交流电动机变频调速基础.ppt
动车组传动与控制-交流电动机变频调速,第6章、交流电动机调速,一、交流电动机调速的优越性,交流调速的应用主要有三个方面：（1）一般性能的节能调速（2）高性能的交流调速系统和伺服系统（3）特大容量、极高转速的交流调速,第一节 概述,二、交流电动机原理及结构,第6章、交流电动机调速,第二节 交流电动机控制基础,、,、,第6章、交流电动机调速,图中，,为气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势；,为定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势；,为转子全磁通在转子绕组中的感应电动势折合到定子边。,、,为定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；,、,为定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；,为定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；,、,为定子相电压和供电角频率；,为转差率。,第6章、交流电动机调速,三、三相异步电动机的机械特性,第6章、交流电动机调速,第四节 三相异步电动机的调速,第6章、交流电动机调速,一、变压变频调速控制基础（一）变压变频的基本控制方式,1基频以下调速,常值,恒压频比的控制方式,第6章、交流电动机调速,但是，在低频时,和,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,抬高一些，以近似地补偿定子压降。,第6章、交流电动机调速,2基频以上调速,在基频以上调速时，频率应该从向上升高，但定子电压却不可能超过额定电压，最多只能保持，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,第6章、交流电动机调速,图2-8 恒压恒频时异步电动机的机械特性,第6章、交流电动机调速,图2-10 恒Eg/,控制时变频调速的机械特性,第6章、交流电动机调速,图2-11 不同电压频率协调控制方式时的机械特性,在正弦波供电时，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。恒压频比（恒值）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，但低速带载能力有限，须对定子压降实行补偿。恒 控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到为恒值，从而改善了低速性能。线性调节范围比恒压频比宽，为恒值时，恒定不变，稳态性能优于恒，但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。恒 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，比较理想。按照转子全磁通恒定进行控制，即得恒值，在动态中也尽可能保持恒定是矢量控制系统要实现的目标，当然实现起来是比较复杂的。,第6章、交流电动机调速,第6章、交流电动机调速,图2-12 基频以上恒压变频调速时的机械特性,3基频以上恒压变频时的机械特性,第6章、交流电动机调速,二、转速开环恒压频比交流调速系统通用变频器,通用变频器是根据异步电动机稳态模型来涉及其控制系统，为了实现电压频率协调控制，它采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案。主要可以应用在和通用的笼型异步电机配套使用，同时具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。近年来自动控制功能的变频器质量不断提高。,第6章、交流电动机调速,三、转差频率控制的交流调速系统,第6章、交流电动机调速,四、矢量控制的交流调速系统,第6章、交流电动机调速,图2-18 矢量控制系统原理结构图,第6章、交流电动机调速,图2-19 电流和转速闭环的矢量控制系统,第7章、交流技术基础,变流器就是将一种直流或交流电变为另一种直流或交流电的供电设备。可以说变流器是各种变流装置的总称。在电力电子变换装置中，通常意义上的变流器包括从电源侧至电力变换装置输出侧的所有环节，例如对一个交一直一交电力传动系统，变流器将包括从整流器，中间直流环节，到逆变器及其控制系统。值得特别说明的是，在许多场合下，同一个电力变换电路既可以作整流电路，又能作逆变电路，所以我们也称这样的电力变换装置为变流器。换言之，整流和逆变，交流和直流在变流器中是互相联系的，并在一定条件下可互相转化。,第7章、交流技术基础,根据变流系统中直流环节性质的不同可分为两种类型.,图3-1 电流型异步电机传动系统 图3-2 电压型异步电机传动系统,第7章、交流技术基础,电力半导体器件在应用中一般均要设计吸收电路，以控制开关过程中电压及电流的轨迹，抑制电压、电流的变化率，降低开关损耗。设计吸收电路一般依据下述原则：1减少开关过程中电压、电流的大小及变化率；2保证器件工作在安全区内；3减少器件开关损耗和系统总损耗；4改善器件的过载和短路能力。对于新型器件，诸如IGBT，IPM，由于对di/dt，du/dt耐受能力增强，通过合理地设计驱动电路可以简化吸收回路，甚至可以取消吸收回路。,第7章、交流技术基础,第1节 电力电子器件基础,一 晶闸管,表3-1、可控硅导通和关断条件,第7章、交流技术基础,第7章、交流技术基础,二、门极可关断晶闸管（GTO）,门极关断晶闸管也具有单向导电特性，即当其阳极A、阴极K两端为正向电压，在门极G上加正的触发电压时，晶闸管将导通，导通方向AK。在门极关断晶闸管导通状态，若在其门极G上加一个适当有负电压，则能使导通的晶闸管关断,第7章、交流技术基础,近年来，GTO元件的性能不断提高，可关断电流达4000A，阻断电压达6000V以上，开关速度也有所提高。一个由ABB公司生产的三相逆变器GTO模块，采用6个GTO元件，容量可达4000kVA，单位重量容量可以达10kVA/kg，目前，最大的4轴交流传动电力机车，功率超过7000kW。GTO元件在应用中也存在不足，由于它增益比较小，关断2000A3000A电流，需要高达700-800A的门极电流，这对门极驱动装置的要求很高。另外，GTO元件在高电压下导通，大电流下关断，电流、电压变化率及应力很大，需要设置性能良好的吸收电路，这就增加了开关损耗，降低了效率，并对冷却系统提出更高要求,第7章、交流技术基础,三、绝缘栅双极晶体管（IGBT/IPM）,绝缘栅双极型晶体管IGBT是双极型晶体管（BJT）和MOSFET的复合器件，其将BJT的电导调制效应引入到VDMOS的高阻漂移区，大大改善了器件的导通性，同时它还具有MOSFET的栅极高输入阻抗，为电压驱动器件。开通和关断时均具有较宽的安全工作区，IGBT所能应用的范围基本上替代了传统的晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）等器件,与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点。IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给 PNP 晶体管提供基极电流，使 IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使 IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和 MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道 MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。,第7章、交流技术基础,表3-2 GTO与IGBT/IPM基本性能较,第7章、交流技术基础,需要指出的是，IGBT开关频率的提高，带来了很多好处，例如，PWM调制频率提高，在电机侧，可使得电机电流的高次谐波减少，使电机的损耗，噪声下降；在电网侧，可降低电网电流的谐波，减小等效干扰电流，减少变压器的损耗和噪声。,第7章、交流技术基础,IGBT模块的使用应特别注意以下几方面的问题。1.防静电对策 IGBT的VGE保证值为20V，在IGBT模块上加上超出保证值的电压有损坏的危险，因而在栅极发射极之间接一只10kQ左右的电阻器为宜。2.驱动电路设计 严格地说，能否充分利用IGBT器件的性能，关键取决于驱动电路的设计。IGBT驱动电路必须能提供适当的正向栅压、足够的反向栅压、足够的输入输出电隔离能力,以及具有栅压限幅电路等。,第7章、交流技术基础,3.保护电路的设计 IGBT模块因过电流、过电压等异常现象有可能损坏。因此，必须在对器件的特性充分了解的情况下，设计出与器件特性相匹配的过电压、过电流、过热等保护电路。4.散热设计 取决于IGBT模块所允许的最高结温（Tj）,在该温度下，首先要计算出器件产生的损耗，该损耗使结温升至允许值以下来选择散热片。在散热设计不充分的场合，实际运行在中等水平时，也有可能超过器件允许温度而导致器件损坏。5.栅极串联电阻（Rc）对IGBT来说，增大栅极电阻能够减少IGBT开通时续流二极管的反向恢复过电压，减少通态下出现短路的冲击电流值；与此同时，增大栅极电阻的结果将使开通关断损耗增加，延长开通和关断时间。因此最好的办法是配置两个串联电阻器，即RG（on）和RG（off），在实际设计时应考虑具体的应用要求。如在高压二极管的情况下，恢复时间趋长，RG（on）应比产品目录的推荐值大2倍4倍。,第7章、交流技术基础,IPM(Intelligent Power Module智能功率模块)元件是在IGBT模块中集成了驱动和保护电路而派生出来的，其结构如图3-18所示。IPM的触发信号可和TTL电平兼容，它本身具有短路、过流、过热及电流实时控制等完善的保护功能，更有利于应用。目前，日本新干线E2系高速动车的牵引变流器即采用IPM元件。,第7章、交流技术基础,第2节、整流技术基础,一、典型整流电路（一）半波不可控整流电路,图3-26半波整流电路,第7章、交流技术基础,图3-27 半波整流波形,第7章、交流技术基础,（二）单相半波可控整流电路,图3-28 单相半波可控整流,第7章、交流技术基础,3、单相半波可控整流,（1）电阻性负载（见图3-30）,电阻性负载，id波形与ud波形相似。可控硅T承受的正向电压随控制角而变化，但它承受的反向电压总是负半波电压，负半波电压的最大值为U2。线路简单，多用在要求不高的电阻负载的场合。,第7章、交流技术基础,（2）感性负载（不带续流二极管，见图3-30）：,第7章、交流技术基础,（3）感性负载（带续流二极管，见图3-31）,图3-31、电感性负载有续流,第7章、交流技术基础,(三)、全波整流电路,图3-32全波整流电路,第7章、交流技术基础,(四)、单相桥式半控整流电路,图3-34、单相桥式半控整流,第7章、交流技术基础,PWM整流器的基础是电力电子器件，其与普通整流器和相控整流器的不同之处是其中用到了全控型器件，器件性能的好坏决定了PWM整流器的性能。优质的电力电子器件必须具有如下特点：(1)能够控制通断，确保在必要时可靠导通或截止；（2）能够承受一定的电压和电流，阻断状态时能承受一定电压，导通时匀许通过一定的电流；（3）具有较高的开关频率，在开关状态转换时具有足够短的导通时间和关断时间，并能承受高的di/dt和dv/dt。,(五)PWM整流电路,第7章、交流技术基础,图3.36 PWM整流器主电路,图3-36(a)和(b)即为单相和三相电压型PWM整流电路，通过对它的适当控制，可使输入电流非常接近正弦波，且电流和电压同相位，功率因数近似为1。图中交流侧电感L用以滤波和传递能量，直流侧电容Cdc起着滤除直流电压上开关纹波和平衡直流输入与输出能量的作用。,第7章、交流技术基础,第7章、交流技术基础,图3.38 PWM整流器交流侧等效电路和相量图,第7章、交流技术基础,2.三相多开关PWM整流电路,六开关Boost型：也可称为两电平电压型整流器或三相桥式可逆PWM整流器。电路如图3-42所示，每个桥臂上的可关断开关管都带有反并联二极管，可以实现能量的双向流动，每只开关管的导通作用，一般都是使交流侧滤波电感L蓄积磁能，而在开关管关断时，迫使电感产生较高的电压Ldi/dt，通过另一桥臂的续流二极管向直流侧释放磁能。因此，从广义上讲，这种桥式PWM可逆整流器拓扑，仍属于升压式结构。六开关Boost型PWM整流器的特点是结构简单且宜于实现有源逆变，因而是目前应用和研究最为活跃的一种类型，也是多开关PWM整流电路中应用最为广泛的一种,第7章、交流技术基础,图3-42三相多开关Boost型,第7章、交流技术基础,六开关Buck型：也可称为两电平电流型整流器，电路如图3-43所示，直流侧电抗器一般要求很大。由于电流型变换器的特点，交流侧输入LC滤波器通常是必不可少的，以改善电流波形和功率因数。这种电路拓朴较适合于空间矢量调制，且有降压作用。其缺点是由于直流侧大电感内阻较大，消耗功率较大导致其效率略低于六开关Boost型。,第7章、交流技术基础,图3-43三相多开关Buck型,第7章、交流技术基础,3三电平PWM整流电路在大功率PWM变流装置中，常采用拓朴结构如图3-44所示的三点式电路，这种电路也称为中点钳位型(Neutral Point Clamped)电路。与两点式PWM相比，三点式PWM调制波的主要优点，一是对于同样的基波与谐波要求而言，开关频率低得多，从而可以大幅度降低开关损耗；二是每个主开关器件关断时所承受的电压仅为直流侧电压的一半，因此这种电路特别适合于高电压大容量的应用场合。不过三点式PWM可逆整流器的缺点也是显而易见的，一方面其主电路拓扑使用功率开关器件较多，另一方面，控制也比两点式复杂，尤其是需要解决中点电位平衡问题。,第7章、交流技术基础,图3-44三电平PWM整流电路,第7章、交流技术基础,整流电路的保护,1晶闸管关断过电压（换流过电压、空穴积蓄效应过电压）及保护 2交流侧过电压及其保护 3直流侧过电压及保护 4过电流保护,第7章、交流技术基础,第3节、逆变技术基础,图3-45单相全桥式逆变器,一、脉宽调制逆变器,第7章、交流技术基础,第7章、交流技术基础,1.双极性控制方式,2单极性PWM控制方式（单相桥逆变）,第7章、交流技术基础,(二)、三相逆变电路,第7章、交流技术基础,第7章、交流技术基础,二、二点逆变器和三点逆变器,图3-50 二点式逆变器及其输出波形,第7章、交流技术基础,图3-51 三点式逆变器及其输出波形,第7章、交流技术基础,图3-52 把一个三点式逆变器分解成两个二点式逆变器,
