逻辑无环流可逆调速系统介绍

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：图2.9 逻辑无环流可逆调速系统的组成系统的控制主要由转速闭环和电流闭环组成，包含了一个转速调节器，两个电流调节器。

1.逻辑无环流可逆调速系统的组成

逻辑无环流可逆调速系统的组成如图2.9所示，晶闸管组成的正组变流器VF和反组变流器VR反并联组成电动机可逆主电路。电路中，电感L的作用是减小电流脉动，并减小电流的断续区，改善系统的机械特性。测速发动机TG用于检测转速，在电动机转向改变时转速反馈信号U_n的极性随之改变。系统通过电流互感器TA和不控整流器检测交流侧电流，从而间接检测电动机电枢电流，得到电流反馈信号U_i。因为逻辑无环流系统的两组变流器不同时导通，检测的电流信号U_i只反映其中一组变流器的电流情况，又因为交流侧检测的电流信号U_i不能反映电流的方向，所以系统使用了两个电流调节器分别控制两组变流器。

图2.9 逻辑无环流可逆调速系统的组成

系统的控制主要由转速闭环和电流闭环组成，包含了一个转速调节器（ASR），两个电流调节器（ACR₁和ACR₂）。ACR₁用于电枢正向电流的调节，ACR₂用于电枢反向电流的调节，ASR和ACR均采用带输出限幅的PI调节器。ASR的输出U_i^∗为电流的给定信号（也是转矩信号），ACR₁和触发器GTF组成正组变流器VF的控制通道；倒相器AR、ACR₂和触发器GTR组成反组变流器VR的控制通道，由于AR的倒相作用，ACR₂输入信号U_i^∗与ACR₁输入信号U_i^∗的极性总是相反，因此两个电流调节器的输出U_cF和U_cR极性也相反，使两台变流器的工作状态（整流或逆变）总是相反。一般两个触发器GTF和GTR的零位都整定在90°，即U_cF=U_cR=0时，正组和反组的控制角都为90°。两路移相信号U_cF和U_cR的极性相反，使两个触发器输出的控制角，在⊕U_cF=㊀U_cR时，α_F=β_R；在㊀U_cF=⊕U_cR时，β_F=α_R，这统称为α=β控制。

在逻辑无环流系统中，任何时候两台变流器只有一台工作（开放），另一台不工作（封锁），这由逻辑控制器实现。

2.逻辑控制器

逻辑控制器（DLC），如图2.10所示，有两路输入信号（U_i^∗、U_i）和两路输出信号（U_blF、U_blR）。两路输出信号中，U_blF控制正组触发器GTF的脉冲输出，U_blR控制反组触发器GTR的脉冲输出。在U_blF或U_blR为“1”时，相应的触发器输出脉冲，变流器有触发脉冲而开放；在U_blF或U_blR为“0”时，相应的变流器触发脉冲被封锁，变流器不会导通。至于开放的变流器是工作于整流还是逆变状态，取决于该控制通道中ACR输出的移相控制信号U_c。U_blF和UblR的状态必须是互反的，任何时候只能是一个为“1”，一个为“0”，以保证两台变流器中总有一台被封锁，以阻断变流器之间的环流通路，使之不会产生环流。

图2.10 逻辑控制器

无论电动机制动或改变转向都需要电动机转矩改变方向，即电枢电流改变方向，但是转速给定信号U_n^∗的极性变化（“+”或“-”）仅反映了转向改变的要求，不能反映减速和制动对转矩方向改变的要求，只有ASR的输出信号U_i^∗的极性在减速、制动和转向改变时都发生变化，因此U_i^∗极性变化是DLC输出状态切换的条件之一。从表2.1可见，变流器状态的切换必须在本桥逆变结束，电枢电流下降为0之后，如果本桥逆变没有结束，电流还没有下降到0，电流反馈信号U_i=0，就改变DLC的输出，切换两组变流器的工作状态，就会发生本桥逆变失败的故障。因此综上所述，DLC逻辑切换的条件可归纳为：①U_i^∗的极性改变——逻辑切换的必要条件；②U_i=0——逻辑切换的充分条件。只有当这两个条件都满足后，DLC的输出状态才能改变，两组变流器的工作状态（开放和封锁）才能相互切换。

根据变流器状态和可靠切换的要求，DLC的组成包括电平检测、逻辑判断、延时控制和连锁保护四部分（见图2.10），其各部分功能如下：

1）电平检测。检测U_i^∗极性和U_i的零电流信号。当U_i^∗极性为“+”时，输出转矩极性信号UT=1，当U_i^∗极性为“-”时，输出转矩极性信号U_T=0。当有电流U_i≠0时，使零电流信号U_i0=0，当电流下降到0时（U_i=0），使零电流信号U_i0=1。

2）逻辑切换。根据逻辑切换条件，在转矩信号U_T极性（0或1）发生变化，且零电流信号U_i0=1后发出变流器工作状态切换信号，若封锁正组变流器，开放反组变流器，则U_F=0、U_R=1，若封锁反组，开放正组，则U_R=0、U_F=1。

3）延时控制。因为零电流检测有一定的精度，尤其在电流很小时电枢电流会出现断续现象，所以虽然检测到零电流，但其实际电流还没有真正为0，电感能量还没有完全释放，本组变流器还在逆变中，这时封锁本组变流器会发生逆变颠覆现象，因此逻辑判断还要经过一定延时再发出封锁信号，以确保电流下降到0后，再封锁本组逆变器。这段延时称为“封锁延时”。封锁延时的时间一般为电流脉动的0.5～1周期，对于三相桥式变流器约为2～3ms。

被封锁的变流器，其晶闸管PN结形成阻挡层、恢复阻断能力需要一定的时间，如果过早地开放反组变流器，则反组输出的电压可能使正在关断过程中的晶闸管误导通，发生两组变流器同时导通的故障。因此，在一组变流器封锁后，还需要经过一定延时才能开放另一组，以确保被封锁组晶闸管可靠关断。这段延时称为“开放延时”。对于三相桥式变流器，开放延时常取5～7ms。

4）连锁保护。连锁保护是确保逻辑控制器输出信号U_blF和U_blR互反的安全措施，尽管逻辑判断输出的信号U_F和U_R是互反的（0和1），为防止意外仍需要加连锁保护，一旦出现U_F和U_R同时为“1”的情况，使逻辑控制器输出信号U_blF和U_blR都为“0”，即同时封锁两组变流器的触发，并发出报警信号。正常时：

U_blF=1，正组变流器开放；U_blR=0，反组变流器封锁；

U_blF=0，正组变流器封锁；U_blR=1，反组变流器开放。

在数字化调速系统中，调节器和逻辑控制器已都由软件来实现。

3.逻辑无环流直流可逆系统的工作过程

（1）正转起动和运行在系统起动前，U_i^∗=0、U_i=0，逻辑控制器U_blF和U_blR输出都为“0”，两组变流器都封锁。发出正转信号后U_n^∗极性为⊕，ASR输出U_i^∗极性变⊕，在没有产生电流前U_i=0，DLC输出U_blF=1、U_blR=0，正组变流器开放，反组封锁。正组变流器控制通道ACR₁和GTF输出极性都为⊕，正组变流器VF工作在整流状态。反组控制通道因为倒相器AR的作用，U_i^∗极性为㊀，但U_blR=0，反组变流器VR被封锁。电动机正转起动和运行时系统各单元的输出极性和工作状态如图2.11所示，图中没有考虑使用模拟调节器时的倒相作用。

图2.11 正转起动和运行时系统各单元的输出极性和工作状态

（2）正转制动

1）本组逆变阶段。如果调节转速给定U_n^∗下降为0（制动情况），则因为实际转速还没有变化，U_n极性仍为㊀，ASR输出U_i^∗极性变㊀，使正向控制通道GTF输出控制角从α推到β，正组变流器从整流变为逆变，电枢电流开始下降（本桥逆变）。这时尽管U_i^∗极性已变㊀，但电流还没有到0，U_i≠0，DLC输出状态不变，反组变流器VR仍在封锁中。该阶段系统各单元的输出极性和工作状态如图2.12所示（与图2.11所示状态有变化的信号已用灰色标出）。

图2.12 本组逆变阶段各单元的输出极性和工作状态

2）他组建流阶段。在本组逆变中，随着电感能量的释放电流下降到0，U_i=0，DLC输出切换的条件已经满足，经过DLC的切换控制和关断延时，U_blF从1→0，VF封锁，再经过开放延时后U_blR=1，反组变流器VR开通，进入工作状态，因为从发出制动指令后U_i^∗已为⊕，GTR输出脉冲控制角为α，因此VR开通就进入整流状态，输出电压U_dα与电动机反电动势E同方向，电枢电流反向并迅速上升（反向建流），电动机进入反接制动阶段，转速下降。该阶段系统各单元输出变化如图2.13所示。

图2.13 他组建流阶段系统各单元输出变化

3）回馈制动阶段。在反组建流阶段，因为电动机是反接制动，电流上升很快并出现超调，U_i>U^∗_im，使ACR₂的输入偏差变“-”，输出UcR变“-”，将变流器VR的控制角从α推到β，DLC状态没有变化，变流器VR仍开通，输出电压反向，VR进入逆变状态，电动机也进入回馈制动，在转速下降中电动机动能转化为电能经VR回输电网。回馈制动阶段是电动机制动的主要阶段，该阶段系统各单元输出变化如图2.14所示。随着转速的下降U_n↓并趋近U_n^∗=0，ASR输出的U_i^∗↓，AR输出的U_i^∗也下降，GTR输出控制角β→90°，使VR输出的逆变电压U_dβ随转速下降而减小，在回馈制动中保持逆变电流为最大，实现了电动机的快速制动。

图2.14 回馈制动阶段系统各单元输出变化

以上是电动机正转制动情况，正转制动结束后如果给出反转信号，电动机将开始反转过程，如果在正转时直接将Un∗↓变到“-”值，即要求电动机反转，则其制动过程与上述相同，不同的是制动的末期，电流没有下降的过程，电动机维持最大反向电流直接开始反向起动（见图2.8）。

逻辑无环流可逆调速系统介绍

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