關(guān)于中、高壓變頻器的一些知識

1、關(guān)于中、高壓變頻器的一些知識冷增祥東南大學(xué)自動控制系，江蘇南京 210018摘要：中、高壓變頻器主電路不像低壓變頻器那樣，至今還沒有統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們從功率開關(guān)器件，到整流器和逆變器都有多種形式，介紹了這些方面的知識，以供選用時進(jìn)行分析比較。關(guān)鍵詞：高壓變頻器；集成門極換相晶閘管；三電平；多重化；PWM整流器在低壓變頻調(diào)速完全成熟、并獲得廣泛應(yīng)用之后，現(xiàn)在不少廠家對中、高壓電機(jī)采用變頻調(diào)速正在躍躍欲試，猶如十多年前開始推廣應(yīng)用低壓變頻調(diào)速的情勢一樣（在電氣傳動領(lǐng)域，將2.310kV習(xí)慣上稱作高壓，而與電網(wǎng)電壓相比，只能算作中壓）。然而不像是低壓變頻器，無論哪種產(chǎn)品，它們的主電路形式基本相同，

2、而中、高壓變頻器則到目前為止，還沒有近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為此，本文就目前中、高壓變頻器的有關(guān)知識作些闡述和介紹，以供選用時進(jìn)行分析比較。 1功率開關(guān)器件中、高壓變頻器首先依賴于高電壓、大電流的電力電子器件。目前應(yīng)用于中、高壓變頻器的電力電子器件主要有下列幾種。1 1GTO門極可關(guān)斷（GTO）晶閘管是目前能承受電壓最高和流過電流最大的全控型（亦稱自關(guān)斷）器件。它能由門極控制導(dǎo)通和關(guān)斷，具有電流密度大、管壓降低、導(dǎo)通損耗小、dv/dt耐量高等突出優(yōu)點(diǎn)，目前已達(dá)6kV/6kA的生產(chǎn)水平，最適合大功率應(yīng)用。但是GTO有不足之處，那就是門極為電流控制，驅(qū)動電路復(fù)雜，驅(qū)動功率大（關(guān)斷增益=35）；關(guān)斷過程

3、中內(nèi)部成百甚至上千個GTO元胞不均勻性引起陰極電流收縮（擠流）效應(yīng)，必須限制dv/dt。為此需要緩沖電路（亦稱吸收電路），而緩沖電路既增大體積、重量、成本，又徒然增加損耗。另外，“拖尾”電流使關(guān)斷損耗大，因而開關(guān)頻率低。1 2IGBT絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是后起之秀，它是一種復(fù)合型全控器件，具有MOSFET（輸入阻抗高、開關(guān)速度快）和GTR（耐壓高、電流密度大）二者的優(yōu)點(diǎn)。柵極為電壓控制，驅(qū)動功率小；開關(guān)損耗小，工作頻率高；沒有二次擊穿，不需緩沖電路；是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。除低壓IGBT（1700V/1200A）外，已開發(fā)出高壓IGBT，可達(dá)3.3kV/1.2kA或4.

4、5kV/0.9kA的水平。IGBT的不足之處是，高壓IGBT內(nèi)阻大，因而導(dǎo)通損耗大；低壓IGBT用于高壓需多個串聯(lián)。1 3IGCT和SGCT在GTO的基礎(chǔ)上，近年開發(fā)出一種門極換流晶閘管（GCT），它采用了一些新技術(shù)，如：穿透型陽極，使電荷存儲時間和拖尾電流減小，制約了二次擊穿，可無緩沖器運(yùn)行；加N緩沖層，使硅片厚度以及通態(tài)(d)輸出電流(a)電壓型(b)電流型(c)輸出電壓圖1交直交單相逆變器主電路及其輸出波形損耗和開關(guān)損耗減少；特殊的環(huán)狀門極，使器件開通時間縮短且串、并聯(lián)容易。因此，GCT除有GTO高電壓、大電流、低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)，又改善了其開通和關(guān)斷性能，使工作頻率有所提高。為了盡快（例

5、如1s內(nèi)）將器件關(guān)斷，要求在門極PN不致?lián)舸┑?0V下能獲得快于4000A/s的變化率，以使陽極電流全部經(jīng)門極極快泄流（即關(guān)斷增益為1），必須采用低電感觸發(fā)電路（例如門極電路最大電?lt;5nH）。為此，將這種門極電路配以MOSFET強(qiáng)驅(qū)動與GCT功率組件集成在一起，構(gòu)成集成門極換流晶閘管（IGCT）。其改進(jìn)形式之一則稱為對稱門極換流晶閘管（SGCT）。兩者具有相似的特性。IGCT還可將續(xù)流二極管做在同一芯片上集成逆導(dǎo)型，可使裝置中器件數(shù)量減少。表1為GTO、IGCT、IGBT一些能數(shù)的比較。可以看出，在1kHz以下，IGCT有一定優(yōu)點(diǎn)；在較高工作頻率下，高壓IGBT更具優(yōu)勢。表1GTO、IG

6、CT、IGBT參數(shù)比較器件GTOIGCTIGBT通態(tài)壓降/V3.21.93.4門極驅(qū)動功率/W80151.5存儲時間/s2013.40.9尾部電流時間/s1500.70.15工作頻率/kHz0.5120除上述三種器件外，現(xiàn)在還在開發(fā)一些新器件，例如新型大功率IGBT模塊“注入增強(qiáng)柵極晶體管”（IEGT），它兼有IGBT和GTO二者優(yōu)點(diǎn)，即開關(guān)特性相當(dāng)于IGBT，工作頻率高，柵極驅(qū)動功率?。ū菺TO小二個數(shù)量級）；而由于電子發(fā)射區(qū)注入增強(qiáng)，使器件的飽和壓降進(jìn)一步減?。还β氏嗤瑫r，緩沖電路的容量為GTO的1/10，安全工作區(qū)寬?，F(xiàn)已有4.5kV/1kA的器件，可望在高頻下獲得應(yīng)用。2逆變器主電路2

7、 1逆變器的兩種型式交直交變頻器依據(jù)直流電路濾波及緩沖無功能量所采用的元件不同而分為電壓（源）型（VSI）和電流（源）型（CSI）。前者采用電容濾波見圖1（a），直流電路的電壓波形比較平直，輸出阻抗小，電壓不易突變；交流輸出為方波電壓或方波電壓序列，電流經(jīng)過電動機(jī)繞組的濾波后接近于正弦波。后者采用電感濾波見圖1(b)，直流電路的電流波形比較平直，輸出阻抗大，電流不易突變；交流輸出為方波電流，電壓由輸出電流及負(fù)載決定。電壓型變頻器直流電路由于存在有極性的大電容，不允許直流電壓反向，整流器因其單向?qū)щ娦?，電流也不能反向，無法通過它回饋能量，電動機(jī)如欲再生制動，必須另外反并聯(lián)一套相控整流器，如圖2(

8、a）和圖2(b）所示，所以適用于風(fēng)機(jī)、水泵等不可逆?zhèn)鲃?。電流型變頻器直流電路接的是大電感，雖電流方向不變，但允許電壓反向，可以通過觸發(fā)控制角和改變逆變器和可控整流器的電壓極性來回饋能量，電動機(jī)能方便地實(shí)現(xiàn)再生制動，如圖2（c)和圖2(d)所示，所以適用于頻繁起制動和可逆運(yùn)行的場合。也正因?yàn)閮烧唠妷?、電流方向的特點(diǎn)，電壓型逆變器必須有續(xù)流二極管，將負(fù)載電動機(jī)的能量通過它回饋，而電流型逆變器則不需要續(xù)流二極管。此外，電壓型逆變器的輸出動態(tài)阻抗小；對電力電子器件的耐壓要求較低，但當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路或在變頻器運(yùn)行狀態(tài)下投入負(fù)載，都易出現(xiàn)過電流，必須在極短的時間內(nèi)施加保護(hù)措施。電流型逆變器的情況則相反，輸出

9、動態(tài)阻抗大；對器件的耐壓要求較高，但因有大電感，可限制短路電流，易采取過流保護(hù)措施。不過，電流型變頻器由于電源側(cè)采用三相橋式晶閘管可關(guān)于中、高壓變頻器的一些知識圖2電壓型和電流型逆變器的電動和再生制動(a)電壓型電動(b)電壓型再生制動(c)電流型電動(d)電流型再生制動(a)單相SPWM(b)三相SPWM圖3SPWM波形控整流電路，輸入功率因數(shù)低，且隨轉(zhuǎn)速降低而降低；輸入電流諧波大；還會產(chǎn)生較大的共模電壓，施加到電動機(jī)定子繞組中心點(diǎn)和地之間，影響電動機(jī)絕緣。另外，對電網(wǎng)電壓波動也較為敏感。2 2減少諧波的方法在交直交變頻器的結(jié)構(gòu)中，由于逆變器輸出的是方波交流，其中必然包含各次諧波，見圖1(c

10、)和圖1(d)。諧波的存在，會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)；噪音加大；對電機(jī)絕緣有附加dv/dt、di/dt應(yīng)力，影響壽命；諧波電流使電機(jī)發(fā)熱，損耗增加，對一般電機(jī)不得不“降頻”使用”；對輸出電纜長度也有限制。如果安裝諧波濾波器來抑制諧波對電網(wǎng)的影響，除增加設(shè)備外，還因?yàn)V波器的制造與電網(wǎng)參數(shù)有關(guān)，一旦參數(shù)有變，又得重新調(diào)諧，相當(dāng)麻煩。為此，在中、高壓變頻器中不僅像和低壓變頻器一樣，全采用脈寬調(diào)制（PWM）外，還普遍采用多重化聯(lián)接，即將相同的幾個逆變器輸出矩形交流的相位錯開，然后迭加成梯形波。例如，圖3(a)和圖3(b)為正弦脈寬調(diào)制（SPWM）的單相和三相波形。分別為單極式和雙極式SPWM，

11、圖3(b)中的a）為三相調(diào)制波和三角波b)、c)、d)分別為A、B、C相電壓，e)為線電壓。圖4(a)和圖4(b)則示出一種二重化的電路和輸出電壓波形。它已不含11次以下的諧波。2 3中、高壓逆變器結(jié)構(gòu)除減小諧波外，為了承受高電壓，在中、高壓變頻器中逆變器的主電路目前采用如下一些結(jié)構(gòu)。 2 3 1橋臂器件直接串聯(lián)這種變頻器的主電路如圖5所示。這是電流型變頻器（為了對接地短路也實(shí)現(xiàn)保護(hù)，把濾波電感分為兩半），虛線框內(nèi)為逆變器部分，功率開關(guān)器件采用GTO。這種電路簡單、可靠，所用功率器件較少，但因各器件的動態(tài)電阻和極電容不同，存在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)均壓問題，采取與器件并聯(lián)R和RC的均壓措施（圖5中只示意一

12、個器件的均壓電路），會使電路復(fù)雜，損耗增加；同時，器件串聯(lián)對驅(qū)動電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯(lián)器件同時導(dǎo)通和關(guān)斷，否則，由于各器件通、斷時間不一，承受電壓不均，會導(dǎo)致器件損壞，甚至整個裝置崩潰。GTO器件需加緩沖電路（圖中示出一種典型的RCD電路）。2 3 2三電平逆變器三電平逆變器主電路如圖6(a)所示。直流環(huán)節(jié)由電容C1、C2分成兩個電壓，屬電壓型逆變器。每相橋臂有四個功率開關(guān)器件（可采用GTO、IGBT或IGCT），每個均并有續(xù)流二極管。以A相為例，其中1、4為主管，2、3為輔管。輔管與二極管5、6一道鉗制輸出端電位等于中點(diǎn)0點(diǎn)電位（所以也稱中心點(diǎn)鉗位逆變器），通過控制功率器件14

13、的開通、關(guān)斷，在橋臂輸出點(diǎn)可獲得三種不同電平。例如，在2導(dǎo)通情況下，由1、3的交替通、斷，A相電壓可獲得、0兩種電平（或者說，2、4保持通、斷不變，1、3由通、斷斷、通時，A端電位由0）；在3導(dǎo)通情況下，由2、4的交替通、斷，A相可獲得0、兩種電平（或者說，1、3保(a)電路圖(b)輸出電壓波形圖圖4逆變器電壓疊加圖5逆變器橋臂器件直接串聯(lián)的變頻器主電路(a) 主電路(b)系統(tǒng)框圖圖6三電平逆變器的變頻器主電路和系統(tǒng)框圖(a)三相相電壓與線電壓波形(b)線電壓波形（放大）圖7三電平PWM逆變器輸出電壓波形持?jǐn)?、通不變?、4由通、斷斷、通時，A端電壓由0）。同理，B、C每相電壓亦有、0、三種電

14、平。若每相均采用PWM控制，三相3電平PWM逆變器的輸出電壓波形如圖7(a)或圖7(b)所示。其中圖7(b)為輸出電壓濾波前后的波形。與常規(guī)只有一個直流電壓，橋臂上、下管交替通斷每相輸出只有、兩種電平的逆變器相比，3電平逆變器由于輸出電壓電平數(shù)增加（相電壓由2個增加到3個，線電壓由3個增加到5個），每個電平幅值下降，同時，每周期開關(guān)狀態(tài)由23=8種增加到33=27種，增加了PWM控制諧波消除算法的自由度，在同等開關(guān)頻率下，可使輸出波形質(zhì)量有較大提高，輸出dv/dt也有所減少。另外，雖然同一臂上有器件串聯(lián)，由于不出現(xiàn)任何兩個串聯(lián)器件同時導(dǎo)通或關(guān)斷，所以不存在器件動態(tài)均壓問題。加之每個主開關(guān)器件所

15、承受的電壓僅為直流側(cè)電壓的一半，很適合高壓大關(guān)于中、高壓變頻器的一些知識(a)多重化結(jié)構(gòu)圖(b)電路圖(c)功率單元電路圖圖8單元串聯(lián)多電平變頻器容量的應(yīng)用場合。圖6(b)為變頻器系統(tǒng)框圖。順便指出，三電平變頻器的概念還可擴(kuò)展到多電平，例如5電平，輸出電壓的臺階數(shù)更多，波形更好。在相同器件耐壓下，可輸出更高的交流電壓，但器件的數(shù)量和系統(tǒng)的復(fù)雜性也大大增加了。2 3 3多單元逆變器串聯(lián)變頻器主電路如圖8所示。這是一種多重化結(jié)構(gòu)見圖8(a)，每相由功率單元串聯(lián)而成見圖8(b)，每個功率單元均為三相輸入、單相輸出的交直交電壓型低壓逆變器見圖8(c)。功率單元單相橋式逆變電路采用4種不同的開關(guān)模式可輸

16、出0和±1三種電平。每個單元采用多電平移相PWM控制，即同一相每個單元的調(diào)制信號相同，而載波信號互差一個電角度且正反成對。圖9是3個功率單元串聯(lián)、一相電壓的形成波形，三角載波信號互差120°（4和5單元串聯(lián)則互差90°和72°）。這樣每個單元的輸出便是同樣形狀的PWM波，但彼此相差一個角度。圖10(a)是5單元串聯(lián)聯(lián)結(jié)后一相的輸出電壓波形，它有±5、±4、±3、±2、±1和0共11種電平，線電壓則有21種電平，見圖10(b)，可以看出，它已非常接近正弦波。采用移相PWM控制，也使疊加后輸出電壓的等效開關(guān)頻

17、率增加。例如，當(dāng)每個單元的PWM載波頻率為600Hz時，5單元串聯(lián)后輸出電壓等效開關(guān)頻率便為6kHz。一方面，開關(guān)頻率的提高更有助于降低電流諧波，另一方面，由于單元內(nèi)PWM載波頻率較低，不僅可減少開關(guān)損耗，還可使逆變器死區(qū)時間引起的誤差所占比例減少。至于每相串聯(lián)的單元數(shù)決定于輸出電壓等級，當(dāng)每相用3、4、5個輸出電壓為480V的功率單元串聯(lián)，變頻器輸出額定電壓分別為2.3kV、3.3kV、4.16kV，如每相用5個690V或1275V的功率單元串聯(lián)，輸出額定電壓可達(dá)6kV和10kV，由于采用的是單元串聯(lián)，所以不存在器件直接串聯(lián)引起的均壓問題。多單元串聯(lián)方案線路比較復(fù)雜，功率器件數(shù)量多，如用高壓

18、（HV）IGBT，則可減少功率單元和器件的數(shù)量，例如用3.3kV的HV IGBT，則4.16kV和6kV的變頻器只有2個和3個單元串聯(lián)。3整流電路常用的整流器幾乎都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，直流側(cè)則采用電容濾波，這樣就使得它們交流側(cè)的電流呈尖峰性而非正弦波，圖11為單相整流示例。大量使用由這些電路構(gòu)成的裝置已成為電力系統(tǒng)中的主要諧波源，而且消耗大量的無功功率。為此，IEC、EN、IEEE均規(guī)定了諧波標(biāo)準(zhǔn)。參考應(yīng)用較為普遍的IEEE519 1992，我國頒布了GB/T14549 93電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波國標(biāo)。凡不符合上述標(biāo)準(zhǔn)的電力電子設(shè)備均不允許進(jìn)、出口。對相控整流電路，當(dāng)電壓為

19、正弦波、電流為非正弦波時，其功率因數(shù)為=cos1=cos1圖93個功率單元串聯(lián)PWM控制波形圖105單元串聯(lián)逆變器輸出電壓、電流波形(b)輸出線電壓與相電流波形(a)輸出相電壓波形圖11整流橋及其輸入波形圖12移相30°二重聯(lián)結(jié)電路圖1312脈波整流電路電流波形式中：P為有功功率；S為視在功率；U為正弦電壓有效值；I為總電流有效值；I1和1分別為基波電流有效值及其與電壓的相角差。一般稱=I1/I為電流波形畸變因數(shù)，cos1為位移因數(shù)或基波功率因數(shù)，即這時功率因數(shù)是由電流波形畸變和基波位移兩個因素決定的。v也可表示為=，其中THDi=為總電流畸變率，反映電流的失真程度。因?yàn)橹?、高壓變頻

20、器都是大容量，更必須設(shè)法減少諧波對電網(wǎng)的影響，并提高功率因數(shù)。目前采用的整流電路有如下幾種形式。 3 1整流電路的一般多重化圖12是二重串聯(lián)聯(lián)結(jié)電路。整流變壓器二次繞組分別采用星形和三角形連接，構(gòu)成相位互差30°、大小相等的兩組電壓，接到相互串聯(lián)的兩組整流橋。變壓器一次繞組和兩組二次繞組的匝比為11。圖13為該電路輸入電流波形。其中圖13(c)是三角形接橋電流iab2波形見圖13(b)中虛線折算到變壓器一次側(cè)A相繞組中的電流，圖13（d)的總電流為圖13(a)的ia1和圖13(c)的之和（忽略了換相過程和直流側(cè)電流脈動）。對波形進(jìn)行傅里葉分析，可以知(b)輸入電流波形(a)主電路圖(

21、c）輸入電壓波形道該電流中只含12k±1次諧波（k為正整數(shù)）。同樣，對多相整流電路，可以得出結(jié)論：以m個相位相差/3m的變壓器二次繞組分別供電的m個三相橋式整流電路可以構(gòu)成6m相整流電路，其網(wǎng)側(cè)電流僅含6m±1次諧波。例如m=2，3，4，便分別為12相，含12k±1、18相，含18k±1、24相，含24k±1次諧波，且各次諧波的有效值與其次數(shù)成反比。位移因數(shù)則均等于cos，為觸發(fā)延遲角。對二極管整流橋來說，cos1=cos=1。圖6中的輸入整流器就是二重聯(lián)接電路，也稱12脈波電路，可以求得其=0.9886，THDi=0.1522。3 2整流電路

22、的特殊多重化見圖8(b)結(jié)構(gòu)。這是一種輸入變壓器和電力電子部件一體化設(shè)計的電路拓?fù)?。它利用特制的多繞組輸入變壓器和功率單元串聯(lián)的巧妙結(jié)合，由變壓器二次繞組的曲折聯(lián)結(jié)，將輸入電壓相位互相錯開。對電網(wǎng)而言形成多相負(fù)載，既能解決輸出高電壓問題，又能解決電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的諧波問題。例如，對5個單元串聯(lián)聯(lián)結(jié)，變壓器需有15個二次繞組，分為5個不同的相位組，它們互差12°電角度，最終形成30脈波的二極管整流電路。理論上29次以下的諧波都可以消除，THDi<1，可獲得如圖14所示的輸入電壓電流波形。變壓器采用延邊三角形（曲折聯(lián)結(jié)），再配以抽頭所分割段的匝比，可以實(shí)現(xiàn)任意角度的相移。例如，3個和

23、4個單元串聯(lián)時，二次繞組相位要互差±20°、0°和±30、±15°，分別相當(dāng)于18脈波和24脈波整流，6個單元串聯(lián)則相差±25°、±15°、±5°，相當(dāng)36脈波，加上由于采用二極管整流的電壓型結(jié)構(gòu)，電動機(jī)所需的無功功率可由濾波電容提供，所以功率因數(shù)較高，基本上可保持在0.95以上。這種多重化方案要用特制變壓器，制作較復(fù)雜，器件數(shù)量多，導(dǎo)通損耗大。3 3PWM整流電路PWM整流器不是用晶閘管，而是用全控型器件構(gòu)成，采用與逆變電路同樣的SPWM技術(shù)。圖15(a)和圖15(b)即為

24、單相和三相電壓型PWM整流電路，通過對它的適當(dāng)控制，可以使輸入電流近似為正弦波，且電流和電壓同相位，功率因數(shù)近似為1。圖中交流側(cè)電感L用以濾波和傳遞能量，直流側(cè)電容Cdc起著濾除直流電壓上開關(guān)紋波和平衡直流輸入和輸出能量的作用。圖16(a)、(b)、(c)分別為PWM整流器交流側(cè)單相等效電路和整流、逆變狀態(tài)下的相量圖（忽略了交關(guān)于中、高壓變頻器的一些知識圖14整流電路多重化輸入電壓電流波形(c)逆變相量圖(a)等效電路圖(b)整流相量圖(b)三相電路(a)單相電路圖15PWM整流器主電路圖16PWM整流器交流側(cè)等效電路和相量圖流側(cè)電路電阻），圖中分別為電網(wǎng)電勢、橋式電路交流側(cè)PWM電壓的基波分

25、量、電感上的壓降和PWM整流器從電網(wǎng)吸收的電流，為電源角頻率。從相量圖可以看出，只要控制和電網(wǎng)電壓同頻，且調(diào)節(jié)它的幅值和相位，滿足圖中所示的相量關(guān)系，PWM整流器就能實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的整流或逆變，從而可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動。PWM整流器也可采用三電平電路，如圖17(a)所示。同三電平PWM逆變電路一樣，相電壓有三種電平，線電壓有五種電平。在相同的開關(guān)頻率下，其輸入電流諧波比二電平電路要小得多。它不僅可做到單位功率因數(shù)，而且根據(jù)設(shè)計的功率定額富裕量，還可對連接在同一線路上的其它負(fù)載的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。它同時可以進(jìn)行有功功率和無功功率的雙向傳輸，實(shí)現(xiàn)電動和能量反饋的四象限傳動，如圖17(b)所示。此

26、外，有的還可在交流輸入加諧波濾波器/功率因數(shù)補(bǔ)償控制器。總之，通過各種措施，均可使交流側(cè)THDi<5，>0.95。上述介紹的三種整流器和逆變器中，除特制變壓器多重化外，其它整流電路和逆變電路可有不同的組合，即使同種組合也可有不同的接線方案。例如圖6也可構(gòu)成圖18電路，適用于3.3kV，1250/1875/2500kVA場合。4控制方式根據(jù)運(yùn)動方程式TTL=（TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，GD2為運(yùn)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量）可知，控制電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T便能控制轉(zhuǎn)速的變化dn/dt；而電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與磁通成正比。因此，控制轉(zhuǎn)矩的關(guān)鍵是要對磁通進(jìn)行控制，磁通控制的效果直接影響調(diào)速系統(tǒng)的控制性能。中、高壓變頻調(diào)速和

27、低壓變頻調(diào)速一樣，有如下幾種控制方式。4 1V/f協(xié)調(diào)控制交流電動機(jī)的感應(yīng)電勢E=4.44Nf （N為繞組有效匝數(shù)）。忽略定子繞組的阻抗，定子電壓UE=4.44Nf 。當(dāng)改變頻率f調(diào)速時，如電壓U不變，則會影響磁通 。例如，當(dāng)電機(jī)供電頻率降低時，若保持電機(jī)的端電壓不變，那末電機(jī)中的 將增大。由于電機(jī)設(shè)計時的磁通選為接近飽和值， 的增大將導(dǎo)致電機(jī)鐵心飽和。鐵心飽和后將造成電機(jī)中流過很大的勵磁電流，增加銅耗和鐵耗。而當(dāng)供電頻率增加，電機(jī)將出現(xiàn)欠勵磁。因?yàn)門=Cm I2cos2（Cm為電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，I2為轉(zhuǎn)子電流折算值，cos2為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)），磁通的減小將會引起電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的下降。因此，

28、在改變電機(jī)的頻率時，應(yīng)對電機(jī)的電壓或電勢同時進(jìn)行控制，即變壓變頻（VVVF）。V/f協(xié)調(diào)控制可近似保持穩(wěn)態(tài)磁通恒定，方法簡單，可進(jìn)行電機(jī)的開環(huán)速度控制。主要問題是低速性能較差。因?yàn)榈退贂r，異步電動機(jī)定子電阻壓降所圖18三電平變頻器(a)主電路圖(b)四象限傳動示意圖圖17三電平PWM整流器占比重增加，已不能忽略，不能認(rèn)為UE，這時V/f協(xié)調(diào)控制已不能保持 恒定。由于V/f協(xié)調(diào)控制是依據(jù)穩(wěn)態(tài)關(guān)系得出，因而動態(tài)性能較差。如欲改善V/f協(xié)調(diào)控制的性能，需對磁通進(jìn)行閉環(huán)控制。4 2矢量控制眾所周知，直流電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速和起動性能，是因?yàn)門=Cm Ia，勵磁繞組和電樞繞組各自獨(dú)立，空間位置互差90&

29、#176;，因而 和電樞電流Ia產(chǎn)生的磁通正交，如忽略電樞反應(yīng)，它們互不影響；兩繞組又分別由不同電源供電，在 恒定時，只要控制電樞電流或電樞電壓便可以控制轉(zhuǎn)矩。而異步電動機(jī)只有定子繞組與電源相接，定子電流中包含勵磁電流分量和轉(zhuǎn)子電流分量，兩者混在一起（稱為耦合），電磁轉(zhuǎn)矩并不與定子電流成比例。矢量控制的思路就是仿照直流電動機(jī)的控制原理，將交流電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)方程式進(jìn)行坐標(biāo)變換，包括三相至二相的變換（3/2）和靜止坐標(biāo)與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變換，從而將定子電流分解成勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量（解耦），它們可以根據(jù)可測定的電動機(jī)定子電壓、電流的實(shí)際值經(jīng)計算求得，然后分別和設(shè)定值一起構(gòu)成閉環(huán)控制，經(jīng)過調(diào)節(jié)器的作用，再經(jīng)過坐標(biāo)反變換，變成定子電壓的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)對逆變器的PWM控制。矢量控制可以獲得和直流電動機(jī)相媲美的優(yōu)異控制性能。4 3直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制也是分別控制異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，只是它選擇定子磁鏈作為被控制的對象，而不像矢量控制系統(tǒng)那樣選擇了轉(zhuǎn)子磁鏈，因此可以直接在定子坐標(biāo)上計算與控制交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩。即通過實(shí)時檢測磁通幅值和轉(zhuǎn)矩值，分別與給定值比較，由磁通和轉(zhuǎn)