第六章交流異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

1、第六第六章章 交流異步電動(dòng)機(jī)交流異步電動(dòng)機(jī) 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.1 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(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)重要因素是：希望保持電機(jī)中每極磁通量 m 為額定值不變。如果磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過(guò)分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對(duì)電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償， m 保持不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通 m 由定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就需要費(fèi)一些周折了。 定子每相電動(dòng)勢(shì)定子每相電動(dòng)勢(shì)mNs1g44. 4SkNf

2、E （6-1） 式中：Eg 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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。 f1Ns kNsm1. 基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速 由式（6-1）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(shí)，必須同時(shí)降低 Eg ，使 1gfE常值 （6-2） 即采用恒值電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式采用恒值電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。 恒壓頻比的控制方式恒壓頻比的控制方式 然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓 U1 Eg，則得（6-3）

3、這是恒壓頻比的控制方式恒壓頻比的控制方式。常值11fU 但是，在低頻時(shí) U1 和 Eg 都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時(shí)，需要人為地把電壓 U1 抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降近似地補(bǔ)償定子壓降。 帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性示于下圖中的 b 線，無(wú)補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a 線。 OUsf 1圖6-1 恒壓頻比控制特性 帶壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性帶壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性UsNf 1Na a 無(wú)補(bǔ)償無(wú)補(bǔ)償 b b 帶定子壓降補(bǔ)償帶定子壓降補(bǔ)償 2. 基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率應(yīng)該從 f1N 向上升高，但定子電壓U1 卻不可能超過(guò)額定電壓U1

4、N ，最多只能保持U1 = U1N ，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)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，如下圖所示。 f1N 變壓變頻控制特性變壓變頻控制特性圖6-2 異步電機(jī)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UsU1NmNm恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速mU1f1O6.2.1 恒壓恒恒壓恒頻控制異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械頻控制異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性特性 當(dāng)定子電壓 U1 和電源角頻率 1 恒定時(shí)，可以將5-1式改寫成如下形式： 22121222121211pe)()(3llLLsRsRRsUnT（6-4） 6.2 異步電動(dòng)機(jī)電壓和頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)異步電動(dòng)機(jī)電壓

5、和頻率協(xié)調(diào)控制時(shí) 的機(jī)械特性的機(jī)械特性 特性分析特性分析當(dāng)s很小時(shí)，可忽略上式分母中含s各項(xiàng)，則（6-5） 也就是說(shuō)，當(dāng)s很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性 Te = f（s）是一段直線，見(jiàn)圖6-3。sRsUnT21211pe3 特性分析（續(xù)）特性分析（續(xù)） 當(dāng) s 接近于1時(shí)，可忽略式（6-4）分母中的R2 ，則 sLLRsRUnTll1)(3221212121211pe（6-6） 即s接近于1時(shí)轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時(shí)， Te = f（s）是對(duì)稱于原點(diǎn)的一段雙曲線。恒壓恒頻時(shí)異步電機(jī)的機(jī)械特性恒壓恒頻時(shí)異步電機(jī)的機(jī)械特性 當(dāng) s 為以上兩段的中間數(shù)值時(shí)，機(jī)械特性從直線段逐漸過(guò)渡到雙曲線段

6、，如右圖所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax圖6-3 恒壓恒頻時(shí)異步電機(jī)的機(jī)械特性6.2.2 基頻以下電壓基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的 機(jī)械特性機(jī)械特性 由式（6-4）機(jī)械特性方程式可以看出，對(duì)于同一組轉(zhuǎn)矩 Te 和轉(zhuǎn)速 n（或轉(zhuǎn)差率s）的要求，電壓 U1 和頻率 1 可以有多種配合。 在 U1 和 1 的不同配合下機(jī)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。 1. 恒壓頻比控制（恒壓頻比控制（ U1 / 1 ） 在第6-1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(jī)鐵心，發(fā)揮電機(jī)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(shí)

7、，同步轉(zhuǎn)速自然要隨頻率變化。 p10260nn（6-7） 在式（6-5）所表示的機(jī)械特性近似直線段上，可以導(dǎo)出 211pe213UnTRs（6-9） 帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為 1p0260snsnn（6-8） 由此可見(jiàn)，當(dāng) U1 /1 為恒值時(shí)，對(duì)于同一轉(zhuǎn)矩 Te ，s1 是基本不變的，因而 n 也是基本不變的。這就是說(shuō)，在恒壓頻比的條件下改變頻率 1 時(shí)，機(jī)械特性基本上是平行下移，如圖6-4所示。它們和直流他勵(lì)電機(jī)變壓調(diào)速時(shí)的情況基本相似。 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(lái)了。而且頻率越低時(shí)最大轉(zhuǎn)矩值越小，可參看第5章式（5-5），對(duì)式（5-5）稍加整理后可得 2rs

8、21s1s21spmaxe)(123llLLRRUnT（6-10） 可見(jiàn)最大轉(zhuǎn)矩 Temax 是隨著的 1 降低而減小的。頻率很低時(shí)，Temax太小將限制電機(jī)的帶載能力，采用定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣1，可以增強(qiáng)帶載能力，見(jiàn)圖6-4。 恒壓頻比控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性恒壓頻比控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1圖6-4 恒壓頻比控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性補(bǔ)償定子壓降后的特性2. 恒恒 EG / 1 控制控制 圖6-5再次繪出異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路，圖中幾處感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)； Es

9、 定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì)； Er 在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) （折合到定轉(zhuǎn)子全磁通子邊）。 圖6-5 異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) U11R1Ll1Ll2LmR2 /sI1I0I2 異步電動(dòng)機(jī)等效電路異步電動(dòng)機(jī)等效電路EgEsEr 特性分析特性分析 如果在電壓頻率協(xié)調(diào)控制中，恰當(dāng)?shù)靥岣唠妷?U1 的數(shù)值，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持 Eg /1 為恒值（基頻以下），則由式（6-1）可知，無(wú)論頻率高低，每極磁通 m 均為常值。l 特性分析（續(xù)）特性分析（續(xù)）由等效電路可以看出 222122g2lLsREI（6-11）代入電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式，得2 22122 22121gp

10、22221222g1pe33llLsRRsEnsRLsREnT（6-12） 利用與前相似的分析方法，當(dāng)s很小時(shí)，可忽略式（6-12）分母中含 s 項(xiàng)，則 sRsEnTr121gpe3（6-13） 這表明機(jī)械特性的這一段近似為一條直線。l 特性分析（續(xù)）特性分析（續(xù)） 當(dāng) s 接近于1時(shí)，可忽略式（6-12）分母中的 R22 項(xiàng)，則 sLsREnTl132 21221gpe（6-14） s 值為上述兩段的中間值時(shí)，機(jī)械特性在直線和雙曲線之間逐漸過(guò)渡，整條特性與恒壓頻比特性相似。l 特性分析（續(xù)）特性分析（續(xù)） 性能性能比較（續(xù)）比較（續(xù)） 但是，對(duì)比式（6-4）和式（6-12）可以看出，恒 Eg

11、 /1 特性分母中含 s 項(xiàng)的參數(shù)要小于恒 U1 /1 特性中的同類項(xiàng)，也就是說(shuō)， s 值要更大一些才能使該項(xiàng)占有顯著的份量，從而不能被忽略，因此恒 Eg /1 特性的線性段范圍更寬。 將式（6-12）對(duì) s 求導(dǎo)，并令 dTe / ds = 0，可得恒Eg /1控制特性在最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率 212mlLRs（6-15） 和最大轉(zhuǎn)矩221gpmaxe123lLEnT（6-16） 性能比較（續(xù)）性能比較（續(xù)） 值得注意的是，在式（6-16）中，當(dāng)Eg /1 為恒值時(shí)，Temax 恒定不變，如下圖所示，其穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒 U1 /1 控制的性能。 這正是恒 Eg /1 控制中補(bǔ)償定子壓降所追求的目標(biāo)

12、。 性能比較（續(xù)）性能比較（續(xù)） 機(jī)械特性曲線機(jī)械特性曲線eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1Temax圖6-6 恒 Eg /1 控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性3. 恒恒 ER / 1 控制控制 如果把電壓頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓再進(jìn)一步提高，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，得到恒 Er /1 控制，那么，機(jī)械特性會(huì)怎樣呢？由此可寫出 sREI/2r2（6-17） 代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得 2121rp2222r1pe33RsEnsRsREnT（6-18） 現(xiàn)在，不必再作任何近似就可知道，這時(shí)的機(jī)械特性完全是一條直線，見(jiàn)圖6-7。0s10Te 幾種電壓頻率協(xié)調(diào)控制方式的特性比較

13、幾種電壓頻率協(xié)調(diào)控制方式的特性比較圖6-7 不同電壓頻率協(xié)調(diào)控制方式時(shí)的機(jī)械特性恒 Er /1 控制恒 Eg /1 控制恒 U1 /1 控制ab c 顯然，恒 Er /1 控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的性能。 現(xiàn)在的問(wèn)題是，怎樣控制變頻裝置的電壓和頻率才能獲得恒定的 Er /1 呢？ 按照式（6-1）電動(dòng)勢(shì)和磁通的關(guān)系，可以看出，當(dāng)頻率恒定時(shí)，電動(dòng)勢(shì)與磁通成正比。在式（6-1）中，氣隙磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) Eg 對(duì)應(yīng)于氣隙磁通幅值 m ，那么，轉(zhuǎn)子全磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) Er 就應(yīng)該對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子全磁通幅值 rm ：rmNs1r44. 4skNf

14、E （6-19） 由此可見(jiàn)，只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值 rm = Constant 進(jìn) 行控制，就可以獲得恒 Er /1 了。4幾種協(xié)調(diào)控制方式的比較幾種協(xié)調(diào)控制方式的比較 綜上所述，在正弦波供電時(shí)，按不同規(guī)律實(shí)現(xiàn)電壓頻率協(xié)調(diào)控制可得不同類型的機(jī)械特性。 （1）恒壓頻比（ Us /1 = Constant ）控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)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(qiáng)人意，須對(duì)定子壓降實(shí)行補(bǔ)償。 （2）恒Eg /1 控制是通常對(duì)恒壓頻比控制實(shí)行電壓補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，可以在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到rm = Constant，從而改善了低速性能。但機(jī)械特性還是非線性的，

15、產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制。 （3）恒 Er /1 控制可以得到和直流他勵(lì)電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，按照轉(zhuǎn)子全磁通 rm 恒定進(jìn)行控制，即得 Er /1 = Constant 而且，在動(dòng)態(tài)中也盡可能保持 rm 恒定是矢量控制系統(tǒng)的目標(biāo)，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)起來(lái)是比較復(fù)雜的。6.2.3 基頻以上恒壓變頻時(shí)的機(jī)械特性基頻以上恒壓變頻時(shí)的機(jī)械特性l 性能分析性能分析 在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，由于定子電壓 U1= U1N 不變，式（6-4）的機(jī)械特性方程式可寫成 2212122211221Npe)()(3llLLsRsRsRUnT（6-20） 而式（6-10）的最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可改寫成（6-21） 同步轉(zhuǎn)速的表達(dá)式仍和式

16、（6-7）一樣。2212121121Npmaxe)(1123llLLRRUnTl 性能分析性能分析 （續(xù)）（續(xù)）基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機(jī)械基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機(jī)械特性曲線特性曲線恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速eTOnN0nc0nb0na0nN1a1b1c1c1b1a1N1 由此可見(jiàn)，當(dāng)角頻率提高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移，而形狀基本不變，如圖所示。圖6-8 基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機(jī)械特性 由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢(shì)必減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小，但轉(zhuǎn)速升高了，可以認(rèn)為輸出功率基本不變。所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。 最后，應(yīng)該指出，以上所分析的機(jī)械特性都是在正弦波電壓供

17、電下的情況。如果電壓源含有諧波，將使機(jī)械特性受到扭曲，并增加電機(jī)中的損耗。因此在設(shè)計(jì)變頻裝置時(shí)，應(yīng)盡量減少輸出電壓中的諧波。 *6.3 電力電子變壓變頻器的主要類型電力電子變壓變頻器的主要類型本節(jié)提要本節(jié)提要交交-直直-交和交交和交-交變壓變頻器交變壓變頻器電壓源型和電流源型逆變器電壓源型和電流源型逆變器180導(dǎo)通型和導(dǎo)通型和120導(dǎo)通型逆變器導(dǎo)通型逆變器 引引 言言 如前所述，對(duì)于異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速，必須具備能夠同時(shí)控制電壓幅值和頻率的交流電源，而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻的電源，因此應(yīng)該配置變壓變頻器，又稱VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）裝置

18、。 最早的VVVF裝置是旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組，即由直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)交流同步發(fā)電機(jī)，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就能控制交流發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率。自從電力電子器件獲得廣泛應(yīng)用以后，旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組已經(jīng)無(wú)例外地讓位給靜止式的變壓變頻器了。 *6.3.1 交交-直直-交和交交和交-交變壓變頻器交變壓變頻器 從整體結(jié)構(gòu)上看，電力電子變壓變頻器可分為交交-直直-交交和交交-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(guò)整流器變換成直流，再通過(guò)逆變器變換成可控頻率和電壓的交流，如下圖所示。 交交-直直-交變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)交變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)圖6-9 交-直-交（間接）變壓變頻

19、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 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(gè)“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(jiǎn)稱PWM變壓變頻器，如下圖所示。 交交-直直-交交PWM變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)圖6-10 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

20、變器DCACAC50Hz調(diào)壓調(diào)頻調(diào)壓調(diào)頻C 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(diǎn)： （1）在主電路整流和逆變兩個(gè)單元中，只有逆變單元可控，通過(guò)它同時(shí)調(diào)節(jié)電壓和頻率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。采用全控型的功率開關(guān)器件，只通過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖進(jìn)行控制，電路也簡(jiǎn)單，效率高。 （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(jī)運(yùn)行的低次諧波受到很大的抑制，因而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。 （3）逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻，動(dòng)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(dòng)態(tài)性能也得以提高。 （4）采用不可控的二極管整流器，電源

21、側(cè)功率因素較高，且不受逆變輸出電壓大小的影響。 2. 交交-交變壓變頻器交變壓變頻器 交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，它只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，把恒壓恒頻（CVCF）的交流電源直接變換成VVVF輸出，因此又稱直接式變壓變頻器。 有時(shí)為了突出其變頻功能，也稱作周波變換器（Cycloconveter）。 交交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)圖6-11 交-交（直接）變壓變頻器交交變頻交交變頻AC50HzACCVCFVVVF 常用的交-交變壓變頻器輸出的每一相都是一個(gè)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(shuō)，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（下圖）。

22、交交-交變壓變頻器的基本電路結(jié)構(gòu)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圖6-12 交-交變壓變頻器每一相的可逆線路交交-交變壓變頻器的控制方式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，如下圖6-13 所示。圖6-13 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控制控制方式方式（續(xù)）

23、（續(xù)） 調(diào)制控制方式調(diào)制控制方式 要獲得正弦波輸出，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(gè)周期中，使控制角 由/2（對(duì)應(yīng)于平均電壓 u0 = 0）逐漸減小到 0（對(duì)應(yīng)于 u0 最大），然后再逐漸增加到 /2（ u0 再變?yōu)?），如下圖所示。2AO t 0 2 BCDEFu0圖6-14 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 當(dāng)角按正弦規(guī)律變化時(shí)，半周中的平均輸出電壓即為圖中虛線所示的正弦波。對(duì)反向組負(fù)半周的控制也是這樣。 單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形1OO23456圖4-20uoiott 三相交交變頻電

24、路三相交交變頻電路 三相交交變頻電路可以由3個(gè)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6個(gè)晶閘管（當(dāng)每一橋臂都是單管時(shí)），則三相可逆線路共需36個(gè)晶閘管，即使采用零式電路也須18個(gè)晶閘管。 三相交交變頻器的基本結(jié)構(gòu)三相交交變頻器的基本結(jié)構(gòu) 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路三相橋式三相橋式交交變頻電路交交變頻電路 因此，這樣的交-交變壓變頻器雖然在結(jié)構(gòu)上只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，省去了中間直流環(huán)節(jié)，看似簡(jiǎn)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(guò)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，

25、目前國(guó)內(nèi)有些企業(yè)已有可靠的產(chǎn)品。 這類交-交變頻器的其他缺點(diǎn)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。其最高輸出頻率不超過(guò)電網(wǎng)頻率的 1/3 1/2，一般主要用于軋機(jī)主傳動(dòng)、球磨機(jī)、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(jī)直接傳動(dòng)時(shí)，可以省去龐大的齒輪減速箱。 近年來(lái)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(dòng)，以獲得四象限運(yùn)行，但當(dāng)輸出電壓必須為正弦波時(shí)，最大輸出輸入電壓比只有0.866。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

26、的。 *6.3.2 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電壓源型型和電流源型電流源型兩類，兩種類型的實(shí)際區(qū)別在于直實(shí)際區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾波器流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾波器。下圖繪出了電壓源型和電流源型逆變器的示意圖。 兩種類型逆變器結(jié)構(gòu)兩種類型逆變器結(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6-15 電壓源型和電流源型逆變器示意圖電壓源型逆變器電壓源型逆變器（Voltage Source Inverter -VSI ），直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，因而直流電壓波形比

27、較平直，在理想情況下是一個(gè)內(nèi)阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，有時(shí)簡(jiǎn)稱電壓型逆變器。電流源型逆變器電流源型逆變器（Current Source Inverter- CSI），直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，直流電流波形比較平直，相當(dāng)于一個(gè)恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，或簡(jiǎn)稱電流型逆變器。 性能比較性能比較 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(lái)了明顯的差異，主要表現(xiàn)如下： （1）無(wú)功能量的緩沖）無(wú)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(jī)，屬感性負(fù)載。在中間直流環(huán)節(jié)與負(fù)載電機(jī)之間，除了有功功率的傳送外，還存在無(wú)功功率的交換。濾波器除濾波外還起著對(duì)無(wú)功功率

28、的緩沖作用，使它不致影響到交流電網(wǎng)。 因此，兩類逆變器的區(qū)別還表現(xiàn)在采用什么儲(chǔ)能元件（電容器或電感器）來(lái)緩沖無(wú)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(jī)供電的電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)有一個(gè)顯著特征，就是容易實(shí)現(xiàn)能量的回饋，從而便于四象限運(yùn)行，適用于需要回饋制動(dòng)和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。 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(shuō)明電動(dòng)運(yùn)行和回饋制動(dòng)兩種狀態(tài)。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(yùn)行狀態(tài)M3+-UdIdLdCSI 電動(dòng)Te 逆變UCRa）電動(dòng)運(yùn)行 電動(dòng)運(yùn)行

29、狀態(tài)電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)P 當(dāng)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，UCR的控制角 ，電動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)速運(yùn)行，電功率的傳送方向如上圖a所示。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(yùn)行狀態(tài)M3+-UdIdLdCSI 90o有源逆變1 發(fā)電Te整流UCRb）逆變運(yùn)行逆變運(yùn)行狀態(tài)逆變運(yùn)行狀態(tài)P如果降低變壓變頻器的輸出頻率 1，或從機(jī)械上抬高電機(jī)轉(zhuǎn)速 ，使 1 90 ，則異步電機(jī)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(shí)直流電壓Ud 立即反向，而電流 Id 方向不變，電能由電機(jī)回饋給交流電網(wǎng)（圖b）。 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(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)和四象限運(yùn)行卻很困難，因?yàn)槠渲虚g

30、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(wú)法實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。 必須制動(dòng)時(shí)，只得在直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)，或者與UCR反并聯(lián)一組反向的可控整流器，用以通過(guò)反向的制動(dòng)電流，而保持電壓極性不變，實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。這樣做，設(shè)備要復(fù)雜多了。 性能比較（續(xù)）性能比較（續(xù)） （3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)）動(dòng)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)的直流電壓可以迅速改變，所以動(dòng)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(dòng)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(jiàn)下表）。 性能比較（續(xù)）性能比較（續(xù)）表6-1 兩種逆變器輸出波形比較性能比較（續(xù)）性能比較（續(xù)） （4）應(yīng)用場(chǎng)合）應(yīng)用場(chǎng)合 電壓源型逆變器屬恒壓源，電壓控制響應(yīng)慢，不易波動(dòng)，所以適于做多臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)行時(shí)的供電電源，或單臺(tái)電機(jī)調(diào)速但不要求快速起制動(dòng)和快速減速的場(chǎng)合。采用電流源型逆變器的系統(tǒng)則相反，不適用于多電機(jī)