变频调速的控制原理

1第三章变频调速的控制原理变频调速拖动系统的发展日新月异，它就是由变频器供电的电动机带动生产机械运转的系统。描述转速n和转矩T之间的关系）（Tfn称为机械特性。电力拖动系统的稳态工作情况取决于电动机和负载的机械特性。因此，要学习变频调速的控制原理，有必要了解负载的机械特性和电动机的机械特性。§3-1各类负载的机械特性分析负载的机械特性决定于负载阻转矩的构成以及负载对工况的限制和要求。工矿企业中，生产机械的类型很多，它们的机械特性也各不相同。但大体上说，主要有三类：一、恒转矩负载1.转矩特点在不同的转速下，负载的阻转矩基本恒定：constTL即负载阻转矩LT的大小与转速Ln的高低无关，其机械特性曲线如图2-1-1b)所示。2.功率特点负载的功率LP和转矩LT、转速Ln之间的关系是9550LLLnTP,即负载功率与转速成正比。3.典型实例带式输送机是恒转矩负载的典型例子之一。负载转矩的大小决定于传动带与滚筒间的摩擦阻力F和滚筒半径r：FrTL由于F和r都和转速的快慢无关，所以在调节转速Ln的过程中，转矩LT保持不变，即具有恒转矩的特点。二、恒功率负载1.功率特点在不同的转速下，负载的功率基本恒定：constPL即负载功率的大小与转速的高低无关。2.转矩特点LLLnPT95502即负载转矩的大小与转速成反比。3.典型实例各种薄膜的卷取机械是恒功率负载的典型例子之一。其工作特点是：随着“薄膜卷”的卷径逐渐增大，卷取辊的转速应该逐渐减小，以保持薄膜卷的线速度恒定，从而也保持了张力的恒定。负载阻转矩的大小决定于卷取物的张力F（在卷取过程中，要求张力保持恒定）和卷取物的卷取半径r（随着卷取物不断卷到卷取辊上，r将越来越大）FrTL由于具有以上特点，因此，在卷取过程中，拖动系统的功率是恒定的：constFvPL式中v－卷取物的线速度，在卷取过程中，为了使张力大小保持不变，要求线速度也保持恒定。三、二次方率负载1.转矩特点负载的阻转矩LT与转速Ln的二次方成正比：2LTLnKT其机械特性曲线如图2-1-3b)所示。2.功率特点负载的功率LP与转速Ln的三次方成正比：329550LPLLTLnKnnKP式中TK、PK－二方律负载的转矩常数和功率常数。3.典型实例离心式风机和水泵都属于典型的二次方率负载。以风扇叶片为例。事实上，即使在空载的情况下，电动机的输出轴上，也会有损耗转矩0T,如摩擦转矩等。因此，严格的讲，其转矩表达式应为：20LTLnKTT功率表达式为：20LPLnKPP式中0P－空载损耗。§3-2异步电动机的机械特性一、异步电动机的等效电路3常见的异步电动机的等效电路。二、固有机械特性电动机内电流和磁场的相互作用的结果是产生了电磁转矩。以异步电动机为例，电磁转矩的大小与电流和磁通量的乘积成正比，221cosICTmMM式中，MC－转矩常数2I－折算到定子侧的转子电流；m－每极的磁通；2cos－转子电流的功率因数；异步电动机的机械特性)(Tfn。如果式2-2-1中各参数均处于额定状态，电动机按规定的接线方式接线，定子及转子电路中不外接电阻（电抗或电容）时所获得的机械特性称为异步电动机的固有机械特性。固有机械特性曲线的形状主要决定于以下三点：(1)理想空载点),0(0nnTMM：理想空载点E的位置主要反映了理想空载转速的大小。在异步电动机中，理想空载转速就是旋转磁场的转速(同步转速)：pfn600(2)起动点(0,MSMnTT)：起动点S主要说明当电动机刚接通电源，尚未转起来时的起动转矩ST的大小。(3)最大转矩点(KMTT，KMnn)：最大转矩点的位置对于评价机械特性来说，是十分重要的，今说明如下。1)电动状态最大转矩点)(PPnTP，PT是临界转矩，也叫最大转矩,是异步电动机所能产生的最大电磁转矩，其大小放映了电动机的过载能力。Pn是临界转速，它的大小决定了P点的上下位置，从而主要反映了机械特性的硬度。2)回馈制动最大转矩点)(PPnTP，在回馈制动时异步电动机的过载能力较电动状态时大，即mmTT回馈制动的原理将在后面详细介绍。二、制动机械特性电动机中，凡电磁转矩的方向和转子的实际旋转方向相反的状态，统称为制动状态。41.回馈制动（1）原理当异步电动机的转子转速Mn超过同步转速0n时，电动机便处于回馈制动状态。这时的异步电动机实际上处于发电的状态，或者说，拖动系统的动能被“再生”成电能了。其基本特征是：1）0n与Mn同方向；2）Mnn0（2）机械特性回馈制动的机械特性是电动状态机械特性向第二象限的延伸，如图2-2-4所示。当起重机放下重物时，因为转子转速超过了同步转速，故工作点顺着原机械特性曲线1向第二象限移动，直至电磁制动转矩MT与重物的牵引转矩GT相等，这时的工作点已移至G点（GGMnTT,）。当变频调速系统降速时，由于频率降低，机械特性变成了曲线2。但由于拖动系统的惯性，系统的转速不可能突变，因而工作点将从曲线1上的Q点（QT、Qn）按转速未变的原则“跳转”到曲线2上。由于曲线2上与转速Qn对应的点是第二象限的B点，于是得到反方向的制动转矩BT,使拖动系统迅速降速。2.能耗制动（直流制动）（1）方法和原理在定子绕组里通入直流电流，从而产生一个固定磁场。由于磁场不动，所以，转子绕组按其旋转方向切割磁力线，从而产生制动转矩，直流制动的原理与再生制动十分类似，但它却不能象再生制动那样把拖动系统的动能再生成电能反馈回去，而只能让拖动系统的动能完全消耗掉，故成为能耗制动。（2）机械特性直流制动的原理与再生制动类似，所以，其机械特性实际上就是Hzf0再生制动的机械特性。当系统直流制动时，由于拖动系统的惯性，系统的转速不可能突变，因而工作点将从曲线1上的Q点（QT、Qn）按转速未变的原则“跳转”到曲线2上。由于曲线2上与转速Qn对应的点是第二象限的B点，于是得到反方向的制动转矩BT,使拖动系统迅速降速。3.反接制动（1）状态特征电动机的实际旋转方向与电磁转矩的旋转方向相反时的状态即为反接制动状态。（2）定子两相反接的反接制动5众所周知，改变电动机电源进线的相序（交换任意两相进线），可使旋转磁场的旋转方向相反，并最终导致电动机的反转。由于反转时电磁转矩和转速都是负的，故其机械特性在第三象限。设电动机正转时工作点为曲线1上的Q点（QT、Qn），则在刚反接的瞬间，其工作点将从Q点跳转到曲线的2的B点（在第二象限）。然后，转速迅速下降为0，并开始反转。这里，从B点下降到0Mn的那一段（即第二象限中的那一段），电磁转矩MT是负的，而转速Mn是正的.电动机处于反接制动状态。开始反转后又成为电动状态。这种反接制动状态在用作快速制动的方法时，具有不易操作、比较危险等缺点，故变频调速系统中基本不用。（3）倒拉式反接制动起重机在缓慢下放重物时，有时采用这样的方法：电动机的电磁转矩力图使重物上升，但因“带不动”，结果转子的实际旋转方向被重物倒拉成反转了。其机械特性向第四象限延伸的部分，这时的工作点为Q点。电磁转矩MT是正的，而转速Qn却是负的。四、变频调速的机械特性1.基本频率Nf1以下调速的机械特性在基本频率Nf1以下调速时，采用的是fV/恒定控制方式，这将在下一节中详细介绍。在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本上是平行下移的。当转矩增大到最大值以后，特性曲线就折回来了。如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化，由于在基频以下调速时磁通恒定，所以转矩也恒定。在基频以下调速属于“恒转矩调速”的性质。2．基本频率Nf1以上调速的机械特性在基频以上调速时，频率可以从Nf1往上增高，但电压1V却不能超过额定电压NV1，最多只能保持NVV11。在基频Nf1以上变频调速时，由于电压NVV11不变，不难证明，当频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移。由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩减小。由于转速升高了，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。把基频以上和基频以下两种情况结合起来，异步电动机变频调速控制特性。应该注意，以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲变形，并增加电机中的损耗。因此在选购变频器时，变频器输出的谐波越小越好。通过分析得出如下结论：当Nff11时，变频装置必需在改变输出频率的同时改变输出电压的幅值，才能满足对异步电动机的变频调速的基本要求。这样的装置通称变压变频（VVVF）装置，其中VVVF是VariableVoltageVariableFrequency6的缩写。这是通用变频器工作的最基本原理，也是设计变频器时所满足的最基本要求。后面章节将详细介绍通用变频器是如何实现变压变频的。§3-3SPWM控制技术在第一章第一节中我们已讲过，变频器按调制方式来分有脉幅调制（PAM）和脉宽调制（PWM）。两种方法的共同特点是变频器在改变输出频率的同时改变输出电压，只不过PAM改变的是输出电压的振幅值，而PWM改变的是输出电压的脉宽占空比（振幅值不变）。不论是PAM还是PWM，其输出电压和电流的波行都是非正弦波，具有许多谐波成分。正弦脉宽调制（SPWM）可以使输出电压的波行接近于正弦波。本节重点讲述SPWM方式。一、正弦脉宽调制（SPWM）原理所谓正弦脉宽调制波行，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波行，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。这样，由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波行就与正弦波的半周等效，称为SPWM波行。同样正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。这种正弦波正负半周分别用正负脉冲等效的SPWM波行称为单极式SPWM。SPWM变压变频器主电路的原理图。SPWM脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔是由正弦波（基准波或调制波）和等腰三角波（载波）的交点来决定的。二、单极性SPWM技术1.调制波和载波如图所示，tu是载波，采用了等腰三角波，其周期决定于载波频率，振幅不变，和电动机的电压为额定电压时的调制波的振幅相同，每半个周期内，所有三角波的极性均相同。rau是正弦调制波，其周期决定于所需要电压波形的频率，其振幅决定于所需要的电压波形的振幅，即rau是所希望得到的电压波行。调制情况如下：当希望得到的电压rau高于三角波电压tu时，相应比较器的输出电压dau为“正”电平，反之则产生“零”电平。只要正弦调制波的最大值低于三角波的幅值，调制结果必然形成等幅不等宽而且两侧窄中间宽的SPWM脉宽调制波形。负半周是用同样的方法调制后再倒相而成。调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度，每半周期内的脉冲系列是单极性的。72.单极性调制的工作特点是：每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工作情况正好相反。流经负载Z的便是正、负交替的交变电流。三、双极性SPWM技术1.调制波和载波如图所示，tu是载波，采用了等腰三角波，其周期决定于载波频率，振幅不变，和电动机的电压为额定电压时的调制波的振幅相同，每半个周期内，所有三角波的极性均相同。rau是正弦调制波，其周期决定于所需要电压波形的频率，其振幅决定于所需要的电压波形的振幅，即rau是所希望得到的电压波行。双极性调制方式与单极性相同，只是功率开关器件通断情况不一样。调制情况如下：当A相调制波trauu时，VT1导通，VT4关断，使负载上得到的相电压为2/sAOUu；当trauu时，VT1关断而VT4导通，则2/sAOUu。所以A相电压AOu是以2/sU和2/sU为幅值作正、负跳变的脉冲波形。同理，BOu的是由VT3和VT6交替导