环流（有环流控制的可逆晶闸管-电动机系统）

4.1.2 有环流控制的可逆晶闸管-电动机系统

三．可逆V-M系统中的环流问题 1．环流及其种类：

采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统解决了电机的正、反转运行和回馈制动问题，但是，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流，如图4-5中的Ic。一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。

Id--负载电流 Ic--环流 Rrec--整流装置内阻 Ra--电枢电阻

在不同情况下，会出现下列不同性质的环流：

1）静态环流———两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类：

a) 直流平均环流———由晶闸管装置输出的直流平均电压差所产生的环流称作直流平均环流。

b) 瞬时脉动环流———两组晶闸管输出的直流平均电压差虽为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。

2）动态环流———仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。

2. 直流平均环流与配合控制

由图4-5可以看出，如果让正组VF和反组VR都处于整流状态，两组的直流平均电压正负相连，必然产生较大的直流平均环流。为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态、Ud0f??时，强迫让反组处于逆变状态，Ud0r??，且幅值与Ud0f相等，使逆变电压Ud0r把整流电压Ud0f顶住，则直流平均环流为零。于是

Ud0r??Ud0f

由式（4-1）， Ud0f?Ud0maxcos?f

Ud0r?Ud0maxcos?r

其中?f和?r分别为VF和VR的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出

电压Ud0max是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有

cos?r??cos?f

（4-3）

如果反组的控制角用逆变角?r表示，则

或 ?r??f?180?

?f??r （4-4）

由此可见，按照式（4-4）来控制就可以消除直流平均环流，这称作???配合控制。为了更可靠地消除直流平均环流，可采用

?f??r （4-5）

为了实现???配合控制，可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90°，即当控制电压Uc?0时，使?f0??r0??r0?90?，此时Ud0f?Ud0r?0，电机处于停止状态。增大控制电压Uc移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反就可以了，这样的触发控制电路示于图4-6。用同一个控制电压Uc去控制两组触发装置，正组触发装置GTF由Uc直接控制，而反组触发装置GTR由Uc??Uc控制，Uc是经过反号器AR后获得的。

采用同步信号为锯齿波的触发电路时，移相控制特性是线性的，两组触发装置的控制特性都画在图4-7中。当控制电压Uc?0时，?f和?r都调整在90°。增大Uc时，?f减小而?r增大，或?r减小，使正组整流而反组逆变，在控制过程中始终保持?f??r。反转时，则应保持?r??f。

UcGTFVFRrecMARGTRRaRrec-1VR

图4-6 ???配合控制电路

GTF—正组触发装置 GTR—反组触发装置 AR—反号器

???180o0ofmin?r90o?rmin?90orGTRGTF??-Ucmrminf0o180o?fUc1?UcmfminUc

图4-7 ?=?配合控制特性

为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角?太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中进行限幅，形成最小逆变角?min保护。与此同时，对?角也实施?min保护，以免出现???而产生直流平均环流。通常取?min??min?30?，其值视晶闸管器件的阻断时间而定。

3．???配合控制的有环流可逆V-M系统

采用???配合控制的有环流可逆V-M系统原理框图示于图4-8，图中主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，转速调节器ASR和电流调节器ACR都设置了双向输出限幅，以限制最大起制动电流和最小控

*制角?min与最小逆变角?min。根据可逆系统正反向运行的需要，给定电压Un、转速反馈电

压Un、电流反馈电压Ui都应该能够反映正和负的极性，其中电流反馈能否反映极性是需要注意的，图中的电流互感器采用霍尔变换器可以满足这一要求。

图4-8 ???配合控制的有环流可逆V-M系统原理框图

既然采用???配合控制已经消除了直流平均环流，为什么还称作“有环流”系统呢？这是因为?f??r能使Ud0f??Ud0r，这只是就电压的平均值而言的，由于整流与逆变电压波形上的差异，仍会出现瞬时电压ud0f??ud0r的情况，从而仍能产生瞬时的脉动环流。这个瞬时脉动环流是自然存在的，因此???配合控制有环流可逆系统又称作自然环流系统。瞬时电压差和瞬时脉动环流的大小因控制角的不同而异，图4-9中以?f??r?60?（即

?r?120?）为例绘出了三相零式反并联可逆线路的情况，这里采用零式线路的目的只是为

了绘制波形简单。

图4-9 ???配合控制的三相零式反并联可逆线路的瞬时脉动环流（?f??r?60?） a)三相零式可逆线路和瞬时脉动环流回路 b)?f?60?时整流电压ud0f波形 c)?r?60?(?r?120?)时逆变电压ud0r波形 d)瞬时电压差?ud0和瞬时脉动环流icp波形

图4-9a是三相零式可逆线路和a相整流与b相逆变时的瞬时脉动环流流通的回路；图4-9b是正组瞬时整流电压ud0f的波形，以正半波两相电压波形的交点为自然换向点，

?f?60?；图4-9c是反组瞬时逆变电压ud0r的波形，以负半波两相电压波形的交点为自然

换向点，?r?60?或?r?120?；图中阴影部分是a相整流和b相逆变时的电压，显然其瞬时值并不相等，而其平均值却相同。正组整流电压和反组逆变电压之间的瞬时电压差?ud0?ud0f?ud0r，其波形绘于图4-9d。由于这个瞬时电压差的存在，便在两组晶闸管之间产生了瞬时脉动环流icp，也绘在图4-9d中。由于晶闸管的内阻Rrec很小，环流回路的阻抗主要是电感，所以icp不能突变，并且落后于?ud0；又由于晶闸管的单向导电性，icp只能在一个方向脉动，所以瞬时脉动环流也有直流分量Icp（见图4-9d），但Icp与平均电压差所产生的直流平均环流在性质上是根本不同的。

直流平均环流可以用???配合控制消除，而瞬时脉动环流却是自然存在的。为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，叫做环流电抗器，或称均衡电抗器，如图4-9a中的Lc1和Lc2。环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分量Icp限制在负载额定电流的5%~10%来设计。三相零式反并联可逆线路必须在正、反两个回路中各设一个环流电抗器，因为其中总有一个电抗器会因流过直流负载电流而饱和，失去限流作用。例如在图4-9a中当正组VF整流时，Lc1流过负载电流Id，使铁芯饱和，只能依靠在逆变回路中的Lc2限制环流。同理，当反组VR整流时，只能依靠Lc1限制环流。在三相桥式反并联可逆线路中，由于每一组桥又有两条并联的环流通道，总共要设置四个环流电抗器，见图4-8中的Lc1、

Lc2、Lc3和Lc4。图中在电枢回路中还有一个体积更大的平波电抗器Ld，在流过较大的负

载电流时，环流电抗器会饱和，而Ld体积大，可以不饱和，从而发挥滤平电流波形的作用。

???配合控制系统的移相控制特性示于图4-7。移相时，如果一组晶闸管装置处于整

流状态，另一组便处于逆变状态，这是指控制角的工作状态而言的。实际上，这时逆变组除环流外并未流过负载电流，也就没有电能回馈电网，确切地说，它只是处于“待逆变状态”，表示该组晶闸管装置是在逆变角控制下等待工作。只有在制动时，当发出信号改变控制角后，同时降低了Ud0f和Ud0r的幅值，一旦电机反电动势E?Ud0r?Ud0f，整流组电流将被截止，逆变组才真正投入逆变工作，使电机产生回馈制动，将电能通过逆变组回馈电网。同样，当逆变组工作时，另一组也是在等待着整流，可称作处于“待整流状态”。所以，在???配合控制下，负载电流可以迅速地从正向到反向（或从反向到正向）平滑过渡，在任何时候，实际上只有一组晶闸管装置在工作，另一组则处于等待工作的状态。

由于???配合控制可逆调速系统仍采用转速、电流双闭环控制，其起动和制动过渡过程都是在允许最大电流限制下转速基本上按线性变化的“准时间最优控制”过程。起动过程与不可逆的双闭环系统没有什么区别，只是制动过程有它的特点。整个制动过程可以分为三个主要阶段，以正向制动为例，在第Ⅰ阶段中，电流Id由正向负载电流?IdL下降到零，其方向未变，因此只能仍通过正组VF流通。发出停车（或反向）指令后，转速给定电压Un***突变为零（或负值），则ASR输出Ui跃变到正限幅值Uim，而ACR输出Uc跃变成负限幅值?Ucm，使VF由整流状态很快变成?f??min的逆变状态，同时反组VR由待逆变状态转变成待整流状态。在VF-M回路中，由于VF变成逆变状态，Ud0f的极性变负，而电机反电动势E极性未变，迫使Id迅速下降，主电路电感迅速释放储能，企图维持正向电流，这时

LdId?E?Ud0f?Ud0r dt大部分能量通过VF回馈电网，所以称作“本组逆变阶段”。由于电流的迅速下降，这个阶段所占时间很短，转速来不及产生明显的变化，其波形图见图4-10中的阶段Ⅰ。

图4-10 ???配合控制有环流可逆直流调速系统正向制动过渡过程波形

当主电路电流Id下降过零时，本组逆变终止，第Ⅰ阶段结束，转到反组VR工作，开始通过反组制动。从这时起，直到制动过程结束，统称“它组制动阶段”。它组制动阶段又分第Ⅱ和第Ⅲ两部分。开始时，Id过零并反向，直至到达?Idm以前，ACR并未脱离饱和状态，其输出仍为?Ucm。这时，Ud0f和Ud0r的大小都和本组逆变阶段一样，但由于本组逆变停止，电流变化延缓，LdId的数值略减，使 dtLdId?E?Ud0f?Ud0r dt反组VR由“待整流”进入整流，向主电路提供?Id。由于反组整流电压Ud0r和反电动势E的极性相同，反向电流很快增长，电机处于反接制动状态，转速明显地降低，见图4-10中的阶段Ⅱ，可称作“它组反接制动状态”。

当反向电流达到?Idm并略有超调时，ACR输出电压Uc退出饱和，其数值很快减小，又由负变正，然后再增大，使VR回到逆变状态，而VF变成待整流状态。此后，在ACR的调节作用下，力图维持接近最大的反向电流?Idm，因而

LdId?0，E?Ud0f?Ud0r dt电机在恒减速条件下回馈制动，把动能转换成电能，其中大部分通过VR逆变回馈电网，过渡过程波形为图4-10中的第Ⅲ阶段，称作“它组回馈制动阶段”或“它组逆变阶段”。由图可见，这个阶段所占的时间最长，是制动过程中的主要阶段。

最后，转速下降得很低，无法再维持?Idm，于是，电流和转速都减小，电机随即停止。 如果需要在制动后紧接着反转，Id??Idm的过程就会延续下去，直到反向转速稳定时为止。正转制动和反转起动的过程完全衔接起来，没有间断或死区，这是有环流可逆调速系统的优

点，适用于要求快速正反转的系统。其缺点是需要添置环流电抗器，而且晶闸管等器件都要负担负载电流加上环流。对于大容量的系统，这些缺点比较明显，往往须采用下面讨论的无环流可逆调速系统。

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