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第四章 可逆调速控制系统及全数字调速控制器
一、本章内容概述
本章的核心问题：正反两组如何正确配合问题。
1、晶闸管—电动机系统的可逆线路及回馈制动
1）晶闸管-电机系统的四个象限运行方法
* 采用两组反并联控制系统的方法，不但能解决电枢电流迅速改变极性的问题同
时也解决了转速由高变低时的转速失控问题和振荡次数的控制问题。
* 对于反并联可逆调速系统如果正反两组配合不好，就会出现两套可控整流桥短
路的现象发生。因此研究可逆调速系统的核心问题就是：正反两组如何正确配合问题。
2）晶闸管-电动机系统的回馈制动条件
晶闸管可控整流装置实现有源逆变的两个条件： ①内部条件：控制角α>90°，使晶闸管可控整流装置侧产生一个负的平均电压-Ud0。 ②外部条件：外电路必须要有一个直流电源，并且极性必须与闸管可控整流装置的整流极性Ud0相同，其数值应稍大于│-Ud0│，以产生和维持逆变电流。
2、可逆线路中的环流及其抑制措施
1) 环流及其种类
* 环流的分类：直流环流、瞬时脉动环流和动态环流三种
* 环流的二重性：环流的存在会显著地加重晶闸管和变压器的负担，消耗无用的功率，环流太大时甚至会导致晶闸管损坏，因此必须予以抑制。但是利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，即使在电动机空载或轻载时也可使晶闸管装置工作在电流连续区，避免了电流断续引起的非线性现象对系统静、动态性能的影响。而且在可逆系统中存在少量环流，可以保证电流的无间断反向，加快反向时的过渡过程。
2) 瞬时脉动环流及其抑制措施
* 抑制方法的理论根据：在平均脉动电流相同的情况下，脉动环流的幅值越高
所消耗的电网功率也就越大。
* 抑制脉动环流的方法是：在环流流经的线路上增加限制环流峰值的电抗器。 * 三相桥式非独立电源电路必须用四个环流电抗器；三相桥式独立电源电路必须用二个环流电抗器。
3、有环流可逆调速控制系统及控制系统仿真
有一定的环流可以使系统当负载比较小时能越过电流不连续区，这样会给控制系统带来两个好处：①提高系统的快速反向和快速制动能力，②还可以降低控制系统的复杂程度（避免建立三环系统来抑制电流断续对系统动态、静态的影响）。
1) 典型配合控制系统的制动过程分析
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* 由于电感上的电流不能发生突变,所以尽管反组桥触发角在整流区但外部条件还没有满足，故此时属于待整流状态。虽然电流Id在减小，但是电流Id方向没有发生变化，由于正组桥此时的触发角在逆变区，所以在t1至t2的区间内称为本桥逆变状态。
* 从电流Id反向到电流调节器ACR的输出Uct退出饱和这段区间内（t2至t3的区间内），反组桥的输出电压与电动机的反电势的电压极性一致，形成反接制动，所以此时的反向电流Id迅速增大。
* 由于负载转矩TdL和电磁转矩T的极性相反，导致制动加速度将是起动加速度的3倍。如果起动时间是3秒，那么制动时间只有是1秒。
* 在恒流期间（转速调节器还没有退出饱和状态期间）电流调节器的输入偏差(UI?UI)是一个不为零的常数。
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图4-3-1 典型配合控制有环流可逆系统正向制动过程波形
*当转速降的比较小时，为了保持最大允许制动电流Idm不变，反组桥由逆变状态进入整流状态来维持Idm基本不变。
* 当转速n在t5时刻开始过零超调之后。一方面，转速调节器ASR输出UI退出饱和状
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态；另一方面，由于电动机带的负载IdL是反抗性恒转矩负载，所以制动转矩会在t5时刻突然变小，
使得可逆调速控制系统的超调非常小或者几乎可以忽略不计。
2) 环流自控可逆调速控制系统
让处于非整流状态的电流调节器所组成的电流环的反馈信号不但有环
流反馈信号的成分，还有
随着负载电流IdL的增大而增大的信号成分，如果系统是一个稳定性系统，那么必然会造成环流反馈信号的自动减小。
4、无环流可逆调速系统及控制系统仿真 (1) 问题的提出
① 对于大功率系统即使很小的环流都会造成电能的巨大浪费。所以需要无环流可逆调速控制系统。
② 环流的存在不仅增大控制系统的初次投资(增加抑制环流的电抗器)，还会增大控制系统的体积。
(2) 逻辑控制装置的设计过程
所谓逻辑控制的无环流可逆调速系统是指：在反并联可逆线路中，当一组功率器件(例如：晶闸管)工作时，用逻辑电路封锁另一组功率器件的触发脉冲或信号，使它完全处于阻断状态，确保在任何情况下最多只有一组处于工作状态。
①控制逻辑输出状态的最少输入信号是：速度调节器的输出信号Ui和电流反馈信号Ui的过零时刻。
② 逻辑代数关系式存在的问题
* 系统状态翻转时会出现两正反两组同时开放现象 * 制动初期本桥逆变还没有结束，电流Id瞬时过零问题 * 晶闸管阻断时不会立即关断会出现“暂留视”现象
* C1的充电时间不能小于单管最大可能没有电流的时间；C2的充电时间是单管最大阻断时间与C1的充电时间之和。
③逻辑装置的应用问题如图4-4-1所示
* 输出必须加逻辑保护环节和开关管故障保护环节 * 输出加功率放大环节，输入电平检测环节 * 根据用户和工艺要求增加其它保护环节
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图4-4-1逻辑切换装置原理图
5、直流脉宽调速控制系统及控制电路仿真
1) PWM主电路的形成过程
* 每个周期内的波头数目越高，在平均电流相同的情况下，电流也就越容易连续。负载轻时电流连续，既能省去主电路的平波电抗器，又能提高电动机的调速范围。
* 每个周期内的波头数目越高，失控时间就越短，快速响应性能也就越好，动态抗扰能力也就越强。控制系统结构也就越简单，控制系统的稳定性也就越好。
2) 脉宽调制变换器的工作原理及构造过程
①不可逆PWM变换器如图4-5-1所示 * 电机两端得到的平均电压为
Ud?式中
tonUS??US T??
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4-5-1不可逆PWM变换器原理图
②可逆PWM变换器如图4-5-2所示
如果在一个开关周期内施加给电动机电枢两端的电压有正负两个极性，那么此可逆PWM变换器称为双极控制方式可逆PWM变换器，简称双极式；如果只有一个正或负极性电压，那么此可逆PWM变换器称为单极控制方式可逆PWM变换器，简称单极式。
* 双极控制方式如图4-5-3所示
不同负载下的电流波形及流向如图4-5-4所示
图4-5-2 可逆PWM变换器原理图
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