高壓大功率變頻器技術(shù)

1、高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中中 國國 礦礦 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué)電力傳動與自動控制研究所電力傳動與自動控制研究所二二O一一O年四月年四月 蒯松巖蒯松巖 (博士、副教授博士、副教授)高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器第一章第一章 電力電子高壓變電力電子高壓變頻器的主要類型頻器的主要類型高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器1. 概述 按國際標(biāo)準(zhǔn)(IEC 60038:1983)和中國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 156-2003)的規(guī)定。電壓被分為245kv四個等級。 在135k電壓段，我國使用3kv、6kv、10kv和35kv四個標(biāo)準(zhǔn)電壓。習(xí)慣上將3kv、6 kV、10kv電動機稱為

2、高壓電動機，相應(yīng)地,將用于驅(qū)動該電壓等級電動機的變頻器通稱為高壓變頻器。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 在歐美國家，在此電壓區(qū)段常見的標(biāo)準(zhǔn)電壓有3.3kV、6.6kv、11kV、4.16kV(該電壓僅適用于北美洲)等多種，歸屬中壓范疇，相應(yīng)電壓等級的變頻器一般稱中壓變頻器。 高壓變頻器是應(yīng)高壓交流電動機無級調(diào)速的需要而誕生的，它利用電力電子器件的通斷作用將工頻電源變換成為了另一種頻率的電能控制裝置，直接供給高壓電動機使用。高壓變頻器是迄今為止最理想的高壓電動機的調(diào)速裝置。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器1.1 高壓變頻器的發(fā)展 高壓變頻器是隨著大功率電力電子器件的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的，只要電

3、力電子器件有了新的發(fā)展，高壓變頻器就一定有個新飛躍。從主回路結(jié)構(gòu)上來看，高壓變頻器的發(fā)展可分為兩個階段。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 第一階段是以晶閘管(SCR)作為主要電力電子器件的交交型高壓變頻器產(chǎn)品; 第二階段是廣泛采用了雙極性晶體管(GTR)、絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)、集成門極換流晶閘管(I GCT)等電力電子器件的交-直-交型高壓變頻器產(chǎn)品。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 國外第一臺高壓變頻器交一交變頻調(diào)速的異步電動機矢量控制系統(tǒng)，由日本的東芝電器公司在1980年研制成功.電動機容量為1800kw。 1981年，德國西門子公司研制成功了交一交變頻的同步電動機矢量控制系統(tǒng)，

4、電動機容量為4000kw。 1982年，口本富士公司研制成功了交一交變頻的同步電動機調(diào)速系統(tǒng).用于初軋萬L主傳動，電動機容量2500kw。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 國內(nèi)開發(fā)、研制工作是從20世紀(jì)80年代末開始的，到20世紀(jì)90年代陸續(xù)推出了國產(chǎn)的高壓變頻器。 1994年，冶金部自動化研究院為天津中板廠成功研制了5000kw軋機全數(shù)字交一交變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器1.2 高壓變頻器的工作原理、 電路構(gòu)成 1.2.1 工作原理 按照電機學(xué)的基本原理，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速滿足如下的關(guān)系式: 式中: n電動機的實際轉(zhuǎn)速; no電動機的同步轉(zhuǎn)速: p電動機的極對數(shù)

5、; f電動機的運行頻率; s電動機的滑差。060n(1)(1)fsnsp高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 從式中看出，電動機的同步轉(zhuǎn)速no正比于電動機的運行頻率(no=60f/p)。由于滑差s一般情況下比較小(00.05)，電動機的實際轉(zhuǎn)速n約等于電動機的同步轉(zhuǎn)速no，所以調(diào)節(jié)電動機的供電頻率f,就能改變電動機的實際轉(zhuǎn)速。這就是高壓變頻器的工作原理。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 電動機的滑差s和負(fù)載有關(guān)，負(fù)載越大則滑差越大。在電源頻率不變的情況下，電動機的實際轉(zhuǎn)速還會隨負(fù)載的增加而略有下降。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器1.2.2 電路構(gòu)成 高壓變頻器的技術(shù)種類多種多樣。但是，無論對哪

6、種產(chǎn)品而言。從電路構(gòu)成上來說，高壓變頻器的電路都分為主電路和控制電路兩部分，其電路框圖如圖1-1所示。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 主電路(IGBT、IGCT、GTR等電力電子器件做逆變器件)給電動機提供調(diào)壓、調(diào)頻電源:此電源的輸出電壓或輸出電流及頻率，由控制電路的控制指令進行控制;而控制指令則根據(jù)外部的運轉(zhuǎn)指令進行運算獲得;高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 對于需要更精密速度控制或快速響應(yīng)的場合，運算內(nèi)容還應(yīng)包含變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號;保護電路除用于防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的損壞外.還應(yīng)保護電動機及傳動系統(tǒng)。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 圖1-1高壓變頻器

7、的電路框圖高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 1、主電路 給電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為變頻器的主電路。通常，高壓變頻器的主電路由三部分構(gòu)成,即將工頻電源電壓變換為直流功率的整流器，吸收整流器和逆變器產(chǎn)生的電壓或電流脈動的濾波電路,以及將直流功率變換為交流功率的逆變器。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 2、控制電路 給異步電動機供電(電壓、頻率可調(diào))的主電路提供控制信號的電路，稱為控制電路。如圖1-1所示，在點畫線框內(nèi)，僅以控制電路A部分構(gòu)成控制電路時，無速度檢測電路，為開環(huán)控制:在控制電路B部分，增加了速度檢測電路，因此，對于轉(zhuǎn)速指令，可以進行使電動機的轉(zhuǎn)速控制更精確的閉環(huán)控制

8、。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 在控制電路中.又包括以下幾部分電路。 運算電路。 將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。 電壓、電流檢測電路。 與主電路電位隔離，檢測電壓、電流等的電路。 驅(qū)動電路。 為驅(qū)動開關(guān)器件的電路。它與控制電路隔離，使主電路開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 速度檢測電路。 以裝在電動機軸上的速度傳感器的信號為速度信號，將其送入運算電路，根據(jù)指令和運算結(jié)果可使電動機按指令轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)， 保護電路。 檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止變頻器和異步電動機的損壞，使變頻器停止

9、工作或抑制電壓、電流值。通常，保護電路可分為變頻器保護和異步電動機保護兩種。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器1.2.3 分類 按電壓等級分類按電壓等級分類 按電壓等級不同，變頻器可分為;高壓變領(lǐng)器、中壓變頻器和低壓變頻器。 按照國際慣例,電壓10kV時稱高壓,110kV為中壓，1kv時稱低壓。與其電壓范圍相對應(yīng)的變頻器分別稱為高壓變頻器、中壓變頻器、低壓變頻器。 在我國，習(xí)慣上把10kV、6KV或3kV的電動機均稱為高壓電動機，相應(yīng)的電壓為10kV、6kV或3kV的變頻器均稱高壓變頻器。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器1.2.3 交交-直直-交和交交和交-交變壓變頻器交變壓變頻器

10、 從整體結(jié)構(gòu)上看，電力電子變壓變頻器可分為交-直-交和交-交兩大類。 1.交交-直直-交變壓變頻器交變壓變頻器 交-直-交變壓變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流，如1-2圖所示。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 交-直-交變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)圖1-2 交-直-交（間接）變壓變頻器 變壓變頻變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻恒壓恒頻(CVCF)逆變逆變DCACAC50Hz整流整流高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個“中間直流環(huán)節(jié)”，所以又稱間接式的變壓變頻器。 具體的整流和逆變電

11、路種類很多，當(dāng)前應(yīng)用最廣的是由二極管組成不控整流器和由功率開關(guān)器件（P-MOSFET，IGBT等）組成的脈寬調(diào)制（PWM）逆變器，簡稱PWM變壓變頻器，如1-3圖所示。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 交-直-交PWM變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)圖1-3 交-直-交PWM變壓變頻器變壓變頻變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻恒壓恒頻(CVCF)PWM逆變器逆變器DCACAC50Hz調(diào)壓調(diào)頻調(diào)壓調(diào)頻C高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 PWM變壓變頻器的應(yīng)用之所以如此廣泛，是由于它具有如下的一系列優(yōu)點： （1）在主電路整流和逆變兩個單元中，只有逆變單元可控，通過它同時調(diào)節(jié)電壓和頻率，結(jié)構(gòu)簡單

12、。采用全控型的功率開關(guān)器件，只通過驅(qū)動電壓脈沖進行控制，電路也簡單，效率高。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 （2）輸出電壓波形雖是一系列的PWM波，但由于采用了恰當(dāng)?shù)腜WM控制技術(shù)，正弦基波的比重較大，影響電機運行的低次諧波受到很大的抑制，因而轉(zhuǎn)矩脈動小，提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 （3）逆變器同時實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻，動態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響，系統(tǒng)的動態(tài)性能也得以提高。 （4）采用不可控的二極管整流器，電源側(cè)功率因素較高，且不受逆變輸出電壓大小的影響。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 PWM變壓變頻器常用的功率開關(guān)器件有：P-MOSFET

13、，IGBT，GTO和替代GTO的電壓控制器件如IGCT、IEGT等。 受到開關(guān)器件額定電壓和電流的限制，對于特大容量電機的變壓變頻調(diào)速仍只好采用半控型的晶閘管（SCR），并用可控整流器調(diào)壓和六拍逆變器調(diào)頻的交-直-交變壓變頻器，見圖1-4。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 普通交-直-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)SCR可控可控整流器整流器六六 拍拍逆變器逆變器DCACAC50Hz調(diào)頻調(diào)頻調(diào)壓調(diào)壓圖1-4 可控整流器調(diào)壓、六拍逆變器調(diào)頻的交-直-交變壓變頻器高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器2. 交-交變壓變頻器 交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，它只有一個變換環(huán)節(jié)，把恒壓恒頻（CVCF）的交流電

14、源直接變換成VVVF輸出，因此又稱直接式變壓變頻器。 有時為了突出其變頻功能，也稱作周波變換器（Cycloconveter）。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)圖1-5 交-交（直接）變壓變頻器交交變頻交交變頻AC50HzACCVCFVVVF高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 常用的交-交變壓變頻器輸出的每一相都是一個由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。 也就是說，每一相都相當(dāng)于一套直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆線路（圖1-5a）。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器交-交變壓變頻器的基本電路結(jié)構(gòu)VRVFId-Id+-+a) 電路結(jié)構(gòu)負(fù)負(fù)載載50Hz50Hzu0

15、圖1-5-a 交-交變壓變頻器每一相的可逆線路高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器交-交變壓變頻器的控制方式 整半周控制方式整半周控制方式 正、反兩組按一定周期相互切換，在負(fù)載上就獲得交變的輸出電壓 u0 ， u0 的幅值決定于各組可控整流裝置的控制角 ， u0 的頻率決定于正、反兩組整流裝置的切換頻率。如果控制角一直不變，則輸出平均電壓是方波，如圖1-5 b 所示。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器圖1-5 -b 方波型平均輸出電壓波形tu0正組通正組通反組通反組通正組通正組通反組通反組通輸出電壓波形高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 控制方式（ 2 ） 調(diào)制控制方式調(diào)制控制方式 要獲得正弦波輸出，

16、就必須在每一組整流裝置導(dǎo)通期間不斷改變其控制角。例如例如：在正向組導(dǎo)通的半個周期中，使控制角 由/2（對應(yīng)于平均電壓 u0 = 0）逐漸減小到 0（對應(yīng)于 u0 最大），然后再逐漸增加到 /2（ u0 再變?yōu)?），如圖1-6所示。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器2AOw t 0 2 BCDEFu0圖1-6 交-交變壓變頻器的單相正弦波輸出電壓波形輸出電壓波形高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 當(dāng)角按正弦規(guī)律變化時，半周中的平均輸出電壓即為圖中虛線所示的正弦波。對反向組負(fù)半周的控制也是這樣。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形1OO23456圖4-20uoiowt

17、wt高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 三相交交變頻電路 三相交交變頻電路可以由3個單相交交變頻電路組成，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。 如果每組可控整流裝置都用橋式電路，含1個晶閘管（當(dāng)每一橋臂都是單管時），則三相可逆線路共需31個晶閘管，即使采用零式電路也須18個晶閘管。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 三相交交變頻器的基本結(jié)構(gòu)高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器三相橋式交交變頻電路高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 圖1-8 交-交變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 因此，這樣的交-交變壓變頻器雖然在結(jié)構(gòu)上只有一個變換環(huán)節(jié)

18、，省去了中間直流環(huán)節(jié)，看似簡單，但所用的器件數(shù)量卻很多，總體設(shè)備相當(dāng)龐大。 不過這些設(shè)備都是直流調(diào)速系統(tǒng)中常用的可逆整流裝置，在技術(shù)上和制造工藝上都很成熟，目前國內(nèi)有些企業(yè)已有可靠的產(chǎn)品。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 這類交-交變頻器的其他缺點是：輸入功率因數(shù)較低，諧波電流含量大，頻譜復(fù)雜，因此須配置諧波濾波和無功補償設(shè)備。其最高輸出頻率不超過電網(wǎng)頻率的 1/3 1/2，一般主要用于軋機主傳動、球磨機、水泥回轉(zhuǎn)窯等大容量、低轉(zhuǎn)速的調(diào)速系統(tǒng)，供電給低速電機直接傳動時，可以省去龐大的齒輪減速箱。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 近年來又出現(xiàn)了一種采用全控型開關(guān)器件的矩陣式交-交變壓變頻器，類似

19、于 PWM控制方式，輸出電壓和輸入電流的低次諧波都較小，輸入功率因數(shù)可調(diào)，能量可雙向流動，以獲得四象限運行，但當(dāng)輸出電壓必須為正弦波時，最大輸出輸入電壓比只有0.811。目前這類變壓變頻器尚處于開發(fā)階段，其發(fā)展前景是很好的。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器3 電壓源型和電流源型逆變器電壓源型和電流源型逆變器 在交-直-交變壓變頻器中，按照中間直流環(huán)節(jié)直流電源性質(zhì)的不同，逆變器可以分成電壓源型電壓源型和電流源型電流源型兩類，兩種類型的實際區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾波器實際區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾波器。圖1-9繪出了電壓源型和電流源型逆變器的示意圖。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 兩種

20、類型逆變器結(jié)構(gòu)逆變器逆變器LdIdCdUdUd+-a) 電壓源逆變器b) 電流源逆變器圖1-9 電壓源型和電流源型逆變器示意圖高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 1.電流源型變頻器 常規(guī)電流源變頻器輸入端采用可控整流,控制電流的大小;中間采用大電感,對電流進行平滑。逆變橋?qū)⒅绷麟娏鬓D(zhuǎn)換為頻率可變的交流電流，供給交流電動機。負(fù)載換流式電流源型變頻器(LCI)的結(jié)構(gòu)如圖1-10所示。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 圖1-10 負(fù)載換流式電流源型變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 2.電壓源型變頻器 電壓源型變頻器輸入端一般不可控，大多采用二極管進行全波整流;中間采用大電容濾波，對電

21、壓進行平滑。逆變橋采用PWM控制技術(shù)，既控制電壓輸出波形中交流基波的幅值大小，也控制交流基波電壓的頻率。電壓源型變頻器的結(jié)構(gòu)如圖1-11所示。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 圖1-11 電壓源型變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 性能比較 兩類逆變器在主電路上雖然只是濾波環(huán)節(jié)的不同，在性能上卻帶來了明顯的差異，主要表現(xiàn)如下： （1）無功能量的緩沖）無功能量的緩沖 在調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器的負(fù)載是異步電機，屬感性負(fù)載。在中間直流環(huán)節(jié)與負(fù)載電機之間，除了有功功率的傳送外，還存在無功功率的交換。濾波器除濾波外還起著對無功功率的緩沖作用，使它不致影響到交流電網(wǎng)。高壓大功率變頻器高壓大功率

22、變頻器 因此，兩類逆變器的區(qū)別還表現(xiàn)在采用什么儲能元件（電容器或電感器）來緩沖無功能量。 （2）能量的回饋）能量的回饋 用電流源型逆變器給異步電機供電的電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)有一個顯著特征，就是容易實現(xiàn)能量的回饋，從而便于四象限運行，適用于需要回饋制動和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 下面以由晶閘管可控整流器UCR和電流源型串聯(lián)二極管式晶閘管逆變器CSI構(gòu)成的交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（如下圖所示）為例，說明電動運行和回饋制動兩種狀態(tài)。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器圖6-16-a 電流源型交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的兩種運行狀態(tài)M3+-UdIdLdCSI 電動Te

23、 逆變UCRa）電動運行 電動運行狀態(tài)P高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 當(dāng)電動運行時，UCR的控制角 w ，電動機以轉(zhuǎn)速運行，電功率的傳送方向如上圖a所示。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器圖6-16-b 電流源型交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的兩種運行狀態(tài)M3+-UdIdLdCSI 90o有源逆變1 發(fā)電Te整流UCRb）逆變運行逆變運行狀態(tài)P高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 如果降低變壓變頻器的輸出頻率 w1，或從機械上抬高電機轉(zhuǎn)速 w ，使 w1 90 ，則異步電機轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)，逆變器轉(zhuǎn)入整流狀態(tài)，而可控整流器轉(zhuǎn)入有源逆變狀態(tài)，此時直流電壓Ud 立即反向，而電流 Id 方向不變，電能由電機回

24、饋給交流電網(wǎng)（圖b）。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 與此相反，采用電壓源型的交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)要實現(xiàn)回饋制動和四象限運行卻很困難，因為其中間直流環(huán)節(jié)有大電容鉗制著電壓的極性，不可能迅速反向，而電流受到器件單向?qū)щ娦缘闹萍s也不能反向，所以在原裝置上無法實現(xiàn)回饋制動。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 必須制動時，只得在直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)電阻實現(xiàn)能耗制動，或者與UCR反并聯(lián)一組反向的可控整流器，用以通過反向的制動電流，而保持電壓極性不變，實現(xiàn)回饋制動。這樣做，設(shè)備要復(fù)雜多了。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器性能比較（續(xù)） （3）動態(tài)響應(yīng)）動態(tài)響應(yīng) 正由于交-直-交電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

25、的直流電壓可以迅速改變，所以動態(tài)響應(yīng)比較快，而電壓源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)就慢得多。 （4）輸出波形）輸出波形 電壓源型逆變器輸出的電壓波形為方波，電流源型逆變器輸出的電流波形為方波（見下表）。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器性能比較（續(xù)）兩種逆變器輸出波形比較高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器性能比較（續(xù)） （4）應(yīng)用場合）應(yīng)用場合 電壓源型逆變器屬恒壓源，電壓控制響應(yīng)慢，不易波動，所以適于做多臺電機同步運行時的供電電源，或單臺電機調(diào)速但不要求快速起制動和快速減速的場合。采用電流源型逆變器的系統(tǒng)則相反，不適用于多電機傳動，但可以滿足快速起制動和可逆運行的要求。高壓大功率變頻器高壓大功率

26、變頻器4 按電平數(shù)分類 按電平數(shù)不同，變頻器可分為:兩電平變頻器、三電平變頻器、多電平變頻器。 1.兩電平變頻器 兩電平變頻器的典型電路結(jié)構(gòu)如圖1-12所示，其輸出線電壓波形如圖1-13所示。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器圖1-12 兩電平變頻器典型電路結(jié)構(gòu)示意圖 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 假設(shè)整流橋整流輸出電壓為E，直流母線中點為參考電位點，由于上、下管只能互補工作，則每個橋臂的輸出電壓要么為+E/2要么為E/2，只有兩個狀態(tài)，所以稱為兩電平。但對于變頻器輸出的線電壓而言，則存在+E、0、-E三個電平狀態(tài)。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩電平兩電平MRST+-VDC li

27、nkDC link busbarDC link busbarRST+-VDC linkDC link busbarDC link busbarEquivalent circuit of inverterInverter with IGBTs and free-wheeling diodes M101010帶帶 IGBT 和續(xù)流二極管的逆變器和續(xù)流二極管的逆變器等效電路圖等效電路圖變頻器每次只切換一次的運行變頻器每次只切換一次的運行 Vmax = VDC link高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 圖1-13 兩電平變頻器輸出線電壓波形高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 2.三電平變頻器 三電平PW

28、M電壓源型變頻器采用12只可關(guān)斷功率器件(IGBT或高壓IG BT與鉗位二極管構(gòu)成帶中性點的逆變電路(NPC)。同一個橋臂中，V1和V3:互補，V2和V4互補。假設(shè)每個整流橋整流輸出電壓為E。則每相對中點Z的輸出電壓有+E、0、-E共三個狀態(tài)，所以稱三電平。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 與兩電平PWM變頻器相比，其輸出電壓的電平數(shù)增加，易于實現(xiàn)諧波的相互補償，輸出波形有所改善。三電平變頻器輸出的線電壓，則存在+2E、+E、0、-E、-2E五個電平狀態(tài)。三電平變頻器典型電路結(jié)構(gòu)如圖1-14所示。其輸出線電壓波形如圖1-15所示。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 圖1-14 三電平變頻器典型結(jié)

29、構(gòu)電路示意圖三電平高壓逆變器三電平高壓逆變器M3+-直流環(huán)節(jié)網(wǎng)側(cè)整流器03電平逆變器DC100 Hz1 Hz50/60 Hz3-ph. 2.3 - 36 kV AC50/60 Hz高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器三三電平輸出逆變器+-直流環(huán)節(jié)03 電平逆變器L1L2L3L1L2L3t1U1V1V2V5V6v3v4高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器電機側(cè)逆變器0+_逆變器每相結(jié)構(gòu) Ud2Ud2+0_交流電動機直流環(huán)節(jié)3電平逆變器00高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器圖1-15三電平變頻器輸出線電壓波形高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器(+)(0)(0)()(+) 2 電平/ 3電平 電壓源型直流環(huán)節(jié)連

30、接變頻器的比較UdPhase-phase voltage U12 電平逆變器3 電平逆變器ABCDEUd負(fù)載電流05101520load currenttimemsec+0-+-高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 3.單元串聯(lián)多電平變頻器 當(dāng)輸出電壓為610kV時，一般采用多電平電路形式(CMSL)，它是由若干個低壓PWM變頻功率單元，以輸出電壓串聯(lián)方式(功率單元為三相輸入、單相輸出)來實現(xiàn)直接高壓輸出的方法。相對于兩電平和三電平變頻器，單元串聯(lián)多電平變頻器的輸出電壓電平數(shù)更多，電壓梯度變化更小，波形更接近正弦波。多電平變頻器典型電路結(jié)構(gòu)如圖1-16所示，其輸出線電壓波形如圖1-17所示。高壓大

31、功率變頻器高壓大功率變頻器 圖1-16多電平變頻器典型電路結(jié)構(gòu)示意圖高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 圖1-17多電平變頻器輸出線電壓波形高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器5 按控制方式分類按控制方式分類 按控制方式不同，變頻器可分為: 恒壓頻比控制 矢量控制 直接轉(zhuǎn)矩控制。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器1.3 常見的高壓變頻器產(chǎn)品 隨著電力電子功率器件的快速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的高壓變頻器產(chǎn)品。目前，在市場上應(yīng)用較多、技術(shù)比較可靠的產(chǎn)品有兩電平電流源型高壓變頻器、三電平電壓源型高壓變頻器和單元串聯(lián)多電平的高壓變頻器。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器1.3.1 兩電平電流源型高壓變頻器兩電平電

32、流源型高壓變頻器 高-高電流源方式的高壓變頻器電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-18所示。其輸入側(cè)為了防止共模電壓和降低諧波，一般加入了隔離變壓器，采用晶閘管進行多脈沖可控整流;直流環(huán)節(jié)采用電感儲能:逆變側(cè)用SGCT作為開關(guān)器件，進行電流的PWM控制(必須有濾波器配合)。由于器件的耐壓水平有限，必須采用多個器件串聯(lián)，為傳統(tǒng)的兩電平結(jié)構(gòu)，電流源型高壓變頻器產(chǎn)品的典型代表是AB公司的Bulletin 1557M和Power Flex 7000。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 電流源型變頻器的突出特點是:當(dāng)輸入側(cè)采用晶閘管進行移相整流時，隨著負(fù)載的下降，晶閘管觸發(fā)角后移，導(dǎo)致變頻器的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)逐步下降，負(fù)

33、載越輕，功率因數(shù)下降越多，所以往往需要進行功率因數(shù)補償。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 由于功率因數(shù)是隨負(fù)載不斷變化的,常規(guī)的靜態(tài)無功補償裝置難以適應(yīng)這種變化，一般總處于欠補或過補的工況。電流源型變頻器的這種特性如圖1-19所示。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 圖1-18 高-高電流源方式的高壓變頻器電路結(jié)構(gòu)示意圖圖1-19 電流源型變頻器中功率因數(shù)與負(fù)載的關(guān)系高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 問題:器件串聯(lián)的均壓問題 由于電流源型高壓變頻器需要器件串聯(lián)，而這些器件都工作在開關(guān)狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通時，器件承受的電壓為零。穩(wěn)態(tài)關(guān)斷時，施加在橋臂兩端的電壓由所有串聯(lián)器件所分擔(dān)，這時漏電流小的器件將承

34、受比平均值高的電壓值。在橋臂導(dǎo)通的動態(tài)過程中，導(dǎo)通較慢的器件將承受比平均值高的電壓值。橋臂關(guān)斷的動態(tài)過程中,關(guān)斷較快的器件也將承受比平均值高的電壓值。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 為了解決分壓不均的問題，首先必須挑選開關(guān)特性一致、漏電流一致的器件組成橋臂。如果器件特性不一致，承受過高電壓的器件擊穿短路后，所有電壓將由剩余器件承擔(dān)，繼而導(dǎo)致橋臂的其他器件因過電壓而損壞:而且同橋臂鑒件特性的一致性要求較高，給備品、備件增加了一定困難。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 基于輸入側(cè)的可控整流,電流源型變頻器先天具有能量回饋優(yōu)勢。當(dāng)負(fù)載處于發(fā)電狀態(tài)時，只要將整流橋觸發(fā)角進一步后移，使整流橋進入逆變

35、工作狀態(tài)，能量就可以從變頻器回饋到電網(wǎng)。在礦井提升、頻繁正反轉(zhuǎn)的軋機、大慣性負(fù)載的緊急制動等場合，一般廣泛應(yīng)用電流源型變頻器。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 為了解決輸入側(cè)功率因數(shù)低及諧波大的問題，目前國外生產(chǎn)電流源型變頻器的廠家對產(chǎn)品進行了改進，如圖1-20所示。其輸入側(cè)取消了隔離變壓器,代之以輸入濾波器,整流橋也采用SGCT器件串聯(lián)，進行PWM整流，可以實現(xiàn)對輸入側(cè)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，同時降低網(wǎng)側(cè)諧波。但這種變頻器價格昂貴，使用成本高昂。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 圖1-20 改進型的電流源型變頻器高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 電流源型高壓變頻器的特點歸納如下: 電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低

36、，諧波大,而且隨著工況的變化而變，補償困難; 輸出端需要濾波器(一般設(shè)備內(nèi)置)，電流波形無法實現(xiàn)全范圍優(yōu)化: 抗電網(wǎng)波動能力差，超過一15%一般立即停機; 抗負(fù)載短路能力強，一般不會因負(fù)載短路引起設(shè)備故障; 在保護措施上，一般不允許直接帶載跳閘，否則易導(dǎo)致設(shè)備過壓損壞;高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 存在器件串聯(lián)均壓問題,可靠性差，備件困難; 采用SGCT器件，最高輸出電壓6.6KV，未見10KV產(chǎn)品; 變壓器可以異地安裝，但增加了現(xiàn)場施工量; 為了改善輸入側(cè)的功率因數(shù)，降低諧波含量，整流橋也可以采用PWM整流，但造價高昂; 電流源型變頻器的最大優(yōu)點是可以四象限運行,但是需要回饋能量的負(fù)載畢

37、竟不是太多,多以電流源型變頻器的市場競爭能力已經(jīng)逐漸變?nèi)?。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器1.3.2 三電平電壓源型高壓變頻器三電平電壓源型高壓變頻器 三電平電壓源型高壓變頻器的典型電路結(jié)構(gòu)如圖1-21所示,其輸入端采用12脈沖整流，兩個三相全橋串聯(lián)。直流回路采用電容儲能，逆變橋由高壓IGBT或IGCT組成三電平式電路，中心點用二極管鉗位。三電平電壓源型高壓變頻器產(chǎn)品的典型代表是西門子公司的SIMOVERT MV系列和ABB公司的ACS1000,ACS6000系列。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 圖1-21 三電平電壓源型高壓變頻器的典型電路結(jié)構(gòu)高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 由圖1-21

38、可見，三電平電壓源型高壓變頻器逆變橋的一個橋臂中，V1和V3互補，V2和V4互補。從表1-1可以看出，任何時候都不會出現(xiàn)兩個器件同時導(dǎo)通或同時關(guān)斷的情形。所以不存在器件串聯(lián)的均壓問題。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 假設(shè)每個整流橋整流輸出電壓為E，兩個整流橋的串聯(lián)點為參考電位點，根據(jù)V1V4四個器件的開關(guān)狀態(tài)變化，每相輸出對中點Z的電壓可為+E、0、-E共三個狀態(tài)，所以稱三電平，如圖1-22所示。相應(yīng)的另一相對中點Z的電位也是+E、0、-E三個狀態(tài),兩個相電壓相減后形成的線電壓將有+2E、+E、0、-E、-2E共五個電平狀態(tài)。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 圖1-22三電平輸出的相電壓及

39、線電壓高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 常規(guī)的三電平電壓源型高壓變頻器，一般采用12脈沖全波整流，由于其整流器件為二極管，所以能量不能回饋到電網(wǎng)。 為了實現(xiàn)能量回饋和改善網(wǎng)側(cè)電能指標(biāo)，現(xiàn)在三電平變頻器輸入側(cè)采用可控PWM整流，輸入諧波低，輸入功率因數(shù)可調(diào),電動機調(diào)速動態(tài)性能較高。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 圖1-23三電平網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 輸出側(cè)線電壓為五電平波形，電壓跳變臺階為一半的直流母線電壓，dv/dt較大，諧波失真達(dá)到29%,電流失真可以達(dá)到17%,如圖1-24所示。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 圖1-24三電平輸出側(cè)電壓波形和電流波形高壓大

40、功率變頻器高壓大功率變頻器 三電平電壓源型高壓變頻器具有如下特點: 輸入一般采用12脈沖整流方式，對諧波要求嚴(yán)格時仍然需要進行諧波抑制; 輸出側(cè)的諧波含量較高，dv/dt較大，仍然需要濾波器(一般在設(shè)備內(nèi)置)，否則影響電動機絕緣:高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 受器件耐壓水平限制，最高電壓輸出只能到4.16KV，有些變頻器通過內(nèi)置變壓器升壓，可以提供6kV輸出，目前在進口產(chǎn)品中，沒有見到10kV的產(chǎn)品; 三電平電壓源型高壓變頻器主回路器件發(fā)生故障時，只能停機。無法實現(xiàn)“帶病”降額運行;高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 電動機電壓和電網(wǎng)電壓不等，不便于系統(tǒng)旁路(采用星/三角轉(zhuǎn)換方式的6kV電動

41、機必須重新改回星形連接); 主器件數(shù)較少，但輔助器件較多; 由于整流變壓器與變頻器的整流電路部分連線不多，整流變壓器可以獨立于變頻器而分開放置。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 三電平電壓源型高壓變頻器由于輸出電壓不高的問題，主要的應(yīng)用范圍為一些特種領(lǐng)域，如軋鋼機、輪船驅(qū)動、機車牽引、提升機等，這些領(lǐng)域的電動機都是特殊定制的，電壓可以不是標(biāo)準(zhǔn)電壓。三電平電壓源型高壓變頻器的更大發(fā)展有待于更高耐壓的功率器件的出現(xiàn)和現(xiàn)有產(chǎn)品可靠性的進一步提高。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器1.3.3 單元串聯(lián)多電平高壓變頻器 功率單元串聯(lián)多電平高壓變頻器的工作原理圖如圖1-25所示。此變頻器采用多個低壓的功率

42、單元串聯(lián)實現(xiàn)高壓輸出，輸入側(cè)的降壓變壓器采用移相方式,可有效消除對電網(wǎng)的諧波污染，輸出側(cè)采用多電平正弦PWM技術(shù)可適用于任何電壓的普通電動機。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 另外某個功率單元在出現(xiàn)故障時，可自動退出系統(tǒng).而其余的功率單元可繼續(xù)保持電動機的運行，減少停機時造成的損失。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，模塊出現(xiàn)故障時可迅速替換。由此可見，單元串聯(lián)多電平高壓變頻器的市場競爭力很強.高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 圖1-25 功率單元串聯(lián)多電平高壓變頻器工作原理圖高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器1.4 高壓變頻器的功用 高壓電動機利用高壓變頻器可以實現(xiàn)無級調(diào)速，滿足生產(chǎn)工藝過程對電動機調(diào)速控制的

43、要求，以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，又可大幅度節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染。同時，高壓變頻器還具有減少啟動電流的功能，能夠延長機組的使用壽命。因此。高壓變頻器在生產(chǎn)實際中,產(chǎn)生了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益,其功用表現(xiàn)為以下幾個方面。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 1.顯著的節(jié)能效益 2.優(yōu)化運行工藝 多臺傳送帶電動機，根據(jù)所生產(chǎn)的產(chǎn)品，通過調(diào)整傳送帶的速度來提高生產(chǎn)率。在傳送帶上應(yīng)用變頻工藝控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點: 提高生產(chǎn)率。 可利用現(xiàn)有設(shè)備、傳送帶上的齒輪電動機和傳送帶進行改動。 可用一臺變頻器來控制多數(shù)電動機的驅(qū)動，這些電動機均并接到一臺變頻器.通過變頻器的頻率設(shè)定可以保證多臺電動機的同

44、步運行。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 可調(diào)的運行速度。 可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限。 可逆運行控制。 減少機械傳動部件。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 3.提高生產(chǎn)效率和機組自動化水平 保證加工工藝中的最佳轉(zhuǎn)速 適應(yīng)負(fù)載不同工況的最佳轉(zhuǎn)速 設(shè)備的自動化程度提高 多臺電動機的統(tǒng)一控制 機械裝置的簡單化,標(biāo)準(zhǔn)化 運行可靠性的提高高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 4.改善控制品質(zhì) 高精度的準(zhǔn)確停車 平滑的加減速 高精度的轉(zhuǎn)速控制 5.延長設(shè)備使用壽命 控制電動機的啟動電流 可控的加速功能 受控的停止方式 平均轉(zhuǎn)速下降而使設(shè)備壽命延長高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器變壓變頻調(diào)速的基本控制方式變壓變頻調(diào)速的

45、基本控制方式 第第 2 章章高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 概概 述述 異步電機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論是高速還是低速時效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實現(xiàn)高動態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器2.1 變壓變頻調(diào)速的基本控制方式變壓變頻調(diào)速的基本控制方式 在進行電機調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁通量 m 為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電機。高壓大功率變頻

46、器高壓大功率變頻器 對于直流電機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a償， m 保持不變是很容易做到的。 在交流異步電機中，磁通 m 由定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就需要費一些周折了。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器定子每相電動勢mNs1g44. 4SkNfE （2-1） 式中：Eg 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢的有效值，單位為V； 定子頻率，單位為Hz； 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 基波繞組系數(shù)； 每極氣隙磁通量，單位為Wb。 f1NskNsm高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 由式（2-1）可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可達(dá)到控制磁通m 的目的，對此，需要考慮基頻（額

47、定頻率）以下和基頻以上兩種情況。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器1. 基頻以下調(diào)速 由式（2-1）可知，要保持 m 不變，當(dāng)頻率 f1 從額定值 f1N 向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低 Eg ，使 1gfE常值 （2-2） 即采用恒值電動勢頻率比的控制方式采用恒值電動勢頻率比的控制方式。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 恒壓頻比的控制方式 然而，繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，當(dāng)電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓 Us Eg，則得（2-3） 這是恒壓頻比的控制方式恒壓頻比的控制方式。常值1fUs高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 但是，在低頻時 Us 和 Eg 都

48、較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時，需要人為地把電壓 Us 抬高一些，以便近似地補償定子壓降近似地補償定子壓降。 帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性示于圖2-1中的 b 線，無補償?shù)目刂铺匦詣t為a 線。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器OUsf 1圖2-1 恒壓頻比控制特性 帶壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性UsNf 1Na 無補償無補償 b 帶定子壓降補償帶定子壓降補償 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器2. 基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時，頻率應(yīng)該從 f1N 向上升高，但定子電壓Us 卻不可能超過額定電壓UsN ，最多只能保持Us = UsN ，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，

49、相當(dāng)于直流電機弱磁升速的情況。 把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如圖2-2所示。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器f1N 變壓變頻控制特性圖2-2 異步電機變壓變頻調(diào)速的控制特性 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNmNm恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速mUsf1O高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 如果電機在不同轉(zhuǎn)速時所帶的負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值，即都能在允許溫升下長期運行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，按照電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定時轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)，而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。返回目錄返回目錄高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器2.2 異步電

50、動機電壓頻率協(xié)調(diào)控制時異步電動機電壓頻率協(xié)調(diào)控制時 的機械特性的機械特性本節(jié)提要本節(jié)提要 恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的機械恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的機械特性特性 基頻以下電壓基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性 基頻以上恒壓變頻時的機械特性基頻以上恒壓變頻時的機械特性 恒流正弦波供電時的機械特性恒流正弦波供電時的機械特性高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器2.2.1 恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的 機械特性機械特性 當(dāng)定子電壓 Us 和電源角頻率 w1 恒定時，異步電機在恒壓恒頻正弦波供電時的機械特性方程式 Te= f (s)可

51、以改寫成如下形式： 2rs2122rsr121spe)()(3llLLsRsRRsUnTwww（2-4） 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 特性分析當(dāng)s很小時，可忽略上式分母中含s各項，則（2-5） 也就是說，當(dāng)s很小時，轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機械特性 Te = f（s）是一段直線，見圖2-3。sRsUnTr121spe3ww高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 特性分析（續(xù)） 當(dāng) s 接近于1時，可忽略式（2-4）分母中的Rr ，則 sLLRsRUnTll1)(32rs212sr121spewww（2-6）即s接近于1時轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時， Te = f（s）是對稱于原點的一段雙曲線。高壓大

52、功率變頻器高壓大功率變頻器 機械特性 當(dāng) s 為以上兩段的中間數(shù)值時，機械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段，如圖所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax圖2-3 恒壓恒頻時異步電機的機械特性高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器2.2.2 基頻以下電壓基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時的頻率協(xié)調(diào)控制時的 機械特性機械特性 由式（2-4）機械特性方程式可以看出，對于同一組轉(zhuǎn)矩 Te 和轉(zhuǎn)速 n（或轉(zhuǎn)差率s）的要求，電壓 Us 和頻率 w1 可以有多種配合。 在 Us 和 w1 的不同配合下機械特性也是不一樣的，因此可以有不同方式的電壓頻率協(xié)調(diào)控制。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器1. 恒壓頻比控

53、制（ Us /w1 ） 在第1-1節(jié)中已經(jīng)指出，為了近似地保持氣隙磁通不變，以便充分利用電機鐵心，發(fā)揮電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，在基頻以下須采用恒壓頻比控制。這時，同步轉(zhuǎn)速自然要隨頻率變化。 p10260nnw（2-7） 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 在式（1-5）所表示的機械特性近似直線段上，可以導(dǎo)出 21sper13wwUnTRs（2-9） 帶負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降落為 1p0260wsnsnn（2-8） 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 由此可見，當(dāng) Us /w1 為恒值時，對于同一轉(zhuǎn)矩 Te ，sw1 是基本不變的，因而 n 也是基本不變的。這就是說，在恒壓頻比的條件下改變頻率 w1 時，機械特

54、性基本上是平行下移，如圖2-4所示。它們和直流他勵電機變壓調(diào)速時的情況基本相似。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后，轉(zhuǎn)速再降低，特性就折回來了。而且頻率越低時最大轉(zhuǎn)矩值越小。2rs21s1s21spmaxe)(123llLLRRUnTwww（2-10）高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 可見最大轉(zhuǎn)矩 Temax 是隨著的 w1 降低而減小的。頻率很低時，Temax太小將限制電機的帶載能力，采用定子壓降補償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣s，可以增強帶載能力，見圖2-4。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 機械特性曲線eTOnN0n03n02n01nN1w11w12w13w131

55、211N1wwww圖2-4 恒壓頻比控制時變頻調(diào)速的機械特性補 償 定 子 壓降后的特性高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器2. 恒 Eg /w w1 控制 下圖再次繪出異步電機的穩(wěn)態(tài)等效電路，圖中幾處感應(yīng)電動勢的意義如下： Eg 氣隙（或互感）磁通在定子每相繞組中 的感應(yīng)電動勢； Es 定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電 動勢； Er 轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢 （折合到定子邊）。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器圖2-5 異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動勢 Usw1RsLlsLlrLmRr /sIsI0Ir 異步電動機等效電路EgEsEr高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 特性分析 如果

56、在電壓頻率協(xié)調(diào)控制中，恰當(dāng)?shù)靥岣唠妷?Us 的數(shù)值，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持 Eg /w1 為恒值（基頻以下），則由式（2-1）可知，無論頻率高低，每極磁通 m 均為常值。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 特性分析（續(xù)）由等效電路可以看出 2r212rgrlLsREIw（2-11）代入電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式，得2 r2122 rr121gpr2r212r2g1pe33llLsRRsEnsRLsREnTwwwww（2-12） 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器特性分析（續(xù)） 利用與前相似的分析方法，當(dāng)s很小時，可忽略式（2-12）分母中含 s 項，則 sRsEnTr121gpe3ww（2-13）

57、 這表明機械特性的這一段近似為一條直線。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器特性分析（續(xù)） 當(dāng) s 接近于1時，可忽略式（2-12）分母中的 Rr2 項，則 sLsREnTl132 r1r21gpeww（2-14） s 值為上述兩段的中間值時，機械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡，整條特性與恒壓頻比特性相似。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 性能比較 但是，對比式（2-4）和式（2-12）可以看出，恒 Eg /w1 特性分母中含 s 項的參數(shù)要小于恒 Us /w1 特性中的同類項，也就是說， s 值要更大一些才能使該項占有顯著的份量，從而不能被忽略，因此恒 Eg /w1 特性的線性段范圍更寬。高壓大

58、功率變頻器高壓大功率變頻器性能比較（續(xù)） 將式（2-12）對 s 求導(dǎo)，并令 dTe / ds = 0，可得恒Eg /w1控制特性在最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率 r1rmlLRsw（2-15） 和最大轉(zhuǎn)矩r21gpmaxe123lLEnTw（2-16） 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器性能比較（續(xù)） 值得注意的是，在式（2-16）中，當(dāng)Eg /w1 為恒值時，Temax 恒定不變，如下圖所示，其穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒 Us /w1 控制的性能。 這正是恒 Eg /w1 控制中補償定子壓降所追求的目標(biāo)。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 機械特性曲線eTOnN0n03n02n01nN1w11w12w13w1312

59、11N1wwwwTemax圖2-6 恒 Eg /w1 控制時變頻調(diào)速的機械特性高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器3. 恒 Er /w w1 控制 如果把電壓頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓再進一步提高，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，得到恒 Er /w1 控制，那么，機械特性會怎樣呢？由此可寫出 sREI/rrr（2-17） 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得 r121rpr2r2r1pe33RsEnsRsREnTwww（2-18） 現(xiàn)在，不必再作任何近似就可知道，這時的機械特性完全是一條直線，見圖2-7。高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器0s10Te 幾種電壓頻率協(xié)調(diào)控制方式的特性比較圖

60、2-7 不同電壓頻率協(xié)調(diào)控制方式時的機械特性恒 Er /w1 控制恒 Eg /w1 控制恒 Us /w1 控制ab c高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器 顯然，恒 Er /w1 控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機一樣的線性機械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的性能。 高壓大功率變頻器高壓大功率變頻器4幾種協(xié)調(diào)控制方式的比較 綜上所述，在正弦波供電時，按不同規(guī)律實現(xiàn)電壓頻率協(xié)調(diào)控制可得不同類型的機械特性。 （1）恒壓頻比（ Us /w1 = Constant ）控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，但低速帶載能力有些差強人意，須對定子壓降實行