直流可逆调速系统的主电路设计优化

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：例如图2.1所示的升降机可逆调速系统，电动机由一台电力电子变流器供电，采用转速和电流双闭环控制。直流可逆调速系统主电路如图2.2所示。其中，图2.2a所示为两台晶闸管变流器反并联的可逆电路，图2.2b所示为H形PWM变流器的可逆电路。

电动机的正转和反转都可以归结于电动机的转矩控制，改变电动机电磁转矩的大小和方向即可控制电动机的转速和转向，有以下两种情况：

1）电动机正转和反转时电动机负载的转矩方向不变。例如升降机，无论上升或下降运动，重物产生的转矩方向都不变，如果电动机产生的电磁转矩大于负载转矩，升降机作上升运动，如果电动机产生的电磁转矩小于负载转矩，升降机作下降运动。

2）负载转矩方向随转向而改变，大多数生产机械都有这个特点，如龙门刨床刨台的运动和可逆轧机等。

改变电动机励磁方向或电枢电流方向都可以改变电动机转矩的方向，现代电动机调速系统都是通过电力电子变流器向电动机供电的，而电力电子器件的单向导电性使变流器只能输出单方向电流，这为电动机电枢电流或励磁电流改变方向带来了复杂性，因此，如何改变电流方向是可逆系统要解决的重要问题，也是学习时要注意的问题。

1.负载转矩方向不变时的可逆调速系统

负载转矩方向不变（位能负载）时的可逆调速，调节电枢电流的大小可以改变电动机的转矩而控制转向，这时电流的方向不变，因此用一台变流器就可以进行电动机的转向控制。例如图2.1所示的升降机可逆调速系统，电动机由一台电力电子变流器供电，采用转速和电流双闭环控制。

图2.1 升降机可逆调速系统

（1）升降机上升阶段当转速给定U_n^∗为“+”时，发出提升指令，转速调节器（ASR）输出为“+”，电流调节器（ACR）输出为“+”，变流器工作于整流状态，电动机工作在电动状态，电动机电枢电流，当电动机转矩大于重物的负载转矩时（T_e≥T_L），提升重物，转速闭环使重物以给定速度上升。如果重物在空中转速给定调节为“0”，由于ASR的积分作用，输出U_i^∗保持着一定值，使变流器输出电流与负载平衡，重物可悬停在空中（n=0）。若重物有下降趋势使电动机转向改变，将引起转速反馈信号U_n极性从“-”变“+”，但ASR输出U_i^∗和ACR输出U_c的极性仍为“+”，变流器仍工作于整流状态，这时输出电压、电流增加，转矩增加，保持重物在空中悬停。为了保证重物在空中的可靠悬停，升降机一般还用电磁抱闸确保重物不会下坠。

（2）升降机下降阶段若转速给定U_n^∗变“-”，发出下降指令，ASR输出和ACR输出变”-”，变流器输出电压U_d由“+”变“-”，电压的下降使电流减小，当电动机电磁转矩小于负载转矩（T_e<T_L）时，电动机在重物作用下开始反转，重物下降。电动机反转使电动势E的方向改变，在E>U_d时电枢电流，但电流的方向仍不变，电流从U_d的“+”极端流入变流器，变流器工作于逆变状态，电动机工作于回馈发电状态，将重物的位能转变为电能回输给电源U_s。控制变流器输出电压U_d可以控制电枢电流和电磁转矩，从而控制重物的下降速度。

图2.2 直流可逆调速系统主电路

2.负载转矩随转向改变时的可逆调速

除位能性负载外，一般电动机的负载转矩方向都随电动机转向而改变。改变电动机转向首先要使电动机产生的电磁转矩改变方向，由T_e=K_mΦI可知，控制电动机的励磁或电枢电流的方向都可以控制转矩的方向。一般情况下，直流电动机励磁回路的时间常数比较大，励磁调节的时间比较长，这将影响系统调节的快速性，而且在励磁改变方向时还有失磁的问题。而电枢回路的时间常数比较小，电枢电流的响应速度快，因此在可逆系统中采用电枢电流方向可逆的方案较多。下面主要介绍电枢可逆的方案。

改变电枢电流方向可使电动机改变转向，但一般电力电子变流器只能提供单一方向的电流，改变电枢电流方向就必须有两台变流器，正转时由一台变流器为电动机提供正向电流I_F，反转时由另一台变流器向电动机提供反向电流I_R，两台变流器作并联连接。直流可逆调速系统主电路如图2.2所示。其中，图2.2a所示为两台晶闸管变流器反并联的可逆电路，图2.2b所示为H形PWM变流器的可逆电路。H形变流器可逆电路实际上也是两个单向PWM斩波电路的反并联，在VT₁和VT₃导通时，电动机流过正向电流I_F，电动机正转；在VT₂和VT₄导通时，电动机流过反向电流I_R，电动机反转。

直流可逆调速系统的主电路设计优化

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