第一章可逆調(diào)速系統(tǒng)理論1.1可逆運(yùn)行及可逆電路電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)行的本質(zhì)是電磁轉(zhuǎn)矩可逆，所以實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行的關(guān)鍵是使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩改變方向。由電動(dòng)機(jī)的工作原理可知，直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T廣3轉(zhuǎn)矩方向有磁場方向和電樞電壓的極性共同決定。磁場方向不變，通過改變電樞電壓極性實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，叫電樞可逆調(diào)速系統(tǒng);電樞電壓極性不變，通過改變勵(lì)磁電流方向，實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，叫磁場可逆調(diào)速系統(tǒng)。與此相對(duì)應(yīng)，晶閘管一一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的可逆調(diào)速就有兩種方式，即電樞反接可逆電路和勵(lì)磁反接可逆電路。1.1.1電樞反接可逆線路采用兩組晶閘管裝置供電的可逆線路如圖1-1所示。圖1-1兩組晶閘管分別有兩套觸發(fā)器控制，當(dāng)正組晶閘管裝置VF向電動(dòng)機(jī)供電時(shí)，提供正電樞電流^，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)反組晶閘管裝置VR向電動(dòng)機(jī)供電時(shí)提供反向電樞電流一/d，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。兩組晶閘管裝置供電的可逆線路在連接上又有兩種形式：反并聯(lián)和交叉連接，如圖1-2所示。兩者的差別在于反并聯(lián)線路中的兩組晶閘管由同一個(gè)交流電源供電，且要有四個(gè)限制環(huán)流的電抗器，而交叉連接線路由兩個(gè)獨(dú)立的交流電源供電。只要兩個(gè)限制環(huán)流的電抗器。這里所說的兩個(gè)獨(dú)立的交流電源可以是兩臺(tái)整流變壓器，也可以是一臺(tái)整流變壓器的兩個(gè)二次繞組。由兩組晶閘管組成的電樞可逆線路，具有切換速度快、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，在要求頻繁、快速正反轉(zhuǎn)的可逆系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，是可逆系統(tǒng)的主要型式。

(a)(b)

圖1-21.1.2勵(lì)磁反接可逆線路要使直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，除了改變電樞電壓極性外，改變勵(lì)磁電流方向也能使直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。因此又有勵(lì)磁反接可逆線路，如圖1-3所示。這時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞只要用一組晶閘管裝置供電并調(diào)速，如圖1-3（a）所示，而勵(lì)磁繞組則由另外的兩組晶閘管裝置反并聯(lián)供電，想電樞反接可逆線路一樣，可采用反并聯(lián)或交叉連接中的任意一種方案來改變其勵(lì)磁電流的方向。

(b)由于勵(lì)磁功率只占電動(dòng)機(jī)額定功率的1%~5%,顯然勵(lì)磁反接所需的晶閘管容量裝置容量要比電樞反接可逆裝置小的多，只要在電樞回路中用一組大容量的裝置就夠了，這對(duì)于大容量的調(diào)速系統(tǒng)，勵(lì)磁反接的方案投資較少。但由于勵(lì)磁繞組的電感較大，勵(lì)磁電流的反向過程要比電樞電流的反向過程慢的多，此外，在反向過程中，當(dāng)勵(lì)磁電流由額定值下降到零這段時(shí)間里，如果電樞電流依然存在，電動(dòng)機(jī)將會(huì)出現(xiàn)弱磁升速的現(xiàn)象，這在生產(chǎn)工藝上是不允許的。因此勵(lì)磁反接的方案只適用于對(duì)快速性要求不高，正反轉(zhuǎn)不太頻繁的大容量可逆系統(tǒng)，例如卷揚(yáng)機(jī)、電力機(jī)車等。1.2回饋制動(dòng)1.2.1電動(dòng)機(jī)的兩種工作狀態(tài)我們知道，直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)無論是正傳還是反轉(zhuǎn)，都可以有兩種工作狀態(tài)，一種是電動(dòng)狀態(tài)，一種是制動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，是指電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方向與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方向相同，此時(shí)，電網(wǎng)給電動(dòng)機(jī)輸入能量，并轉(zhuǎn)換為負(fù)載的動(dòng)能。制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，是指電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方向與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方向相反，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能輸出，如果將此電能回送給電網(wǎng)，則這種制動(dòng)就叫做回饋制動(dòng)。勵(lì)磁磁通方向恒定時(shí)，電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的方向就是電樞電流的方向，轉(zhuǎn)速的方向也就是反電動(dòng)勢的方向。所以常用電樞電流和反電動(dòng)勢E方向的相對(duì)關(guān)系來表示電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)和制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。1.2.2晶閘管裝置的兩種工作狀態(tài)晶閘管也有兩種工作狀態(tài)，一種是整流狀態(tài)，另一種是逆變狀態(tài)。下面結(jié)合一個(gè)具體實(shí)例說明如下：在一組晶閘管組成的全控整流電路中，電動(dòng)機(jī)帶位能負(fù)載，當(dāng)控制角a<90°時(shí)，晶閘管裝置直流側(cè)輸出的理想空載電壓％0為正，且七0>礦所以能輸出整流電流?使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩而將重物提升，這時(shí)電能從交流電網(wǎng)經(jīng)晶閘管裝置輸送給電動(dòng)機(jī)，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)。當(dāng)重物放下時(shí)，必須將控制角a移到大于90°，這時(shí)晶閘管裝置直流側(cè)輸出的理想空載電壓變?yōu)樨?fù)值。電動(dòng)機(jī)在重物作用下被拉向反轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生反向的電動(dòng)勢T，當(dāng)E>Ud0時(shí)，將產(chǎn)生電流和轉(zhuǎn)矩，它們的方向仍和提升重物時(shí)一樣，但此時(shí)由于轉(zhuǎn)速已反向，故電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)橹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩，以阻止重物下降太快，電動(dòng)機(jī)處于反轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)電動(dòng)機(jī)將重物的位能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)晶閘管裝置回饋到電網(wǎng)，晶閘管裝置處于逆變狀態(tài)。由上面分析可知，同一套晶閘管裝置可以工作在整流狀態(tài)，也可以工作在逆變狀態(tài)。兩種狀態(tài)中電流方向不變，而輸出電壓的極性相反。整流狀態(tài)時(shí)輸出電能，而逆變狀態(tài)時(shí)回饋電能。這樣的逆變成為“有源逆變”。1.2.3電動(dòng)機(jī)的回饋制動(dòng)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)要使電動(dòng)機(jī)快速減速或停車，最經(jīng)濟(jì)有效的方法就是采用回饋制動(dòng)，將制動(dòng)期間釋放的能量通過晶閘管裝置回送到電網(wǎng)。上面的分析已表明，電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)時(shí)，晶閘管裝置必須工作在逆變狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，從電動(dòng)機(jī)方面看，要么改變轉(zhuǎn)速的方向，要么改變電磁轉(zhuǎn)矩（即電樞電流）的方向。而任何負(fù)載在減速制動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)速方向都不變，所以要實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，必須設(shè)法改變電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的方向，即改變電樞電流的方向。對(duì)于單組V-M系統(tǒng)，要想改變電樞電流方向是不可能的，也就是說利用一組晶閘管不能實(shí)現(xiàn)帶非位能負(fù)載系統(tǒng)的回饋制動(dòng)。但是，我們可以利用兩組晶閘管裝置組成的可逆線路實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的快速回饋制動(dòng)，即電機(jī)制動(dòng)時(shí)，原工作于整流狀態(tài)的一組晶閘管裝置待整流，利用另外一組反并聯(lián)的晶閘管裝置逆變，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的回饋制動(dòng)，如圖1-3所示。圖1-3（a）表示正組VF給電動(dòng)機(jī)供電，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，輸出整流電壓Ud0f（極性如圖），電動(dòng)機(jī)吸收能量作電動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)需要回饋制動(dòng)時(shí)，通過控制電路切換到反組晶閘管裝置VR如圖1-3（b）并使其工作于逆變狀態(tài)，輸出逆變電壓7d0f（極性如圖），由于這時(shí)電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢極性未改變，當(dāng)E略大于皓時(shí)，產(chǎn)生反向電流一匕而實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)釋放的等量經(jīng)晶閘管裝置VR回饋到電網(wǎng)。

(b)

圖1-3由此可見即使是不可逆系統(tǒng)，只要是要求快速回饋制動(dòng)，也應(yīng)有兩組反并聯(lián)(或叉聯(lián))的晶閘管裝置，正組作為整流供電，反組提供逆變制動(dòng)。這時(shí)反組晶閘管只在短時(shí)間內(nèi)給電動(dòng)機(jī)提供反向制動(dòng)電流，并不提供穩(wěn)定運(yùn)行電流，因而其容量可以小一些。對(duì)于兩組晶閘管供電的可逆系統(tǒng)，在正轉(zhuǎn)和制動(dòng)的裝置合二為一，兩組晶閘管的容量自然就沒有區(qū)別了。把可逆線路正反轉(zhuǎn)及回饋制動(dòng)的晶閘管和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)歸納起來，可列成表1-1。

V-M系統(tǒng)的工作狀態(tài)正向運(yùn)行正向制動(dòng)反向運(yùn)行反向制動(dòng)電樞端電壓極性++--電樞電流極性+--+電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向++--電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)電動(dòng)回饋制動(dòng)電動(dòng)回饋制動(dòng)晶閘管工作組別和狀態(tài)正組整流反組逆變反組整流正組逆變機(jī)械特性所在象限IIImW表1-1V-M系統(tǒng)可逆線路的工作狀態(tài)1.3可逆調(diào)速系統(tǒng)中的環(huán)流分析1.3.1環(huán)流的利弊及其種類所謂環(huán)流是指不流過電動(dòng)機(jī)或負(fù)載，而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流如圖1-4在空載或輕載時(shí)保持電流連續(xù)，避免電流斷續(xù)對(duì)系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能的影響；可逆系統(tǒng)中的少量的環(huán)流，可以保證電流無換向死區(qū)，加快過渡過程。環(huán)流的缺點(diǎn)：環(huán)流的存在會(huì)顯著地加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗無功功率，環(huán)流太大時(shí)甚至?xí)p壞晶閘管，為此必須予以抑制。在實(shí)際系統(tǒng)中，要充分利用環(huán)流的有利面而避免其不利面。環(huán)流可分為兩大類：一、 靜態(tài)環(huán)流。當(dāng)晶閘管裝置在一定的控制角下穩(wěn)定工作時(shí)，可逆線路中出現(xiàn)的環(huán)流叫靜態(tài)環(huán)流。靜態(tài)環(huán)流又可分為直流平均環(huán)流和瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流。由于兩組晶閘管裝置之間存在正向直流電壓差而產(chǎn)生的環(huán)流稱為直流平均環(huán)流;由于整流電壓和逆變電壓瞬時(shí)值不相等而產(chǎn)生的環(huán)流稱為瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流。二、 動(dòng)態(tài)環(huán)流。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)并不存在，只在系統(tǒng)處于過度過程中出現(xiàn)的環(huán)流，叫動(dòng)態(tài)環(huán)流。這里僅對(duì)系統(tǒng)影響較大的靜態(tài)環(huán)流作定性分析。下面以反并聯(lián)線路為例來分析靜態(tài)環(huán)流。1.3.2直流平均環(huán)流與配合控制直流平均環(huán)流產(chǎn)生的原因。在圖1-4的反并聯(lián)可逆線路中，如果正組晶閘管VF和反組晶閘管VR都處于整流狀態(tài)，且正組整流電壓Ud0f和反組整流電壓Ud0r正負(fù)相連，將造成直流電流源短路，此時(shí)短路電流即為直流平均環(huán)流。消除直流平均環(huán)流的措施。為防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，最好的結(jié)局辦法是：當(dāng)正組晶閘管VF處于整流狀態(tài)輸出電壓Ud0f時(shí)，讓反組晶閘管處于逆變狀態(tài)，輸出一個(gè)逆變電壓Ud0r把%頂住。設(shè)VF組處于整流狀態(tài)，即％＜90°，則Ud0f=Ud0maxcosaf；對(duì)應(yīng)的VR組處于逆變狀態(tài)，即原＜90°，則Ud0r=Ud0maxcos4。此時(shí)°d0f與Ud0r極性相反，但其數(shù)值又有如下三種情況：若兩組觸發(fā)脈沖相位之間滿足af＜么，則^0f＞匕0r。由于兩組晶閘管裝置的內(nèi)阻很小，即使不大的直流電壓差也會(huì)導(dǎo)致很大的直流環(huán)流。若兩組觸發(fā)脈沖相位之間滿足af=么，則七0f=氣0r。由于主回路無直流電壓差，所以無直流環(huán)流。若兩組觸發(fā)脈沖相位之間滿足af＞么，則^0f＞七0r。兩組晶閘管之間存在反向直流電壓差，由于正組晶閘管的單向?qū)щ娦?，不產(chǎn)生直流環(huán)流。同理，若VF處于逆變狀態(tài)，VR處于整流狀態(tài)。同樣可以分析出％＜Pr時(shí)有直流環(huán)流af＞Pr時(shí)無直流環(huán)流。所以，在兩組晶閘管組成的可逆線路中，消除直流環(huán)流的方法是使a產(chǎn)隊(duì)，即整流組的觸發(fā)角大于或等于逆變組的逆變角。a=6工作制的配合控制實(shí)現(xiàn)消除直流環(huán)流的原理實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)現(xiàn)a=6工作制的配合控制比較容易，只要將兩組觸發(fā)脈沖的零位都整定在90°，并且使兩組觸發(fā)裝置的移相控制電壓大小相等、極性相反即可。所謂觸發(fā)脈沖的零位，就是指控制電壓Uct=0時(shí)，調(diào)節(jié)偏置電壓使觸發(fā)脈沖的初始相位確定在％0=匕0=90°，此時(shí)兩組晶閘管的整流和逆變電壓均為0。這樣的觸發(fā)控制電路示于圖1-44，它用同一個(gè)控制電壓^t去控制兩組觸發(fā)裝置，即正組觸發(fā)裝置GTF由。征直接控制，而反組觸發(fā)裝置GTR由。征控制，%=~Uct，是經(jīng)過反號(hào)器AR后的到的。移相控制特性。同步信號(hào)為鋸齒波的兩組觸發(fā)裝置的移相控制特性示于圖 1-45。當(dāng)Uct=0時(shí)，af=Pr=90°，觸發(fā)脈沖在90°的零位；當(dāng)qt＞0時(shí)，正組控制角虧＜90°，正組晶閘管處于整流狀態(tài)，而反組控制角原＜90°，反組晶閘管處于逆變狀態(tài)。因?yàn)椋=~Uct，所以St移相過程中，始終保持了^=Pr，Cof=~Ud0r。為了防止晶閘管有源逆變器因逆變角6太小而發(fā)生逆變顛覆事故，必須在控制電路中設(shè)置限制最小逆變角#min的保護(hù)環(huán)節(jié)。為保持a=6的配合控制，對(duì)％in也要加以限制使％in=#min。通常取％in=#min=30°。脈動(dòng)環(huán)流及其抑制，當(dāng)采用amin=#min配合控制時(shí)，整流器和逆變器輸出的直流平均電壓是相等的，因而沒有直流平均環(huán)流。然而，此時(shí)晶閘管裝置輸出的瞬時(shí)電壓是不相等的，當(dāng)正組整流電壓瞬時(shí)值”d0f大于反組逆變電壓瞬時(shí)值”d0r時(shí)，產(chǎn)生瞬時(shí)電壓差A(yù)"#。，從而產(chǎn)生瞬時(shí)環(huán)流。控制角不同時(shí)，瞬時(shí)電壓差和瞬時(shí)環(huán)流也不同。圖1-46畫出三相零式反并聯(lián)可逆線路當(dāng)％=兒=60。時(shí)的情況，圖1-46（b）是正組瞬時(shí)整流電壓”d0f的波形，圖1-46（c）是反組瞬時(shí)逆變電壓％0r的波形。圖中陰影線的部分是a相整流和b相逆變時(shí)的電壓，顯然其瞬時(shí)值并不相等，而其平均值卻相等。瞬時(shí)電壓差A(yù)ud0=ud0f-ud0r，其波形繪于圖1-46（d）。由于這個(gè)瞬時(shí)電壓差的存在，便在兩組晶閘管之間產(chǎn)生的瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流/cp。圖1-46（a）繪出a相整流和b相逆變時(shí)的瞬時(shí)環(huán)流回路，由于晶閘管裝置的內(nèi)阻^很小，環(huán)流回路的阻抗主要是電感，所以y不能突變，并且落后于Aud0；又由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕琲cp只能在一個(gè)方向脈動(dòng)，所以稱作瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流。但這個(gè)瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流存在直流分量婦，顯然婦和平均電壓差所產(chǎn)生的直流環(huán)流是有根本區(qū)別的。脈動(dòng)環(huán)流的抑制。直流平均環(huán)流可以用a>p的配合控制來消除，而抑制瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的辦法是在環(huán)流回路中串入電抗器，叫環(huán)流電抗器或稱均衡電抗器，如圖1-46(a)中的1和%，一般要求把瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流中的直流分量四限制在負(fù)載額定電流的5%?10%之間。環(huán)