交流传动控制系统.ppt

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1、第第6章交流传动控制系统章交流传动控制系统 直流传动系统，因其具有的高精度性，在直流传动系统，因其具有的高精度性，在很长时间内占据了需要速度调节的大部分应很长时间内占据了需要速度调节的大部分应用领域。用领域。但是，直流电动机因为具有电刷和换向器但是，直流电动机因为具有电刷和换向器因而必须经常检查维修，换向火花使它的应因而必须经常检查维修，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力也限制了直流电用环境受到限制，换向能力也限制了直流电动机的容量和速度等。动机的容量和速度等。随着变流技术和计算机控制技术的发展，随着变流技术和计算机控制技术的发展，使得采用新型电力电子变换器的高性能交流使得采用新型电力电

2、子变换器的高性能交流调速系统应运而生，交直流拖动按调速性能调速系统应运而生，交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破。分工的格局终于被打破。目前，需要速度调节的应用，工程师一般目前，需要速度调节的应用，工程师一般采用交流拖动控制系统。采用交流拖动控制系统。6.1 交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域 目前，交流拖动控制系统的应用领域主要目前，交流拖动控制系统的应用领域主要有下述三个方面：有下述三个方面：1）一般性能的节能调速和按工艺要求调速）一般性能的节能调速和按工艺要求调速；2)高性能的交流调速系统和伺服系统高性能的交流调速系统和伺服系统 ；3)特大容量、极高转速的交流调速特

3、大容量、极高转速的交流调速 。6.2 调压调速系统调压调速系统 交流调压器是输出与输入频率相同而电压交流调压器是输出与输入频率相同而电压不同的交流电压控制器，交流调压器的调节控不同的交流电压控制器，交流调压器的调节控制方式可分为：制方式可分为：1）移相控制的交流调压器）移相控制的交流调压器(单称交流移相调压单称交流移相调压器器)2）通断比控制的交流调压器）通断比控制的交流调压器(简称交流通断控简称交流通断控制调压器制调压器)。交流调压，晶闸管可以藉负载电流过零自交流调压，晶闸管可以藉负载电流过零自然关断，不需另加换流电路，所以电路结构简然关断，不需另加换流电路，所以电路结构简单，调整方便。但其

4、输出含有较严重的谐波分单，调整方便。但其输出含有较严重的谐波分量，对于加热炉、电光源、以及交流电动机、量，对于加热炉、电光源、以及交流电动机、电焊机等惯性较大的负载，谐波对工作的影响电焊机等惯性较大的负载，谐波对工作的影响较小，故交流调压多用于热或机械惯性较大的较小，故交流调压多用于热或机械惯性较大的负载功率调整。负载功率调整。晶闸管交流移相调压器晶闸管交流移相调压器1单相相控调压单相相控调压晶闸管交流移相调压器晶闸管交流移相调压器1单相相控调压单相相控调压(1)电阻性负载图6.1a)中,设输入电压为在电源正半周触发VT1，控制角为1，在电源负半周触发VT2，控制角为2，若令1=2，则输出电压

5、有效值为当控制角从0到变化时，输出电压有效值U0从U变到0。对于反并联的两个晶闸管VT1和VT2，通常采用脉冲变压器将控制极触发电路隔离，脉冲变压器一次侧绝缘耐压应能承受电源电压。（2）电感性负载 具有RL负载的单相交流调压电路如图6.2所示。设输入电压，并设负载对电源频率的功串因数角，为VT1的控制角，为VT1的导通角，则这三个角度之间的关系为当 一定时，与的关系如图6.3的曲线所示，由式(6.3)和图6.3可见：对电感性负载的单相交流调压，其控制角移相范围应为 ，若 的情形。带带RL负载的单相交流调压电路及负载的单相交流调压电路及、和的关系 2三相交流移相调压器三相交流移相调压器(1)负载

6、星形连接双向开关三角形连接的电路及不同时刻各管导通状态双向开关三角形连接的电路及不同时刻各管导通状态见表见表 II线电流有效值Ip一相电流有效值(2)负载三角形连接负载三角形连接 该电路线电流的有效值不遵守一般三相线性系统的关系，而有负载三角形连接三相交流调压电路负载三角形连接三相交流调压电路 图6.6中，图a)所用开关元件电流容量比图b)小，但如以每时刻均为两个元件导通时图a)是负载各相单独接入到线电压的一相中去，而图b)是三相负载每时都接入列线电压上，所以图b)负载相电流的谐波成份小一些。6.2.2 固态继电器交流移相调压器固态继电器交流移相调压器1.固态继电器固态继电器固态继电器英文名称

7、为固态继电器英文名称为Solid State Relay，简称，简称SSR。它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，单相继电器特性的无触点开关器件，单相SSR为四端有源器为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出之间件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出之间为光隔离，为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。能从断态转变成通态。固态继电器交流移相调压器固态继电器交流移相调压器1.固态继电器固态继电器相对晶闸管

8、，SSR具有如下优点：(1)固体继电器工作可靠，寿命长；(2)无噪声、无火花、无电磁干扰、抗干扰能力强；(3)体积小、耐冲击、耐振荡、防爆、防潮、防腐蚀；(4)开关速度快，能与TTL、DTL、HTL等逻辑电路兼容，以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。主要不足：(1)通态压降大(管耗大，需相应散热措施)；(2)有断态漏电流，需要限制最小负载；(3)交/直流不能通用，且；触点组数少；(4)过电流、过电压及电压上升率、电流上升率等指标差。SSR固体继电器用途SSR固体继电器目前已广泛应用于计算机外围接口装置，电炉加热恒温系统，数控机械，遥控系统、工业自动化装置、信号灯、闪烁器、照明舞台灯光控制系

9、统、仪器仪表、医疗器械、复印机、自动洗衣机、自动消防保安系统以及作为电网功网因素补偿的电力电容切换开关等等，另外在化工、煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中都有大量使用。SSR交流固体继电器按开关方式分为：电压过零导通型(简称过零型)随机导通型(简称随机型)；按输出开关元件分为：双向可控硅输出型(普通型)单向可控硅反并联型(增强型)；按安装方式分为：印刷线路板上用的针插式(自然冷却，不必带散热器)固定在金属底板上的装置式(靠散热器冷却)；另外输入端又有宽范围输入(DC332V)的恒流源型和串电阻限流型等。2.固态继电器工作原理固态继电器工作原理固态继电器SSR工作原理与晶闸管SCR相似。图6.8是

10、过零型/随机型SSR的输出波形图a)电平控制 b)脉冲控制固态继电器固态继电器SSR在分相电动机与三相交流电动机正、在分相电动机与三相交流电动机正、反转控制的应用实例反转控制的应用实例 图6.9交流电动机正、反转控制a)分相电动机b)三相交流电动机6.2.2 固态继电器交流移相调压器固态继电器交流移相调压器3.固态继电器交流移相调压器固态继电器交流移相调压器a)SXJKA、TB-3A和6只单向可控硅组成的三相交流移相调压器3.固态继电器交流移相调压器固态继电器交流移相调压器b)SXJKT、TB-3A和3只双向可控硅组成的三相交流移相调压器3.固态继电器交流移相调压器固态继电器交流移相调压器c)

11、SX3JK、TB-3和3只固态继电器组成的三相交流移相调压器6.2.3 三相交流调压电源三相交流调压电源图6.11为采用8031单片机作移相控制的三相交流调压电源接口电路原理图。图中，过零检测器检测交流电源电压正过零信号，使从单片机8031的P1.0、P1.1、P1.2输出的脉冲信号与品闸管主电路电源同步。6.2.4 调压调速系统的组成与特性分析调压调速系统的组成与特性分析三相交流异步电动机调压机械特性如图6.14图6.14三相交流异步电动机图6.15高阻值绕组线圈调压机械特性调压调速系统的组成与特性分析调压调速系统的组成与特性分析1.转速闭环调压调速系统的组成及静特性转速闭环调压调速系统的组

12、成及静特性调压调速系统的组成与特性分析调压调速系统的组成与特性分析1.转速闭环调压调速系统的组成及静特性转速闭环调压调速系统的组成及静特性根据图2.17所示的结构框图可写出各环节的辅出量与输入量的关系Ks速度调节器静态放大倍数；Kv调压器放大倍数；U1调压器输出电压(电动机定子电压)；Kn转速负反馈系数。调压调速系统的组成与特性分析调压调速系统的组成与特性分析1.转速闭环调压调速系统的组成及静特性转速闭环调压调速系统的组成及静特性由上式可得：式中n1一异步电动机的同步转速。根据异步电动机机械特性的实用表达式当电动机在额定负载下运行时，转差率s很小，则 ，则式(6.6)可近似为在忽略定子电阻R1

13、的条件下，可得到电动机的临界转矩为式中Xk一一异步电动机的短路电抗。调压调速系统的组成与特性分析调压调速系统的组成与特性分析将式将式(6.5)和式和式(6.8)代入式代入式(6.7)得得式中 K=由式(6.9)可知，转速负反馈的加入使系统的静特性硬度大大增加，而影响调速精度的主要因素是Kn、Kv、Ks，它们的选择和直流系统是类似的。调压调速系统的组成与特性分析调压调速系统的组成与特性分析2应用举例应用举例成套产品KJF系列双向晶闸管调压调速装置介绍。1)主要技术指标(1)控制对象：三相交流异步电动机(380V50Hz)；(2)辅出功率：小于40kW；(3)调速范围：5：1，对力矩电机可达l0：

14、11(4)稳态精度：静态误差不大于255；(5)控制电压(08)V。调压调速系统的组成与特性分析调压调速系统的组成与特性分析2应用举例应用举例成套产品KJF系列双向晶闸管调压调速装置介绍。2)工作原理(1)主电路(2)控制电路(3)移相触发电路6.3 电磁转差离合器调速系统电磁转差离合器调速系统6.3.1 系统的组成和工作原理系统的组成和工作原理 电磁转差离合器调速系统见图电磁转差离合器调速系统见图6.19，由笼，由笼型异步电动机、电磁转差离合器和晶闸管励型异步电动机、电磁转差离合器和晶闸管励磁电源及其控制部分组成。晶闸管直流励磁磁电源及其控制部分组成。晶闸管直流励磁电源功串较小，常用单相半波

15、或全波晶闸管电源功串较小，常用单相半波或全波晶闸管电路控制转差离合器的励磁电流。电路控制转差离合器的励磁电流。系统的组成和工作原理系统的组成和工作原理电磁转差离合器由电枢和磁积极两部分组成，两者无机械联系，都可自由旋转。电枢由电动机带动，称主动部分，磁极用联轴节与负载相联，称从动部分。当励磁绕组通以直流电，电枢为电动机所拖动以恒速定向旋转时，在电枢中感应产生涡流，涡流与磁极的磁场作用产生电磁力，形成的电磁转矩使磁极跟着电枢同方向旋转。如负载恒定，则励磁电流大，磁场与电枢只有较小的转差率，就能产生足够大的转矩带动负载，转速较高。反之，速度低。同样，如励磁电流恒定，负载大则转违低。所以，改变励磁电

16、流的大小即可实现对负载的调速。6.3.2 电磁调速电动机的工作特性电磁调速电动机的工作特性一般情况下，电磁调速电动机的机械特性就是转差离合器的机械特性。空载转速n0不变，随负载转矩增加，转速下降较多，是软特性。励磁电流越小，特性越软，且在TL10%TN时，有一个失控区。这种机械特性可用如下的经验公式表示：n1离合器主动部分转速；n2离合器从动部分转速；T离合器转矩；If励磁电流；K与离合器类型有关的系数。电磁调速电动机机械特性电磁调速电动机机械特性 6.3.3 电磁调速电动机的优缺点及适用范围电磁调速电动机的优缺点及适用范围主要优点是线路简单，运行可靠，价格低廉，对电网，电机均无谐波影响。闭环

17、控制时调速范围达10：1，转速变化率在2%左右。缺点是转差损耗大，效率低，负载端速度损失较大，额定转速仅为电动机同步转速的80一85，用低电阻端环的转差离合器时，其额定转速可达95%。负载小时有一个失控区。6.4 晶闸管串级调速系统晶闸管串级调速系统 晶闸管串级调速系统是在绕线转子异步电动机转晶闸管串级调速系统是在绕线转子异步电动机转子侧用大功率二极管或晶闸管，将转子的转差频率交子侧用大功率二极管或晶闸管，将转子的转差频率交流电变为直流电，再用晶闸管逆变器将转子电流返回流电变为直流电，再用晶闸管逆变器将转子电流返回电电源以改变电动机转速的一种调速方式。电电源以改变电动机转速的一种调速方式。6.

18、4.1 串级调速的基本工作原理串级调速的基本工作原理 绕线转子异步电动机，在转子回路中串入不同数值的电阻RS，可以获得不同斜率的机械特性，从而实现速度的调节。属于变转差率调速方法。这种调速方法简单、方便。但存在如下缺点：(1)调速是有级的，不平滑；(2)在深调速时机械特性很软，转速稳定性差；(3)转差功率PS转变为热能，消耗在电阻RS上，效率低。且随着调速范围加大，转速愈低，转差功率也愈大，当转差率S=0.5时，效率0.5。串级调速的基本工作原理串级调速的基本工作原理为了利用转差功率，可以采用控制转子变量的调速方法，即在电动机转子回路中串入与转子电动势E2同频率的附加电动势，通过改变幅值和相位

19、来实现调速。这样电动机在低速运转时，转子中的转差功率PS仅有小部分消耗在转子相电阻R2上，而大部分（）被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加电势的装置，设法把所吸收的这部分转差功率回馈给电网。这种在绕线转子异步电动机转子回路中串入附加电动势以改变转差功率的调速方法，称为串级调速。串级调速的基本工作原理串级调速的基本工作原理当电动机工作在固有机械特性上时，若拖动恒转矩负载在接近额定转速下稳定运转，转子相电流I2为当转子串入的附加电势Ef的相位与转子感应电动势(SE2)的相位相差180时，由于反相的Ef接入，立即引起转子电流I2的减小，此时转子相电流I2为由于Ef的接入，使转子电流I2增加，此时串

20、级调速的基本工作原理串级调速的基本工作原理电动机的电磁转矩亦相应增加并大于负载转矩，迫使电动机加速，转差率s值减小。由式（6.12）可看出转子电流亦减小，这一过程将持续到转矩T恢复为原有数值。当串入的值足够大时，电动机加速到超过同步转速，于是S值将变负，（SE2）反相，使I2值又下降，这一过程持续到T 又恢复到原有数值为止。在新的平衡状态下，电动机处于高于同步速度下稳定运转，这就是超同步速度串级调速的原理。串入与转子电动势同相位的幅值愈大，电动机的转速就愈高。综上所述，串级调速的原理是在转子回路中串入一个与转子感应电动势E2同频率的附加电动势，通过改变的相位和幅值大小，就可以实现电动机低于或超

21、过同步速度的调速。串级调速的基本运转状态与功率传递关系串级调速的基本运转状态与功率传递关系调速范围与串级调速装置的容量，转子电压的关系调速范围与串级调速装置的容量，转子电压的关系如图6.23所示，当电动机在额定转矩下转速为额定位转速nN时，其输出功率也相应为额定值PN。当转速为零时，电动机从电网吸取的功率全部变为转差功率馈入电网，而输出功率为零。6.4.3 调速范围与串级调速装置的容量，转子电压的调速范围与串级调速装置的容量，转子电压的关系关系如采用低同步串级调速，当调速范围21(nN0.5nN)时，最大转差功率为s*P=0.5PN，即调速装置的功率仅需额定功率的一半。如采用超同步串级调速，当

22、调速范围3：1(1.5nN0.5nN)时，P=1.5PN，s*P=0.5PN=0.33P。即用同样容量的调速装置可以控制更大的输出功率。串级调速的的主回路方案串级调速的的主回路方案1.低于同步转速串级调速主回路低于同步转速串级调速主回路串级调速的的主回路方案串级调速的的主回路方案1.低于同步转速串级调速主回路低于同步转速串级调速主回路图6.24为几种常用的主回路形式，图a)为最常用三相桥式串级调速电路；图b)为三相零式电路，线路简单，但谐狡严重，有零线电流，仅适用于小容量电机；图c)为带斩彼器的三相桥式电路，电源侧逆变器控制在全逆变状态，系统功率因数较高，适用于中小容量电机；图d)为十二相桥式

23、电路，线路复杂，但功率因数较高，谐波分量小，适用于中大容量电机。串级调速的的主回路方案串级调速的的主回路方案2.超同步串级调速的主回路超同步串级调速的主回路串级调速的的主回路方案串级调速的的主回路方案1.高于同步转速串级调速主回路高于同步转速串级调速主回路图a)为交直交强迫换流电路；适用于小容量电动机；图b)为交交电流型自然换流电路(亦可用交交电压型自然换流电路)适用于大容量电动机。6.4.5 功率因数和效率功率因数和效率如果串级调速的变流器不采取任何改善功率因数的措施，则其效率和功率因数与电动机转差率S的关系如图6.26所示。串级调速时，定子必须从电网吸收滞后电流，电源侧逆变器也必须从电网吸

24、取滞后无功电流以实现自然换流，故总的功率因数较低，但在超同步运行时，效率和功率因数均较高。虽然串级调速有较高的效率，但如不采取措施，其功率因数较低，影响总的力能指标。大量使用时，过大的无功功率冲击，将使电网损耗加大，供电质量下降，必须根据电网容量大小、并联运行负载性质、无功冲击对全厂功率因数的影响等因素，采取必要的措施。6.4.6 串级调速系统的机械特性串级调速系统的机械特性串级调速情况下的机械特性实用表达式为式中 串级调速时电动机最大转矩电动机自然特性转矩。串级调速系统的机械特性串级调速系统的机械特性机械特性曲线见图6.27，其中曲线1为自然机械特性，其中曲线2，3为不同逆变角下的串级调速机

25、械特性。串级调速控制系统串级调速控制系统除个别对调速系统性能要求不高的场合可以所有开环控制以外，串级调速系统一般均采用电流和转速环的双闭环控制系统。6.5 变频调速变频调速对异步电动机进行变频调速，需要一套变对异步电动机进行变频调速，需要一套变频电源，目前市售的各种类型的变频调速装频电源，目前市售的各种类型的变频调速装置，它们具有重量轻、体积小、维护方便、置，它们具有重量轻、体积小、维护方便、惯性小和效率高等优点。因此，变频调速已惯性小和效率高等优点。因此，变频调速已成为异步电动机调速的主要选择，在很多方成为异步电动机调速的主要选择，在很多方面也已经进入了直流电动机的传统应用领域。面也已经进入

26、了直流电动机的传统应用领域。本节重点讨论交本节重点讨论交直直交变频器、交交变频器、交交交变频器中逆变器的工作原理，及变频器中逆变器的工作原理，及SPWM技术。技术。变频调速的基本依据异步电动机的转速故改变定子供电电源频率f1就可以改变电动机的同步转速n0和转速n，这就是变频调速的基本依据。变频器的主要类型和特点变频器的主要类型和特点带定子压降转矩补偿的恒压频比控制特性示于图6.29中的b线，无补偿的控制特性则为a线。图6.29定子压降转矩补偿特性图6.30异步电动机变频调速的控制特性变频器的主要类型和特点变频器的主要类型和特点1按装置形式分类按装置形式分类(1)交交变频器(2)交直交变频器图6

27、.31交交变频器图6.32交直交变频器交交变频器由于性能上的原因，常用来作为低频大功率变频器，交直交变频器的应用场所则要广泛得多，除变频调速外，还可用来构成高精度稳频稳压交流电源和不停电交流电源。变频器的主要类型和特点变频器的主要类型和特点2按无功能量处理方式分类按无功能量处理方式分类(1)电压源型变频器(2)电流源型变频器变频器的主要类型和特点变频器的主要类型和特点3按变频器工作方式分类按变频器工作方式分类 180o导电型导电型;120o导电型。导电型。1）180o导电型导电型每个晶闸管的导通角为每个晶闸管的导通角为180o，在任意瞬间三个不同桥臂同时，在任意瞬间三个不同桥臂同时有个晶闸管导

28、通，每隔有个晶闸管导通，每隔60 o 更换一个晶闸管，触发导通顺更换一个晶闸管，触发导通顺序为序为VT5、6、1；VT6、1、2；VT、3；VT、4；VT、5；VT、6；VT、1。变频器的主要类型和特点变频器的主要类型和特点3按变频器工作方式分类按变频器工作方式分类 180o导电型导电型;120o导电型。导电型。2）120o导电型导电型每个晶闸管的导通角为每个晶闸管的导通角为120o，在任意瞬间二个不同桥臂同时在任意瞬间二个不同桥臂同时有个晶闸管导通，每隔有个晶闸管导通，每隔60 o 更换一个晶闸管，触发导通顺更换一个晶闸管，触发导通顺序为序为VT、1；VT、2；VT、3；VT、4；VT、；、

29、；VT、6；VT、1。结论：无论180o或120o导通型变频器，六只晶闸管各换流一次构成输出电压的一个周期，因此也称这种工作方式的变频器为六拍变频器。(1)180导通型分析变频器的主要类型和特点变频器的主要类型和特点3按变频器工作方式分类按变频器工作方式分类(1)180导通型逆变器输出的是三相对称电压，而线电压的有效值为相电压的有效值为线电压与相电压之比为变频器的主要类型和特点变频器的主要类型和特点3按变频器工作方式分类按变频器工作方式分类(1)180导通型对阶梯形的线电压和相电压进行谐波分析，将其用傅立叶级数展开，得式中，Ud为逆变器输入的直流电压。由上式可见，线电压和相电压均不包含3次及3

30、n(n=1,2,3,)次谐波，故对电机的运行影响不大。但仍含有5,7,11,高次谐波，它们使波形稍有畸变和增加一些损耗。交交直直交器电压源型变频器交器电压源型变频器(一)串联电感式电压源型变频器交交直直交器电压源型变频器交器电压源型变频器串联电感式电压源型变频器A相电路的换流过程 6.5.2 交交直直交器电压源型变频器交器电压源型变频器串联电感式电压源型变频器A相电路的换流波形 6.5.2 交交直直交器电压源型变频器交器电压源型变频器(二)带辅助换流晶闸管的电压源型变频器交交直直交器电压源型变频器交器电压源型变频器带辅助换流晶闸管的电压源型变频器A相电路的换流过程 图6.41(a)为换流前的原

31、始状态。图6.41(b)为换流开始时的情况。图6.41(c)和6.41(d)为换流的主要阶段。图6.41(e)表示的期间内，由于V21截止，IL改经V11对CA继续充电。图6.41(f)为换流结束阶段。交交直直交器电压源型变频器交器电压源型变频器(二)带辅助换流晶闸管的电压源型变频器根据电路理论中的结论，谐振电流ic的表达式为式中=R/2LA，为振荡频率。交交直直交器电压源型变频器交器电压源型变频器带辅助换流晶闸管换流电路在换流时的电流、电压波形 交交直直交电流源型蛮频器交电流源型蛮频器串联二极管式电流源型变频器 交交直直交电流源型蛮频器交电流源型蛮频器换流中的四个阶段如图6.45所示，图中被

32、涂成黑色的晶闸管和二极管表示它们正处于导通状态。图6.45(c)为uC=0后的过程。图6.45(b)中，V3被触发导通，电容C通过V11和V3放电，若放电电流的最大值大于iA的最大值，则V1被关断，uC则通过V3构成加在V1上的反向电压。图6.45(a)为换流前的原始状态。图6.45(d)为电容C被充电至反向稳定值+UC时的状态。交交直直交电流源型蛮频器交电流源型蛮频器该换流过程若用时间函数曲线表示，则如图6.46所示。6.5.4 电压源型变频器与电流源型变频器的性能比较电压源型变频器与电流源型变频器的性能比较从主电路上看，电压源型变频器和电流源型变频器的区别仅在于中间滤波环节的形式不同，但它

33、们在性能上却有相当大的差异，主要表现在：(一)使电动机实现反馈制动的能力不同电流源型变频器不用加任何附加电路即可使电动机工作于反馈制动状态，实现四象限运行，这是它的优点之一。电压源型变频器与电流源型变频器的性能比较电压源型变频器与电流源型变频器的性能比较(二)实现电动机定子电流控制的难易程度不同 和直流双闭环调速系统相类似，变频调速系统同样是通过对变频器输出电压的控制实现对主电流(定子电流)的控制。由于滤波电容严重的延缓作用，采用电压源型变频器的变频调速系统堆以实现这种控制，采用电流源型变频器的变频调速系统则不存在这个问题，可以方便地利用电流内环调节定子电流的大小。(三)电流波中高次谐波分量的

34、大小不同 电压源型变频器多为180o通导型，输出相电压为六阶梯形波，在向异步电动机定子绕组供电时，定子电流由六阶梯形波与正弦定子电势E1之差产生。分析证明，五次谐波电流的幅值约为基波幅值的40%，七次谐波约为20%。电流源型变频器多为120o通导型，输出相电流为断续矩形波，五，七次谐波幅值所占比例分别为基波幅值的20和14。电压源型变频器与电流源型变频器的性能比较电压源型变频器与电流源型变频器的性能比较(四)适用场合不同 电压源型逆变器由于输出阻抗小，适用于作为多台电动机并联运行时的供电电源。但由于滤波电容加大了系统的时间常数，输出电压对控制作用反应迟缓，故一般只适用于不要求快速加降速的场合。

35、电流源型变频器则相反，由于滤波电感的作用，系统对负载变化的反应迟缓，不适于作多台电动机并联运行的供电电源，而更适合于一台变频器对台电动机供电的单机运行方式。脉宽调制式电压源型变频器脉宽调制式电压源型变频器上述交直交变频器存在着如下共同缺点：1)需要两套功率变换器，装置庞大；2)利用相控整流器调节变频器的输出电压时，变频器输入端的功率固数随着电压的降低而减小；3)中间滤波环节的大时间常数使变频器电压(电流)调节过 程缓慢，难以获得满意的动态性能；4)输出电流中高次谐波所占比例很大，不仅增加了运行损耗，还引起电磁转矩的波动，造成低速不稳，限制了电动机调速范围的扩大。6.5.5 脉宽调制式电压源型变

36、频器（脉宽调制式电压源型变频器（SPWM）以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高的多的等腰三角波作为载波，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，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，从而获得在正弦波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。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，应而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这个序列的正弦波称作SPWM波。脉宽调制式电压源型变频器脉宽调制式电压源型变频器(一)单极性调制所谓单极性调制，系指逆变器中每相桥臂上的两只晶体管一只交替地通，断，另一只保持截止状态的调制方式

37、。单极性调制，由于三角形调制信号与正弦参考电压均为单极性的，因此，2的输出波形必须经过倒向处理才能得到完整的正弦输出。脉宽调制式电压源型变频器脉宽调制式电压源型变频器(二)双极性调制所谓双极性调制系指逆变器中每相桥臂上的两只二极管交替地互补式通断。改变正弦控制电压的频率和幅值，即可相应地调节输出电压的频率和幅值，只要配合得当，即可达到U1f1协调控制的目的，但控制电压的最大值不能超过三角波信号的最大值，否则输出电压频率与幅值的协调控制关系将被破坏。注意！当三角波调制信号频率一定，仅改变正弦波控制信号的频率时，输出的等效正弦电压波形中正负半周内的脉冲数和相位不可能在每一个周期内均保持对称，即输出

38、波形中包含有偶次谐波分量，这种调制方式叫异步调制式。与此对应，若三角波调制信号的频率随正弦波控制信号频率同步调节，保证在任何频率下输出电压的正、负半周内的脉冲个数相同，这种调制方式称为同步调制式。同步调制式逆变器的输出波形中虽不包含偶次谐她，但由于正、负半周内矩形脉冲数恒定，频率降低时输出电压中的谐波分量将增加，对电动机运行性能会产生不利的影响。异步调制式逆变器的输出波形中正、负半周内的矩形脉冲数随频率的降低而增加，有利于改善电动机的低速运行性能，以扩大其调速范围，但偶次谐波的存在，将使输出电压的波形和相位经常发生改变，见图6.50(e)一(g)，造成电动机运行速度不稳。为降低这种影响，三角波

39、调制信号的频率必须高于正弦波控制电压最高频率(也是输出电压的量高频率)的10倍以上。交交交变频器交变频器1工作原理工作原理三相全控桥式整流电路输出电流连续时，输出电压平均值ud为式中晶闸管的控制角。图6.52a)、b)分别为正、反组工作时的输出电压与平均输出电压波形；图6.52c)为正、反组工作时的输出电压与平均输出电压波形。图中，A、B、C分别为=0 o、=15o、=30o时触发角；K、L、M、N、O、P分别为=0 o、=15o、=30o、=50o、=90o、=105o，由图c）可见，在正组与反组交接工作的过程中，正组有一个本桥逆变的发电过程，向电网回馈功率。交交交变频器交变频器当整流过程大

40、于逆变过程时，电动机从电网吸收电能，为电动运行状态，反之，当整流过程小于逆变过程时，电动机向电网馈送电能，为发电运行状态。同理，当整流过程等于逆变过程时，则电动机从电网吸收的电能等于向电网馈送的电能，这相当于纯电感或纯电容负载下的理想空载运行状态。交交变频器的工作原理比较简单，关键在于如何处理其在工程应用中出现的各种具体问题，其中最重要的是触发脉冲的控制问题和环流问题。2触发脉冲的控制触发脉冲的控制2触发脉冲的控制触发脉冲的控制如图6.55所示，如果在uC与usi（i=1，2，-6）交点处触发相应相的晶闸管，即以各相处至uC与usi交点处的电角度1，2，3，6，作为各相晶闸管的控制角，则根据上

41、述同步电压形成的方法可知，此时整流器输出电压的大小应与控制电压uC相等，换言之，只要在图6.55中所示的uC和us1usi的交点处产生对应晶闸管的触发脉冲，那么，交交频器的输出电压的表达式可由式（6.24）等号右边部分给出，其幅值和频率均可通过改变控制电压的幅值和频率的大小进行控制。显然，若将us1usi和uC的幅值按相同的比例缩小，变频器输出电压幅度不变，这样可以避免控制电压过高。注意！工程实际应用中，要产生一个幅值和频率均连续可调的控制电压uC并不容易，产生三个相位上完全对称、幅值和频率都能在足够广的范围内连续可调的三相控制电压就更加困难。为了降低成本，简化变频器的电路结构和提高工作的可靠

42、性，常常只能降格以求地利用三角波、锯齿波甚至方波电压来代替正弦控制（参考）电压。为此，付出的代价是导致输出波形的畸变，电动机的运行性能变差。三相联结交交变频器 若希望获得三若希望获得三相变频电源，相变频电源，则应采用三套则应采用三套如图如图6.51所示所示的电路和三相的电路和三相对称的控制电对称的控制电压，并以适当压，并以适当的方式将三套的方式将三套交交交变频器交变频器的三个输出端的三个输出端接成星形或三接成星形或三角形电路。角形电路。3交一交直接变频调速与交一直一交变变频调速的比交一交直接变频调速与交一直一交变变频调速的比较较优点：1)仅有一级功率变换，由于采用的是相位控制的整流电路，因此在

43、一般情况下不需耍辅助换流电路，减少了系统的损耗，提高了效率；2)交一交直接变频器可以很容易地在电源与负载之间进行功率变换，因此调速系统可以实现四象限运行；3)交一交直接变频在低频时也可以得到较好的输出电压波形，因此不致引起低速运行时谐波损耗的增加和电机的抖动和爬行。缺点：1)变频器输出的最高频率受电网频率的限制，一般不超过电网频率的12l3，这就限制了电机转速的上限，亦即只能从额定转速向下调速，且调速范围D2；2)交一交直接变频器所用的可控硅元件多，比如三相桥式反并联电路就需要36个可控硅。元件数多，因此控制线路也较复杂；3)交一交直接变频器具有较低的功率因数，特别是低速时，输出电压降低，功率

44、因数也更低。综上所述可知，交一交直接变频调速适合于低速大容量的拖动系统，如电动车辆、大型轧钢设备等。小结小结交流电动机有异步电动机(即感应电动机)和同步电动机两大类，每种电动机又都有不同类型的调速方法。异步电动机常见的调速方法有：降电压调速；转差离合器调速；转子串电阻调速；绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速；变极对数调速；变压变频调速等。按照交流异步电动机的原理，从定子传入转子的电磁功率Pm，可分成两部分：一部分Pmech=(1-s)Pm是拖动负载的有效功率，称作机械功率；Ps=sPm是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。从能量转换的角度看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，

45、是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电动机的调速系统分成三类：小结小结1)转差功率消耗型调速系统这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第、三种调速方法都属于这一类。在三类异步电动机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速降低的(恒转矩负载时)。可是，相对来说这类系统的结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。2)转差功率馈送型调速系统在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置

46、本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。小结小结3)转差功率不变型调速系统在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高。上述的第、两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速，但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。同步电动机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电动机调速系统只能是转差功率不变型(恒等于0)的，而同步电动机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速。小结小结在同步电动机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为他控变频调速和自控变频调速两类。后者利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电动机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电动机调速，或无刷直流电动机调速。开关磁阻电动机是一种特殊型式的同步电动机，有其独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电动机调速系统中很有发展前途。