电拖第7章异步电动机变频调速基础

12020年5月18日11时53分第7章异步电动机变频调速基础7.1异步电动机变频调速的控制特性与机械特性一、变频时的电压控制方式及控制特性1．变频的同时为什么要变压？变频调速时，s变化很小，转差功率基本不变，它的效率最高，性能也最好，是交流调速系统的主流。变频装置工作时,随着输出频率的变化，输出电压也要配合改变（why？以讲），因此，变频调速系统常称为变压变频（VVVF）调速系统。定子相电动势有效值:111114.44NmEfNkU———每极气隙磁通量m－转子漏磁通，称“转子全磁通”，m22020年5月18日11时53分2．基频以下调速时的电压控制方式常用的3种电压配合控制方式：（1）恒压频比控制：CfU11优点:容易实现缺点:逐步降低，上的压降所占比重越来越大，的关系不成立！1f1r11UE解决办法:在低频时使变频器的输出电压抬高，补偿r1上的压降，维持基本不变。称“定子压降低频补偿的恒压频比控制”m（2）恒气隙磁通控制11EfC（3）恒转子全磁通控制CfEr1特性最好，是高性能交流调速系统追求的目标。采用“矢量控制”实现。也称“恒转子全磁通控制”、“恒转子磁链控制”111114.44NmEfNkU略去Z1，φm≈C32020年5月18日11时53分3．基频以上调速时的电压控制方式NUU11升频要升压？两个难题：1U电机及元器件可能损坏变频器直流母线电压基本不变，输出的交流电压最大值升高很困难。电压保持最高输出值NU1不变时，，，称“近似恒功率调速”22cosI11mTf12mPTTfC4．控制特性11ffU时；时11NffmNm11Nff11fm保持不变，当时，不变，不变，称为“恒转矩调速”NI22cos11NffmNmTICT22maxcos42020年5月18日11时53分二、变频调速时的机械特性1．固定电压固定频率时机械特性（复习）2212112122211112KPrmpUrspTmIsrrsx2112122112KUsrmpsrrsx2221mKrsrx211221112mKmpUTrrxs很小时，211112UsTmpsr是与转差s成正比的直线（如a）s接近于1时，211122111KUsTmpssrx是对称于原点（）的双曲线，如b0s52020年5月18日11时53分2．恒压频比控制（）时的机械特性Cf/U11变频比：11Nff111111NNNKKNffUUxx2112122112NNNKNUsrTmpsrrsx2111221112NNmNKNUmpTrrxα变化时讨论：（1）理想空载转速：∝α11100606060NNNfffnnppp（2）直线段斜率略去r1影响，若输出转矩T不变，应使不变。Δn不变＝》斜率不变s000NNnnnsnnn但计及，则斜率略为增大。随着的降低，机械特性变软1r1f（3）最大转矩mT不计定子电阻，为常数计及定子电阻，随α降低而降低62020年5月18日11时53分a)恒压频比控制，计及的影响1rb)恒气隙磁通控制，不计r1影响1rc)恒转子全磁通控制3．恒气隙磁通控制时的机械特性（如b）CfE11222121211212122221112222NNsrmPrmpErsETImpsrsxrsx22111111121222NmNmpEmpETxx4．恒转子全磁通控制（）时如c，不存在Tm，直线CfEr1222112122111212NrrsmPrmpErETImpsrssr72020年5月18日11时53分5．基频以上恒电压控制时1111,NNffUU比较采用不同控制方案时，要注意：①理想空载转速②直线段斜率③最大电磁转矩三个量的变化情况及原因0nmT82020年5月18日11时53分7.2异步电动机变频调速主电路类型一、变频调速主电路的分类1．按变换方式分:直接变换：把工频交流电直接变换成可变频率的交流电，称交-交变频间接变换：先把交流变换成直流，再把直流逆变成交流，称交-直-交变频2．按电源特性分:依变频电路最后一级变换器的电源特性分，分为电压源型与电流源型交-交变频器:电流源型交-交变频电路电压源型交-交变频电路交-直-交变频电路：电压源型、电流源型3．按主开关元器件的类别分：半可控，全可控4．电压源型逆变器按控制方式分电压控制型电流控制型（电流跟踪型）92020年5月18日11时53分逆变器输出周期T2内，主开关元件只经历了6次通断模式转换的工作方式称为六拍型。2T逆变器在上述的一拍时间之内，主开关元件又进行了多次通断，其目的是进行正弦脉冲宽度调制，称为SPWM型逆变器62T5．DC/AC变换的逆变器按其工作方式分:六拍型逆变器SPWM逆变器6、常用主电路分类表：序号变换方式电源特性主开关元件工作方式1交-交变换电压源型晶闸管（SCR）SPWM型2交-直-交变换电流源型晶闸管（SCR）六拍型3电压源型晶闸管（SCR）六拍型4SPWM型5IGBT等SPWM型102020年5月18日11时53分7.2.2异步机变频调速系统常用的几种主电路1．交-交变频电路适用低速大容量异步电动机，变频器的输出频率一般不超过电源频率的，主开关元件采用晶闸管，依靠电源电压自然换流2．交-直-交变频电路(1)采用可控整流，逆变器变频电路VR是可控整流桥，VI是无源逆变桥，中间的滤波环节是电抗器，主开关一般采用SCR，6拍型a)为电流源型b)为电压源型(3)不控整流，SPWM逆变器变压变频电路变频器的变压变频功能都由逆变桥VI通过SPWM工作方式来实现(2)不控整流，斩波器调压，逆变器变频电路采用不控整流输入的功率因数高，仍有输出谐波较大的问题112020年5月18日11时53分电压源型晶体管SPWM交-直-交变频电路（常见）主开关元件极大部分都采用IGBT，只是在小容量的装置中有采用功率MOSFET，在特大容量装置中有采用GTO的优点：体积小，重量轻，在采用矢量控制时系统性能好缺点：不能回馈制动122020年5月18日11时53分一、正弦脉宽调制的理论基础1．正弦脉宽调制的目的变压（PWM调制的首要目的）削弱或消除某些有害的低次谐波2．电压谐波对电机影响的分析次电压谐波的表达式：u2Usint2u2Usint34u2Usint3AvBCY接电机中，（3k±1）次谐波电压产生谐波电流有效值近似为112mUIfL——异步电动机在频率下的主电感1f1mL——变频器输出电压的基波频率1f132020年5月18日11时53分对(3k-1)次谐波，减少了电机的输出转矩，增加了电机的损耗对(3k+1)次谐波，损耗并不小,其谐波磁场与基波磁场作用将产生次脉动力矩次谐波都是有害的谐波，应设法消除或削弱。谐波的频率越低，谐波电流越大，危害也越大31k若是三相绕组独立供电的电机，则3k次电压谐波能使3k次谐波电流流通，其中3次谐波频率低，分量大，危害极大，是首先必须消除的！3．SPWM波形的单极性与双极性的高低逻辑电平，经分配与放大，驱动逆变器主开关。可使逆变器输出相似的SPWM电压波形。SPWMW（1）SPWM调制原理图142020年5月18日11时53分（2）SPWM波形：有单极性(下图a，b)和双极性(下图c，d)两类（3）实现单极性SPWM的主电路单极性SPWM波形的数学表达式：152020年5月18日11时53分（4）实现双极性SPWM的主电路双极性SPWM的数学表达式4．双极性SPWM波形数学分析（1）基波分量大小与调制比双极性SPWM波形的傅立叶级数形式：0(cossin)2auatbt记作：01sinmuUUt201cos2autdt201sin2butdt20012Uudt——u的直流分量；SPWM波形上下对称时，00U22NmUab——u的次谐波的幅值aarctgb——u的次谐波的相位角162020年5月18日11时53分参考正弦波的幅值与三角波的幅值之比定义为调制系数tmrmUUM载波比trfNfN＝15时，不同M时，基波及主要高次谐波分量的相对值大小关系图：*mmdUUUN足够大且M≤1时的结论：(a)基波分量与调制系数成正比122rmddmtmUUUUMU只要改变参考正弦波的幅值，就可以改变输出SPWM波形中基波分量幅值（与M成正比）（b）小于（N-1）次的谐波电压全都为零，消除了（N-1）次及其以下的全部低次谐波（2）PWM电压波形的谐波不可消除性172020年5月18日11时53分由：2222200112aabuxdx双极性SPWM2241dUxu22112mdUU2222124mdUUM说明了：基波以外的各次谐波幅值的平方和只与M有关。显然，SPWM电压波形中的谐波是不可消除的。设计SPWM调制方案时应遵循的原则——减小或消除危害大的谐波（如5、7次），增大无害的谐波（如3倍频的谐波）。单极性SPWM22224mdMUUMdmMUU1SPWM调制消除谐波影响，追求SPWM电压所产生的电流接近于正弦！单双极性SPWM相电压中基波、谐波峰值与M关系0(cossin)2auatbt的帕塞法耳等式：可得：182020年5月18日11时53分5．同步调制与异步调制①同步调制②异步调制同步调制时，载波频率与调制波频率同步改变，保持载波比N为常数，不同频率运行时输出电压半波内的脉冲数固定不变。一般取N为3的倍数，这样能保证输出波形正、负半波对称，同时可使三相波形互差120º。且最大幅值的谐波无害，减小了有害的谐波异步调制时，输出频率变化时载波比N不为常数，一般是保持载波频率始终不变。优点：低频时载波比增大，输出周期内脉冲数增加，解决了低次谐波问题缺点：不能永远使N为3的倍数，输出电压波形、相位随时变化，难以保持正、负半波以及三相之间的对称性，会引起偶次谐波等③分段同步调制是将同步、异步调制相结合的一种调制方法，把整个变频运行范围划分为若干频率段，在每段内都维持恒定的载波比（同步调制），不同的频率段N取值不同，低频时N取值增大。192020年5月18日11时53分既保持了同步调制下波形对称、运行稳定的优点，又解决了低频时谐波增大的弊病6．直流电压利用率及其提高办法（1）直流电压利用率：对于某一确定的直流母线电压，在某种调制方式下逆变器能输出的交流线电压基波分量最大有效值与的比值。即分段同步调制的规律图：1maxlcdUKU1maxlU——某调制方式下能输出的最大的线电压基波分量有效值dUdU202020年5月18日11时53分对三相桥式主电路，（A）6拍方式，输出相压对直流母线中点是180度交流方波电压。有1max60.78lddUUU（B）采用SPWM调制，M＝1时，基波分量最大，为：1max60.6124lddUUU显然：SPWM调制虽然改善了波形，削弱了有害谐波影响，但牺牲了直流电压利用率不控整流所得直流母线电压：32~22dlinlinUUU（2）