运动控制系统-6.笼型异步电机变压变频调速系统——转差功率不变型调速系统优秀PPT.ppt

笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统（VVVF系统）系统）转差功率不变型调速系统转差功率不变型调速系统电力拖动自动限制系统第第 6 章章4/3/2023自动限制系统 概概 述述 异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变更，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在实行确定的技术措施后能实现高动态性能，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。4/3/2023自动限制系统本章提要本章提要n变压变频调速的基本限制方式n异步电动机电压频率协调限制时的机械特性n*电力电子变压变频器的主要类型n变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术n基于异步电动机稳态模型的变压变频调速n异步电动机的动态数学模型和坐标变换n基于动态模型按转子磁链定向的矢量限制系统n基于动态模型按定子磁链限制的干脆转矩限制系统 4/3/2023自动限制系统6.1 变压变频调速的基本限制方式变压变频调速的基本限制方式 在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。假如磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种奢侈；假如过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严峻时会因绕组过热而损坏电机。4/3/2023自动限制系统n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，m 保持不变是很简洁做到的。n在沟通异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就须要费一些周折了。4/3/2023自动限制系统 定子每相电动势（6-1）式中：Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；定子频率，单位为Hz；定子每相绕组串联匝数；基波绕组系数；每极气隙磁通量，单位为Wb。f1NskNsm4/3/2023自动限制系统 由式（6-1）可知，只要限制好 Eg 和 f1，便可达到限制磁通m 的目的，对此，须要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种状况。4/3/2023自动限制系统1.基频以下调速 由式（6-1）可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调整时，必需同时降低 Eg，使 常值 （6-2）即接受恒值电动势频率比的限制方式。4/3/2023自动限制系统 恒压频比的限制方式 然而，绕组中的感应电动势是难以干脆限制的，当电动势值较高时，可以忽视定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得（6-3）这是恒压频比的限制方式。4/3/2023自动限制系统 但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽视。这时，须要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比限制特性示于下图中的 b 线，无补偿的限制特性则为a 线。4/3/2023自动限制系统OUsf 1图6-1 恒压频比控制特性 带压降补偿的恒压频比限制特性UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 4/3/2023自动限制系统2.基频以上调速 在基频以上调速时，频率应当从 f1N 向上上升，但定子电压Us 却不行能超过额定电压UsN，最多只能保持Us=UsN，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状况。把基频以下和基频以上两种状况的限制特性画在一起，如下图所示。4/3/2023自动限制系统f1N 变压变频限制特性图6-2 异步电机变压变频调速的限制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O4/3/2023自动限制系统 假如电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变更，依据电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速上升时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。返回目录返回目录4/3/2023自动限制系统6.2 异步电动机电压频率协调限制时异步电动机电压频率协调限制时 的机械特性的机械特性本节提要本节提要恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性性基频以下电压基频以下电压-频率协调限制时的机械特性频率协调限制时的机械特性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恒流正弦波供电时的机械特性恒流正弦波供电时的机械特性4/3/2023自动限制系统6.2.1 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5章式（5-3）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 Te=f(s)。当定子电压 Us 和电源角频率 1 恒定时，可以改写成如下形式：（6-4）4/3/2023自动限制系统 特性分析当s很小时，可忽视上式分母中含s各项，则（6-5）也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性 Te=f（s）是一段直线，见图6-3。4/3/2023自动限制系统 特性分析（续）当 s 接近于1时，可忽视式（6-4）分母中的Rr，则（6-6）即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te=f（s）是对称于原点的一段双曲线。4/3/2023自动限制系统 机械特性 当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段渐渐过渡到双曲线段，如图所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax图6-3 恒压恒频时异步电机的机械特性4/3/2023自动限制系统6.2.2 基频以下电压基频以下电压-频率协调限制时的频率协调限制时的 机械特性机械特性 由式（6-4）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩 Te 和转速 n（或转差率s）的要求，电压 Us 和频率 1 可以有多种协作。在 Us 和 1 的不同协作下机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压频率协调限制。4/3/2023自动限制系统1.恒压频比限制（Us/1）在第6-1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，发挥电机产生转矩的实力，在基频以下须接受恒压频比限制。这时，同步转速自然要随频率变更。（6-7）4/3/2023自动限制系统 在式（6-5）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出（6-9）带负载时的转速着陆为（6-8）4/3/2023自动限制系统 由此可见，当 Us/1 为恒值时，对于同一转矩 Te，s1 是基本不变的，因而 n 也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下变更频率 1 时，机械特性基本上是平行下移，如图6-4所示。它们和直流他励电机变压调速时的状况基本相像。4/3/2023自动限制系统 所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小，可参看第5章式（5-5），对式（5-5）稍加整理后可得（6-10）4/3/2023自动限制系统 可见最大转矩 Temax 是随着的 1 降低而减小的。频率很低时，Temax太小将限制电机的带载实力，接受定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增加带载实力，见图6-4。4/3/2023自动限制系统 机械特性曲线On图6-4 恒压频比限制时变频调速的机械特性补偿定子压降后的特性4/3/2023自动限制系统2.恒 Eg/1 限制 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：Eg 气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中 的感应电动势；Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电 动势；Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势 （折合到定子边）。4/3/2023自动限制系统图6-5 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EgEsEr4/3/2023自动限制系统 特性分析 假如在电压频率协调限制中，恰当地提高电压 Us 的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持 Eg/1 为恒值（基频以下），则由式（6-1）可知，无论频率凹凸，每极磁通 m 均为常值。4/3/2023自动限制系统 特性分析（续）由等效电路可以看出（6-11）代入电磁转矩关系式，得（6-12）4/3/2023自动限制系统特性分析（续）利用与前相像的分析方法，当s很小时，可忽视式（6-12）分母中含 s 项，则（6-13）这表明机械特性的这一段近似为一条直线。4/3/2023自动限制系统特性分析（续）当 s 接近于1时，可忽视式（6-12）分母中的 Rr2 项，则（6-14）s 值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间渐渐过渡，整条特性与恒压频比特性相像。4/3/2023自动限制系统 性能比较 但是，对比式（6-4）和式（6-12）可以看出，恒 Eg/1 特性分母中含 s 项的参数要小于恒 Us/1 特性中的同类项，也就是说，s 值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽视，因此恒 Eg/1 特性的线性段范围更宽。4/3/2023自动限制系统性能比较（续）将式（6-12）对 s 求导，并令 dTe/ds=0，可得恒Eg/1限制特性在最大转矩时的转差率（6-15）和最大转矩（6-16）4/3/2023自动限制系统性能比较（续）值得留意的是，在式（6-16）中，当Eg/1 为恒值时，Temax 恒定不变，如下图所示，其稳态性能优于恒 Us/1 限制的性能。这正是恒 Eg/1 限制中补偿定子压降所追求的目标。4/3/2023自动限制系统 机械特性曲线OnTemax恒 Eg/1 限制时变频调速的机械特性4/3/2023自动限制系统3.恒 Er/1 限制 假如把电压频率协调限制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒 Er/1 限制，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出（6-17）4/3/2023自动限制系统代入电磁转矩基本关系式，得（6-18）现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线，见图6-6。4/3/2023自动限制系统0s10Te 几种电压频率协调限制方式的特性比较图6-6 不同电压频率协调限制方式时的机械特性恒 Er/1 限制恒 Eg/1 限制恒 Us/1 限制ab c4/3/2023自动限制系统 明显，恒 Er/1 限制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能沟通变频调速所要求的性能。现在的问题是，怎样限制变频装置的电压和频率才能获得恒定的 Er/1 呢？4/3/2023自动限制系统 依据式（6-1）电动势和磁通的关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在式（6-1）中，气隙磁通的感应电动势 Eg 对应于气隙磁通幅值 m，那么，转子全磁通的感应电动势 Er 就应当对应于转子全磁通幅值 rm：（6-19）4/3/2023自动限制系统 由此可见，只要能够依据转子全磁通幅值 rm=Constant 进 行限制，就可以获得恒 Er/1 了。这正是矢量限制系统所遵循的原则，下面在第6-7节中将具体探讨。4/3/2023自动限制系统4几种协调限制方式的比较 综上所述，在正弦波供电时，按不同规律实现电压频率协调限制可得不同类型的机械特性。（1）恒压频比（Us/1=Constant）限制最简洁实现，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，但低速带载实力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。4/3/2023自动限制系统 （2）恒Eg/1 限制是通常对恒压频比限制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到rm=Constant，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的实力仍受到限制。4/3/2023自动限制系统 （3）恒 Er/1 限制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，依据转子全磁通 rm 恒定进行限制，即得 Er/1=Constant 而且，在动态中也尽可能保持 rm 恒定是矢量限制系统的目标，当然实现起来是比较困难的。4/3/2023自动限制系统6.2.3 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 Us=UsN 不变，式（6-4）的机械特性方程式可写成（6-20）4/3/2023自动限制系统性能分析（续）而式（6-10）的最大转矩表达式可改写成（6-21）同步转速的表达式仍和式（6-7）一样。4/3/2023自动限制系统 机械特性曲线恒功率调速恒功率调速O 由此可见，当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形态基本不变，如图所示。图6-7 基频以上恒压变频调速的机械特性4/3/2023自动限制系统 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，但转速上升了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。最终，应当指出，以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的状况。假如电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗。因此在设计变频装置时，应尽量削减输出电压中的谐波。4/3/2023自动限制系统6.2.4 恒流正弦波供电时的机械特性恒流正弦波供电时的机械特性 在变频调速时，保持异步电机定子电流的幅值恒定，叫作恒流限制，电流幅值恒定是通过带PI调整器的电流闭环限制实现的，这种系统不仅平安牢靠而且具有良好的动静态性能。恒流供电时的机械特性与上面分析的恒压机械特性不同，现进行分析。4/3/2023自动限制系统 转子电流计算n设电流波形为正弦波，即忽视电流谐波，由异步电动机等效电路图所示的等效电路在恒流供电状况下可得4/3/2023自动限制系统转子电流计算（续）n电流幅值为（6-22）4/3/2023自动限制系统 电磁转矩公式n将式（6-22）代入电磁转矩表达式得（6-23）4/3/2023自动限制系统 最大转矩及其转差率 取dTe/dt=0，可求出恒流机械特性的最大转矩值（6-24）产生最大转矩时的转差率为（6-25）4/3/2023自动限制系统 机械特性曲线 按上式绘出不同电流、不同频率下的恒流机械特性示于图6-8。图6-8 恒流供电时异步电动机的机械特性TeOn4/3/2023自动限制系统 性能比较 第5章式（5-4）和（5-5）给出了恒压机械特性的最大转差率和最大转矩，现再录如下：（5-4）（5-5）4/3/2023自动限制系统性能比较（续）比较恒流机械特性与恒压机械特性，由上述表达式和特性曲线可得以下的结论：（1）恒流机械特性与恒压机械特性的形态相像，都有志向空载转速点（s=0，Te=0）和最大转矩点（sm，Temax）。4/3/2023自动限制系统性能比较（续）（3）恒流机械特性的最大转矩值与频率无关，恒流变频时最大转矩不变，但变更定子电流时，最大转矩与电流的平方成正比。（2）两类特性的特征有所不同，比较式（6-25）和式（5-4）可知，由于 Lls Lm，所以，sm|sm|因此恒流机械特性的线性段比较平，而最大转矩处形状很尖。Is=const.Us=const.4/3/2023自动限制系统性能比较（续）Is=const.Us=const.（4）由于恒流控制限制了电流 Is，而恒压供电时随着转速的降低Is会不断增大，所以在额定电流时 Temax|的要比额定电压时的Temax|小得多，用同一台电机的参数代入式（6-24）和式（5-5）可以证明这个结论。但这并不影响恒流控制的系统承担短时过载的能力，因为过载时可以短时加大定子电流，以产生更大的转矩，参看图6-8。4/3/2023自动限制系统小小 结结n电压Us与频率1是变频器异步电动机调速系统的两个独立的限制变量，在变频调速时须要对这两个限制变量进行协调限制。n在基频以下，有三种协调限制方式。接受不同的协调限制方式，得到的系统稳态性能不同，其中恒Er/1限制的性能最好。n在基频以上，接受保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。返回目录返回目录4/3/2023自动限制系统*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本节提要本节提要n交交-直直-交和交交和交-交变压变频器交变压变频器n电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器n180导通型和导通型和120导通型逆变器导通型逆变器4/3/2023自动限制系统 引引 言言 如前所述，对于异步电机的变压变频调速，必需具备能够同时限制电压幅值和频率的沟通电源，而电网供应的是恒压恒频的电源，因此应当配置变压变频器，又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。4/3/2023自动限制系统 最早的VVVF装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖动沟通同步发电机，调整直流电动机的转速就能限制沟通发电机输出电压和频率。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让位给静止式的变压变频器了。4/3/2023自动限制系统*6.3.1 交交-直直-交和交交和交-交变压变频器交变压变频器 从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。1.交-直-交变压变频器 交-直-交变压变频器先将工频沟通电源通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沟通，如下图所示。4/3/2023自动限制系统 交-直-交变压变频器基本结构图6-9 交-直-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4/3/2023自动限制系统 由于这类变压变频器在恒频沟通电源和变频沟通输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称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（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如下图所示。4/3/2023自动限制系统 交-直-交PWM变压变频器基本结构图6-10 交-直-交PWM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C4/3/2023自动限制系统 PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：（1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调整电压和频率，结构简洁。接受全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行限制，电路也简洁，效率高。4/3/2023自动限制系统 （2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于接受了恰当的PWM限制技术，正弦基波的比重较大，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，提高了系统的调速范围和稳态性能。4/3/2023自动限制系统 （3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。（4）接受不行控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。4/3/2023自动限制系统 PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压限制器件如IGCT、IEGT等。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接受半控型的晶闸管（SCR），并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器，见下图。4/3/2023自动限制系统 一般交-直-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调频调频调压调压图6-11 可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器4/3/2023自动限制系统2.交-交变压变频器 交-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（CVCF）的沟通电源干脆变换成VVVF输出，因此又称干脆式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。4/3/2023自动限制系统 交-交变压变频器的基本结构图6-12 交-交（干脆）变压变频器交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF4/3/2023自动限制系统 常用的交-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反并联的可逆线路。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a）。4/3/2023自动限制系统交-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图6-13-a 交-交变压变频器每一相的可逆线路4/3/2023自动限制系统交-交变压变频器的限制方式n整半周限制方式整半周限制方式n 正、反两组按确定周期相互切换，在负正、反两组按确定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压载上就获得交变的输出电压 u0，u0 的幅的幅值确定于各组可控整流装置的限制角值确定于各组可控整流装置的限制角 ，u0 的频率确定于正、反两组整流装置的切的频率确定于正、反两组整流装置的切换频率。假如限制角始终不变，则输出平换频率。假如限制角始终不变，则输出平均电压是方波，如下图均电压是方波，如下图 b 所示。所示。4/3/2023自动限制系统图6-13-b 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4/3/2023自动限制系统 限制方式（2）n 调制限制方式调制限制方式n 要获得正弦波输出，就必需在每一组整要获得正弦波输出，就必需在每一组整流装置导通期间不断变更其限制角。流装置导通期间不断变更其限制角。n例如：在正向组导通的半个周期中，使限例如：在正向组导通的半个周期中，使限制角制角 由由/2（对应于平均电压（对应于平均电压 u0=0）渐）渐渐减小到渐减小到 0（对应于（对应于 u0 最大），然后再渐最大），然后再渐渐增加到渐增加到 /2（u0 再变为再变为0），如下图所），如下图所示。示。4/3/2023自动限制系统2AO t=0 2=BCDEFu0图6-14 交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形输出电压波形4/3/2023自动限制系统 当角按正弦规律变更时，半周中的平均输出电压即为图中虚线所示的正弦波。对反向组负半周的限制也是这样。4/3/2023自动限制系统 单相交交变频电路输出电压和电流波形4/3/2023自动限制系统 三相交交变频电路 三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图所示。假如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），则三相可逆线路共需36个晶闸管，即使接受零式电路也须18个晶闸管。4/3/2023自动限制系统 三相交交变频器的基本结构4/3/2023自动限制系统 输出星形联结方式三相交交变频电路4/3/2023自动限制系统三相桥式交交变频电路4/3/2023自动限制系统 因此，这样的交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简洁，但所用的器件数量却很多，总体设备相当浩大。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都很成熟，目前国内有些企业已有牢靠的产品。4/3/2023自动限制系统 这类交-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，频谱困难，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 1/3 1/2，一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，供电给低速电机干脆传动时，可以省去浩大的齿轮减速箱。4/3/2023自动限制系统 近年来又出现了一种接受全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，类似于 PWM限制方式，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，能量可双向流淌，以获得四象限运行，但当输出电压必需为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.866。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。4/3/2023自动限制系统*6.3.2 电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器 在交-直-交变压变频器中，依据中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区分在于直流环节接受怎样的滤波器。下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。4/3/2023自动限制系统 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4/3/2023自动限制系统n电压源型逆变器（电压源型逆变器（Voltage Source Inverter n -VSI），直流环节接受大电容滤波，），直流环节接受大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在志向状况因而直流电压波形比较平直，在志向状况下是一个内阻为零的恒压源，输出沟通电下是一个内阻为零的恒压源，输出沟通电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。变器。4/3/2023自动限制系统n电流源型逆变器（电流源型逆变器（Current Source Inverter-CSI），直流环节接受大电感滤），直流环节接受大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出沟通电流是矩形波或阶梯波，恒流源，输出沟通电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。或简称电流型逆变器。4/3/2023自动限制系统 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 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，使它不致影响到沟通电网。4/3/2023自动限制系统 因此，两类逆变器的区分还表现在接受什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。（2）能量的回馈 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，就是简洁实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于须要回馈制动和常常正、反转的生产机械。4/3/2023自动限制系统 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。4/3/2023自动限制系统图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P4/3/2023自动限制系统 当电动运行时，UCR的限制角 ，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图a所示。4/3/2023自动限制系统图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P4/3/2023自动限制系统n假如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 马上反向，而电流 Id 方向不变，电能由电机回馈给沟通电网（图b）。4/3/2023自动限制系统 与此相反，接受电压源型的交-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，不行能快速反向，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。4/3/2023自动限制系统 必需制动时，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，设备要困难多了。4/3/2023自动限制系统性能比较（续）（3）动态响应 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快速变更，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）输出波形 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）。4/3/2023自动限制系统性能比较（续）表6-1 两种逆变器输出波形比较4/3/2023自动限制系统性能比较（续）（4）应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电压限制响应慢，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。接受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。4/3/2023自动限制系统*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，以便输出三相沟通变频电源，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。4/3/2023自动限制系统 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4/3/2023自动限制系统限制方式 限制各开关器件轮番导通和关断，可使输出端得到三相沟通电压。在某一瞬间，限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。4/3/2023自动限制系统（1）180导通型限制方式 同一桥臂上、下两管之间相互换流的逆变器称作180导通型逆变器。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。4/3/2023自动限制系统 但须留意，必需防止同一桥臂的上、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，必需实行“先断后通”的方法，即先给应关断的器件发出关断信号，待其关断后留确定的时间裕量，叫做“死区时间”，再给应导通的器件发出开通信号。4/3/2023自动限制系统 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。为了平安起见，设置死区时间是特别必要的，但它会造成输出电压波形的畸变。4/3/2023自动限制系统p 输出波形 tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uAOuAOuABiAiduBOuCOuOOUdUd2Ud3Ud62 Ud3电压型逆变电路的波形4/3/2023自动限制系统（2）120导通型限制方式 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。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，假如负载电机绕组是Y联结，则只有两相导电，另一相悬空。4/3/2023自动限制系统p 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4/3/2023自动限制系统6.4 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问题的提出问题的提出正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制(SPWM)技术技术消退指定次数谐波的消退指定次数谐波的PWM(SHEPWM)限制限制技术技术电流滞环跟踪电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)限制技术限制技术电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)限制技术（或限制技术（或称磁链跟踪限制技术）称磁链跟踪限制技术）4/3/2023自动限制系统 问题的提出 早期的交-直-交变压变频器所输出的沟通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接受半控式的晶闸管，其关断的不行控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形不行能近似按正弦波变更，从而会有较大的低次谐波，使电机输出转矩存在脉动重量，影响其稳态工作性能，在低速运行时更为明显。4/3/2023自动限制系统 六拍逆变器主电路结构VT1VT6主电路开关器件 VD1VD6续流二极管VT3VT5VT4VT6VT2VT14/3/2023自动限制系统 六拍逆变器的谐波4/3/2023自动限制系统 为了改善沟通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年头开发了应用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接受这种技术，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才属例外。4/3/2023自动限制系统6.4.1 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。4/3/2023自动限制系统图6-18 PWM调制原理4/3/2023自动限制系统 依据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 modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。4/3/2023自动限制系统2.SPWM限制方式n假如在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变更，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性限制方式。n假如在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变更，则SPWM波也是在正负之间变更，叫做双极性限制方式。4/3/2023自动限制系统 单相桥式PWM逆变电路 单相桥式PWM逆变电路 VT1VT2VT3VT44/3/2023自动限制系统（1）单极性PWM限制方式4/3/2023自动限制系统（2）双极性PWM限制方式4/3/2023自动限制系统3.PWM限制电路n模拟电子电路n 接受正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM限制；n数字限制电路n硬件电路；n软件实现。4/3/2023自动限制系统 模拟电子电路4/3/2023自动限制系统 数字限制电路n自然采样法只是把同样的方法数字化，自然采样法的运算比较困难；n规则采样法在工程上更好用的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。4/3/2023自动限制系统（1）自然采样法原理4/3/2023自动限制系统（2）规则采样法 4/3/2023自动限制系统规则采样法原理三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化4/3/2023自动限制系统在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过 D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻 tA和B点时刻 tB限制开关器件的通断脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度特别接近4/3/2023自动限制系统规则采样法原理正弦调制信号波 式中，M 称为调制度调制度，0 a 1；r为信号波角频率。从图中可得 4/3/2023自动限制系统因此可得 三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度4/3/2023自动限制系统 依据上述采样原理和计算公式，可以用计算机实时限制产生SPWM波形，具体实现方法有：查表法可以先离线计算出相应的脉宽d 等数据存放在内存中，然后在调速系统实时限制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。4/3/2023自动限制系统n实时计算法事先在内存中存放正弦函数和Tc/2值，限制时先查出正弦值，与调速系统所需的调制度M作乘法运算，再依据给定的载波频率查出相应的Tc/2值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。4/3/2023自动限制系统 由于PWM变压变频器的应用特别广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出口的电机限制用的8位、16位微机芯片和DSP。4/3/2023自动限制系统4.PWM调制方法