交流變頻調(diào)速系統(tǒng)

交流變頻調(diào)速系統(tǒng)第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日由電機學知如果忽略定子上的電阻壓降，則有

第一節(jié)變頻調(diào)速的基本控制方式和機械特性簡介一、變頻調(diào)速的基本控制方式第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日1、基頻以下的變頻控制方式即：氣隙磁通感應電勢與頻率之比為常數(shù)基頻以下常采用恒磁通變頻控制方式。（1）若要保持Φm不變，則當頻率f1從額定值f1e向下調(diào)節(jié)時，須同時降低Eg，使Eg/f1=常數(shù)。（2）因感應電勢難以直接控制，忽略定子壓降，認為定子相電壓U1≈Eg，則U1/f1=常數(shù)。這就是恒壓頻比的變頻控制方式。恒壓頻比控制在低頻時，由于U1和Eg都較小，定子阻抗壓降所占的份量比較顯著，不能忽略。這時，可人為地把電壓U1抬高一些，以便近似地補償定子壓降。第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

2、基頻以上的變頻控制方式在基頻以上時，頻率可從f1N往上增高，但電壓U1卻不能增加得比額定電壓U1N大，一般保持U1=U1N，使磁通與頻率成反比地降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。

第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日下圖是異步電機變頻調(diào)速控制特性。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”；而在基頻以上，基本屬于“恒功率調(diào)速”。第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日當Eg/ω1為恒值時，Temax恒定不變，隨著頻率的降低，恒Eg/ω1控制的機械特性是一組形狀與恒壓恒頻機械特性相同，且平行下移的特性。見右圖所示。二、變頻調(diào)速的機械特性簡介1.恒Eg/ω1控制（Eg/ω1=恒值）第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日因Eg是電機內(nèi)部參數(shù)，恒Eg/ω1控制難以實現(xiàn)，工程上常用恒壓頻比控制（U1/ω1=恒值）。其機械特性見下圖所示。在恒壓頻比條件下變頻時，機械特性基本上平行移動，而Temax隨ω1降低而減小。低頻時，Temax將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶負載能力。需采用定子阻抗電壓補償以增強帶負載能力。右圖中虛線特性就是采用提高定子電壓后的特性。2、恒壓頻比控制（U1/ω1=恒值）第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日3.基頻以上變頻調(diào)速時的機械特性

可見，當頻率ω1提高時，同步轉(zhuǎn)速n0隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機械特性上移；轉(zhuǎn)速降落隨頻率的提高而增大，特性斜率稍變大，其它形狀基本相似。如右圖所示。

在基頻f1e以上變頻時，電壓U1=U1e不變。其機械特性見下圖所示。第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的無源逆變電路對交流電機實現(xiàn)變頻調(diào)速的變頻電源裝置叫變頻器，其功能是將電網(wǎng)提供的恒壓恒頻交流電變換為變壓變頻交流電，變頻伴隨變壓。

變頻器的基本分類如下：一、變頻器的分類變頻器交-交變頻器按相數(shù)分單相三相按輸出波形分正弦波方波脈沖寬度調(diào)制型(PWM)交-直-交變頻器電流型電壓型第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日交-直-交變頻器的主要構(gòu)成環(huán)節(jié)如圖（a）所示。它先把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)后再把直流電逆變成變頻變壓的交流電，又稱為間接變頻器。按不同的控制方式，間接變頻器有圖5-7中b、c、d三種情況。二、靜止型常規(guī)變頻器及特點（一）間接（交-直-交）變壓變頻裝置第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日圖5-7間接變壓變頻裝置的不同結(jié)構(gòu)形式第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日交-交變頻器的主要構(gòu)成環(huán)節(jié)如圖5-8所示。交-交變頻器沒有明顯的中間濾波環(huán)節(jié)，交流電被直接變成頻率和電壓可調(diào)的交流電，故又稱為直接變頻器。（二）直接（交-交）變壓變頻裝置

第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日主電路如圖5-9（a）所示，圖中負載由正組與反組晶閘管整流電路輪流供電，α角不變時，輸出為矩形交流電壓，如圖5-9（b）所示。改變正反組切換頻率可以調(diào)節(jié)輸出交流電的頻率，而改變α的大小即可調(diào)節(jié)矩形波的幅度。1、方波型交-交變頻器三、交-交變頻電路（一）單相交-交變頻電路第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日2、正弦波交-交變頻器正弦波型交-交變頻器的主電路與方波型的主電路相同，但可以輸出平均值按正弦規(guī)律變化的電壓?？刂平铅劣纱蟮叫≡僮兇?，如π/2→0→π/2如右圖（a）所示?？刂平怯尚∽兇笤僮冃?，如π/2→π→π/2如右圖（b）所示。第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

（1）輸出正弦波形的獲得方法常用的方法是余弦交點法，該方法的原則是：觸發(fā)角的變化和切換應使得整流輸出電壓的瞬時值與理想正弦電壓的瞬時值誤差最小。正弦波型交-交變頻器適合于低頻大功率的電氣傳動系統(tǒng)，最高輸出頻率是輸入頻率的1/3或1/2。

（2）輸出電壓有效值和頻率的調(diào)節(jié)交-交變頻電路的輸出電壓是由若干段電源電壓拼接而成的。在輸出電壓的一個周期內(nèi)，所包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。使控制角從，改變α0，就改變了輸出電壓的峰值，也就改變了輸出電壓的有效值；改變α變化的速率，也就改變了輸出電壓的頻率。第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日（二）三相----單相交-交變頻電路將兩組三相可逆整流器反并聯(lián)即可構(gòu)成單相變頻電路。三相半波-單相交-交變頻電路三相橋式-單相交-交變頻電路第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日（三）

三相交-交變頻電路交-交變頻器主要用于交流調(diào)速系統(tǒng)中，因此實際使用的主要是三相交-交變頻器。三相交-交變頻器電路是由三組輸出電壓相位互差的單相交-交變頻電路組成的。1、電路的接線方式三相交-交變頻電路主要有兩種接線方式，即公共交流母線進線方式和輸出星形聯(lián)結(jié)方式。第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

（1）公共交流母線進線方式它由三組彼此獨立、輸出電壓相位互差120度的單相交-交變頻電路組成，其電源進線通過電抗器接在公共的交流母線上。由于電源進線端公用，所以三組單相變頻電路的輸出端必須隔離。為此，交流電機的三個繞組必須拆開，共引出六根線。

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（2）輸出星形連接方式由于變頻器輸出端中點不和負載中點相連接，所以在構(gòu)成三相變頻器的六組橋式電路中，至少要有不同相的兩組橋中的四個晶閘管同時導通才能構(gòu)成回路，形成電流。

第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日2、具體電路結(jié)構(gòu)三相橋式整流器組成的三相----三相交-交變頻電路，采用公共交流母線進線方式

第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日三相橋式整流器組成的三相-三相交-交變頻電路，給電動機負載供電，采用輸出星形聯(lián)結(jié)方式（負載未畫出）

第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日四、交-直-交變頻電路（一）交-直-交電壓源型、電流源型變頻器及其比較根據(jù)交-直-交變頻器的中間濾波環(huán)節(jié)是采用電容性元件或是電感性元件，可將其分為電壓源型變頻器和電流源型變頻器。

1、電壓源型變頻器采用大電容濾波，輸出直流電壓恒定，類似于恒壓源。這類變頻器叫電壓源型變頻器，見圖（a）所示。電壓源型變頻器第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

2、電流源型變頻器采用大電感濾波，輸出直流電流恒定，類似于恒流源。這類變頻裝置叫電流源型變頻器，見圖（b）所示。電流源型變頻器第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日由電流型變頻器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)易實現(xiàn)回饋制動。圖5-19繪出了變頻調(diào)速系統(tǒng)的電動和回饋制動兩種運行狀態(tài)。

①電動狀態(tài)如圖（a）所示。整流電壓極性為上正下負，電流由Ud的正端流入逆變器，電能由交流電網(wǎng)經(jīng)變頻器傳送給電機，電機處于電動狀態(tài)。（3）電壓型和電流源型變頻器的回饋制動比較第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

②回饋制動狀態(tài)如圖5-19b示。降低變頻器的輸出頻率，使轉(zhuǎn)速降低，同時使整流器UR的α>90°，則整流電壓Ud立即反向，而電流Id方向不變。于是，逆變器CSI變成整流器，而整流器UR轉(zhuǎn)入有源逆變狀態(tài)，電能由電機回饋給交流電網(wǎng)。第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日1、主電路組成（二）180°導電型的交-直-交電壓型變頻器第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日5）相電壓和線電壓的關(guān)系為180°導電型逆變器工作規(guī)律：1）每個脈沖觸發(fā)間隔60°區(qū)間內(nèi)有3個晶閘管元件導通，它們分屬于逆變橋的共陰極組和共陽極組。2）在3個導通元件中，若屬于同一組的有2個元件，則元件所對應相的相電壓為。另1個元件所對應相的相電壓為。3）共陽極組元件所對應相的相電壓為正，共陰極組元件所對應相的相電壓為負。4）每個脈沖觸發(fā)間隔60°內(nèi)的相電壓之和為0。第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日（三）120°導電型的交-直-交電流型變頻器1、主電路的組成第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日與180°導電型類似，120°導電型導電規(guī)律如下：1）每個脈沖觸發(fā)間隔60°有2個晶閘管元件導通，它們分屬于逆變橋的共陰極組和共陽極組。第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日2）在2個導通元件中，每個元件所對應相的相電流為Id。而不導通元件所對應相的電流為0。3）共陽極組中元件所通過的相電流為正，共陰極組元件所通過的相電流為負。4）每個脈沖間隔60°內(nèi)的相電流之和為0。第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)、晶閘管變頻調(diào)速系統(tǒng)給定積分器（軟啟動器）是用來減緩突加階躍給定信號造成的系統(tǒng)內(nèi)部電流、電壓的沖擊。其輸入輸出信號對比如圖5-29所示。

圖5-29給定積分器輸入輸出波形1、給定積分器一、晶閘管變頻調(diào)速系統(tǒng)中的主要控制環(huán)節(jié)第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日絕對值運算器是把給定積分器送來的輸入信號（正值或負值）均轉(zhuǎn)換為正值。其輸入輸出關(guān)系為2、絕對值運算器其輸入輸出信號關(guān)系如圖5-30所示。圖5-30絕對值運算器的輸入輸出波形第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日電壓-頻率（U/F）變換器就是用來將電壓給定信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號的裝置，輸入電壓越高，脈沖頻率越高；輸入電壓越低，則脈沖頻率越低。輸入輸出信號關(guān)系如圖5-31所示。

3、電壓-頻率變換器圖5-31壓-頻變換器輸入輸出關(guān)系第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日4、環(huán)形分配器環(huán)形分配器又稱6分頻器，它將U/F變換器送來的壓控振蕩脈沖，每6個為一組分6路輸出，依次送給逆變橋的6個晶閘管元件。其輸入輸出信號波形如圖5-32（a）、（b）所示。

圖5-32環(huán)分器的功能與波形（a）環(huán)分器功能（b）環(huán)分器輸出波形

第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日5、脈沖功率放大與脈沖輸出級（1）脈沖功率放大的作用是：①根據(jù)邏輯開關(guān)發(fā)出的指令，使功率放大管按照T1→T2→……→T6→T1……或T6→T5→……T1→T6……的順序?qū)?；②將寬度?0°的脈沖拓寬為120°的寬脈沖；③將環(huán)形分配器送來的脈沖進行功率放大。環(huán)形分配器輸出脈沖的特征：①各路脈沖發(fā)出的時間間隔為60°電角度；②各路脈沖的寬度為60°

第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日（a）功放與輸出級功能原理圖（b）功放器的輸出波形圖5-33脈沖功放與輸出級的功能原理圖及輸出波形第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日（2）脈沖輸出級的作用：①將脈沖功率放大器送來的寬脈沖調(diào)制成觸發(fā)晶閘管所需的脈沖列（用方波發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖進行脈沖列調(diào)制）；②用脈沖變壓器隔離輸出級與晶閘管的門極。脈沖輸出級的輸出波形見下圖。脈沖輸出級包括方波發(fā)生器、功放與解調(diào)兩個部分。當T1、T2管的基極均為高電平，在TB的原邊得到調(diào)制后的信號，解調(diào)后得到原信號，然后供VT觸發(fā)用。第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日6、函數(shù)發(fā)生器作用：①在f1min~f1n的范圍內(nèi)，將頻率給定信號正比例轉(zhuǎn)換為電壓給定信號，確保恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，并在低頻段將電壓適當提升，實現(xiàn)低頻電壓補償，保證Eg/f1=常數(shù)；②在f1n以上，頻率給定信號變化，電壓給定信號保持不變，使輸出電壓U1=U1n不變。其輸入、輸出關(guān)系如右圖所示。第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

7、邏輯開關(guān)作用是根據(jù)給定信號為正、負或零來控制電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停車。如給定信號為正，則控制脈沖輸出級按正相序觸發(fā)，如給定信號為負，則控制脈沖輸出級按負相序觸發(fā)，相應控制調(diào)速電動機的正、反轉(zhuǎn)。如給定信號為零，則邏輯開關(guān)將脈沖輸出級的正負脈沖都封鎖，使電動機停車。第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

二、轉(zhuǎn)速開環(huán)的電壓型晶閘管變頻調(diào)速系統(tǒng)該系統(tǒng)是沒有測速反饋的轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速。適用于調(diào)速要求不高的場合。第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日對變頻器的要求：①在f1n以下，進行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，即要求在改變頻率的同時，改變供電電壓，保證變頻器以恒壓頻比Eg/f1=常數(shù)來控制電機。②在額定頻率f1n以上，進行近似恒功率調(diào)速，即要求變頻器保持輸出電壓不變，只改變頻率調(diào)速。系統(tǒng)組成說明：1）控制部分分上、下兩路，上路實現(xiàn)對晶閘管整流橋的變壓控制，下路實現(xiàn)對晶閘管逆變橋的變頻控制；2）主電路采用晶閘管交-直-交電壓型變頻器；3）有兩個控制通道：上為電壓控制通道，采用電壓閉環(huán)控制整流器的輸出電壓；下為頻率控制通道，控制逆變器的輸出頻率。電壓和頻率控制采用同一控制信號（來自絕對值運算器），保證二者之間的協(xié)調(diào)。

第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日4）因轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，不能讓階躍給定信號直接加到系統(tǒng)上，為此設置了給定積分器將階躍信號轉(zhuǎn)變成合適的斜坡信號，從而使電壓和轉(zhuǎn)速都能平緩地升高或降低。5）實現(xiàn)系統(tǒng)可逆只需改變變頻電壓的相序，并不需要在電壓和頻率的控制信號上反映極性，因此，設置了絕對值運算器將給定積分器的輸出變換成只輸出其絕對值的信號。電壓控制采用電壓、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。內(nèi)環(huán)設電流調(diào)節(jié)器，限制動態(tài)電流；外環(huán)設電壓調(diào)節(jié)器，以控制變頻器輸出電壓。電壓-頻率控制信號加到電壓環(huán)以前，應補償定子阻抗壓降，以改善低速時的機械特性，提高帶負載能力。頻率控制環(huán)節(jié)主要由壓-頻變換器、環(huán)分器和脈沖放大器三部分組成。第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日2.轉(zhuǎn)速開環(huán)的電流型晶閘管變頻調(diào)速系統(tǒng)

第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日主電路采用了大電感濾波的電流源型逆變器，控制系統(tǒng)采用電壓-頻率協(xié)調(diào)控制。只是電壓反饋環(huán)節(jié)有所不同。電壓源型變頻器直流電壓的極性是不變的，而電流源型變頻器在回饋制動時直流電壓要反向，因此后者的電壓反饋不能從直流電壓側(cè)引出，而改從逆變器的輸出端引出。系統(tǒng)中控制環(huán)節(jié)采用了電壓、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。內(nèi)環(huán)設電流調(diào)節(jié)器，以限制動態(tài)電流；外環(huán)設電壓調(diào)節(jié)器，以控制變頻器輸出電壓。第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日第四節(jié)正弦波脈寬調(diào)制的異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)

一、電壓正弦脈寬調(diào)制的變頻調(diào)速系統(tǒng)（一）電壓正弦脈寬調(diào)制原理1、正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波形所謂正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波形，就是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，如圖所示。圖5-41與正弦波等效的等幅不等寬的矩形脈沖波形（a）正弦波形（b）等效的SPWM波形第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日圖5-42是SPWM變頻器主電路的原理圖。電機繞組上所獲得的相電壓為Us/2。圖5-42SPWM變壓變頻器主電路原理圖2、SPWM變頻器主電路原理圖第49頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日3、脈寬調(diào)制方法圖5-44單極式脈寬調(diào)制波的形成a）正弦調(diào)制波與三角載波b）輸出的SPWM波形第50頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日圖5-45三相雙極式SPWM波形（a）三相調(diào)制波與雙極性三角載波（b）U