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第 四 章 可逆直流调速系统 第一节 可逆运行的基本知识【教学目标】1．知识目标：了解可逆线路接线形式及各自优缺点，掌握可逆运行中电机的四种工作状态， 2．能力目标：能够分析可逆运行的电路。
3．情感目标：激发学生浓厚的学习兴趣，培养学生严谨的科学态度，锻炼实际分析能力。
【教学重点】 可逆拖动的工作状态【教学难点】 可逆拖动工作状态中的逆变状态。
【教学方法】 读书指导法、分析法、演示法、练习法。
【课时安排】 2课时（90分钟）。
【教学过程】 复习导入：问题的提出：有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有可逆的调速系统。
新课：一. 可逆直流调速电路的几种形式只有改变电磁转矩的方向，才能改变转速的方向。
一种是：改变电枢电流的方向 另一种是：改变励磁电流的方向1.电枢可逆电路• （1）接触器开关切换的可逆线路• KMF 闭合，电动机正转； KMR 闭合，电动机反转。
~KMF KMR（2）晶闸管开关切换的可逆线路• VT1、VT4导通，电动机正转； VT2、VT3导通，电动机反转。
（3）两组晶闸管装置反并联可逆线路电动机正转时，由正组晶闸管装置VF 供电；反转时，由反组晶闸管装置VR 供电。
两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。
但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。
各种切换线路的比较• 接触器切换线路——适用于不经常正反转的生产机械； • 晶闸管开关切换线路——适用于中、小功率的可逆系统； • 两组晶闸管反并联线路——适用于各种可逆系统。
2. 励磁可逆线路改变励磁电流的方向也能使电动机改变转向。
与电枢反接可逆线路一样，可以采用接触器开关或晶闸管开关切换方式，也可采用两组晶闸管反并联供电方式来改变励磁方向。
励磁反接的特点：优点：供电装置功率小。
可逆直流电动机调速系统一、电路的组成和工作原理H型双极性PWM 变换器主要由脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD、栅极驱动电路GD 和四个功率场效应晶体管MOSFET 构成的H 型PWM 变换电路构成，电路原理框图见图1-1。
其中脉宽调制器UPW 是可以由专用集成电路SG3525组成的。
SG3525 是一种运用于直流PWM 调速系统控制电路的专用集成电路芯片。
由它产生频率灵活可变的方波脉冲调制信号，改变Vg即可改变其输出方波信号脉冲的宽度。
信号经逻辑延时单元DLD 后，通过隔离驱动电路GD(IR2110)，控制PWM 电路的四个MOSFET（IRF840）VT1、VT2、VT3、VT4 的通断，产生脉冲宽度可以调节的直流PWM 波形供给负载，改变U g，即可改变负载两端电压波形的占空比，从而改变负载上的平均电压U d。
图1-1电路原理框图插上电源插头，合上自动开关。
用万用表量测低压直流电源是否为±15V左右。
确认正常后再进行以下实验步骤。
二、SG3525性能测试：按下S1琴键开关，（1）用示波器观察UPW的“1”端的电压波形，记录波形的周期、幅度。
（2）用示波器观察UPW的“2”端的电压波形，调节UPW的RP电位器，使方波的占空比为50%。
（3）用导线将NMCL-31A的“G”的“1”和“UPW”的“3”相连，分别调节正负给定，记录“2”端输出波形的最大占空比和最小占空比。
2．控制电路的测试（1）逻辑延时时间的测试在上述实验的基础上，分别将正、负给定均调到零，连接UPW的“2”端和DLD的“1”端，用示波器观察“DLD”的“1”和“2”端的输出波形，并记录延时时间td=（2）同一桥臂上下管子驱动信号列区时间测试分别将“隔离驱动”的G和主回路的G相连，用双踪示波器分别测量VVT1.GS 和VVT2.GS以及VVT3.GS和VVT4.GS的死区时间：tdVT1.VT2=tdVT3.VT4=3．PWM 主电路的测试PWM 主电路由三相不控整流桥和H 型PWM 电路组成。
在上述实验的基础上，可以进行主电路的测试。
先断开自动开关，将三相交流电源输出的U、V、W 端与PWM 单元的U、V、W 端连接，连续PWM 单元的“1”端和“3”端，在PWM 的“6”端和“7”串联一直流电流表和滑线变阻器(注意!一定要将滑线变阻器的阻值调到最大)。
合上自动开关，按下闭合按钮。
(1) 用直流电压表(或万用表)量测PWM 单元“1”和“2”的电压值并记录。
(2) 用示波器观察“1”、“2”两端的电压波形并记录。
(3) 当Vg为零时，用示波器观察负载电阻上的电压波形。
(4) G 单元开关S1 扳向上正给定，调节RP1，用示波器观察负载电阻上电压波形，并用万用表(或直流电压表)量测负载上电压的数值。
(5) G 单元S1 开关扳向负给定，调节RP2，重复(4)内容。
三、系统参数的测定1．PWM 直流电动机系统主电路总电阻R 和电枢电阻Ra 的测定。
主电路总电阻R 包括直流电动机的电枢电阻Ra 和PWM 变换电路的内阻R rec，即R = R a + R rec测定元部件的电阻时，由于其阻值较小，若用欧姆表或电桥测量，因是小电流检测，接触电阻的影响很大，因此一般采用直流伏安法，即采用伏安比较法来测定电阻，实验线路如图1-2 所示(只画主电路部分)。
图1-2 PWM 直流电动机系统主电路(1) 在被测系统中的主电路中串入滑线变阻器，并将其调至最大值，电动机不加励磁，使电动机堵转。
给定电位器RP1 和RP2 均调至零，使G 单元输出Vg 电压为零。
连接隔离及驱动电路的G 与PWM 的G。
连接主电路，按下主电路电源按钮(闭合钮)。
(2) 调整RP1或RP2给定电压，使主电路“6“、”7“端间的U d = (30～70)%U N ，(用万用表量测)。
然后调整滑线变阻器RP，使直流电流表的电流(即主电路电流)为(80～90)%I N。
读取直流电流表 A 和直流电压表V 的读数并记录。
设为I1和U1。
则此时PWM 变换器的理想定载电压为U d0 = I1R + U1(3) 调节滑线变阻器RP，使电流表A 的读数为40%I N，在理想定载电压U d0近似不变的前提下，读取并记录此时A 和V 的数值，设为I2和U2，则有U d0 = I2R + U2由以上两式中消去U d0，即可得主电路总电阻RR=（U2－U1）/（I1－I2）；为减小由于非线性和接触电阻等原因造成的误差，可以改变给定电压Vg 而使“6”、“7”间电压改变，重复上述实验，然后求取平均值。
(4) 将电动机电枢两端短接，重复上述(2)、(3)实验，可测得PWM 变换电路的内阻，也可多做几组求取平均值。
电动机电枢电阻Ra 则可由下式求得R a = R －R rec2．PWM 电动机系统主电路总电感L 的测定主电路总电感包括电动机的电枢电感L a 和隔离变压器漏感L TR ，但因L TR 之值很小，可略去不计，因此主电路的总电感L 就是电动机电枢电感La ，即L = La测量电感的数值可以用交流伏安法，为了接近实验情况，测量时电动机需要加励磁，并使电动机处于堵转状态。
测量时的实验线路如图1-3 所示。
直流电动机串联滑线电阻器后接在交流电源相电压(U 、N)上，将直流励磁电源输出接直流电动机励磁绕组。
按下主电源闭合按钮，保持直流电动机在堵转状态。
图1-3 实验线路图(1) 调节滑线变阻器RP ，使电动机电枢两端交流电压的有效值为(30～70)%U N ，用交流电压表V 和交流电流表A 分别测出通入交流电后电枢两端的电压值Ua 和电枢中流过的电流I ，由此可以得到交流阻抗Za ：Za = Ua/I ，并计算出电枢电感La: )2(22f R Z L a aa π-=，式中f 为电网电压频率，一般f = 50HZ 。
(2) 调节RP ，改变电枢两端的电压值，重复上述实验，做几组，求其平均值。
3．测定PWM 直流电动机系统主电路电磁时间常数T l 。
求取PWM 直流电动机系统主电路电磁时间常数T l 可以有不同的方法，可以采用计算法和电流波形法。
(1) 计算法根据1、2 实测的主电路电阻和电感直接计算电磁时间常数T l 。
主电路电磁时间常数有：电动机电枢电磁时间常数为： (2) 电流波形法按图1-2 连接系统，接上控制电路给定Vg(Vg 接UPM 的“3”端、滑线变阻器为零)，连接交流电源，调节给定电压Vg 使电流表读数至电流Id=(50～90)I N 。
保持Vg 不变，利用G 单元开关S2 实现突加给定电压Vg ，利用慢扫描示波器观察并记录电流变化波形(PWM 单元的“5”、“6”端电压波形)。
利用波形i d (t) 指数变化曲线，测量计算出电流上升到稳态值的63.2%的时间，即为主电路电磁时间常数T l 的值。
取几个不同的稳态电流值，求T l 的平均值。
4．测定直流电机机组的飞轮惯量GD 2。
电力拖动系统的运动方程式为dt dn GD T T L e /)375/(2⨯=-式中， T e —电动机的电磁转矩，N·m ；T L —负载转矩，N·m(空载时即为空载转矩T L0)；n —电动机转速，r/min ；GD 2—电力拖动系统机组的飞轮惯量N·m 2。
电动机空载自由停车时（T e ＝0、T L ＝T L0）的dn/d t 就可以求得机组的飞轮惯量GD 2。
dt dn GD T L /)375/(2⨯-=，)//(37502dt dn T GD L ⨯=(1) 电动机组的空载转矩T L0 可通过测定电动机在不同转速n 下的电枢电压U a 和空载电流I 0，并通过计算电动机的空载损耗P 0 得到，即n P T L /55.900=，R I I U P a 2000-=测定时，电动机须加额定励磁，实验线路的主电路部分如图1-4 所示。
图1-4 实验线路的主电路图(2) dn/dt 值可由自由停车时测得的曲线n=f (t)求得。
按照图1-4 线路接线，G 单元“U g”接PWM 的“3”并将G 单元的RP1 和RP2 调到零。
连接主电路电源线，在PWM 单元的“6”、“7”之间按图1-4 连接电动机电枢及测量仪表，电动机加额定励磁，将机组上的转速输出接FBS 单元的“1”、“2”，将该单元的RP 调至中间区域。
(3) 合上自动开关，按下主电源“闭合”按钮，调节Ug ，使电动机空载起动到某一稳定转速(一般取电动机的额定转速n N )，测量并记录此时的电枢电压Ua 、空载电流I 0 和转速n 。
突然断开给定电压(将G 单元的开关S2下扳)，用慢扫描示波器观察并记录自由停车的转速下降曲线n=f (t)，即可求取某一转速时的空载转矩和dn/dt 。
由于空载转矩不是常数，可以以转速n 为基准，选择若干个点，求出相应于某一转速n 时的T L0 及dn/dt 值，以求得GD 2 的平均值。
5．测定直流电动机的电势系数C e 和转矩系数C m 。
通常电动机的电动转速比C e 可以利用下面公式直接由电动机的已知参数求得，即但是，式中的U N 、I N 、n N ，是电动机铭牌上直接给出的，而电枢电阻Ra 并不直接给出，而是实测求得。
为了避免由于电枢电阻Ra 测量误差的影响，可以改用测定空载损耗时的数据，对应所选择的转速区段，求得电动机在额定磁通下的电动势转速比C e，即将电动机加额定励磁，使其空载运行，改变电枢电压U d，测得相应的n，即可由下式算出C eCe=Ke =（U d2－U d1）/（n2－n1）式中，Ce的单位为V/（r/min），分别取几点，求取C e的平均值。
额定磁通下，电动机的转矩电流比可利用下式直接求取，即C e≈ 9.55C m6．测定PWM 直流电动机系统的机电时间常数T m系统的机电时间常数T m可利用上面测定的电动机参数由公式直接计算求得，即由于通常电动机系统的机电时间常数T m远大于其电磁时间常数，即T m>>T l，因此可以把PWM 直流电动机系统的电动机部分由二阶环节近似看成一阶惯性环节，即当T m>>T l时存在当电动机电枢突加电压U d时，转速n将按指数规律上升。
因此，可以利用图1-4 线路，突然给电动机电枢加电压(即突然合上G 单元的开关S2)，用慢扫描示波器观察并记录转速上升曲线n=f(t)，转速n到达63.2%稳态转速所经过的时间即可以认为是PWM 电动机系统的机电时间常数T m。
7．测定PWM 变换器输入输出控制特性U d=f(U c) 和测速发电机转速变换特性U TG = f(n) 。
实验线路如图1-4 所示，电动机加额定励磁。
逐渐增加UPW 单元的给定电压Ug(接在UPW 单元的“3”端)，分别用万表读取Ug、U TG，用直流电压表(或万用表)读取U d，用数字测速计读取n，记录下若干组数据，即可描绘出特性曲线U d=f(Uc)和U TG=f(n)。
