第六章交流异步电动机变频调速系统ppt课件.ppt
第六章 交流异步电动机变频调速系统,交流调速的基本方案,由电机学的基本公式：,可见，异步电动机的调速方案有：改变极对数p，改变转速率s（即改变电动机机械特性的硬度）和改变电源频率f1。 交流调速的分类如下：,变极对数调速是有级的； 变转差率调速，不调同步转速，低速时电阻能耗大、效率较低；只有串级调速情况下，转差功率才得以利用，效率较高。 变频调速是调节同步转速，可以从高速到低速都保持很小的转差率，效率高、调速范围大、精度高，是交流电动机一种比较理想的调速方案。 在变频控制方式上又可分为变压变频调速，矢量控制变频调速和直接转矩控制变压变频调速等几种。,第一节 变频调速的基本控制方式和机械特性 通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想的调速方法 。,原理：利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速。保,证U/f =定值，可以实现恒转矩调速或恒功率调速。 在进行电机调速时，为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通m不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/f1=常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。 如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。 对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对,6,主磁通 保持不变,变频同时要变压,磁回路饱和，严重时将烧毁电机,气隙磁通在定子绕组中感应电动势,电枢反应有恰当的补偿，m保持不变是很容易做到的。,在交流异步电机中，磁通m由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。 定子每相电动势,（6-1）,式中：Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；,定子频率，单位为Hz；,定子每相绕组串联匝数；,基波绕组系数；,每极气隙磁通量，单位为Wb。,f1,Ns,kNs,m,1. 基频以下调速 由式（6-1）可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通m 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。,常值 （6-2）,即采用恒值电动势频率比的控制方式。恒压频比的控制方式 绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，,则得,（6-3）,这是恒压频比的控制方式。 但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。 带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。 2. 基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压,a 无补偿,b 带定子压降补偿,UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。,把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，电磁转矩 Te = Km I 。在调压调速范围内，励磁磁通不变，容许的输出转矩也不变，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许输出转矩减小，而容许输出转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，为“恒功率调速方式”。,图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性,Us,mN,m,异步电动机的变压变频调速是进行分段控制的：基频以下，采取恒磁恒压频比控制方式；基频以上，采取恒压弱磁升速控制方式。,a) 基频以下(U1/f1=恒量) b) 基频以上(U1=恒量),图三相异步电动机变频调速时的机械特性,恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性,（6-4）,特性分析 当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则,也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性Te=f（s）是一段直线，见图6-3。,异步电动机电压频率协调控制时的机械特性,当 s 接近于1时，可忽略式（6-4）分母中的Rr ，则,（6-6）,即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时， Te = f（s）是对称于原点的一段双曲线。,机械特性 当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图6-3所示。,机械特性,sm,图6-3 恒压恒频时异步电机的机械特性,基频以下电压-频率协调控制时的机械特性,由式（6-4）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩Te和转速n（或转差率s）的要求，电压Us和频率1可以有多种配合。 在Us和1的不同配合下机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压频率协调控制。1.恒压频比控制（Us/1） 为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化。,在式（6-5）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出,（6-9）,带负载时的转速降落为,（6-8）,（6-7）,由此可见，当Us/1为恒值时，对于同一转矩Te，s1是基本不变的，因而n也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率,1时，机械特性基本上是平行下移，如图6-4所示。它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。 所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小。,（6-10）,可见最大转矩Temax是随着的1降低而减小的。频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，,采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增强带载能力，见图6-4。,图6-4 恒压频比控制时变频调速的机械特性,补偿定子压降后的特性,恒Eg/1控制 下图再次绘出异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下： Eg 气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势； Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势；Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。特性分析 如果在电压频率协调控制中，恰当地提高,异步电动机等效电路,电压Us的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持Eg/1为恒值（基频以下），则由式（6-1）可知，无论频率高低，每极磁通m均为常值。 由等效电路可以看出,（6-11）,代入电磁转矩关系式，得,（6-12）,利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（6-12）分母中含 s 项，则,（6-13）,这表明机械特性的这一段近似为一条直线。 当s 接近于1时，可忽略式（6-12）分母中的Rr2项，则,（6-14）,s 值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频比特性相似。,但是，对比式（6-4）和式（6-12）可以看出，恒Eg/1特性分母中含s 项的参数要小于恒 Us/1特性中的同类项，也就是说，s 值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒Eg/1特性的线性段范围更宽。 将式（6-12）对s 求导，并令dTe/ds = 0，可得恒Eg/1控制特性在最大转矩时的转差率和最大转矩,（6-15）,（6-16）,值得注意的是，在式（6-16）中，当Eg/1 为恒值时，Temax恒定不变，如下图所示，其稳态性能优于恒Us/1控制的性能。 这正是恒Eg/1控制中补偿定子压降所追求的目标。恒Er/1控制 如果把电压频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒 Er/1控制，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出,（6-17）,机械特性曲线,Temax,恒 Eg /1 控制时变频调速的机械特性,代入电磁转矩基本关系式，得,（6-18）,现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线，见图6-6。 显然，恒 Er /1 控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。 现在的问题是，怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的 Er /1 呢？,几种电压频率协调控制方式的特性比较,图6-6 不同电压频率协调控制方式时的机械特性,恒 Er /1 控制,恒 Eg /1 控制,恒 Us /1 控制,a,b,c,按照式（6-1）电动势和磁通的关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在式（6-1）中，气隙磁通的感应电动势 Eg 对应于气隙磁通幅值 m ，那么，转子全磁通的感应电动势 Er 就应该对应于转子全磁通幅值 rm ：,（6-19）,由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值rm=Constant 进行控制，就可以获得恒Er/1了。这正是矢量控制系统所遵循的原则。4几种协调控制方式的比较 （1）恒压频比（Us/1= Constant）控制最容,易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。（2）恒Eg/1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到rm= Constant，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。（3）恒Er/1控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通rm恒定进行控制，即得 Er/1= Constant,而且，在动态中尽可能保持rm恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。,基频以上恒压变频时的机械特性 在基频以上变频调速时，由于定子电压 Us= UsN 不变，式（6-4）的机械特性方程式可写成,（6-20）,而式（6-10）的最大转矩表达式可改写成,（6-21）,同步转速的表达式仍和式（6-7）一样。,机械特性曲线,恒功率调速,由此可见，当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图所示。,图6-7 基频以上恒压变频调速的机械特性,由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。 最后，应该指出，以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗。因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。,变 频 器,直流调速系统具有较优良的静、动态性能指标，因此，在过去很长时期内，调速传动领域大多为直流电动机调速系统。 如今，由于全控型电力电子器件（如BJT、IGBT）的发展、SWPM专用集成芯片的开发、交流电动机矢量变换控制技术以及单片微型计算机的应用，使得交流调速的性能获得极大的提高，在许多方面已经可以取代直流调速系统，特别是各类通用变频器的出现，使交流调速已逐渐成为电气传动中的主流。,目前,市场主流的变频器种类有: ABB公司ACS系列、西门子公司的MICROMASTER系列和6SE70系列、富士电机公司的FRN-G9S/P9S系列、三菱电机公司的FRA540/FR-F540系列、安川公司的VS-616G5系列、三肯公司的SAMCO-I/IP系列等。,（1）西门子,图2-1 MICROMASTER 4(MM4)系列（通用型变频器）,38,（1）西门子,图2-2 SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE7系列（工程型变频器）,39,（2）ABB,图2-3 ACS600、ACS800、ACS1000系列,（3）三菱,图2-4 FR-A540、FR-F540、FR-A241E、FR-F700系列,40,变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）,41,变频调速的发展历程,如：矩阵式变频器,大功率传动使用变频器，体积大，价格高,未来发展方向完美无谐波,超静音变频器开始流行解决了GTR噪声问题变频器性能大幅提升大批量使用，取代直流,变频器体积缩小，开始在中小功率电机上使用,42,变频器分类,VVVF（变压变频） 异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子的电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现所谓的VVVF（Variable Voltage Variable Freqency）调速控制。变频器的基本构成 变频器由主电路（整流器、中间直流储能环节、逆变器）和控制电路组成，如下所示。整流器：将固定的交流电压变换成固定直流电压或可调的直流电压的装置（AC-DC转换）。,44,图 变频器的基本构成,逆变器：将固定直流电压变换成固定的或可调的交流电压的装置（DC-AC转换）。斩波器：将固定直流电压转换成可调的直流电压的装置（DC-DC转换）。,45,变频器总体分为“交-交变频器”与“交-直-交变频器”两种，如图所示。,图 变频器的结构框图a）交-交变频器 b）交-直-交变频器,46,1、交-交变压变频器,把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。没有中间环节，变换效率高。又称直接式变压变频器。 交交变频的最高输出频率是电网频率的1/3-1/2，在大功率低频范围有很大的优势 。,47,48,49,交-交变频器在结构上没有明显的中间直流环节（或者叫“中间直流储能环节”、或“中间滤波环节”），来自电网的交流电被直接变换为电压、频率均可调的交流电，所以称为直接式变频器。 常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。 也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路（下图a）。,交-交变压变频器的基本电路结构,图 a 交-交变压变频器每一相的可逆线路,整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u0，u0 的幅值决定于各组可控整流装置的控制角，u0 的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如下图b所示。,交-交变压变频器的控制方式, 调制控制方式 要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角 由/2（对应于平均电压u0=0）逐渐减小到0（对应于u0最大），然后再逐渐增加到/2（u0 再变为0），如下图所示。,图 交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形,当角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中虚线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。,单相交交变频电路输出电压和电流波形,三相交交变频电路 三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图所示。 如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。 因此，这样的交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。,不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。,三相交交变频器的基本结构,输出星形联结方式三相交交变频电路,三相桥式交交变频电路,交-交变频调速系统的特点:交交变频调速与交直交变频调速相比优点：节省了换流环节，提高了效率；在低频时波形较好，电动机谐波损耗及转矩脉动大大减小。缺点：最高频率受电网频率的限制，且主回路元件数量多。输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的1/31/2，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿,轮减速箱。 近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，类似于 PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行，但当输出电压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.866。目前这类变压变频器尚处于开发阶段，其发展前景是很好的。2.交-直-交变压变频器原理:首先将电网中的交流电通过整流器变为直流电，再用逆变器将直流电变为频率可变的,交流电供给异步电动机。,先将电源的三相(或单相)交流电经整流桥整流成直流电，又经逆变桥把直流电“逆变”成频率任意可调的三相交流电。其中，变频的核心部分就是“逆变电路”。,交-直-交变频器的主电路框图,逆变电路,单相逆变桥及其工作过程: （1）前半周期 令V1、V2导通;V3、V4截止。则负载ZL中的电流从a流向b，ZL上得到的电压是a“”、b“”，设这时的电压为“”。,（2）后半周期 令V1、V2截止;V3、V4导通。则负载ZL中的电流从b流向a，ZL上得到的电压是a“”、b“”，这时的电压为“”。 上述两种状态如能不断地反复交替进行，则负载ZL上所得到的便是交变电压了。这就是由直流电变为交流电的“逆变”过程。,三相逆变桥及其工作,三相逆变桥的电路结构如上图所示。其工作过程与单相逆变桥相同，只要注意三相的相位之间互差三分之一周期(T/3)就可以了。 上述逆变过程看似简单：无非是若干个开关反复地交替导通而已。但问题的关键恰恰在于这些开关器件上。因为，这些开关器件必须满足以下要求:能承受足够大的电压和电流： 我国三相低压电网的线电压均为380V，经三相全波整流后的平均电压为513V，而峰值电压则为537V。考虑到在过渡过程中，由于电感及负载动能反馈能量的效应，开关器件的耐压应,1000V以上。 以中型的150kW的电动机为例，其额定电流为250A，而电流的峰值为353A。考虑到电动机和变频器都应该具有一定的过载能力，该变频器开关器件允许承受的电流应大于700A。 上述条件对于有触点开关器件来说，是早已做到了的。 允许频繁地接通和关断：如上所述，逆变过程就是若干个开关器件长时间地反复交替导通和关断的过程，这是有触点开关器件所无法承受的。必须依赖于无触点开关器件，而无触点开关器件要能承受足够大的电压和电流，却并,非易事。可以说，正是这个要求，阻碍了变频器的出现长达近百年之久。 接通和关断的控制必须十分方便：最基本的控制如:频率的上升和下降、改变频率的同时还要改变电压等等 上面所说的无触点开关器件，实际上就是半导体开关器件。半导体器件在初期阶段只能用于低压电路中，当半导体器件终于能够承受高电压和大电流时，就形成了一门新的学科，即电力电子学。而随着电力电子技术的成熟与发展，用与交流调速方案的变频器和变频调速技术也应运而生。,可以这样说：20世纪70年代，电力晶体管GTR问世，把变频调速推向了实用阶段，于80年代初开始逐渐推广。20世纪80年代末，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的成功开发，才真正使得交流变频调速的关键设备变频器在许多方面得到了较大的提高。交-直-交变频器 有明显的中间直流环节，工作时，首先把来自电网的交流电变换为直流电，经过中间直流环节之后，再通过逆变器变换为电压、频率均可调的交流电，故又称为间接式变频器，如下图所示。,具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如下图所示。,图 交-直-交PWM变压变频器,变压变频(VVVF),中间直流环节,恒压恒频(CVCF),PWM逆变器,DC,AC,AC,50Hz,调压调频,C,PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：（1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。（2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。（3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不,受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。 PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。 受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（SCR），并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器，见下图。,交-直-交变频器按直流电源的性质分为： 在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在,于直流环节采用怎样的滤波器。,特征：在中间的直流回路中串入一个大电感作为储能环节，由于电感对电流变化的平抑作用，直流电部分将近似为一个电流源，所以称为电流型。,特征：在中间的直流回路中串入一个大电容作为储能环节，由于电容对电压有稳压作用，直流电部分将近似为一个电压源，所以称为电压型。,电流源型逆变器（Current Source Inverter- CSI）原理：整流输出靠直流电抗器滤波，具有恒流源特性，直流环节采用大电感滤波，直流电流Id波形比较平直，电动机的电流波形为方波或阶梯波，电压波形接近于正弦波。直流电源的,内阻较大，近似于电流源，故称为电流源型变频器或电流型变频器。,图 电流型变频器的主电路,优点：电流型变频器的一个较突出的优点是，当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可以方便地回馈到交流电网，不需,74,在主电路内附加任何设备，只要利用网侧的不可逆变流器改变其输出电压极性（控制角a900）即可。应用场合：适用于4象限运行和要求快速调速的场合，可用于频繁急加减速的大容量电动机的传动。在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。电压源型逆变器（Voltage Source Inverter-VSI）原理：整流输出经电感电容滤波，具有恒压源特性，逆变器具有反馈二极管，是一种方波电压逆变器。变频器对三相交流异步电动机提供可调的电压与频率成比例的交流电源。,75,直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。典型的一种主电路结构形式如图所示。其中用于逆变器晶闸管的换相电路未画出。 变频器的每个导电臂，均由一个可控开关器件和一个不控器件（二极管）反并联组成。晶闸管VT1-VT6称为主开关器件，VD1-VD6称为回馈二极管。,76,图 电压型变频器的主电路,优点及应用场合： 对负载电动机而言，电压型变频器是一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行，具有不选择负载的通用性。,77,缺点：这种方法若不设置与整流器反向并联的再生逆变器，则不能实现再生制动。 电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的无功能量难于回馈给交流电网。要实现这部分能量向电网的回馈，必须采用可逆变流器。如下图所示，网侧变流器采用两套全控整流器反并联。电动时由电桥I供电，回馈时电桥II作有源逆变运行（a900），将再生能量回馈给电网。,再生能量回馈型电压型变频器,78,两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现如下：（1）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。 因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。（2）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步,79,电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。 下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSI构成的交-直-交变压变频调速系统（如下图所示）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。 当电动运行时，UCR的控制角，电动机以,80,转速运行，电功率的传送方向如图a所示。电动运行状态,81,如果降低变压变频器的输出频率1，或从机械上抬高电机转速，使190，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压Ud立即反向，而电流Id 方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图b）。 与此相反，采用电压源型的交-直-交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。,82,逆变运行状态,83,（3）动态响应 正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。（4）输出波形 电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流波形为方波（见表）。,表6-1 两种逆变器输出波形比较,84,（4）应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。180导通型和120导通型逆变器 交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源，下图为6个电力电子开关器件VT1VT6组成的三相,85,逆变器主电路，图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。,86,控制各开关器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压。在某一瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。在三相桥式逆变器中，有180导通型和120导通型两种换流方式。（1）180导通型控制方式 同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器称作180导通型逆变器。 例如，当VT1关断后，使VT4导通，而当VT4关断后，又使VT1导通。这时，每个开关器件在一,87,个周期内导通的区间是180，其他各相亦均如此。由于每隔60有一个器件开关，在180导通型逆变器中，除换流期间外，每一时刻总有3个开关器件同时导通。 但须注意，必须防止同一桥臂的上、下两管同时导通，否则将造成直流电源短路，谓之“直通”。为此，在换流时，必须采取“先断后通”的方法，即先给应关断的器件发出关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，叫做“死区时间”，再给应导通的器件发出开通信号。 死区时间的长短视器件的开关速度而定，器,88,件的开关速度越快时，所留的死区时间可以越短。为了安全起见，设置死区时间是非常必要的，但它会造成输出电压波形的畸变。,电压型逆变电路的波形,89,（2）120导通型控制方式 120导通型逆变器的换流是在不同桥臂中同一排左、右两管之间进行的。 例如，VT1关断后使VT3导通，VT3关断后使VT5导通，VT4关断后使VT6导通等等。这时，每个开关器件一次连续导通120，在同一时刻只有两个器件导通，如果负载电机绕组是Y联结，则只有两相导电，另一相悬空。,90,电流型三相桥式逆变电路的输出波形,91,按输出电压调节方式分类 变频调速时，需要同时调节逆变器的输出电压和频率，以保证电动机主磁通的恒定。对输出电压的调节主要有两种方式： PAM：脉冲幅值调节（Pulse Amplitude Modulation） PWM：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）1.PAM方式 是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。在PAM变频器中，逆变器只负责调节输出频率，,92,图 电压型变频器的主电路,而输出电压的调节则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压Ed去实现。（1）相控整流器：可控整流器调压、逆变器调频。,93,图 采用直流斩波器的PAM方式,（2）直流斩波器：二极管整流、斩波器调压、逆变器调频。,2.PWM方式原理：脉冲宽度调制变频（PWM变频）调速的电路结构与电压型变频调速相似，只是用不可控整流器代替了原来的可控整流器，逆变器可以用晶闸管，但更多的是用大功率晶体管（GTR）或可关断晶闸管（GTO）等全控型器件。 脉冲宽度调制变频调速是将一个周期的逆变电压分割成几个脉冲。分配脉冲时使电源谐波成分尽量减少。改变脉冲数和脉冲宽度，使供给电动机的基波电压与频率成比例变化。频率越高脉冲数越少。 最常见的主电路如下图所示。变频器中的整,95,流器采用不可控的二极管整流电路。变频器的输出频率和输出电压的调节均由逆变器按PWM方式来完成。 利用参考电压波与载频三角波互相比较来决定主开关器件的导通时间而实现调压。利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。 这种参考信号为正弦波、输出电压平均值近似为正弦波的PWM方式，称为正弦 PWM 调制，简称SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）方式。在通用变频器中，在通用变频器中，采用SPWM方式调压，是一种最常采用的方案。,96,图 PWM变频器主电路,97,按控制方式分类1.U/f控制 基频以下可以实现恒转矩调速，基频以上则可以实现恒功率调速。 U/f方式又称为VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）控制方式，其简化的原理性框图如图2-18所示。 逆变器的控制脉冲发生器同时受控于频率指令f和电压指令U，而f与U之间的关系是由 U/f曲线发生器（U/f模式形成）决定的。这样经PWM控制之后，变频器的输出频率f和输出电压U,98,之间的关系，是U/f曲线发生器所确定的关系。 可见，转速的改变是靠改变频率的设定值f来实现的。电动机在f不变条件下，转子转速将随负载转矩变化而变化，故U/f控制常用于速度精度要求不高或负载变动较小的场合。 U/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。,99,图2-18 U/f控制方式,2.转差频率控制 由于U/f控制的静态调速精度显然较差，为提高调速精度，采用转差频率控制方式。 根据速度传感器的检测，可以求出转差频率f，再把它与速度设定值f相叠加，以该叠加,100,值作为逆变器的频率设定值f1，就实现了转差补偿。这种实现转差补偿的闭环控制方式称为转差频率控制方式。 与U/f控制方式相比，其调速精度大为提高。但是，使用速度传感器求取转差频率，要针对具体电动机的机械特性调整控制参数，因而这种控制方式的通用性较差。,转差频率控制方式的原理图如图 2-19所示。经转差补偿后定子频率的实际设定值为f1 f+f，调速精度提高了。,101,图2-19 转差频率控制方式a)电路结构 b)机械特性,3.矢量控制 长期以来，直流电动机调速系统的机械特性一直是人们公认的佼佼者。所以，三相交流异步电动机变频调速系统的机械特性能否和直流调速系统相媲美，便成为了变频调速系统能否,102,覆盖全部调速领域的试金石。 变频变压调速系统所存在的不足：频率越低，电动机的有效转矩越小，带负载能力也越小。显然，这样的机械特性是难以和直流调速系统相比拟的。 V/F控制调速方案中，当转矩的低频补偿线,103,选定之后，交流电动机输入电压U1的大小就只和工作频率f1有关，而和负载轻重无关。 但许多负载在同一转速下，负载转矩是常常变动的。例如塑料挤出机在工作过程中，负载的阻转矩是随塑料的加料情况、熔融状态以及塑料本身的性能等而经常变动的。 用户在决定V/f线时，只能根据负载最重时的状况(I1I1N)进行选择。当负载较轻时，电压的补偿量将处于“过补偿”状态。这是因为:负载较轻时，电流I1下降，定子绕组的阻抗压降I1Z1也减小。结果，比值U1/f1将偏大，使磁路饱和。,104,上述分析表明，当变动负载采用V/F控制法时，电动机磁路的饱和程度将随着负载的变化而变化，这无疑是个瑕疵，使它仍难以和直流电动机相媲美。 直流电动机的调速性能是十分优越的，所以，人们就致力于分析直流电动机调速性能优越的原因，进而研究如何使异步电动机也能够具有和直流电动机类似的特点，从而改善其调速性能，这就是矢量控制的基本指导思想。,直流电动机的特点,磁通在空间是互相垂直的。如图(a)所示。 电路特点：励磁绕组的电路和电枢电路是互相独立的，如图(b)所示。调速特点：在这两个互相垂直而独立的磁场中，只需调节其中之一即可进行调速，两者互不干扰，调速后的机械特性如图(c)所示。,磁场特点：直流电动机中有两种磁通。主磁通：由定子上的主磁极产生，用表示。主磁极上有励磁绕组，绕组中通有励磁电流I0；电枢磁通：由转子绕组中的电枢电流IA产生，用A表示。主磁通和电枢,矢量控制的基本考虑,仿照直流电动机的特点，当变频器得到给定信号后，首先由控制电路把给定信号分解为两个互相垂直的磁场信号:励磁分量M和转矩分量T，与之对应的控制电流信号分别为iM和iT。并假设，这两个互相垂直的磁场信号在空间是旋转着，转速等于给定频率相对应的同步转速。旋转着的直流磁场，和由三相电流产生的旋转磁场，在转速和磁感应强度都相同的前提下，是可以进行等效变换的。所以，直流旋转磁场的控制信号可以等效地变换成三相交变磁场的控制信号iA、iB和iC，用来控制逆变桥中各开关器件的工作，如图所示。在运行过程中，当由于负载发生变化导致转速变化，并通过转速反馈环节反馈到控制电路时，令磁场信号iM不变，而只调整转矩信号iT，从而使异步电动机得到和直流电动机十分相似的机械特性。,108,按主开关器件分类 逆变器主开关器件的性能，往往对变频器装置的性能有较关键的影响。通用变频器中最常用的主开关器件都是自关断器件，主要有IGBT、GTO和BJT。 (目前采用以IGBT为主开关器件的IPM（智能电力模块），也成为一种趋势，但仅在小容量变频器中开始采用。) IGBT的性能优于BJT，且容量范围可以覆盖BJT。实际上，BJT被IGBT取代已成定势。 目前生产厂商新出品的通用变频器，大多数,109,都已采用IGBT。短短几年中，IGBT已经发展了三代产品，近两年，日本东芝公司为突破IGBT难于达到4000V以上的难关，开发一种沟道栅结构的IGBT，称为IEGT。 GTO的特点是电压高、电流大，已出现6000V/6000A、11000V/10000A的巨型GTO。目前GTO主要用于高压大容量变频器。原来它在中等容量领域的地位，将被IGBT所取代。 就通用变频器来看，将来将以 IGBT变频器为主，BJT变频器不会再有新上市的产品，IPM的应用会逐步增加。,110,IGBT变频器有如下特点： (1）可以制成所谓静音式变频器，使负载电动机的噪声降到工频电网供电时的水平。（2）电流波形更加正弦化，有利于减轻电动机转矩的脉动，并增加低速时的转矩。 (3）用于矢量控制时，动态响应特性更快。（4）与BJT变频器相比较，更容易制成上限频率较高的变频器。PWM控制方式更简单，可以省去“分段同步调制”的麻烦。（5）与BJT变频器相比较，驱动功率小，驱动电路简单，整机体积小，重量轻。,变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术 早期的交-直-交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波（对于电压型逆变器）或矩形波（对于电流型逆变器），这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化，从而会有较大的低次谐波，使电机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能，在低速运行时更为明显。 为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，,六拍逆变器主电路结构,六拍逆变器的谐波,科技工作者在20世纪80年代开发了应用PWM技术的逆变器。 由于它的优良技术性能，当今国内外各厂商生产的变压变频器都已采用这种技术，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才属例外。正弦波脉宽调制(SPWM)技术,PWM波:
