第5章交流变频调速系统

第五章交流变频调速系统第一节变频调速的基本控制方式和机械特性简介第二节变频调速系统无逆变电路第三节晶闸管变频调速系统第四节正弦波脉宽调制的变频调速系统由电机学知1114.44gNmEfNK/22cosemmTCI如果忽略定子上的电阻压降，则有mNggKNfEEIRU11111144.4111111144.444.4NNgmKNfUKNfE第一节变频调速的基本控制方式和机械特性简介一、变频调速的基本控制方式1、基频以下的变频控制方式即：气隙磁通感应电势与频率之比为常数基频以下常采用恒磁通变频控制方式。（1）若要保持Φm不变，则当频率f1从额定值f1e向下调节时，须同时降低Eg，使Eg/f1=常数。（2）因感应电势难以直接控制，忽略定子压降，认为定子相电压U1≈Eg，则U1/f1=常数。这就是恒压频比的变频控制方式。恒压频比控制在低频时，由于U1和Eg都较小，定子阻抗压降所占的份量比较显著，不能忽略。这时，可人为地把电压U1抬高一些，以便近似地补偿定子压降。2、基频以上的变频控制方式在基频以上时，频率可从f1N往上增高，但电压U1却不能增加得比额定电压U1N大，一般保持U1=U1N，使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。NffNNmKNfU11111144.41U1NU01f1Nfab图5-0恒压频比控制特性下图是异步电机变频调速控制特性。在基频以下，属于“恒转矩调速”；而在基频以上，基本属于“恒功率调速”。恒转矩调速恒功率调速制01U1U1NU1f1NfmΦmnΦ图5-1鼠笼式异步电动机变频调速控制特性mΦ当Eg/ω1为恒值时，Temax恒定不变，随着频率的降低，恒Eg/ω1控制的机械特性是一组形状与恒压恒频机械特性相同，且平行下移的特性。见右图所示。二、变频调速的机械特性简介1.恒Eg/ω1控制（Eg/ω1=恒值）因Eg是电机内部参数，恒Eg/ω1控制难以实现，工程上常用恒压频比控制（U1/ω1=恒值）。其机械特性见下图所示。在恒压频比条件下变频时，机械特性基本上平行移动，而Temax随ω1降低而减小。低频时，Temax将限制调速系统的带负载能力。需采用定子阻抗电压补偿以增强带负载能力。右图中虚线特性就是采用提高定子电压后的特性。补偿定子压降后的特性nN0n01n02n03n0eT1N1113121312111N图5-3恒压频比控制变频调速时的机械特性2、恒压频比控制（U1/ω1=恒值）3.基频以上变频调速时的机械特性n0cn0bn0an0Nn1c1b1a1N1c1b1a1N恒功率调速eT0图5-4基频以上变频调速时的机械特性可见，当频率ω1提高时，同步转速n0随之提高，最大转矩减小，机械特性上移；转速降落随频率的提高而增大，特性斜率稍变大，其它形状基本相似。如右图所示。在基频f1e以上变频时，电压U1=U1e不变。其机械特性见下图所示。第二节变频调速系统中的无源逆变电路对交流电机实现变频调速的变频电源装置叫变频器，其功能是将电网提供的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电，变频伴随变压。变频器的基本分类如下：一、变频器的分类变频器交-交变频器按相数分单相三相按输出波形分正弦波方波脉冲宽度调制型(PWM)交-直-交变频器电流型电压型交-直-交变频器的主要构成环节如图（a）所示。它先把交流电转换为直流电，经中间直流环节后再把直流电逆变成变频变压的交流电，又称为间接变频器。按不同的控制方式，间接变频器有图5-7中b、c、d三种情况。整流逆变中间直流环节DCAC~50Hz恒压恒频（CVCF）AC变压变频（VVVF）(a)二、静止型常规变频器及特点（一）间接（交-直-交）变压变频装置图5-7间接变压变频装置的不同结构形式不控整流逆变DCAC调频AC~50Hz斩波器DC调压(c)VVVF~50Hz不控整流PWM逆变ACDC（VVVF）调压调频(d)AC可控整流逆变DCAC~50Hz调压调频AC（VVVF）(b)交-交变频器的主要构成环节如图5-8所示。交-交变频器没有明显的中间滤波环节，交流电被直接变成频率和电压可调的交流电，故又称为直接变频器。交-交变压变频ACCVCFACVVVF~50Hz图5-8交交变频器的主要构成环节（二）直接（交-交）变压变频装置主电路如图5-9（a）所示，图中负载由正组与反组晶闸管整流电路轮流供电，α角不变时，输出为矩形交流电压，如图5-9（b）所示。改变正反组切换频率可以调节输出交流电的频率，而改变α的大小即可调节矩形波的幅度。（b）方波形平均输出电压波形~50Hz~50Hz负载正组反组+-0U正组通反组通0Ut-+图5-9单相交-交变频器的主电路及输出电压波形（a）电路原理图1、方波型交-交变频器三、交-交变频电路（一）单相交-交变频电路2、正弦波交-交变频器正弦波型交-交变频器的主电路与方波型的主电路相同，但可以输出平均值按正弦规律变化的电压。tt输出电压输出电压平均值图5-10正弦型交-交变频器的输出电压波形（a）整流状态波形（b）逆变状态波形控制角α由大到小再变大，如π/2→0→π/2如右图（a）所示。控制角由小变大再变小，如π/2→π→π/2如右图（b）所示。（1）输出正弦波形的获得方法常用的方法是余弦交点法，该方法的原则是：触发角的变化和切换应使得整流输出电压的瞬时值与理想正弦电压的瞬时值误差最小。正弦波型交-交变频器适合于低频大功率的电气传动系统，最高输出频率是输入频率的1/3或1/2。（2）输出电压有效值和频率的调节交-交变频电路的输出电压是由若干段电源电压拼接而成的。在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。使控制角从，改变α0，就改变了输出电压的峰值，也就改变了输出电压的有效值；改变α变化的速率，也就改变了输出电压的频率。2/2/0（二）三相----单相交-交变频电路将两组三相可逆整流器反并联即可构成单相变频电路。三相半波-单相交-交变频电路三相桥式-单相交-交变频电路（三）三相交-交变频电路交-交变频器主要用于交流调速系统中，因此实际使用的主要是三相交-交变频器。三相交-交变频器电路是由三组输出电压相位互差的单相交-交变频电路组成的。1、电路的接线方式三相交-交变频电路主要有两种接线方式，即公共交流母线进线方式和输出星形联结方式。（1）公共交流母线进线方式它由三组彼此独立、输出电压相位互差120度的单相交-交变频电路组成，其电源进线通过电抗器接在公共的交流母线上。由于电源进线端公用，所以三组单相变频电路的输出端必须隔离。为此，交流电机的三个绕组必须拆开，共引出六根线。（2）输出星形连接方式由于变频器输出端中点不和负载中点相连接，所以在构成三相变频器的六组桥式电路中，至少要有不同相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。2、具体电路结构三相桥式整流器组成的三相----三相交-交变频电路，采用公共交流母线进线方式M~IIIIII1L2L3L4L5L6LPPPABCT图4-15三相桥式整流器组成的三相-三相交-交变频电路（公共交流母线进线方式）3~NNN三相桥式整流器组成的三相-三相交-交变频电路，给电动机负载供电，采用输出星形联结方式（负载未画出）四、交-直-交变频电路（一）交-直-交电压源型、电流源型变频器及其比较根据交-直-交变频器的中间滤波环节是采用电容性元件或是电感性元件，可将其分为电压源型变频器和电流源型变频器。1、电压源型变频器采用大电容滤波，输出直流电压恒定，类似于恒压源。这类变频器叫电压源型变频器，见图（a）所示。逆变器dCdU+-（a）逆变器dUdIdL+-(b)电压源型变频器2、电流源型变频器采用大电感滤波，输出直流电流恒定，类似于恒流源。这类变频装置叫电流源型变频器，见图（b）所示。逆变器dCdU+-（a）逆变器dUdIdL+-(b)电流源型变频器由电流型变频器构成的调速系统易实现回馈制动。图5-19绘出了变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状态。图5-11电流源型变压变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状态~URCSIM3~p+-dLdIdUeT0901整流逆变电动(a)①电动状态如图（a）所示。整流电压极性为上正下负，电流由Ud的正端流入逆变器，电能由交流电网经变频器传送给电机，电机处于电动状态。（3）电压型和电流源型变频器的回馈制动比较~URCSIM3~p+-dLdIdUeT0901有源逆变整流发电(b)图5-19电流源型变压变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状态②回馈制动状态如图5-19b示。降低变频器的输出频率，使转速降低，同时使整流器UR的α90°，则整流电压Ud立即反向，而电流Id方向不变。于是，逆变器CSI变成整流器，而整流器UR转入有源逆变状态，电能由电机回馈给交流电网。1、主电路组成（二）180°导电型的交-直-交电压型变频器dU+dC1VD2VD3VD4VD1VT2VT4VTARL1L4AC1C46VD3VTBR6VTC3C6L3L6BCC2C55VD5VTL5L2AZBZCZ0CRUZUZUZUZUZUZVZVZVZVZVZVZWZWZWZWZWZWZ图6-15180度导电型逆变器的晶闸管导通规律及输出波形分析tttttt1VT4VT6VT5VT3VT2VT0006001200180024003600300U0u0V0uW0udUUVuVWu00000WUuZZdUB0AC0CdUBA0BAdUCdUZZB0AC0CAdUBZZ0CdUBA图4-21每个区间内的负载等效电路060000000ttttttA0UB0UC0UABUdUdUBCUCAU图4-22导电型逆变器输出的相电压、线电流波形0180plUU3dU31dU325）相电压和线电压的关系为180°导电型逆变器工作规律：1）每个脉冲触发间隔60°区间内有3个晶闸管元件导通，它们分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。2）在3个导通元件中，若属于同一组的有2个元件，则元件所对应相的相电压为。另1个元件所对应相的相电压为。3）共阳极组元件所对应相的相电压为正，共阴极组元件所对应相的相电压为负。4）每个脉冲触发间隔60°内的相电压之和为0。（三）120°导电型的交-直-交电流型变频器1、主电路的组成C1eB1eA1edL5VT1VT3VT13C35C51C1VD3VD4VT5VD2VT6VT1AL1CL1BL46C24C62C4VD6VD2VD0AiBiCi图4-25串级二极管电流型逆变器典型主电路结构图ABC1CClCC1BBlBB1AAlAAddddetiLuedtiLuedtiLu000120024003601VT2VT3VT4VT5VT6VT(a)UiViWiVWiUViWUi(b)(c)ttttttd32Id31Id32Id31I图6-19交-直-交电流型逆变器的导电规律及输出电流波形ZZB0AC0CBA0BACB0AC0CAB0CBA图4-26每个区间内的负载等效电路060dIdIdIdIZdIdI000A0IC0IB0IdIπ32ππ35π2π31π32π34π35π31ππ34π2ttt图4-27导电型逆变器输出的相电流波形0120与180°导电型类似，120°导电型导电规律如下：1）每个脉冲触发间隔60°有2个晶闸管元件导通，它们分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。2）在2个导通元件中，每个元件所对应相的相电流为Id。而不导通元件所对应相的电流为0。3）共阳极组中元件所通过的相电流为正，共阴极组元件所通过的相电流为负。4）每个脉冲间隔60°内的相电流之和为0。第三节、晶闸管变频调速系统iuoutt00给定积分器（软启动器）是用来减缓突加阶跃给定信号造成的系统内部电流、电压的冲击。其输入输出信号对比如图5-29所示。图5-29给定