变频调速技术与应用第3章.ppt

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1、第3章变频调速原理,内容提要与学习要求 掌握变频调速的基本原理及 PWM控制技术。掌握通用变频器的基本结构、额定值和频率指标。了解通用变频器控制电路。了解变频器的结构和控制特点。,随着交流电动机调速控制理论、电力电子技术、数字化控制技术的发展，交流变频调速技术日趋成熟，其应用越来越广泛。变频调速技术的应用已扩展到工业生产的所有领域，并且在家电产品中也得到广泛的应用。31变频调速原理 311交流异步电动机的调速原理 交流异步电动机的转速关系式如下：式中f为定子供电频率（Hz）；p为磁极对数；s为转差率；n为电动机转速（rmin）。由式（3l）可知，交流异步电动机的调速方式一般有三种：变极调速、改

2、变电机转差率调速、变频调速。,1变极调速 通过改变电动机定于绕组的接线方式以改变电机极数实现调速，这种调速方法是有级调速，不能平滑调速，而且只适用于鼠笼式异步电动机。2 改变电机转差率调速 其中有通过改变电机转子回路的电阻进行调速，此种调速方式效率不高，且不经济，只适用于绕线式异步电动机。其次是采用电磁转差离合器进行调速，调速范围宽且能平滑调速，但这种调速装置结构复杂，低速运行时损耗较大、效率低。较好的转差率调速方式是串级调速，这种调速方法是通过在转子回路串入附加电动势实现调速的。这种调速方式效率高、机械特性好，但设备投资费用大、操作不方便。,3变频调速 通过改变异步电动机定子的供电频率人，以

3、改变电动机的同步转速达到调速的目的，其调速性能优越，调速范围宽，能实现无级调速。过去只能通过旋转变频发电机组实现电源频率的改变，这种变频方式造价高、使用不方便。随着电力电子技术的飞速发展，采用新型电力电子器件制造变频电源装置（变频器）成为可能，使异步电动机的变频调速的应用越来越广泛。,312变频调速的工作原理 由电机学中的相关知识可知，异步电动机定子绕组的感应电动势E1的有效值为：式中，E1为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；f1为定子频率（HZ）；N1为定子每相绕组串联匝数；krl为与绕组有关的结构常数；m为每极气隙磁通量（Wb）。由式可知，如果定子每根电动势的有效值E1不变，改

4、变走子频率时会出现下面两种情况：（1）如果f1大于电动机的额定频率f1N。，气隙磁通 m就会小于额定气隙磁通 mN。，结果是电动机的铁芯没有得到充分利用，造成浪费，而且在相同的转子电流下，电磁转矩将变小，使电动机带负载能力下降。若要保证电动机带负载能力不变，就必须加大转子电流，此时电动机势必会出现过电流。（2）如果F1小于电动机的额定频率人。，气隙磁通也就会大于额定气隙磁通 mN，结果是电动机的铁芯产生过饱和，从而导致过大的励磁电流，使电动机功率因数、效率下降，严重时会因绕组过热烧坏电动机。因此，要实现变频调速，且在不损坏电动机的情况下充分利用电机铁芯，应保持每极气隙磁通中 m不变。,1基频以

5、下调速要保持 m不变，当频率f1从额定值f1N向下调时，必须降低E1，使E1f1=常数，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。但绕组中的感应电动势不易直接控制，当电动势的值较高时，可以认为电机输入电压V1E1，则可通过控制V1达到控制E1的目的，即基频以下调速时的机械特性曲线如图3l所示。如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电动机都能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。由于在基频以下调速时磁通恒定，所以转矩恒定，其调速属于恒转矩调速。,2基频以上调速 在基颜以上调速时，频率可以从f1N向上增加，但电压V1却不能超过额定电压V1N，最大为V1V1N。由式（32）可知，这将使

6、磁通 m随频率f1的升高而降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。在基频以上调速时，由于电压V1V1N不变，当频率升高时，电动机的同步转速n1随之升高，气隙磁动势减弱，最大转矩减小，电磁功率PT2n1/60基本不变。所以，基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。其机械特性如图所示。,32交流变频系统的基本形式,从交流变频调速的系统结构上来分可以分为交交变频系统和交直交变频系统。321交交变频系统 交一交变频系统是一种可直接将某固定频率交流变换成可调频率交流的电路系统，无须中间直流环节。与交一直一交变频系统相比，提高了系统变换效率。又由于整个变频电路直接与电网相连接，各晶闸管元件上承受的是交流电压，故可

7、采用电网电压自然换流，无须强迫换流装置，简化了变频器主电路结构，提高了换流能力。交一交变频电路广泛应用于大功率低转速的交流电动机调速传动，交流励磁变速恒频发电机的励磁电源等。实际使用的交一交变频器多为三相输入三相输出电路，但其基础是三相输入单相输出电路，因此首先介绍单相输出电路的工作原理、触发控制、输入输出特性等；然后介绍三相输出电路结构。,交流励磁发电机，因其励磁绕组采用交流电励磁而得名，其本体的结构与绕线式异步电机相同，定子具有三相对称绕组，转子上采用三相（或两相）对称分布的励磁绕组，且励磁电压的频率、大小、相位、相序都可以控制 传统的同步发电机采用集中的励磁绕组，其励磁电流为直流，因而只

8、能控制励磁电压幅值的大小，来控制励磁电流，且转子磁场相对转子本体的位置是固定不变的，当进行有功、无功调节时必然伴随有转子的过度过程。而交流励磁发电机则不同，由于其转子励磁绕组为多相对称绕组，且励磁电压为相位、幅值、频率可变的对称交流电，可通过调节励磁电压幅值、频率、相位来控制发电机励磁磁场大小、相对转子本体的位置和电机的转速，由于交流励磁发电机励磁控制自由度的增加，使得该类电机具有超越传统同步发电机性能的可能 多用于风力发电机等速度变化的发电机.前苏联称的异步发电机（Asychronized Machine，ASM）与北美、欧洲称的双馈电机（Doubly-Fed Machine，DFM）及日本

9、称的交流励磁电机（Aternating Current Excitation Machine，ACEM）无本质的差别，这些称谓只是从电机某方面的特征给这类电机不同的命名。虽然该类电机电气结构上类似于绕线式异步电机，但从内部的电磁关系看，是同一类特殊的同步电机,1三相输入一单相输出的交一突变频电路（1）基本工作原理。三相输入一单相输出的交一交变频器原理如图33所示，,三相输入单相输出电路：由两组反并联的三相晶闸管可控整流桥和单相负载组成；其中图（a）接入了足够大的输入滤波电感，输入电流近似矩形波，称电流源型电路；图（b）则为电压源型电路，其输出电压可为矩形波、亦可通过控制成为正弦波。图33（c）

10、为图33（b）电路输出的矩形波电压，用以说明交一交变频电路的工作原理。当正组变流器工作在整流状态时，反组封锁，以实现无环流控制，负载Z上电压u0为上（）、下（一）；反之当反组变流器处于整流状态而正组封锁时，负载电压u0为上（）、下（），负载电压交变。若以一定频率控制正、反两组变流器交替工作（切换），则向负载输出交流电压的频率f0就等于两级变流器的切换频率，而负载电压u0大小则决定于晶闸管的触发角。交一交变频电路根据输出电压波形不同可计为方波型和正弦被型。方波型控制简单。正、反两桥工作时维持晶闸管触发角恒定不变，但其输出波形不好，高次谐波大，用于电动机调速传动时会增大电动机损耗，降低运行效率，特

11、别增大转矩脉动，因此很少采用。,（2）工作状态。三相一单相正弦型交一交变频电路如图34所示，它由两个三相桥式可控整流电路构成。如果输出电压的半周期内使导通组变流器晶闸管的触发角变化，如从900到00，再增加到900，则相应变流器输出电压的平均值就可以按正弦规律从零变到最大，再减小至零，形成平均意义上的正弦波电压波形输出。输出电压的瞬时值波形不是平滑的正弦波，而是由片段电源电压波形拼接而成，在一个输出周期中所包含的电源电压片段数越多，波形就越接近正弦，通常到采用6脉波的三相桥式电路或12脉波变流电路来构成交一突变频器,2三相输入一三相输出的交一交变频电路 三相输出交一突变频电路由3个输出电压相位

12、互差1200的单相输出交一交变频电路按照一定方式连接而成，主要用于低速、大功率交流电动机变频调速传动。三相输出交一突变频电路有两种主要接线形式。,（1）输出Y接方式：3组单相输出交一交变频电路接成Y，中点为O，三相交流电动机绕组亦为接成Y，中点为O。由于3组输出连接在一起，电源进线必须采用变压器隔离。这种接法可用于较大容量交流调速系统。（2）公共交流母线进线方式：它由3组彼此独立、输出电压相让互差1200的单相输出交一交变频电路构成，其电源进线经交流进线电抗器接至公用电源。因电源进线端公用，3组单相输出必须隔离。这种接法主要用于中等容量交流调速系统。,32.2交一直一交变频系统 在交一直一交变

13、频调速系统中，变频器有以下3种主要结构形式。（1）用可控整流器调压如图36（a）所示，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，当电压或转速调得较低时，电网端的功率因数较低；输出环节多采用功率开关元件组成的三相六拍逆变器（每周换流6次），输出的谐波较大，这是该种调压控制方法的缺点。,（2）用不可控整流器整流，斩波器调压如图（b），这种调压控制方法是在主回路增设的斩波器上用脉宽调压，而整流环节采用二极管不可控整流器。这样显然多增加了一个功率环节，但输入功率因数高，克服了前种方法的一个缺点，而逆变器输出信号的谐波仍较大。（3）用不可控整流器整流，PWM型逆变器调压如图（c）在这

14、种控制方法中，由于采用不可控整流器整流，故输入功率因数高；采用PWM型逆变器则输出谐波较少。这样，前两种调压控制方法中存在的缺点问题都解决了。谐波能减少的程度取决于功率开关元件的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。如果仍采用普通功率开关元件，其开关频率比六拍逆变器也高不了多少。只有采用可控关断的全控式功率开关元件以后，开关频率才得以大大提高。逆变器的输出波形几乎是正弦波，因此成为当前被采用的一种调压控制方法。,33变频器的PWM逆变电路（Pulse-Width Modulation 脉宽调制）,在工业应用中许多负载对逆变器的输出特性有严格要求，除频率可变、电压大小可调外，还要求输出电压

15、基波尽可能大、谐波含量尽可能小。对于采用无自关断能力晶闸管元件的方波输出逆变器，多采用多重化、多电平化措施使输出波形多台阶化来接近正弦。这种措施使得电路结构较复杂，代价较高，效果却不尽人意。PWM型逆变电路是使用自关断器件作高频通、断的开关控制，将台阶电压输出变为等幅不等宽的脉冲电压输出，并通过调制控制使输出电压消除低次谐波，只剩幅值很小、易于抑制的高次谐波，从而极大地改善了逆变器的输出特性。这种逆变电路就是PWM型逆变电路，它是目前直流一交流（DCAC）变换中最重要的变换技术。按照输出交流电压半周期内的脉冲数，PWM可分为单脉冲调制和多脉冲调制；按照输出电压脉冲宽度变化规律，PWM可分为等脉

16、宽调制和SPWM（abbr.sine-wave pulse-width modulation 正弦波脉宽调制）按照输出半周期内脉冲电压极性单一还是变化，PWM可分为单极性调制和双极性调制。在输出电压频率变化中，按照输出电压半周期内的脉冲数固定还是变化，PWM可分为同步调制、异步调制和分段同步调制等。对于这些有关调制技术的基本原理和概念，本节通过单相脉宽调制电路来说明。,1单脉冲调制与多脉冲调制（1）单脉冲调制图（a）为一单相桥式逆变电路。功率开关器件VT1、VT2之间及VT3、VT4之间作互补通、断，则负载两端A、B点对电源E负端的电压波形UA、UB均为180的方波。若VT1、VT2通断切换时

17、间与VT3、VT4通断切换时间错开角，则负载上的输出电压uAB得到调制，输出脉宽为的单脉冲方波电压，如图（b）所示，调节范围为0180，从而使交流输出电压uAB大小可从零调至最大值，这就是电压的单脉冲脉宽调制控制。,（2）多脉冲调制 对逆变电路各功率开关元件通断做适当控制，使半周期内的脉冲数增加，就叶实现多脉冲调制，图（a）为多脉冲调制电路原理图，图（b）为输出的多脉冲PWM波形，图中uT为三角波的载波信号电压，uR输出脉宽控制用调制信号，uP为调制后输出PWM信号。当uRuT，比较器输出为uD高电平；当uT。uR，比较器输出uD为低电平。由于uR为直流电压，输出uD为等脉宽PW M；改变三角

18、载波频率，就可改变半周期内脉冲数，,2SPWM 等脉宽调制产生的电压波形中谐波含量仍然很高，为使输出电压波形中基波含量增大，应选用正弦波作为调制信号uR。这是因为等腰三角形的载波uT上、下宽度线性变化，任何一条光滑曲线与三角波相交时，都会得到一组脉冲宽度正比于该函数值的矩形脉冲。所以用三角波与正弦波相交，就可获得一组宽度按正弦规律变化的脉冲波形，而且在三角载波uT不变条件下，改变正弦调制波uR的周期就可以改变输出脉冲宽度变化的周期；改变正弦调制波uR的幅值，就可改变输出脉冲的宽度，进而改变uD中基波Ud1的大小。因此在直流电源电压E不变的条件下，通过对调制波频率、幅值的控制，就可使逆变器同时完

19、成变频和变压的双重功能，这就是SPWM正弦脉宽调制。,图3.9 SPWM,3单极性调制与双极性调制 从图39中可以看出，半周期内调制波与载波均只有单一的极性：uT0，uR0输出故M波也只有单一的极性：uD0；负半周期内，uD0；UD极性的变化是通过倒相电路接半周期切换所得。这种半周期内具有单一极性SPWM波形输出的调制方式称单极性调制。逆变电路采用单极性调制时，在输出的半周期内每桥臂只有上或下一个开关元件作通断控制，另一个开关元件关断。如任何时候每桥臂的上、下元件之间均作互补通、断，则可实现双极性调制，其原理如图310所示。双极性调制时，任何半周期内调制波uR、载波uT及输出SPWM波uD均有

20、正、负极性的电压交替出现，有效地提高了直流电压的利用率。,正弦信号三角波,（1）同步调制。在改变f的同时成正比地改变厂，使K保持不变，则称为同步调制。采用同步调制的优点是可以保证输出波形的对称性。对于三相系统，为保持三相之间对称、互差120时B位角，K应取3的整数倍；为保证双极性调制时每相波形的正、负半波对称，则该倍数应取奇数。由于波形的对称性，不会出现偶次谐波问题。但是，受开关器件允许的开关频率的限制，保持K值不变，在逆变器低频运行时K值会过小，导致谐波含量变大，使电动机的谐波损耗增加，转矩脉动相对加剧。（2）异步调制。在改变的同时，人的值保持不变，使K值不断变化，则称为异步调制，采用异步调

21、制的优点是可以使逆变器低频运行时K值加大，相应地减小谐波含量，以减轻电动机的谐波损耗和转矩脉动。但是，异步调制可能使K值出现非整数，相位可能连续漂移，且正、负半波不对称，相应的偶次谐波问题变得突出了。但是如果器件开关频率能满足要求，使得K值足够大，这个问题就不很突出了。采用IGBT作为主开关器件的变频器，已有采用全速度范围内异步调制方案的机种，可克服分段同步调制的弱点。,同步调制与异步调制补充 SPWM逆变器输出电压的频率可以通过改变正弦调制波uR的频率来调节，此时对三角形载波uT的频率有两种处理方式：一是载波频率随调制波频率成比例变化，在任何输出频率下保持每半周期内的输出脉冲数不变，称为同步

22、调制；另一种是在任何时候均保持载波频率不变，此时半周期内的输出脉冲在不同输出频率下均不同，称为异步调制。同步调制时输出SPWM波形稳定，正、负半周完全对称，只含奇次谐波。但由于每半周的输出脉冲数在任何时刻均不变，致使低频时输出电压谐波含量比高频时大得多，低频输出特性不好。异步调制时可通过控制载波频率使低频时输出脉冲增加，以改善输出特性，但由于半周期内输出脉冲数及相位随输出频率变化，正、负半周的输出波形都不能完全对称，会出现偶次谐波，也会影响输出特性。,考虑到低频时异步调制有利、高频时同步调制较好，所以实用中采取分段同步调制的折中方案，如图 5-33所示。即将整个输出频率范围0fn分为几个频率段

23、，除在低频段采用异步调制外，其他各段均设置一适当载波比N=fTfR即载波频率与调制波频率之比，实施同步调制。这样在某一确定频率段内，随着输出频率增大载波频率增加，但始终保持确定的半周期输出脉冲数目不变。随着运行频率的提高，减小载波比N，以保持功率器件的开关频率在一个合理的范围。当输出频率达到额定值后，用脉宽调制方式改变方波输出，以充分利用直流电源电压E。,5.由SPWM逆变器组成的变频器 图 3.12（a）是 SPWM变频器的主电路。这是一种采用二极管组成不可控整流器及由自关断器件组成逆变器的主电路方案，是目前应用最多的一种方案。图中逆变器的主开关器件是BJT，从原理上说，当然也可以采用GTO

24、或IGBT。逆变器开关模式信号，通常情况下利用三相对称的正弦波参考信号与一个共用的三角波信号互相比较来生成，如图3.12（b）所示。,上述电路为单极性调制,34通用变频器简介,341变频器的基本结构 变频器是把电压、频率固定的交流电变成电压、频率可调的交流电的变换器。与外界的联系基本上分以下三部分：一是主电路接线端,包括工频电网的输入端（R、S、T），接电动机的输出端（U、V、W），如图313所示。二是控制端子，包括外部信号控制变频器的端子，变频器工作状态指示端于，变频器与微机或其他变频器的通信接口。三是操作面板，包括液晶显示屏和键盘。,工作原理介绍如下。1整流、逆变单元 整流器和逆变器是变频

25、器的两个主要功率变换单元。电网电压由输入端（R、S、T）输入变频器，经整流器整流成直流电压，整流器通常是由二极管构成的三相桥式整流，直流电压由逆变器逆变成交流电压，交流电压的频率和电压大小受基极驱动信号控制，由输出瑞（U，V，W）输出到交流电动机。2驱动控制单元（LSI）驱动控制单元主要包括PWM信号分配电路、输出信号电路等。其主要作用是产生符合系统控制要求的驱动信号，LSI受中央处理单元（CPU）的控制。3中央处理单元（CPU）中央处理单元包括控制程序、控制方式等部分，是变频器的控制中心。外部控制信号（如频率设定IRF，正转信号FR等）、内部检测信号（如整流器输出的直流电压、逆变器输出的交流

26、电压等）、用户对变频器的参数设定信号等送到CPU，经CPU处理后，对变频器进行相关的控制。4.保护及报警单元 变频器通常都有故障自诊断功能和自保护功能。当变频器出现故障或输入、输出信号异常时，由CPU控制LSI，改变驱动信号，使变频器停止工作，实现自我保护功能。5参数设定和监视单元 该单元主要由操作面板组成，用于对变频器的参数设定和监视变频器当前的运行状态。,通用变频器的主电路 变频器的主电路由整流电路、中间直流电路和逆变器三部分组成。电压源型交一直一交变频器主电路的基本结构如图所示。1.交一直部分（1）整流电路。整流电路由VD1VD6组成三相不可控整流桥，将电源的三相交流电全波整流成直流电。

27、整流电路因变频器输出功率大小不同而不同。小功率的，输入电源多用单相220V，整流电路为单相全波整流电路；功率大的，一般用三相380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。设电源的线电压有效值为UL，那么三相全波整流后平均直流电压UD的大小是：UD=135 UL。三相电源为380V时，整流后的平均直流电压是513V。,（2）滤波电容CF。整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压，必须加以滤波。滤波电容CF的作用除了滤除整流后的电压波纹外，还在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，这就给为感性负载的电动机提供了必要的无功功率。CF同时还具有储能作用，所以又叫储能电容。（3）限流电阻RL与开

28、关SL.由于储能电容CF大，加之在接入电源时电容器两端的电压为零，所以当变频器接通电源瞬间，滤波电容CF的充电电流很大。过大的冲击电流能使三相整流桥损坏。为了保护整流桥，在变频器刚接通电源的一段时间里，电路串入眼流电阻RL限制电容的充电电流。当滤波电容CF充电到一定程度时，令SL接通，将比短接。在有些变频器里，SL用晶闸管代替，如图314虚线所示。（4）电源指示HL。除了指示电源是否接通以外，还有一个功能，即变频器切断电源后，周示滤波电容Cr上的电荷是否已经释放完毕。,2直一交部分（l）逆变管VT1VT6。VT1VT6组成逆变桥，把VD1VD6整流后的直流电“逆变”成频率、幅值都可调的交流电。

29、这是变频器实现变频的执行环节，是变频器的核心部分。常用的逆变管有绝缘栅双极晶体管（IGBT）、大功率晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（MOSFET）、集成门极换流晶闸管（IGCT）等。（2）续流二极管VD7VD12。续流二极管VD7VD12的主要功能是：电动机的绕组是感性的，其电流具有无功分量。续流二极管VD7VD12为无功分量返回直流电源提供“通道”。当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过续流二极管VD7VD12返回直流电源。逆变管VT1VT6共同完成逆变的基本工作过程：同一桥臂的两个逆变管处于不停的交替导通和截止的状态，在交替导通和截止的换相过程中，需要续

30、流二极管VD7VD12提供通道。,（3）缓冲电路。不同型号的变频器，缓冲电路的结构也不尽相同，图314中所示缓冲电路是比较典型的一种。它由C01C06，R01R06及VD01VD06构成，其功能如下：逆变管VT1VT6每次由导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极和发射极间的电压UCE由近乎0V迅速上升至直流电压值UD，这过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。因此，C01C06的功能是降低VT1VT6在每次关断时的电压增长率。VT1VT6每次由截止状态切换为导通状态的瞬间，C01C06上所充的电压将向VT1VT6放电，此放电电流的初始值是很大的，并且将叠加到负载电流上，导致VT1VT6损坏。因此

31、电路中增加了R01R06，其功能是限制逆变管在接通瞬间C01C06的放电电流。电阻R01R06的接入，又会影响C01C06在VT1VT6关断时，降低电压增长率的效果。在电路中将VD01VD06接人后，使在VT1VT6关断过程中R01R06不起作用；而在VT1VT6的接通过程中，又迫使 C01C06的放电电流流经 R01R06这样就可以避免R01R06的接入对C01C06工作的影响。,3制动电阻和制动单元（1）制动电阻RB。电动机在工作频率下降过程中，异步电动机的转子转速超过此时的同步转速时，处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使直流电压U。不断上升，甚至达到危险地步。因此，必须

32、将再生到直流电路的能量消耗掉，使U。保持在允许范围内。制动电阻RB就是用来消耗这部分能量的。（2）制动单元VTB。制动单元VTB由大功率晶体管GTR及驱动电路构成。其功能是控制流经RB的放电电流入。,343通用变频器的制动 在通用变频器、异步电动机和机械负载所组成的变频调速传动系统中，当电动机减速或者所传动的位能负载下放时，异步电动机将处于再生发电制动状态。传动系统中所储存的机械能经异步电动机转换成电能。逆变器的6个回馈二极管将这种电能回馈到直流侧。此时的逆变器处于整流状态。如果在标准型的变频器（网侧变流器为不可控的二极管整流桥）中不采取另外的措施，这部分能量将导致中间回路的储能电容器的电压上

33、升。当电动机的制动并不太快，电容器电压升高的值也并不十分明显，一但电动机恢复到电动状态，这部分能量又被负载所重新利用。当制动较快、电容器电压升得过高时，装置中的“制动过电压保护”将动作，以保护变频装置的安全。所以，当制动过快或机械负载为提升机时，这部分再生能量的处理问题就应认真地对待了。在通用变频器中，对再生能量的处理方式有以下3种：耗散到直流回路人为设置的与电容器并联的“制动电阻”中。由并联在直流回路上的其他传动系统吸收。使之回馈到电网。如果属于前两种工作状态，称为动力制动状态；如果属于后一种工作状态，则称为回馈制动状态（又称再生制动状态）。应该注意，这是从整个系统角度视再生电能是否能回馈到

34、交流电网而定义的两种工作状态。在这两种状态下，异步电动机自身均处于再生发电制动状态。,关于上述的动力制动和再生制动，不同的地区有不同的提法。在日本，常将上述的动力制动称为再生制动，而将上述的再生制动称为电源再生制动。这是从电动机动行状态的角度来命名的，电动机的再生电能如果不回馈到电网，则简单地称为再生制动，如果回馈到电网则称为电源再生制动。另外，还有一种制动方式，即异步电动机定子通直流，实现电动机的制动，在通用变频器的大多数资料中，常称为直流制动（DC制动）。这种DC制动可以用于要求准确停车的情况或启动前制止电动机由外界因素引起的不规则旋转的情况。下面分开讨论两种制动的情况。,1动力制动 利用

35、设置在直流回路中的制动电阻吸收电动机的再生电能的方式称为动力制动，如图315所示。制动单元中包括晶体管VB、二极管VD和制动电阻RB。如果回馈能量较大或要求强制动，还可以选用接于H、G两点上的外制动电阻REB。当电动机制动、能量经逆变器回馈到直流侧时，直流回路中电容器的电压将升高，当该电压值超过设定值时，给VB施加基极信号使之导通，将RB（REB）与电容器并联起来，存储在电容器中的回馈能量经RB（REB）消耗掉。基于这一事实，有时又称这种制动为“能耗制动”。由上可见，实际上制动电阻中的电流是间歇的，所以西门子公司称制动电阻单元为“脉冲（调制）电阻”（pulsed Resistor）。在控制回路

36、中，具有控制制动单元的软件功能，可以通过特定的功能码，予以恰当的设定。对于大多数的通用变频器，图 3.15中的VB、VDB都设置在变频装置的柜体内部。甚至在IPM组件中，也将制动IGBT集成在其中。制动电阻RB绝大多数放在柜体外，只有功率较小的变频器才将RB置于装置的内部。有的日产变频器将图3.15中的VB、VDB合起来称为“制动单元”，将RB称为“制动电阻”，作为两个选购件提供给用户。,2回馈制动 如图3.16（a）所示，接入SCR有源逆变器NGP（桥）可以将电动机再生制动时间馈到直流侧的有功能量回馈到交流电网。,当输出频率为基频f1=f1N(f1N为电动机额定频率）时，变频器输出电压 U1

37、 U1N（U1N为电动机额定电压），并且U1U1N是变频器变频过程中的最大可能输出电压。由基频向下或向上调速，输出电压都不会超出U1N。这个最大可能值U1N是由相应的直流回路电压Uc（UcUcN）进而也是电网电压 Un提供的。可以得到如下结论：适配电动机一旦选定，即U1N为确定值时，Ucn也是确定值。应该注意，只有在不易发生故障的稳定电网电压下（电网压降不大于10），才可以采用这种回馈制动方式。在发电制动运行时，电网电压故障时间大于2ms，则可能发生换相失败，烧坏熔断器。对于接触式供电的电机车，应特别防止接触的间断，如果不能保证这一点，建议采用脉冲电阻制动方式，以保证可靠性。利用斩控式PWM整

38、流器进行回馈制动的情况性能优于NGP（再生能量回馈）方式，但其控制复杂，成本高。在实际中已逐步开始采用。,3直流制动 上面谈到的情况，制动中电动机均处于再生发电制动状态。下面说明电动机处于能耗制动状态的情况。通用变频器向异步电动机的定子通直流电时（这意味着逆变器中某3个桥臂短时间内连续导通，不再换相），异步电动机便处于能耗直流制动状态。这种情况下，变频器的输出频率为零，异步电动机的定子磁场不再旋转，转动着的转子切割这个静止磁场而产生制动转矩。旋转系统存储的动能转换成电能消耗于异步电动机的转子回路中。这种变频器输出直流的制动方式，在通用变频器中称为“DC制动”（即“直流制动”）。这种DC制动方式

39、的用途主要有两种：一是用于准确停车控制；二是用于制止在启动前电动机由外因引起的不规则自由旋转。通用变频器中对直流制动功能的控制，主要通过设定DC制动起始频率、制动电流和制动时间来实现。通常情况下，起始制动频率不宜设定得太高，如果起始制动频率取得太高，会导致电动机发热严重，但得到的制动转矩却并不太大，显然这是不合理的。,三相异步电动机的电力拖动Electric power driving of three phase asynchronous motor,三相异步电动机的机械特性Torque-speed characteristic of three phase asynchronous mot

40、or,三相异步电动机电磁转矩的三种表达方式,一、物理表达式,二、参数表达式,三、实用表达式,物理表达式,表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的有功分量 相互作用产生的。,参数表达式：,说明：电磁转矩与电源参数（、f）、结构参数（r、x、m、p）和运行参数（s）有关。,临界转差率 sm 和最大电磁转矩Tm,过载能力,当其它参数一定时：,1、最大电磁转矩与电源电压平方成正比；临界转差率与电源电压无关。,3、频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小；漏抗越大，最大电磁转矩和临界转差率越小；,2、转子回路电阻越大，临界转差率越大；最大电磁转矩与转子电阻无关。,由两个表达式可见,起动转矩T

41、st和起动转矩倍数Kst,结论：当其它参数一定时,1、起动转矩与电源电压平方成正比；,2、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；,3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。,4、起动转矩倍数,实用表达式,已知电机的额定功率、额定转速、过载能力,忽略空载转矩，有,将Tm和sm代入即可得到机械特性方程式,三相异步电动机的固有机械特性,三相异步电动机降压时的人为机械特性,转子回路串电阻时的机械特性,定子串接电抗器时的机械特性,344变频器的额定值和频率指标 1输入侧的额定值,单相,（5）超载能力。变频器的超载能力是指输出电流超过额定值的允许范围和时间。大多数变频器规定为150I

42、N、60S，180IN、0.5S。3频率指标（1）频率范围。即变频器能够输出的最高频率fmax和最低频率fmin之差。各种变频器规定的频率范围不一样，一般最低工作频率011HZ，最高工作频率为120 650HZ。（2）频率精度。频率精度是指变频器输出频率的准确程度。以变频器的实际输出和设定频率之间的最大误差与最高工作频率之比的百分数来表示。例如，富士 G9S的频率精度为001，是指在-10 15环境下通过参数设定所能达到的最高频率精度。（3）频率分辨率。指输出频率的最小改变量，即每相邻两档频率之间的最小差值。一般分为模拟设定分辨率和数字设定分辨率。,35变频器的分类,1按变换环节分（1）交一交

43、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。其主要优点是没有中间环节，变频效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的12以下，主要用于容量大、低速的场合。（2）交一直一交变频器。先把频率固定的交流电变成直流电，再把直流电逆变成频率可调的三相交流电。在此类装置中，用不可控整流电路，则输入功率团数木变；用PWM逆变，则输出谐波减小。PWM逆变器需要全控式电力电子器件，其输出谐波减小的程度取决于PWM的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。采用PMOSFET或IGBT时，开关频率可达20kHZ以上，输出波形已经非常接近正弦波，因而又称之为正弦脉宽调制（SPWM）逆变器

44、。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此，这种交一直一交变频器在频率的调节范围以及改善变频后电动机的特性等方面都具有明显的优势。目前迅速普及应用的主要是这种变频器。,2按直流环节的储能方式分（1）电压源型变频器。在交一直一交变频器装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下，这种变频器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，这类变频装置叫做电压源型变频器，见图317（a）所示。,（2）电流源型变频器。当交一直一交变频器装置中的中间直流环节采用大电感滤波时，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置称为电流源型变频器，如图317（b）所示。3按功

45、能分类（按负载类型分类）（1）恒转矩变频器。变频器的控制对象具有恒转矩特性，在转速精度及动态性能方面要求一般不高。当用变频器进行恒转矩调速时，必须加大电动机和变频器的容量，以提高低速转矩。其主要用于挤压机、搅拌机、传送带、提升机等。（2）平方转矩变频器。变频器的控制对象在过载能力方面要求不高，由于负载转矩与转速的平方成正比（T L n2），所以低速运行时负载较轻，并具有节能的效果。它主要用于风机和泵类负载。,4.按用途分类（1）通用变频器。通用变频器是指能与普通的异步电动机配套使用，能适合于各种不同性质的负载，并具有多种可供选择功能的变频器。一般用途多数使用通用变频器，但在使用之前必须根据负载

46、性质、工艺要求等因素对变频器进行详细的设置。（2）高性能专用变频器。高性能专用变频器主要用于对电动机的控制要求较高的系统。与通用变频器相比，高性能专用变频器大多数采用矢量控制方式，驱动对象通常是变频器生产厂家指定的专用电动机。（3）高频变频器。超精度加工和高性能机械中，通常要用到高速电动机。为了满足这些高速电动机的驱动要求，出现了PAM（脉冲幅度调制）控制方式的高频变频器，其输出频率可达 3 kHz,5.按输出电压调节方式分 变频调速时，需要同时调节变频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控制方式：PAM、PWM方式。（1）PAM方式。脉冲幅度调制（Puls

47、e Amplitude Modulation）方式，简称PAM方式，是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。在变频器中，逆变器只负责调节输出的频率，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来实现。采用相控整流器调压时，网侧的功率因数随着调节深度的增加而变低。而采用直流轨波器调压时，网测功率团数在不考虑谐波影响时，可以达到 COS1=1。,（2）PWM方式。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）方式，简称PWM方式。变频器中的整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。利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正

48、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（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）方式。通用变频器中采用 SPWM方式调压，是一种最常采用的方案。目前通用变频器中还采用高载波频率的PWM控制方式，这种方式与上面所述的PWM方式的区别仅在于调制频率有很大的提高。主开关器件的工作频率较高，普通的功率晶体管已不能适应，常采用开关频率较高的IGBT或MOSFET。因为开关频率达到1020kHZ可以使电动机的噪声大幅度降低（达到了耳难于感知的频段），这种采用IGBT的高载波频率的PWM通用变频器已经投放市场，正在取代以B

49、JT为开关器件的变频器。,6按控制方式分（1）Vf控制变频器。Vf控制变频器的方法是在改变频率的同时控制变频器的输出电压，通过使Vf（电压和频率的比）保持一定或按一定的规律变化而得到所需要的转矩特性。采用Vf控制的变频器结构简单、成本低，多用于要求精度不是太高的通用变频器。（2）转差频率控制变频器。转差频率控制方式是对 Vf控制的一种改进。这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环。速度调节器的输出为转差频率，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。由于通过控制转差频率来控制转矩和电流，与Vf控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。

50、（3）矢量控制变频器。矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它的基本思路是将电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），并分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即定子电流的矢量，因此这种控制方式被称为矢量控制方式。（4）直接转矩控制变频器。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控矢量来控制。其特点为转矩控制是控制定子磁链，并能实现无传感器测速。,第二次作业2-1、2-6、3-1、3-2、3-3,36 通用变频器的控制电路原理,361 Vf控制型通用变