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异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统VVVFVVVF系统系统第七章第七章 异步电动机变频调速系统（异步电动机变频调速系统（VVVF系统）系统）7-1变频调查的基本控制方式变频调查的基本控制方式三相异步电机定子第相电动势的有效值是：三相异步电机定子第相电动势的有效值是：式中式中Eg气气隙隙磁磁通通在在定定子子每每相相中中感感应应电电罢罢势势有有效效值值，单单位位为为V；f1定子频率，单位为定子频率，单位为HN；N1定子每相绕组串联匝数；定子每相绕组串联匝数；kN1基波绕组系数；基波绕组系数；m每极气极隙磁通量，单位为每极气极隙磁通量，单位为Wb。只要控制好只要控制好Eg和和f1，便可达到控制磁通，便可达到控制磁通m的目的。的目的。广师 http:/（1）主电路有两个可控的功率环节，相对来说比）主电路有两个可控的功率环节，相对来说比较复杂；较复杂；（2）由于中间直流环节有滤波电容或电抗器等惯）由于中间直流环节有滤波电容或电抗器等惯性元件存在，使系统的动态响应缓慢；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）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；高次谐波电流；（4）逆变器输出为六拍阶梯波交变电压（电流），）逆变器输出为六拍阶梯波交变电压（电流），在拖动电动机中形成较多的各次谐波，从而产在拖动电动机中形成较多的各次谐波，从而产生较大的脉动转矩，影响电机的稳定工作，低生较大的脉动转矩，影响电机的稳定工作，低速时尤为严重。速时尤为严重。广师 http:/ 1964年，德国的年，德国的A.Sch nung提出了脉宽调制变频的思想，提出了脉宽调制变频的思想，把通讯系统中的调制技术应用于交流变频。（图把通讯系统中的调制技术应用于交流变频。（图7-10）电路的主要特点是：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；）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）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电压的大小无关而接近于1；（3）逆变器调频的同时实现调压，而与中间直流环节的元）逆变器调频的同时实现调压，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；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电压波形，能抑）可获得比常规六拍阶梯波更好的输出电压波形，能抑制低次谐波，使电机可在正弦的交变电压下运行，转矩脉制低次谐波，使电机可在正弦的交变电压下运行，转矩脉动小，扩展了调速范围，并提高了系统的性能。动小，扩展了调速范围，并提高了系统的性能。广师 http:/一、一、SPWM逆变器的工作原理逆变器的工作原理 SPWM逆变器是期望其输出逆变器是期望其输出电压是纯粹的正弦波形，那么，电压是纯粹的正弦波形，那么，可以把一个正弦半波分作可以把一个正弦半波分作N等分，等分，如图如图7-11a所示（图中所示（图中N=12），），然后把每一等分的正弦曲线与横然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点下正弦波每一等矩形脉冲的中点下正弦波每一等分的中点重合（图分的中点重合（图7-11b）。这）。这样，由样，由N个等幅而不等宽的矩形个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半脉冲所组成的波形就与正弦的半调等效。同样，正弦波的负半周调等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。也可用相同的方法来等效。广师 http:/ 图图7-11b的一系列脉冲波形的一系列脉冲波形就是逆变器输出就是逆变器输出SPWM波形。波形。由于各脉冲的幅值相等，由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流所以逆变器可由恒定的直流电源供电，这种交电源供电，这种交-直直-交变频交变频器中的整流器采用不可控的器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了（见二极管整流器就可以了（见图图7-10）。）。逆变器输出脉冲逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电的幅值就是整流器的输出电压。压。当逆变器各开关器件都当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应动相应开关器件的信号也应为与图为与图7-10b形状相似的一系形状相似的一系列脉冲波形。列脉冲波形。广师 http:/SPWM变频器的工作原理变频器的工作原理 图图7-12a是是SPWM变频变频器的主电路，图中器的主电路，图中 是逆变器的六个功率开关是逆变器的六个功率开关器件（在这里画的是器件（在这里画的是GTR），各由一个续流二），各由一个续流二极管反并联接，整个逆变极管反并联接，整个逆变器由三相整流器提供的恒器由三相整流器提供的恒直流电压供电。图直流电压供电。图7-12b是是它的控制电路，一组三相它的控制电路，一组三相对称的正弦参考电压信号对称的正弦参考电压信号U Urara、U Urbrb 、U Urcrc 由参考信由参考信号发生器提供，其频率决号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，定逆变器输出的基波频率，应在所要求的输出频率范应在所要求的输出频率范围内可调。围内可调。广师 http:/ 参考信号的幅值也参考信号的幅值也可在一定范围内变化，可在一定范围内变化，以决定输出电压的大以决定输出电压的大小。小。三角波载波信号三角波载波信号是共用的，分别与每是共用的，分别与每相参考电压比较后，相参考电压比较后，给出给出“正正”或或“零零”的饱和输出，产生的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波脉冲序列波Uda、Udb 、Udc ，作为逆变器功率开关作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。器件的驱动控制信号。广师 http:/ 7-5 转速开环、恒压频比控制的变频调速系统转速开环、恒压频比控制的变频调速系统 一一、转转速速开开环环的的交交-直直-交交电电压压源源变频调速系统变频调速系统 图图7-27是这一系统的结构是这一系统的结构原理。原理。UR是可控整流器，用是可控整流器，用电压控制环节控制它的输出直电压控制环节控制它的输出直流电压；流电压；USI（Voltage Source Inverter）是电压源逆变器，）是电压源逆变器，用频率控制它的输出频率。电用频率控制它的输出频率。电压和频率控制采用同一个控制压和频率控制采用同一个控制信号信号U Uabsabs，以保证二者协调。，以保证二者协调。由于转速控制是开环的，不能由于转速控制是开环的，不能让阶跃的转速给信号让阶跃的转速给信号 直接直接加到电压和频率控制系统上，加到电压和频率控制系统上，否则将产生很大的冲击电流而否则将产生很大的冲击电流而使电源跳闸。使电源跳闸。广师 http:/为了解决这个问题，在为了解决这个问题，在给定信号给定信号 和电压、和电压、频率的控制信号频率的控制信号U Uabsabs 之间设置了给定积分之间设置了给定积分器器GI和绝对值变换和绝对值变换器器GAB。广师 http:/（一）给定积分器（一）给定积分器 由模拟电子路给成的给定积分器原理图如图由模拟电子路给成的给定积分器原理图如图7-28所示，它所示，它包含了三级运算放大器。包含了三级运算放大器。第一级是放大倍数的极性鉴别器（第一级是放大倍数的极性鉴别器（R1100R0）其输出电压）其输出电压U1只取只取与给定电压与给定电压 相反的极性相反的极性,不管不管 大小如何大小如何,U1都是饱和值都是饱和值.第二级是反向器，使其输出电压第二级是反向器，使其输出电压U2的极性再倒一下，变成与的极性再倒一下，变成与 极极性相同。性相同。第三级是积分器，经第三级是积分器，经RC积分使输出电压积分使输出电压 Ugi 成为斜坡信号，积分成为斜坡信号，积分的变化率用电位器的变化率用电位器RP来调节。来调节。广师 http:/ 第一级是放大倍数的极性鉴别器（第一级是放大倍数的极性鉴别器（R1100R0）其输出电压）其输出电压U1只取只取与给定电压与给定电压 相反的极性相反的极性,不管不管 大小如何大小如何,U1都是饱和值都是饱和值.第二级是反向器，使其输出电压第二级是反向器，使其输出电压U2的极性再倒一下，变成与的极性再倒一下，变成与 极极性相同。性相同。第三级是积分器，经第三级是积分器，经RC积分使输出电压积分使输出电压 Ugi 成为斜坡信号，积分成为斜坡信号，积分的变化率用电位器的变化率用电位器RP来调节。来调节。再由再由Ugi引负反馈信号回到第一级，以决定积分的终止引负反馈信号回到第一级，以决定积分的终止时刻。只要时刻。只要Ugi的绝对值小于的绝对值小于 ，则第一级输出始终饱和，则第一级输出始终饱和，负反馈对它没有影响，直到负反馈对它没有影响，直到 =时，时，U1、U2很快下降很快下降到零，积分终止，到零，积分终止，Ugi保持恒值。保持恒值。广师 http:/图图7-28上上标标出出了了给给定定电电压压 为为正正时时各各级级运运放放的的输输出出极极性性。这这时时，突突加加和和突突减减后后各各处处电电压压的的波波形形于于图图7-29。积积分分器器的的积积分时间可从其虚地点的电流平衡方程式推导出来分时间可从其虚地点的电流平衡方程式推导出来 （7-35）式中式中T=RC积分时间常数。调节积分时间常数。调节和和T都能改变都能改变Ugi的斜率，从而改变的斜率，从而改变调速系统的加（减）速度，一般系统调速系统的加（减）速度，一般系统要求积分时间在要求积分时间在5-50s5-50s之间可调。之间可调。如果把第一级运放改为同相端输入，如果把第一级运放改为同相端输入，可以省去一个反号器，只要改变一下可以省去一个反号器，只要改变一下负反馈的接法就可以了。负反馈的接法就可以了。广师 http:/（二）绝对值变换器（二）绝对值变换器绝对值变换器绝对值变换器GAB的电路如图的电路如图7-30所示。所示。如如果果忽忽略略二二极极管管VD1和和VD2的的正正向向压压降降，其其输输出出电电压压Uabs 的的大大小小与与输输入入信信号号Ugi（来来自自给给定定积积分分器器）相相等等，而而极极性性则则不不随随Ugi的的极极性性变变化化，也也就就是是说说，。图图7-30中中为为负负，也也可可以以设设计计成成正正的的极极性性，视视系系统统对对控控制制信信号号极极性性的的需需要要而而定。定。广师 http:/（三）电压控制环节（三）电压控制环节电电压压控控制制环环节节一一般般采采用用电电压压、电电流流双双闭闭环环的的结结构构，如如图图7-31所所示示。内内环环设设电电流流调调节节器器ACR，用用以以限限制制动动态态电电流流，兼兼起起保保护护作作用用。外外环环设设电电压压调调节节器器AVR，用用以以控控制制输输出出电电压压。简简单单的的小小容容量量系系统统也也可可用用单单电电压压环环结结构构。电电压压-频频率率控控制制信信号号加加到到电电压压调调节节器器上上以以前前，应应先先通通过过函函数数发发生生器器GF，把把电电压压给给定定信信号号 提提高高一一些些，以以补补偿偿定定子子阻阻抗抗压压降降，改善调速时（特别是低速时）的机械特性。改善调速时（特别是低速时）的机械特性。广师 http:/ 图图7-32a中绘出了函数发生器中绘出了函数发生器GF的原理图，其输入信号的原理图，其输入信号为为Uabs，输出信号为，输出信号为AVR的给定电压的给定电压 （设（设Uabs极性为负，极性为负，极性为正）。通过调节电位器极性为正）。通过调节电位器RP1和和RP2能够获得图能够获得图7-32b所示的函数特性。所示的函数特性。广师 http:/当当Uabs=0时时，加加在在运运算算放放大大器器上上的的只只有有偏偏压压信信号号+Ub，输输出出信信号号 为为负负值值（A点点），可可控控整整流流器器UR处处在在待待逆逆变变状状态态，无无电电压压输输出出。当当Uabs信信号号增增大大，逐逐渐渐变变正正，使使UR进进入入整整流流区区工工作作，但但 的的数数值值还还不不足足以以使使二二极极管管VD完完全全导导通通时时，GF的的放放大大系系数数为为 ，输输入入输输出出特特性性是是图图7-32b中中比比较较陡陡的的 段段。在在B点点，VD刚刚好好完完全全导导通通，电电阻阻R被被短短路路，放放大大系系数数变变成成 ，特特性性斜斜率率开开始减小（实际上是平滑过渡的）。始减小（实际上是平滑过渡的）。B点点对对应应于于最最低低转转速速的的工工作作点点，此此时时压压频频控控制制电电压压为为 。在。在 段，运算放大器虚地点的电流平衡方程式为段，运算放大器虚地点的电流平衡方程式为式中式中R2电位器电位器RP2的电阻值。的电阻值。广师 http:/因此因此 这就是这就是GF在变频调速时的工作特性，在变频调速时的工作特性，C点对应于基频点对应于基频工作点。调节电位工作点。调节电位RP2可以改变工作特性的斜率，调节可以改变工作特性的斜率，调节RP1可以改变可以改变GF的偏压值，即改变工作特性的起始点。超的偏压值，即改变工作特性的起始点。超过过C点以后，利用运算放大器的限幅作用使点以后，利用运算放大器的限幅作用使 保持恒定，保持恒定，系统可进入恒压调频阶段，亦即弱磁升速阶段。系统可进入恒压调频阶段，亦即弱磁升速阶段。广师 http:/（四）频率控制环节（四）频率控制环节频频率率控控制制环环节节主主要要由由压压频频变变换换器器GVF、环环形形分分配配器器DRC和和脉脉冲冲放放大大器器AP三三部部分分组组成成（图图7-33），将将电电压压频频率率控控制制信信号号Uabs转转变变成成具具有有一一定定频频率率的的脉脉冲冲列列,再再按按六六个个脉脉冲冲一一组组依依次次分分配配给给逆逆变变器器，分分别别触触发发桥桥臂臂上上相相应应的的六六个个晶晶闸闸管。管。广师 http:/（五）电压源逆变器（五）电压源逆变器异步电动机的近似等效电路异步电动机的近似等效电路 图图7-34是三相六拍电压源逆变器带异步电动的原理图，是三相六拍电压源逆变器带异步电动的原理图，其中其中Cd是滤波电容器，在是滤波电容器，在Cd前面设置一个小电感前面设置一个小电感Ld起限起限流作用。分别与晶闸管流作用。分别与晶闸管 反并联的六个续流二极反并联的六个续流二极管管 为感性负载无功电流提供通道，换流电路有为感性负载无功电流提供通道，换流电路有多种形式。多种形式。广师 http:/二、转速开环的交二、转速开环的交-直直-交电流源变频调带系统交电流源变频调带系统 图图7-40是系统的结构是系统的结构原理图，和电压源变频调原理图，和电压源变频调速系统的主要区别在于采速系统的主要区别在于采用了由大电感滤波的电流用了由大电感滤波的电流源逆变器（源逆变器（CurrentS ource Imverter简称简称CSI）。）。在控制系统上，两类在控制系统上，两类系统基本相同，因为都是系统基本相同，因为都是电压电压-频率协调控制。但不频率协调控制。但不要误认为电流源变频器就要误认为电流源变频器就只要电流控制不要电压控只要电流控制不要电压控制了。制了。广师 http:/ “电压源电压源”和和“电压控制电压控制”完全是两个不同的概念，完全是两个不同的概念，是是“电压源电压源”还是还是“电流源电流源”取决于滤波环节，而采用取决于滤波环节，而采用“电压控制电压控制”或或“电流控制电流控制”则要看控制的目的。图则要看控制的目的。图7-27和和7-40都用电压控制系统，不同之处只是后者的电压反馈信都用电压控制系统，不同之处只是后者的电压反馈信号改从号改从CSI的输出端引出，因为电流回路电压要反向，而的输出端引出，因为电流回路电压要反向，而电压源变频器直流电压的极性是不变的。电压源变频器直流电压的极性是不变的。广师 http:/结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！29