秦晓飞系列-现代交流调速技术-第2章交-直-交变频调速系统

第2章交-直-交变频调速系统主讲教师：秦晓飞上海理工大学光电学院第2章交-直-交变频调速系统2.1交-直-交变频调速系统的基本电路2.2交-直-交变压变频调速系统2.3多重叠加式变频器2.4脉冲宽度调制技术2.5谐振型变换器2.1交-直-交变频调速系统基本电路2.1交-直-交变频调速系统基本电路结构：交流电源输入整流滤波环节逆变环节类型：交-直-交电压型变频器交-直-交电流型变频器2.1.1交-直-交电压型变频器•特点①技术上非常成熟，应用十分广泛；②不仅可以驱动单台交流电机，还可以实现1拖N，即一台变频器同时驱动N台参数相近的交流电动机；③有源逆变实现困难，不适于在大功率且需频繁启动、制动、正反转切换的场合应用。2.1交-直-交变频调速系统基本电路•主电路结构图2-1交-直-交电压型变频器主电路2.1交-直-交变频调速系统基本电路•等效电路结构图2-2交-直-交电压型逆变器等效电路结构2.1交-直-交变频调速系统基本电路•6拍换向律表2-1180°导电型6拍换向律工作状态每种工作状态下被导通的开关管状态10°~60°V1V5V6状态260°~120°V1V2V6状态3120°~180°V1V2V3状态4180°~240°V2V3V4状态5240°~300°V3V4V5状态6300°~360°V4V5V62.1交-直-交变频调速系统基本电路•6拍换向律下逆变器的输出电压①三相平衡阻性负载时逆变器的输出电压（线电压）是什么样子？②三相平衡阻性负载时与三相平衡感性负载时逆变器的输出电压是不是一样？③三相平衡感性负载的负载角小于π/3时与大于π/3时，逆变器的输出电压是不是一样？④三种负载情况下逆变器的工作状态有何不同？2.1交-直-交变频调速系统基本电路表2-2Y接均衡阻性负载各状态下的相电压线电压相电压状态1状态2状态3状态4状态5状态6uAOuBOuCO13dU23dU13dU13dU13dU23dU23dU23dU13dU13dU13dU23dU13dU13dU13dU13dU13dU23dUABAOBOBCBOCOCACOAOuuuuuuuuu2.1交-直-交变频调速系统基本电路表2-2’Y接均衡阻性负载各状态下的相电压和线电压相电压状态1状态2状态3状态4状态5状态6uAOuBOuCOuABuBCuCA13dU23dU13dU13dU13dU23dU23dU23dU13dU13dU13dU23dU13dU13dU13dU13dU13dU23dUdUdUdUdU00dU0dUdUdU0dUdU00dUdU2.1交-直-交变频调速系统基本电路图2-4阻性负载时电压型逆变器的输出电压波形2.1交-直-交变频调速系统基本电路谐波分析（以A相和AB线为例）：相电压与线电压中都存在（6k±1）次谐波，尤其是5次、7次谐波对电机运行十分不利。由于电枢电感的低通滤波作用，电机电流将是近似正弦波。211sinsin5sin7.....57dAOUuttt23111sinsin5sin7sin11.....5711dABUutttt2.1交-直-交变频调速系统基本电路负载角φπ/3的感性负载：与阻性负载输出电压相同2.1交-直-交变频调速系统基本电路负载角φπ/3的感性负载：与阻性负载输出电压相同回馈2.1交-直-交变频调速系统基本电路四种工作模式：a)三个功率开关导通；3V0Db)两个功率开关+一个二极管导通2V1Dc)一个功率开关+两个二极管导通1V2Dd)两个或三个二极管导通0V3Dor2D阻性负载只有a；φπ/3的感性负载有a、b；φπ/3的感性负载有b、c，其中c能量回馈电源；电机再生制动时只有d。2.1交-直-交变频调速系统基本电路2.1.2交-直-交电流型变频器•特点①一般情况下只可驱动单台交流电机；②中间环节的滤波电感很大，可看做电流源；③有源逆变实现容易，非常适于在大功率或需频繁启动、制动、正反转切换的场合应用。•主电路结构没有续流二极管2.1交-直-交变频调速系统基本电路•等效电路结构2.1交-直-交变频调速系统基本电路•6拍换向律表2-3120°导电型6拍换向律工作状态每种工作状态下被导通的开关管状态10°~60°V1V6状态260°~120°V1V2状态3120°~180°V2V3状态4180°~240°V3V4状态5240°~300°V4V5状态6300°~360°V5V62.1交-直-交变频调速系统基本电路•6拍换向律下逆变器的输出电流（以三相对称Δ负载为例）表2-4Δ接均衡负载各状态下的线电流和相电流电流状态1状态2状态3状态4状态5状态6iAiBiCiABiBCiCAdIdI0dIdI0dIdI0dIdI0dIdI0dIdI023dI13dI13dI13dI13dI23dI23dI13dI13dI23dI13dI13dI23dI13dI13dI13dI13dI23dI2.1交-直-交变频调速系统基本电路图2-11120°导电型三相电流型逆变器的输出电流波形2.1交-直-交变频调速系统基本电路谐波分析（以A线和AB相为例）：线电流与相电流中都存在（6k±1）次谐波，尤其是5次、7次谐波对电机运行十分不利。由于电枢电路的低通滤波作用，电机电压将是近似正弦波。211sinsin5sin7.....57dABIittt23111sinsin5sin7sin11.....5711dAIitttt2.1交-直-交变频调速系统基本电路再生制动：有源逆变只需将整流器的整流角α调整到大于90°的状态，并适当控制回馈功率即可。因此电流型逆变器可实现异步电动机的快速调整和频繁的四象限运行。2.2交-直-交变压变频调速系统2.2交-直-交变压变频调速系统VVVF类型及特点：转速开环恒压频比变压变频调速系统（可带低频电压补偿）①速度控制精度较差；②动态性能较差；③一般只应用于风机、水泵等场合。转速闭环转差频率控制变压变频调速系统①稳态速度控制精度很高；②动态性能较好；③与双闭环的伺服控制系统性能差距较大。控制方法基于稳态模型；控制电压曲线US=f(ω1,IS)只考虑了电流幅值，没有考虑电流与电压间的相位。原因：2.2交-直-交变压变频调速系统2.2.1转速开环恒压频比变压变频调速系统•控制结构图图2-13转速开环恒压频比变压变频调速系统结构框图2.2交-直-交变压变频调速系统•原理框图图2-14转速开环恒压频比变压变频调速系统原理框图2.2交-直-交变压变频调速系统2.2.2转速闭环转差频率控制变压变频调速系统•基本概念运动方程：系统的动态性能因此，系统的动态性能就是控制转矩的能力。恒磁通下的转矩方程：S较小时eLpJdTTndtddteT2222122222222132frrepswsmmmrlrrflrRsRTnNkKRsLRsL2femmrTKR2.2交-直-交变压变频调速系统由图2-15恒Φm条件下转矩特性曲线0efdTdmax2max2rrflrlrmmelrRRLLKTL2.2交-直-交变压变频调速系统压频曲线：图2-16不同定子电流时恒Φm控制所需压频曲线2.2交-直-交变压变频调速系统转差频率控制律总结：1.在不同的定子电流时，按图2-16控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通Φm恒定（稳态）；2.在气隙磁通Φm恒定的条件下，在ωfωfm的范围内，转矩Te基本上与ωf成正比。代表控制对象的模型是线性的，从而ASR调节器可以采用PID等常规线性控制器就可以取得比较好的效果。2.2交-直-交变压变频调速系统•控制结构图图2-17转速闭环转差频率控制变压变频调速系统结构框图2.2交-直-交变压变频调速系统•原理框图2.2交-直-交变压变频调速系统设计实现了0.75kw、1.2kw、1.5kw三种规格通用型变频器，输出频率0-400Hz，载波频率1k-16k可调，已成功应用于磨针机、雕刻机、纺织机械等产品。2.3多重叠加式变频器2.3多重叠加式变频器问题：基本逆变电路输出的波形为矩形波，含有6k±1次谐波，尤其是5、7次谐波对电机调速性能影响较大。解决方法：采用多重叠加方式，即将N个输出电压/电流为方波的基本逆变电路，将他们的输出相位依次移开，通过直接叠加或者变压器耦合方式叠加在一起，使叠加后的输出电压/电流成为多电平阶梯波形，以达到减小高次谐波、提高输出赋值、扩大输出功率的目的。本节以电流型逆变器为例，介绍多重叠加方法。对于N重叠加，13N12.3多重叠加式变频器2.3.1直接叠加型•2重叠加图2-182个三相电流型逆变器的直接叠加2.3多重叠加式变频器•3重叠加图2-193个三相电流型逆变器的直接叠加2.3多重叠加式变频器•谐波分析有兴趣的同学课下自己看书。•优缺点分析优点：电路简单、造价低。缺点：①各个逆变器的输出功率因数不同，对于同一电流，各整流器必须设置各自的控制电路；②逆变器输出侧直接连接，各逆变器不绝缘，因此各逆变器的电源输入变压器的二次绕组须分开隔离，防止环流；③只能利用相位变化改善波形，不能利用幅值变化改善波形，波形改善效果一般。2.3多重叠加式变频器2.3.2变压器耦合输出型•YΔ/Y连接图2-20YΔ/Y连接变压器耦合输出二重叠加2.3多重叠加式变频器•Δ/YΔ连接图2-21Δ/YΔ连接变压器耦合输出二重叠加2.3多重叠加式变频器•谐波分析有兴趣的同学课下自己看书。•优缺点分析优点：①各个逆变器的输出功率因数相同，对于同一电流，各整流器可以共享控制电路；②逆变器输出侧绝缘，因此各逆变器的电源输入变压器的二次绕组无须隔离；③既能利用相位变化改善波形，也能利用幅值变化改善波形，波形改善效果较好。缺点：电路复杂、造价高。2.4脉冲宽度调制技术2.4脉冲宽度调制技术问题：基本逆变电路输出的波形为矩形波，含有6k±1次谐波，尤其是5、7次谐波对电机调速性能影响较大。多重叠加式变频器虽然可以一定程度上减小谐波含量，但是程度有限，效果一般，并且电路结构复杂，成本较高。解决方法：采用脉冲宽度调制(PWM)技术。2.4.1脉宽调制(PWM)工作原理•定义：在恒定的直流输入电压Ud作用下，逆变器通过开关管的多次开关对输出电压的脉冲宽度进行调制，使输出电压从面积等效上来讲，获得期望的形状和幅值。2.4脉冲宽度调制技术•面积等效原则：一组等幅不等宽的脉冲序列，与调制波等效。tt2.4脉冲宽度调制技术•PWM技术有一些列优点，在交流调速中应用非常广泛：①在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。②输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，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，提高了系统的调速范围和稳态性能。•PWM技术分类：①正弦PWM(SPWM)；⑥瞬时电流控制正弦PWM；②空间矢量PWM(SVPWM)；⑦Delta调制PWM；③特定谐波消除PWM(SHEPWM)；⑧Sigma-Delta调制PWM；④最小纹波PWM；……等。⑤滞环电流控制PWM；注：PWM技术分类众多，且涉及很多理论，是一门单独的学科。2.4脉冲宽度调制技术2.4.2正弦PWM(SPWM)SPWM是工业上应用最多的PWM技术之一。•原理：以等腰三角形波作为载波，以正弦波作为调制波，在载波与调制波的交点时刻，开通或关断相应的功率开关器件。因此输出脉冲电压的脉宽将按调制波（正弦波）的规律变化，从而使输出电压基波成分的频率/幅值与调制波一致。•实现方法：（1）传统方法用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制；结构复杂，难以实现精确控制。（2）专用IC；（3）MCU或DSP自