电力电子6-1,6-2

6.1引言6.2SPWM变频器6.3电压频率协调控制方式及其稳态特性6.4转速开环恒压频比控制的变频调速系统6.5转速闭环转差频率控制的变频调速系统第六章交流异步电动机变压变频调速系统学习要点•了解变频调速系统的应用领域和基本类型•理解变频调速的基本要求•重点掌握SPWM变频的工作原理6.1引言6.1.1交流调速的应用6.1.2交流调速的分类6.1.3变频调速的基本要求6.1.1交流调速的应用一般性能的节能调速—风机水泵类负载高性能的交流调速系统和伺服系统—矢量控制、直接转矩控制、解耦控制直流电机容量转速积不超过106kW·r/min二十世纪后期，交流调速80%,直流调速20%在20世纪上半叶，鉴于直流调速优越的性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而占总容量80%以上的不变速拖动则采用交流电机。特大容量、极高转速的交流调速2'l2l12122'211'221NpM)()(3LLsRsRsRUnT6.1.2交流调速的分类异步电动机的转速n表示为定子频率转差率极对数)1(601snfnp6.1.2交流调速的分类异步电动机的转速n表示为)1(601snfnp交流调速变转差率调速变极调速变频调速调定子电压调转子电压串级调速6.1.2交流调速的分类异步电动机的转速n表示为调定子电压调转子电压串级调速交流调速变转差率调速变极调速变频调速转差功率消耗型转差功率回馈型转差功率不变型~PmPsP2效率最高)1(601snfnp变频调速是交流调速中效率最高，静态及动态特性最为优良，目前应用最广的一种交流调速方法。6.1.3变频调速的基本要求为保证调速时电动机的最大转矩不变，希望保持电机中每极磁通量Φm为额定值不变。mNs1gS44.4ΦkNfEEg—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（VT）f1—定子频率（Hz）Ns—定子每相绕组串联匝数kNs—基波绕组系数m—每极气隙磁通量（Wb）磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；过分增大磁通，又会使铁心饱和，导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。.1..1IZEUg6.1.3变频调速的基本要求mNs1gS44.4ΦkNfE1gNsmS44.41fEkNΦ基频以下：基频以上：电压恒定而频率增加常值11fU1gfEKU1≈Eg为保证调速时电动机的最大转矩不变，希望保持电机中每极磁通量Φm为额定值不变。交流电机变频调速的控制特性图f1N恒转矩U1U1NΦmNΦm恒功率ΦmU1f1OP11fUK6.1.3变频调速的基本要求直流电机双域调速的控制特性交流电机变频调速的控制特性f1N恒转矩U1U1NΦmNΦm恒功率ΦmU1f1OP相对于直流调速，变频调速控制复杂。但变频调速可以获得和直流调速相仿的控制性能。6.2SPWM变频器6.2.1间接变频装置简介6.2.2SPWM变频器工作原理6.2.3电流跟踪型PWM变频器6.2.1间接变频装置简介变频装置控制电路异步电动机负载变频调速系统的构成变频装置分为直接变频和间接变频，常用的是间接变频间接变频装置的构成交-直-交（间接）变压变频器变压变频(VTVTVTF)中间直流环节恒压恒频(CVTCF)逆变DCACAC~50Hz整流6.2.1间接变频装置简介两种类型逆变器结构电压型逆变器:直流环节并联大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，相当于恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波电流型逆变器:直流环节串联大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波电压源和电流源变频器特点比较变频器类型电压源电流源直流回路滤波环节电容器电抗器输出电压波形矩形波决定于负载，对异步电机负载近似为正弦波输出电流波形决定于负载的功率因数矩形波输出阻抗小大回馈制动在电源侧反并联逆变器主电路不需要附加设备调速动态响应较慢快适用范围多电机拖动，稳频稳压电源单电机拖动，可逆拖动6.2.1间接变频装置简介变频调速系统多采用电压源型变频器6.2.1间接变频装置简介间接变频装置的结构形式AC逆变DCAC~50Hz可控整流调压变频ACSPWM逆变DCAC~50Hz不控整流调压变频AC逆变DCAC~50Hz不控整流斩波器调压变频用于电压变化范围不太大的场合增加了中间电能变换环节6.2.1间接变频装置简介主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构使用了不可控整流器，电网功率因数接近于1调频调压的实现与直流环节参数无关，加快了动态响应负载电机在近似正弦波的电压下运行，转矩脉动小SPWM变频器特点ACSPWM逆变DCAC~50Hz不控整流SPWM变频器结构简单、性能优良，成为当前应用最广的一种结构形式。等幅不等宽等宽不等幅正弦半波6.2.2SPWM变频器工作原理SPWM波的等效SPWM逆变DCAC~50Hz不控整流面积等效原理：面积相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果（输出响应）基本相同。d)单位脉冲函数a)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲6.2.2SPWM变频器工作原理等幅不等宽等宽不等幅正弦波6.2.2SPWM变频器工作原理SPWM波的等效正弦波脉宽调制SPWM波(SinusoidalPulseWidthModulation)6.2.2SPWM变频器工作原理SPWM调制方式-单极性调制以正弦波作为逆变器的期望波形，以高频等腰三角波作为载波uc，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波ur，由ur与uc的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得一系列等幅不等宽的SPWM波。6.3.2SPWM变频器工作原理SPWM调制方式-单极性调制•ur正半周,使VT1通,VT2断当uruc,使VT4通,VT3断,uo=Ud。当uruc,使VT4断,VT3通,uo=0。•ur负半周，使VT2通,VT1断当uruc,使VT4通,VT3断,uo=0当uruc,使VT4断,VT3通,uo=-Ud6.3.2SPWM变频器工作原理单极性控制方式在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，SPWM波也只处于一个极性的范围内.SPWM调制方法-单极性调制6.3.2SPWM变频器工作原理双极性控制方式在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，SPWM波也是在正负之间变化SPWM调制方法-双极性调制6.3.2SPWM变频器工作原理双极性控制方式当uruc时，VT1和VT4通，VT2和VT3关断。uo=Ud。当uruc时，VT2和VT3导通，VT1和VT4关断。uo=-Ud。SPWM调制方法-双极性调制6.2.3SPWM变频器工作原理由于载波信号不同，单极性调制和双极性调制对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。但双极性调制实现更容易。SPWM调制方法比较6.2.2SPWM变频器工作原理三相PWM逆变器主电路及输出波形6.2.2SPWM变频器工作原理三相PWM逆变器输出波形6.2.3SPWM变频器工作原理SPWM调制的制约条件开关频率•器件的开关频率限制了载波频率，影响输出电压的谐波含量。•晶闸管很少使用，由IGBT等全控型器件实现逆变调制度cmrmUUm为限制脉冲波的最小脉宽和最小间隙，保证器件的安全通断，调制度m=0.8~0.96.2.3SPWM变频器工作原理SPWM驱动信号的产生方法模拟控制方法数字控制方法•微处理机通过软件生成SPWM波•使用专用集成电路产生SPWM波形•采用微处理机和专用集成电路相结合完成控制功能目前，SPWM控制大多使用后两种方法。6.2.3SPWM变频器工作原理载波比N—载波频率fc与调制波频率fr之比N=fc/fr根据载波和信号波是否同步（载波比的变化情况），PWM调制方式分为同步调制和异步调制异步调制—N变化，载波信号和调制信号不同步同步调制—N等于常数，载波和调制信号保持同步异步调制和同步调制6.2.3SPWM变频器工作原理异步调制—保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N变化优点载波频率确定，开关切换频率确定，谐波频率基本确定。缺点脉冲不对称fr很低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响较小；fr很高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。异步调制和同步调制6.2.3SPWM变频器工作原理同步调制—N等于常数，信号波一周期内输出脉冲数固定。优点三相电路中公用一个三角载波，N取3的整数倍，使三相输出对称N取奇数，使一相的PWM波正负半周镜对称缺点fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受异步调制和同步调制同步调制时三相逆变器输出波形6.2.2SPWM变频器工作原理分段同步调制异步调制和同步调制•把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同•在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高•在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低分段同步调制时fc与fr的关系曲线为了使逆变器的输出尽量接近正弦波，应尽可能增大载波比，但若从逆变器本身看，载波比又不能太大。信号频率频段内最高的正弦参考关频率功率开关器件的允许开N6.2.2SPWM变频器工作原理混合调制异步调制和同步调制可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近，但实现方便。6.2.3电流跟踪型PWM变频器电流跟踪性SPWM变频器应用PWM控制技术的变压变频器一般都是电压型的，以输出电压近似正弦波为目标的。但是，交流电机实际需要保证的应该是正弦波电流。电流跟踪控制的SPWM变频器由通常的PWM电压源型变频器和电流控制环组成，使变频器输出可控的正弦波电流。最常用的是电流滞环跟踪控制。输出电流波形和相应的相电压波形在半个周期内围绕正弦波作脉动变化，不论在上升段还是下降段，它都是指数曲线中的一小部分，其变化率与电路参数和电机的反电动势有关。6.2.3电流跟踪型PWM变频器三相电流跟踪型PWM逆变电路电流滞环跟踪控制方法的精度高，响应快，且易于实现。6.2.3电流跟踪型PWM变频器电流跟踪控制的精度与滞环的环宽和功率开关器件允许开关频率有关。•环宽太小，电流波形虽然较好，但开关频率增大。实用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，选择尽可能小的环宽。6.2.3电流跟踪型PWM变频器