6-29所示。其输入为反映电流极性变化的电流给定信号Usi和零电流检测信号UI0，输出是封锁正组和反组脉冲的信号UI和UII。

这两个输出信号通常以数字形式表示：“0”表示封锁，“1”表示开放。逻辑控制器由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护四部分组成。 图6-29 逻辑控制器的组成 1） 电平检测器 电平检测器的功能是将控制系统中连续变化的模拟量转换成数字量“0”和“1”。电平检测器根据转换的对象不同，又分为电流给定极性鉴别器和零电流检测器。电流给定极性鉴别器输入信号为电流给定极性信号Usi，输出为数字量“0”和“1”。零电流检测器为电流互感器检

测的零电流信号UI0，输出为数字量“0”和“1”。

2） 逻辑判断电路 逻辑判断电路的功能是根据电流给定极性鉴别器和零电流检测器输出信号的状态进行逻辑运算，正确地发出切换信号Uf和UR。Uf和UR都有两种状态“0”和“1”，其中一个表示开放

脉冲，另一个表示封锁脉冲，这取决于触发电路的结构。 3） 延时电路 在逻辑判断电路发出切换指令后，并不能立刻执行，还必须经过两段延时时间（封锁延时

td1和开放延时td2），才能执行切换指令，以确保系统的可靠工作，这就是延时电路的功能。

封锁延时——从发出切换批令到真正封锁掉原来工作组的触发脉冲之前所等待的时间。因为电流未降到零以前，其瞬时值是脉动的，如图6-30所示。而检测零电流的电平检测器总有一

个最小动作电流值I0 ，如果脉动的电流瞬时低于I0而实际仍在连续变化时，就根据检测到的零

电流信号去封锁本组脉冲，势必使正处于逆变状态的本组发生逆变颠覆事故。设置封锁延时后，检

测到的零电流信号等待一段时间td1，使电流确实

下降为零，这才可以发出封锁本组脉冲的信号。 开放延时——从封锁原工作组脉冲到开放另一组脉冲之间的等待时间，因为在封锁原工作组脉冲时，已被触发的晶闸管要到电流过零时才真正关断，而且在关断之后还要一段恢复阻断能力的时间，如霜在这之前就开放另一组晶闸管，仍可能造成两组晶闸管同时导通，形成环流短路事故。为防止这种事故发生，在发出封锁本组