交流异步电动机变压变频调速系统教学资料.ppt

交流异步电动机变压变频交流异步电动机变压变频调速系统调速系统 概概 述述 异步电机的变压变频调速系统一般异步电机的变压变频调速系统一般简称为简称为变频调速系统变频调速系统。由于在调速时。由于在调速时转差功率不随转速而变化，转差功率不随转速而变化，调速范围调速范围宽宽，无论是高速还是低速时效率都较，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能高，在采取一定的技术措施后能实现实现高动态性能高动态性能，可与直流调速系统媲美。，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广，是本篇的重点。因此现在应用面很广，是本篇的重点。26.1 变压变频调速的基本控制方式变压变频调速的基本控制方式 在进行电机调速时，常须考虑的一个在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：重要因素是：希望保持电机中每极磁通希望保持电机中每极磁通量量 m 为额定值不变。为额定值不变。如果磁通太弱，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；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，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。绕组过热而损坏电机。3n对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，对电枢反应有恰当的补偿，m 保持不变保持不变是很容易做到的。是很容易做到的。n在交流异步电机中，磁通在交流异步电机中，磁通 m 由定子和转由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。费一些周折了。4 定子每相电动势定子每相电动势（6-2）式中：式中：Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为效值，单位为V；定子频率，单位为定子频率，单位为Hz；定子每相绕组串联匝数；定子每相绕组串联匝数；基波绕组系数；基波绕组系数；每极气隙磁通量，单位为每极气隙磁通量，单位为Wb。f1N1kN1 m5 由式（由式（6-2）可知，只要控制好）可知，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，对此，需要的目的，对此，需要考虑基频（考虑基频（额定频率额定频率）以下和基频以上两）以下和基频以上两种情况。种情况。61.基频以下调速基频以下调速 由式（由式（6-2）可知，要保持）可知，要保持 m 不变，当不变，当频率频率 f1 从额定值从额定值 f1N 向下调节时，必须同时向下调节时，必须同时降低降低 Eg，使，使 常值常值 （6-3）即即采用恒值电动势频率比的控制方式采用恒值电动势频率比的控制方式。7 恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 然而，绕组中的感应电动势是难以直接然而，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，可以控制的，当电动势值较高时，可以忽略定忽略定子绕组的漏磁阻抗压降子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电，而认为定子相电压压 Us Eg，则得，则得（6-3）这是这是恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式。异步电动机稳态等效电路和感应电动势异步电动机稳态等效电路和感应电动势 Us1RsLlsLlrLmRr/sIsI0IrEg8 但是，在低频时但是，在低频时 Us 和和 Eg 都较小，定子都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。忽略。这时，需要人为地把电压这时，需要人为地把电压 Us 抬高一抬高一些，以便近似地补偿定子压降。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带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为线，无补偿的控制特性则为a 线。线。9OUsf 1恒压频比控制特性恒压频比控制特性 带压降补偿的恒压频比控制特性带压降补偿的恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 102.基频以上调速基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压向上升高，但定子电压Us 却不可能超过却不可能超过额定电压额定电压UsN，最多只能保持，最多只能保持Us=UsN，这将迫使磁通与频率成反比地降低，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相相当于直流电机弱磁升速的情况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。制特性画在一起，如下图所示。11f1N 变压变频控制特性变压变频控制特性图图6-1 异步电机变压变频调速的控制特性异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O12 如果电机在不同转速时所带的负载都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，下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速恒转矩调速”性质，性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于本上属于“恒功率调速恒功率调速”。136.2 异步电动机电压频率协调控制时异步电动机电压频率协调控制时 的机械特性的机械特性本节提要本节提要n恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性特性n基频以下电压基频以下电压-频率协调控制时的机械特性频率协调控制时的机械特性n基频以上恒压变频时的机械特性基频以上恒压变频时的机械特性146.2.1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的恒压恒频正弦波供电时异步电动机的 机械特性机械特性 第第5章式（章式（5-3）已给出异步电机在恒压恒）已给出异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式频正弦波供电时的机械特性方程式 Te=f(s)。当定子电压当定子电压 Us 和电源角频率和电源角频率 1 恒定时恒定时，可，可以改写成如下形式：以改写成如下形式：（6-5）恒恒US/1时的机械特性时的机械特性15 特性分析特性分析当当s很小时，可忽略上式分母中含很小时，可忽略上式分母中含s各项，则各项，则（6-6）也就是说，当也就是说，当s很小时，转矩近似与很小时，转矩近似与s成正成正比，机械特性比，机械特性 Te=f（s）是）是一段直线一段直线，见，见图图6-2。16 特性分析（续）特性分析（续）当当 s 接近于接近于1时，可忽略式（时，可忽略式（6-5）分母）分母中的中的Rr，则，则（6-6）即即s接接近近于于1时时转转矩矩近近似似与与s成成反反比比，这这时时，Te=f（s）是对称于原点的）是对称于原点的一段双曲线一段双曲线。17 机械特性机械特性 当当 s 为以上为以上两段的中间数两段的中间数值时，机械特值时，机械特性性从直线段逐从直线段逐渐过渡到双曲渐过渡到双曲线段线段，如图所，如图所示。示。smnn1sTe010TeTemaxTemax图图6-2 恒压恒频时异步电机的机械特性恒压恒频时异步电机的机械特性186.2.2 基频以下电压基频以下电压-频率协调控制时的频率协调控制时的 机械特性机械特性 由式（由式（6-5）机械特性方程式可以看出，）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩对于同一组转矩 Te 和转速和转速 n（或转差率（或转差率s）的）的要求，电压要求，电压 Us 和频率和频率 1 可以有多种配合。可以有多种配合。在在 Us 和和 1 的不同配合下机械特性也是的不同配合下机械特性也是不一样的，不一样的，因此可以有不同方式的电压频因此可以有不同方式的电压频率协调控制。率协调控制。191.恒压频比控制（恒压频比控制（Us/1）在第在第6-1节中已经指出，为了近似地保持节中已经指出，为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用电机铁心，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，在发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须基频以下须采用恒压频比控制采用恒压频比控制。这时，同步转速自然。这时，同步转速自然要随频率变化。要随频率变化。（6-8）20 由式（由式（6-6）可以导出）可以导出（6-10）带负载时的带负载时的转速降落转速降落为为（6-9）21 由此可见，当由此可见，当 Us/1 为恒值时，对于同一为恒值时，对于同一转矩转矩 Te，s 1 是基本不变的，因而是基本不变的，因而 n 也是也是基本不变的基本不变的。这就是说，。这就是说，在恒压频比的条件在恒压频比的条件下改变频率下改变频率 1 时，机械特性基本上是平行时，机械特性基本上是平行下移，下移，如图如图6-3所示。它们和直流他励电机所示。它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。变压调速时的情况基本相似。22 所不同的是，所不同的是，当转矩增大到最大值以当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。后，转速再降低，特性就折回来了。而且而且频率越低时最大转矩值越小，频率越低时最大转矩值越小，可参看第可参看第5章章式（式（5-5），对式（），对式（5-5）稍加整理后可得）稍加整理后可得（6-11）23 可见最大转矩可见最大转矩 Temax 是随着的是随着的 1 降低而降低而减小的。频率很低时，减小的。频率很低时，Temax太小将限制电太小将限制电机的带载能力，采用机的带载能力，采用定子压降补偿，适当定子压降补偿，适当地提高电压地提高电压Us，可以增强带载能力，见图，可以增强带载能力，见图6-3。24 机械特性曲线机械特性曲线On图图6-3 恒压频比控制时变频调速的机械特性恒压频比控制时变频调速的机械特性补补偿偿定定子子压压降后的特性降后的特性252.恒恒 Eg/1 控制控制 下图再次绘出异步电机的稳态等效电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：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气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中 的感应电动势；的感应电动势；Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电定子全磁通在定子每相绕组中的感应电 动势；动势；Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势转子全磁通在转子绕组中的感应电动势 （折合到定子边）。（折合到定子边）。26异步电动机稳态等效电路和感应电动势异步电动机稳态等效电路和感应电动势 Us1RsLlsLlrLmRr/sIsI0Ir 异步电动机等效电路异步电动机等效电路EgEsEr27 特性分析特性分析 如果在电压频率协调控制中，恰当地如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压提高电压 Us 的数值，使它在克服定子阻的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持抗压降以后，能维持 Eg/1 为恒值（基频为恒值（基频以下），则由式（以下），则由式（6-2）可知，）可知，无论频率无论频率高低，每极磁通高低，每极磁通 m 均为常值。均为常值。28 特性分析（续）特性分析（续）由等效电路可以看出由等效电路可以看出（6-12）代入电磁转矩关系式，得代入电磁转矩关系式，得（6-13）恒恒Eg/1时的机械特性时的机械特性29特性分析（续）特性分析（续）利用与前相似的分析方法，当利用与前相似的分析方法，当s很小时，很小时，可忽略式（可忽略式（6-13）分母中含）分母中含 s 项，则项，则（6-14）这表明机械特性的这一段近似为这表明机械特性的这一段近似为一条直线一条直线。30特性分析（续）特性分析（续）当当 s 接近于接近于1时，可忽略式（时，可忽略式（6-13）分母中）分母中的的 Rr2 项，则项，则（6-14）s 值为上述两段的中间值时，机械特性在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。压频比特性相似。31 性能比较性能比较 但是，对比式（但是，对比式（6-5）和式（）和式（6-13）可以）可以看出，恒看出，恒 Eg/1 特性分母中含特性分母中含 s 项的参数项的参数要小于恒要小于恒 Us/1 特性中的同类项，也就是特性中的同类项，也就是说，说，s 值要更大一些才能使该项占有显著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，的份量，从而不能被忽略，因此恒因此恒 Eg/1 特性的线性段范围更宽。特性的线性段范围更宽。32性能比较（续）性能比较（续）将式（将式（6-13）对）对 s 求导，并令求导，并令 dTe/ds=0，可得，可得恒恒Eg/1控制特性在最大转矩时的转差率控制特性在最大转矩时的转差率（6-16）和最大转矩和最大转矩（6-17）33性能比较（续）性能比较（续）值得注意的是，在式（值得注意的是，在式（6-17）中，当）中，当Eg/1 为恒值时，为恒值时，Temax 恒定不变，如下恒定不变，如下图所示，其图所示，其稳态性能优于恒稳态性能优于恒 Us/1 控制控制的性能。的性能。这正是恒这正是恒 Us/1控制中补偿定子压降控制中补偿定子压降所追求的目标。所追求的目标。34 机械特性曲线机械特性曲线OnTemax恒恒 Eg/1 控制时变频调速的机械特性控制时变频调速的机械特性353两种协调控制方式的比较两种协调控制方式的比较 综上所述，在正弦波供电时，按不同综上所述，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规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。型的机械特性。（1）恒压频比（）恒压频比（Us/1=Constant）控）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上制最容易实现，它的变频机械特性基本上是是平行下移平行下移，硬度也较好，能够满足一般，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。意，须对定子压降实行补偿。36 （2）恒）恒Eg/1 控制是通常对恒压频比控控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到到 rm=Constant，从而改善了低速性能。从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。力仍受到限制。376.2.3 基频以上恒压变频时的机械特性基频以上恒压变频时的机械特性 性能分析性能分析 在基频以上变频调速时，由于定子电压在基频以上变频调速时，由于定子电压 Us=UsN 不变，式（不变，式（6-5）的机械特性方程）的机械特性方程式可写成式可写成（6-18）恒压便变频时的机械特恒压便变频时的机械特性性38性能分析（续）性能分析（续）而式（而式（6-11）的最大转矩表达式可改写成）的最大转矩表达式可改写成（6-19）同步转速的表达式仍和式（同步转速的表达式仍和式（6-8）一样。）一样。39 机械特性曲线机械特性曲线恒功率调速恒功率调速O 由此可见，由此可见，当角频率提高当角频率提高时，同步转速时，同步转速随之提高，最随之提高，最大转矩减小，大转矩减小，机械特性上移，机械特性上移，而形状基本不而形状基本不变，如图所示。变，如图所示。图图6-5 基频以上恒压变频调速的机械特性基频以上恒压变频调速的机械特性40 由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必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。所以以认为输出功率基本不变。所以基频以上变基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。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，并增源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗。加电机中的损耗。因此在设计变频装置时，因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。应尽量减少输出电压中的谐波。41小小 结结n电压电压Us与频率与频率 1是变频器是变频器异步电动机调速异步电动机调速系统的两个独立的控制变量，在变频调速时系统的两个独立的控制变量，在变频调速时需要对这两个控制变量进行协调控制。需要对这两个控制变量进行协调控制。n在基频以下，有两种协调控制方式。采用不在基频以下，有两种协调控制方式。采用不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同。同。n在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。磁调速方法。返回目录返回目录42 如前所述，对于异步电机的变压变如前所述，对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够频调速，必须具备能够同时控制电压同时控制电压幅值和频率的交流电源幅值和频率的交流电源，而电网提供，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称变压变频器，又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。）装置。6.3 电力电子变压变频器的主要类型电力电子变压变频器的主要类型43 最早的最早的VVVF装置是装置是旋转变频机组旋转变频机组，即，即由直流电动机拖动交流同步发电机，调节由直流电动机拖动交流同步发电机，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压和频率。自从电力电子器件获得广出电压和频率。自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组已经无例外地泛应用以后，旋转变频机组已经无例外地让位给让位给静止式的变压变频器静止式的变压变频器了。了。446.3.1 交交-直直-交和交交和交-交变压变频器交变压变频器 从从整整体体结结构构上上看看，电电力力电电子子变变压压变变频频器器可可分为分为交交-直直-交和交交和交-交交两大类。两大类。1.交交-直直-交变压变频器交变压变频器 交交-直直-交变压变频器先将工频交流电源通交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。可控频率和电压的交流，如下图所示。45 交交-直直-交变压变频器基本结构交变压变频器基本结构交交-直直-交（间接）变压变频器交（间接）变压变频器 变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC50Hz整流整流46 由于这类变压变频器在恒频交流电源和由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个变频交流输出之间有一个“中间直流环节中间直流环节”，所以又称，所以又称间接式的变压变频器间接式的变压变频器。具体的整流和逆变电路种类很多，当前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（由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）等）组成的脉宽调制（组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称）逆变器，简称PWM变压变频器变压变频器，如下图所示。，如下图所示。47 交交-直直-交交PWM变压变频器基本结构变压变频器基本结构交交-直直-交交PWM变压变频器变压变频器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC50Hz调压调频调压调频C48 PWM变变压压变变频频器器的的应应用用之之所所以以如如此此广广泛泛，是由于它具有如下的一系列优点：是由于它具有如下的一系列优点：（1）在在主主电电路路整整流流和和逆逆变变两两个个单单元元中中，只只有有逆逆变变单单元元可可控控，通通过过它它同同时时调调节节电电压压和和频频率率，结结构构简简单单。采采用用全全控控型型的的功功率率开开关关器器件件，只只通通过过驱驱动动电电压压脉脉冲冲进进行行控控制制，电路也简单，效率高。电路也简单，效率高。49 （2）输出电压波形虽是一系列的）输出电压波形虽是一系列的PWM波，波，但由于采用了恰当的但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐基波的比重较大，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。高了系统的调速范围和稳态性能。50 （3）逆逆变变器器同同时时实实现现调调压压和和调调频频，动动态态响响应应不不受受中中间间直直流流环环节节滤滤波波器器参参数数的的影影响响，系统的动态性能也得以提高。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）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侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。小的影响。51 PWM变压变频器常用的功率开关器件变压变频器常用的功率开关器件有：有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代和替代GTO的电压控制器件如的电压控制器件如IGCT、IEGT等。等。受到开关器件额定电压和电流的限制，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（采用半控型的晶闸管（SCR），），并用可控并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交整流器调压和六拍逆变器调频的交-直直-交交变压变频器变压变频器，见下图。，见下图。52 普通交普通交-直直-交变压变频器的基本结构交变压变频器的基本结构SCR可控可控整流器整流器六六 拍拍逆变器逆变器DCACAC50Hz调频调频调压调压 可控整流器调压、六拍逆变器调频的交可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直直-交变压变频器交变压变频器532.交交-交变压变频器交变压变频器 交交-交变压变频器的基本结构如下图所示，交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成）的交流电源直接变换成VVVF输输出，因此又称直接式变压变频器。出，因此又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（变换器（Cycloconveter）。）。54 交交-交变压变频器的基本结构交变压变频器的基本结构交交-交（直接）变压变频器交（直接）变压变频器交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF55 常用的交常用的交-交变压变频器输出的每一相都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。反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可也就是说，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（下图逆调速系统的反并联可逆线路（下图a）。）。56交交-交变压变频器的基本电路结构交变压变频器的基本电路结构VRVFId-Id+-+a)电路结构负负载载50Hz50Hzu0交交-交变压变频器每一相的可逆线路交变压变频器每一相的可逆线路57交交-交变压变频器的控制方式交变压变频器的控制方式n整半周控制方式整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，在负载正、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上就获得交变的输出电压 u0，u0 的幅值的幅值决定于各组可控整流装置的控制角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，则输出平均频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如下图电压是方波，如下图 b 所示。所示。58图图6-13-b 方波型平均输出电压波形方波型平均输出电压波形tu0正组通正组通反组通反组通正组通正组通反组通反组通输出电压波形输出电压波形59 控制方式（控制方式（2）n 调制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。装置导通期间不断改变其控制角。例如例如：在正向组导通的半个周期中，使控制：在正向组导通的半个周期中，使控制角角 由由/2（对应于平均电压（对应于平均电压 u0=0）逐渐）逐渐减小到减小到 0（对应于（对应于 u0 最大），然后再逐渐最大），然后再逐渐增加到增加到 /2（u0 再变为再变为0），如下图所示。），如下图所示。602AO t=0 2=BCDEFu0图图6-14 交交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形交变压变频器的单相正弦波输出电压波形输出电压波形61 当当 角角按按正正弦弦规规律律变变化化时时，半半周周中中的的平平均均输输出出电电压压即即为为图图中中虚虚线线所所示示的的正正弦弦波波。对对反向组负半周的控制也是这样。反向组负半周的控制也是这样。62 单相交交变频电路输出电压和电流波形单相交交变频电路输出电压和电流波形63 三相交交变频电路三相交交变频电路 三相交交变频电路可以由三相交交变频电路可以由3个单相交交变个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图所示。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），则个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采用个晶闸管，即使采用零式电路也须零式电路也须18个晶闸管。个晶闸管。64 三相交交变频器的基本结构三相交交变频器的基本结构65 输出星形联结方式三相交交变频电路输出星形联结方式三相交交变频电路66三相桥式三相桥式交交变频电路交交变频电路67 因此，这样的交因此，这样的交-交变压变频器虽然在结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。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都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。产品。68 这类交这类交-交变频器的其他缺点是：输入功交变频器的其他缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，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高输出频率不超过电网频率的 1/3 1/2，一，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转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电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。速箱。69 近年来又出现了一种采用全控型开关器近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交件的矩阵式交-交变压变频器，类似于交变压变频器，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压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有有0.866。目前这类变压变频器尚处于开发。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。阶段，其发展前景是很好的。706.4 电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器 在在交交-直直-交交变变压压变变频频器器中中，按按照照中中间间直直流流环环节节直直流流电电源源性性质质的的不不同同，逆逆变变器器可可以以分分成成电电压压源源型型和和电电流流源源型型两两类类，两两种种类类型型的的实实际际区区别别在在于于直直流流环环节节采采用用怎怎样样的的滤滤波波器器。下下图图绘绘出出了了电电压压源源型型和和电电流流源源型型逆逆变变器器的的示意图。示意图。71 两种类型逆变器结构LdIdCdUdUd+-a)电压源逆变器b)电流源逆变器图6-15 电压源型和电流源型逆变器示意图72n电压源型逆变器电压源型逆变器（Voltage Source Inverter -VSI），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。73n电流源型逆变器电流源型逆变器（Current Source Inverter-CSI），直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。74 性能比较 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）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。75 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）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步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。76 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。77图6-16-a 电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI 电动Te 逆变UCRa）电动运行 电动运行状态P78 当电动运行时，UCR的控制角 ，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图a所示。79图6-16-b 电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI 90o有源逆变1 发电Te整流UCRb）逆变运行逆变运行状态P80n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 1 90，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）。81 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 必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与UCR反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这样做，设备要复杂多了。83性能比较（续）（3）动动态态响响应应 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）输输出出波波形形 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（见下表）。84性能比较（续）表6-1 两种逆变器输出波形比较85性能比较（续）（4）应用场合）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。86*6.3.3 180导通型和导通型和120导通型逆变器导通型逆变器 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VT1 VT6 组成的三相逆变器主电路，图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。87 三相桥式逆变器主电路结构CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd 2Ud 2RL图6-17 三相桥式逆变器主电路88控制方式 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。89（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。n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。90 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。91 死区时间的长短视器件的开关速度而定，器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。92p 输出波形 tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uAOuAOuABiAiduBOuCOuOOUdUd2Ud3Ud62 Ud3电压型逆变电路的波形93（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。n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。94p 电流型三相桥式逆变电路的输出波形 tOtOtOtOIdiViWuUViU返回目录返回目录956.4 变压变频调速系统中的脉宽调制变压变频调速系统中的脉宽调制 (PWM)技术技术本节提要本节提要n问题的提出问题的提出n正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制(SPWM)技术技术n消除指定次数谐波的消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM)控制技术控制技术n电流滞环跟踪电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术控制技术n电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术（或称磁控制技术（或称磁链跟踪控制技术）链跟踪控制技术）96 问题的提出 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。97 六拍逆变器主电路结构VT1VT6主电路开关器件 VD1VD6续流二极管VT3VT5VT4VT6VT2VT198 六拍逆变器的谐波99 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，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。1006.4.1 正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制(SPWM)技术技术1.PWM调制原理调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。101图6-18 PWM调制原理102 按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width m