变频调速原理.docx

变频调速的基本方式在电机调速时，一个重要的因素就是希望保持磁通不变量为额定值不变。如 果磁通太弱没有充分利用铁心，是一种浪费；若要增大磁通，从而导致过大的励 磁电流，严重时会因绕组果然热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的， 只要对电枢反应的补偿合适，保持不变时很容易做到的。在交流异步电机中， 磁通是定子和转子磁势合成产生的。三相异步电机每相电动势的有效值：-Eg = 4.44fiNW(11)式中：Eg气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为V；f 1定子频率，单位为Hz；N1定子每相绕组串联匝数； kN 1基波绕组系数;m 每极气隙磁通，单位Wb由(1 1)式可知，只要控制好感应电动势和定子频率，便可以达到控制磁通的 目的，因此需要考虑基频以下和基频以上两种情况。基频以下调速由式(11)可知，要保持m不变，当频率从额定值f以向下调节时，必须同时 降低Eg使E ,g =常值(12)f 1即采用固定的电动势频比的控制方式。然而，绕组中感应电动势是难以控制的，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U1牝Ug，则得到：U =常值(13)f 1这是恒压频比的控制方式。低频时，U 1和E都较小，定子阻抗压降所占的分量 就比较显著，不能再忽略。这时，可以认为的把电压U 1抬高一些，以便近似的 补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性曲线有补偿的如图中的b 线，物补偿的如图中的a线。图6-1恒压频比控制特性f 1基频以上调速在基频以上调速，频率可以从f 1往上增高，但电压U 1却不能增加得比额定电压 U 1还要大，最多只能保持U 1 U 1。由式（1-1）可知，这将迫使磁通与频率成 反比的降低，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 合起来，可得到如图所示的异步电动机变频调速的控制特性。如果电机在不同转 速下都具有额定电流，则电机都在温升允许的条件下长期运行，这时转矩基本上 随磁通变化，按电力拖动原理，在基频以下，属于“恒转矩调速”的性质，而在 基频以上“属于恒功率调速”的性质。静止变频装置从控制方式上表明，如果想满足变频调速的要求，必须同时改变电源电压和频率， 而现有的交流供电电源都是恒压恒频的。因此必须通过变频装置，从而获得变压 变频的电源，这样的装置称为变压变频装置（VVVF），其中VVVF的英文全称为 Variable Voltage variable frequency的缩写。最早VVVF装置是旋转变流机 组，现在已经基本上让位于电力电子技术的静止变频装置。从够结构上看，静止变频装置可以分为直接变频和间接变频两大类。间接变 频装置先将工频交流电流经过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变成可 控频率交流，从而达到控制频率的的目的，因此又称有中间直流环节的变频装置。 直接变频则是直接将工频电流一次性转换成可控频率的交流，没有中间直流换 件。在实际应用中使用较多的是间接变频装置。间接变频装置（交一直一交变频装置）图中给出了间接变频装置的主要构成环节。按照不同的控制方式，又可分为A、B、C三种：A. 用可控整流器变压、逆变器变频的交一直一交变频装置。调压和调频分别 在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。这种装置结构简单、控制方 便，但是由于输入环节采用可控整流器，当电压和频率调的较低时，电网端的功 率因数较小；输出环节多用品闸管组成的三相六拍逆变器，输出谐波较大。这就 是这类变频器的缺点。B. 有不控整流器整流、斩波器变压、逆变器变频的交一直一交变频装置。整 流环节采用二极管不控整流器，再增设斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了一个 环节，但输入功率因数高，克服了A类的缺点。输出环节逆变不变，仍有谐波较 大问题。C. 用不控整流器整流、PWM逆变器同时变压变频的交一直一交变频装置。该 装置将谐波较大以及功率因数降低的不足均克服了。谐波能够减少的幅度取决于 开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。如果采用普通品闸管，开关频 率比普通逆变器也高不了多少，只有采用可控关断的全控式器件后，开关频率才 可以大大提高，输出波形几乎可以得到非常逼真的正弦波。因而又称正弦脉宽调 制（SPWM）逆变器，并成为当今最有前途的一种结构形式。正弦脉宽调制逆变器（SPWM）工作原理在一般的交一直一交变频器供电的变压变频调速系统中，为了获得变频调速 所要求的电压频率协调控制，整流器必须是可控的，调速时必须同时控制整流器 UR和逆变器UI，这样就带来了一系列的问题。主要是：（1）主电路有两个可控 功率环节，相对来说比较复杂；（2）由于中间直流环节有滤波电容或电抗器等大 惯性元件存在，使系统的动态响应缓慢；（3）由于整流器是可控的，使供电电源 的功率因数随变频装置输出频率的降低而变差，并产生高次谐波电流；（4）逆变 器输出为六拍阶梯波交变电压（电流），在拖动电机中形成较多的各次谐波，从 而产生较大的脉动转矩，影响电机稳定的工作，低速时尤为严重，因此第一代电 力电子器件所组成的变频装置已不能令人满意地适应近代交流调速系统对变频 电源的需要。随着第二代电力电子器件（如GTO，GTR，RMOSFET等）的 出现以及微电子技术的发展，出现了解决这个问题的良好条件。1946年德国科 学家提出了脉宽调制变频的思想，他们把通讯系统中的调制技术推广应用于交流 变频。用这种技术构成的PWM变频器基本上解决了常规六拍阶梯波变频器中存 在的问题，为近代交流调速系统开辟了新的发展领域。图（）表示PWM逆变器 原理图，由图可知，这仍是一个交一直一交变频装置，只是整流器是不可控的， 它的输出电压经电容滤波（附加小电感限流）后形成恒定幅值的直流电压，加在 逆变器上。控制逆变器中的功率开关器件导通或断开，其输出端即获得一系列宽 度不等的矩形脉冲波形而决定开关器件动作顺序和时间分配规律控制方法即称 脉宽调制方法。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度可以控制逆变器输出交流基波 电压幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而在逆变器上可同时进行 输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压与频率协调控制的要求。图（） 电路的主要特点是：（1）主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构：（2）使 用了不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关而接近于1； （3）逆变器在调频时同时实现调压，而与中间直流环节的元件参数无关，加快 了系统的动态响应；（4）可获得比常规六拍阶梯波更好的输出波形，能抑制或消 除低次谐波，使负载电机可以在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小。大 大扩展了拖动系统的调速范围，并提高了系统的性能。SPWM逆变器的工作原理作为SPWM逆变器，就是希望其输出电压波形是纯粹正弦波形，那么，可 以把一个正弦波被分作N等分，然后把每一等分的正弦波曲线与横轴所包围的 面积都用一个与此面积相等的高等矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每 一等分中点重合。这样由N等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就于正弦的 半波等效。同样，正弦波的负半周也可也用类似方法。图（b）的一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形。可以看到， 由于各脉冲幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流供电，也就是说，这种交一直 一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了。逆变器输出脉冲波 的幅值就是整流器输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱 动相应开关器件的信号也应为与图3）形状相似的一系列脉冲波形，这是很容 易推断出来的。从理论上讲，这一系列的脉冲波形的宽度可以严格的用计算方法求得，作为 控制逆变器中各开关器件通断的依据。但较为实用的办法是采用通讯技术“调制” 这一概念，所期望的波形（这里指正弦波）作为调制波（Modulatingwave），而 受他调制的信号（Carrier Wave）。在SPWM中常用等腰三角形作为载波，因为 等腰三角形是上下宽度对称变化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在 焦点的时刻控制开关器件的通断即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函 数值的矩形脉冲，这正是SPWM所需要的结果。图（）是SPWM变频器的主电路，图中"1 VT6是逆变器的六个功率开关 器件（在这里面是GTR），各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由三相整流 器提供的恒值直流电压U供电。图（）是它的控制电路，一组三相对称的正弦 参考电压信号u > ub、u由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基 波频率，应在所要求的输出频率范围内可调。参考信号的的幅值也可在一定范围 内变化，以决定输出电压的大小。三角载波信号ut是共用的，分别与每相参考电 压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波ud、udb、 u。，作为逆变器功率开关器件的驱动信号。“控制方式可以是单极式，也可以是双极式。采用单极式控制时在正弦波的每 半个周期内每相只有一个开关器件通或断，例如A相的VT 1反复通断，图（）表 示这时的调制情况。当参考电压Ur高于三角波电压Uc时，相应比较器的输出电 压u为正电平，反之则为零电平。只要正弦调制波的最大值低于三角波的幅值， 由图（）的调制结果必然形成等幅不等宽且两侧窄中间宽的SPWM脉宽调制波形uo= f (t)，负半周实用同样的方法调制后再倒像而成。d单极式脉宽调制方法与波形三相SPWM逆变器工作在双极式控制方式时的输出电压波形。其调制方法和极 式相同，输出基波电压的大小和频率也是通过改变正弦参考信号的幅值和频率而 改变的，只是功率开关器件的通断情况不一样。双极式控制时逆变器同一桥臂上 上下两个开关交替通断处于互补的工作方式，如图所示。双极式脉宽控制方法与波形异步电机电压、频率协调控制的稳态机械特性当定子电压U 1和角频率3 1都为恒定值时，可以把电磁转矩公式改写为如下的形 式：当 1 J当s很小时，可以忽略分母中含s各项，UV 1 JT = 3ne M 3S3 R12(SR1 + R2)2 + S23；(匕 + L| )2 则(7-19)2 S31 X SR2即s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性Te1时，可以忽略分母中的R 2',则T = 3ne M 3(7-20=f (S)是一段直线。当s接近于T = 3neS3 12S311 0C SR2 +3；(匕 + L| )2 S即s接近于1时，s近似与转矩成反比，这时Te = f (S)是是对称于原点的双曲线，如图所示:图6-3恒压恒频时异步电机的机械特性电压频率协调控制下的机械特性异步电动机带负载T稳定运行时，由式(719)可得:S3 R1_2.T = 3n l M 3L(SR1 + R2)2 + S23；(匕 + L| )2此式表明，对于同一种负载要求，即以一定的转速nA (或转差率S.)在一定的负载转矩下运行时，电压U 1和频率s 1可以有多种配合。在电压和频率的不同配 合下机械特性也是有所不同的，应有以下3种电压频率控制方法。A.恒压频比控制（U1/s 1 =恒值）由于前面已经提到，为了近似保持磁通不变中”不变，以便充分利用电机铁心， 发挥电机产生转矩的能力，在基频以下需采用恒压频比控制。实行恒压频比控制 时，同步转速自然也随着频率的变化而变化。60s, n 0 = 1 02兀np 因此，带负载时的转速降落An为(r/min)60 ss102兀np在式（7-20）所表示的机械特性近似曲线直线段上，可以导出:An = sn()SR Qn3np （1）2由此可见，当U1/s 1为恒值时，对于同一转矩T , s1是基本不变的，因而An也 是基本不变的。这就是说，在恒压频比时，机械特性基本上是平行下移的，它们 和直流他励电机在变压调速时特性变化情况相似，所不同的是，当转矩增大到最 大值是，转速在降低，特性就折回来了。而且频率越低时最大转矩越小。当U1/s 1 = 恒值时，最大转矩Temax随角频率叫的变化关系为U1p顷JTe max = 3nR' 2Te, R：(钵)2 +(Ll1 + L12)2可见T 是随着叫的减小而降低的。当频率很低时，T 太小将限制调速系统 的呆在能力。采用定子电压补偿，适当的提高电压U1，可以增强带载能力。e机械特性曲线B.恒Eg /叫控制下图给出了异步电动机稳态等效电路图，其中有几类感应电动势，具体名称如下Eg气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势；E定子全磁通的感应电动势Er 转子全磁通感应电动势（折合到定子边）异步电动机稳态等效电路和感应电动势若果在电压一频率协调控制中，恰当地提高电压U 的分量，使它在克服定子压 降后，能维持E /叫为恒值（基频以下），则由式（7-1），无论频率高低，每极 磁通中m均为常值。下面推导E /叫控制时的机械特性。由等效电路图可知：'Eg 2+ o 2 L 21 lr带入电磁转矩基本公式，3nTF r2s R'R '2 + S2 2 Lr1 lr得：E 22S+ 2 L 21 lrg-R1s J这就是恒Eg /叫时的机械特性方程式2 s1 x sRr这表明机械特性的这一段曲线近似为一条直线。当s接近于1时，可忽略式（） 分母中的R22项，贝U利用和和以前一样的分析方法，当s很小时，可忽略式（）分母中的,2项，则 r e p（j 、12 R 1r 0C s° L2s1 lr这时的机械特性是一段双曲线。s值为上述的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间过渡，整条特性与恒 压频比控制时有相同的特性。但是比较式（）和式（）可以看出，恒E /叫控制 的转矩公式分母中含s项要小于恒U 1/° 1控制转矩公式中的同类项，也就是说s 值要更大一些才能使含s项在分母中占有显著的分量，从而不能被忽略略，因此 恒E /° 1控制机械特性线性段的范围会更宽一些。，并令dTe / ds = 0可得恒Eg /°1控制发生最大转矩时的转差一 g / ° 1将式（）对s求导率s =m ° L和最大转矩2 1L lrT = - ne max 2 P值得注意的是，当E /叫为恒值时，T 值也恒定不变。由此可见，恒E /叫值 控制的稳态性能优于恒压频比控制的，它正是恒压频比控制时补偿定子压降所追 求的目标。C.恒E /叫控制如果把电压一频率协调控制中的电压U 1相对再提高一些，把转子漏抗上的 压降也抵消掉就得到恒E /叫控制。类似可得到：带入电磁转矩基本公式，得出:2 s°1Rr3nT =i e °1(E 2r-R项，这时可以显而易见的发现Te= f （s）完全是一条直线，如图（）所示，并且从图中 可以看出，恒E/ °1控制的稳定性最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特 性。这也就是交流变频调速的理想目标。但是如何控制变频装置的电压和频率又是一个要解决的问题。按照电动势和磁通的关系（71）可以看出，气隙磁通中”是对应于它的旋 转感应电动势Eg的；那么，转子全磁通的幅值rm就对应于Er8E = 4.44 f N k 中由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值E ：恒值进行控制，就可以获得恒的 Er / °1 了，这正是矢量控制系统所遵循的原则。(Er / « 1)1)图6-6不同电压一频率协调控制方式时的机械特性