交流電動機變頻控制-crh2動車組電傳動

第二章、交流電調(diào)速第一節(jié)概述一、交流電

調(diào)速的優(yōu)越性交流調(diào)速的應用主要有三個方面：一般性能的節(jié)能調(diào)速高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速二、交流電 原理及結(jié)構(gòu)第二章、交流電調(diào)速第二節(jié)

交流電

控制基礎Us1RsLlsL’lrLmrR’

/sIsI0I’rEgEsErLlrLm、、第二章、交流電調(diào)速EgEsErRsrR'LlsLlrLmsU、1s圖中，為氣隙（或互感）磁通在定子每相繞組中的感應電動勢；為定子全磁通在定子每相繞組中的感應電動勢；為轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應電動勢折合到定子邊。、為定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；、為定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感；為定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即勵磁電感；為定子相電壓和供電角頻率；為轉(zhuǎn)差率。第二章、交流電調(diào)速2'lrsL22'rs11

ls

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r3nPT三、三相異步電的機械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風機類負載特性恒轉(zhuǎn)矩負載特性第二章、交流電調(diào)速2s

1lrlsR

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第四節(jié)三相異步電的調(diào)速第二章、交流電

調(diào)速一、變壓變頻調(diào)速控制基礎（一）變壓變頻的基本控制方式Eg

4.44

f1NskN

ΦmS1．基頻以下調(diào)速f1Eg常值恒壓頻比的控制方式

常值f1Us第二章、交流電 調(diào)速U和s

Eg

都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，sU抬高一些，以近但是，在低頻時不再能忽略。這時，需要人為地把電壓Of

1似地補償定子壓降。Us

UsNb

—帶定子壓降補償a

—無補償f

1N第二章、交流電

調(diào)速2．基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時，頻率應該從向上升高，但定子電壓卻不可能超過額定電壓，最多只能保持，這將迫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。把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起f1N恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNΦmNΦm恒功率調(diào)速OΦmUsf1O第二章、交流電調(diào)速smTe0

1n

sn0

0TeTemaxTemax圖2-8

恒壓恒頻時異步電的機械特性第二章、交流電調(diào)速TeOnn0N03nn02n011N11

12

131N131211Temax圖2-10

恒Eg/1控制時變頻調(diào)速的機械特性第二章、交流電調(diào)速s010Te恒Er

/1控制恒Eg

/1控制恒Us

/1控制abc圖2-11

不壓頻率協(xié)調(diào)控制方式時的機械特性第二章、交流電調(diào)速Eg

1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

1＝恒值）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，但低速帶載能力有限，須對定子壓降實行補償。②恒Eg

1控制是通常對恒壓頻比控制實行電壓補償?shù)臉藴剩梢栽诜€(wěn)態(tài)時達到為恒值，從而改善了低速性能。線性調(diào)節(jié)范圍比恒壓頻比寬，為恒值時，恒定不變，穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒

Us

1，但機械特性還是非線性的，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電機一樣的線性機械特性，比較理想。按照轉(zhuǎn)子全磁通恒定進行控制，即得＝恒值，在動態(tài)中也盡可能保持恒定是矢量控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的目標，當然實現(xiàn)起來是比較復雜的。第二章、交流電

調(diào)速恒功率調(diào)速TeOn0Nn0cnn0b0an1a1N1c1b1N

<

1a

<1b

<1c圖2-12

基頻以上恒壓變頻調(diào)速時的機械特性3．基頻以上恒壓變頻時的機械特性第二章、交流電

調(diào)速二、轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比交流調(diào)速系統(tǒng)－通用變頻器tuf斜坡函數(shù)U/f

曲線脈沖發(fā)生器tff

*ufu工作頻率設定升降速時間設定電壓補償設定驅(qū)動電路產(chǎn)生通用變頻器是根據(jù)異步電 穩(wěn)態(tài)模型來涉及其控制系統(tǒng)，為了實現(xiàn)電壓－頻率協(xié)調(diào)控制，它采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補償?shù)目刂品桨浮Ｖ饕梢詰迷诤屯ㄓ玫幕\型異步電機配套使用，同時具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質(zhì)的負載。近年來自動控制功能的變頻器質(zhì)量不斷提高。第二章、交流電

調(diào)速三、轉(zhuǎn)差頻率控制的交流調(diào)速系統(tǒng)UsIsFBS電壓型逆變器M3

~ASRs

1

1UsasbU

scU

第二章、交流電

調(diào)速四、矢量控制的交流調(diào)速系統(tǒng)i

it1等效直流3/2

i

VR

im1

電機模型異步電3/2VR等效直流電機模型ABCiAiBiCit1im1ii異步電第二章、交流電調(diào)速控制器VR-12/3電流控制變頻器3/2VR等效直流電機模型控制器VR-1電流控制變頻器VR等效直流電機模型+i*m1i*t11i*1i*

2/31i*Ai*Bi*CiAiBiCi13/2

iβ1im1it1~反饋信號異步電給定信號圖2-18矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖第二章、交流電調(diào)速2/3旋轉(zhuǎn)變換VR速度調(diào)節(jié)器控制器向量分析VA積分函數(shù)發(fā)生器磁鏈觀測器ACDCDCAC速度傳感器電流傳感器ω1sω

*ωrrω

*-+iCiBiAAi

*iB*iC*T*

sin

cos

iT1*iP1*iQ1*iM1*圖2-19

電流和轉(zhuǎn)速閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)第三章、交流技術基礎變流器就是將一種直流或交流電變?yōu)榱硪环N直流或交流電的供電設備?？梢哉f變流器是各種變流裝置的總稱。在電力電子變換裝置中，通常意義上的變流器包括從電源側(cè)至電力變換裝置輸出側(cè)的所有環(huán)節(jié)，例如對一個交一直一交電力傳動系統(tǒng)，變流器將包括從整流器，中間直流環(huán)節(jié)，到逆變器及其控制系統(tǒng)。值得特別說明的是，在許多場合下，同一個電力變換電路既可以作整流電路，又能作逆變電路，所以 也稱這樣的電力變換裝置為變流器。換言之，整流和逆變，交流和直流在變流器中是互相聯(lián)系的，并在一定條件下可互相轉(zhuǎn)化。第三章、交流技術基礎根據(jù)變流系統(tǒng)中直流環(huán)節(jié)性質(zhì)的不同可分為兩種類型.圖3-1

電流型異步電機傳動系統(tǒng)圖3-2

電壓型異步電機傳動系統(tǒng)第三章、交流技術基礎電力半導體器件在應用中一般均要設計吸收電路，以控制開關過程中電壓及電流的軌跡，抑制電壓、電流的變化率，降低開關損耗。設計吸收電路一般依據(jù)下述原則：1減少開關過程中電壓、電流的大小及變化率；2保證器件工作在安全區(qū)內(nèi)；3減少器件開關損耗和系統(tǒng)總損耗；4改善器件的過載和短路能力。對于新型器件，諸如

，IPM，由于對di/dt，du/dt耐受能力增強，通過合理地設計驅(qū)動電路可以簡化吸收回路，甚至可以取消吸收回路。第三章、交流技術基礎第二節(jié)電力電子器件基礎—晶閘管表3-1、可控硅導通和關斷條件狀態(tài)條件說明從關斷到導通1、陽極電位高于是陰極電位。2、控制極有足夠的正向電壓和電流。兩者維持導通1、陽極電位高于陰極電位。2、陽極電流大于維持電流兩者從導通到關斷1、陽極電位低于陰極電位。2、陽極電流小于維持電流任一條件即可第三章、交流技術基礎第三章、交流技術基礎二、門極可關斷晶閘管（GTO）門極關斷晶閘管也具有單向?qū)щ娞匦?，即當其陽極A、陰極K兩端為正向電壓，在門極G上加正的觸發(fā)電壓時，晶閘管將導通，導通方向A→K。在門極關斷晶閘管導通狀態(tài)，若在其門極G上加一個適當有負電壓，則能使導通的晶閘管關斷第三章、交流技術基礎近年來，GTO元件的性能不斷提高，可關斷電流達

4000A，阻斷電壓達6000V以上，開關速度也有所提高。一個由ABB公司生產(chǎn)的三相逆變器GTO模塊，采用6個GTO元件，容量可達4000kVA，單位重量容量可以達

10kVA/kg，目前，最大的4軸交流傳動電力機車，功率超過7000kW。GTO元件在應用中也存在不足，由于它增益比較小，關斷2000A～3000A電流，需要高達700-800A的門極電

流，這對門極驅(qū)動裝置的要求很高。另外，GTO元件在高電壓下導通，大電流下關斷，電流、電壓變化率及應力很大，需要設置性能良好的吸收電路，這就增加了開關損耗，降低了效率，并對冷卻系統(tǒng)提出更高要求第三章、交流技術基礎三、絕緣柵雙極晶體管（/IPM）是雙極型晶體管（BJT）絕緣柵雙極型晶體管和MOSFET的復合器件，其將BJT的電導調(diào)制效應引入到VDMOS的高阻漂移區(qū)，大大改善了器件的導通性，同時它還具有MOSFET的柵極高輸入阻抗，為電壓驅(qū)動器件。開通和關斷時均具有較寬的 區(qū)，所能應用的范圍基本上替代了傳統(tǒng)的晶閘管（SCR）、可關斷晶閘管（GTO）、晶體管（BJT）等器件,與其他電力電子器件相比， 具有高可靠性、驅(qū)動簡單、保護容易、不用緩沖電路和開關頻率高等特點。的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給

PNP晶體管提供基極電流，使

導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使 關斷。的驅(qū)動方法和MOSFET

基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET

，所以具有高輸入阻抗特性。第三章、交流技術基礎表3-2GTO與/IPM基本性能較GTO元件/IPM元件電壓4500V(＞6000V)3300V(＞4000V)電流3000A-4000A(可關斷電流)1200A開關頻率ca.500Hz5kHz開關損耗大小通態(tài)損耗小大吸收回路損耗大小驅(qū)動功率大(電流控制型)小(電壓控制型)di/dt,du/dt限制嚴格(需加陽極電抗器)不嚴(無需陽極電抗器)保護功能外設完善的自我保護第三章、交流技術基礎需要

的是，開關頻率的提高，帶來了很多好處，例如，

調(diào)制頻率提高，在電機側(cè)，可使得電機電流的高次諧波減少，使電機的損耗，噪聲下降；在電網(wǎng)側(cè)，可降低電網(wǎng)電流的諧波，減小等效干擾電流，減少變壓器的損耗和噪聲。第三章、交流技術基礎模塊的使用應特別注意以下幾方面的問題。1.防靜電對策的VGE保證值為±20V，在上加上超出保證值的電壓有損壞的模塊，因而在柵極－發(fā)射極之間接一只10kQ左右的電阻器為宜。2.驅(qū)動電路設計嚴格地說，能否充分利用關鍵取決于驅(qū)動電路的設計。器件的性能，驅(qū)動電路必須能提供適當?shù)恼驏艍?、足夠的反向柵壓、足能?以及具有柵壓限幅電路夠的輸入輸出電等。第三章、交流技術基礎保護電路的設計模塊因過電流、過電壓等異?，F(xiàn)象有可能損壞。因此，必須在對器件的特性充分了解的情況下，設計出與器件特性相匹配的過電壓、過電流、過熱等保護電路。散熱設計取決于模塊所允許的最高結(jié)溫（Tj）,在該溫度下，首先要計算出器件產(chǎn)生的損耗，該損耗使結(jié)溫升至允許值以下來選擇散熱片。在散熱設計不充分的場合，實際運行在中等水平時，也有可能超過器件允許溫度而導致器件損壞。柵極串聯(lián)電阻（Rc）對

來說，增大柵極電阻能夠減少

開通時續(xù)流二極管的反向恢復過電壓，減少通態(tài)下出現(xiàn)短路的沖擊電流值；與此同時，增大柵極電阻的結(jié)果將使開通關斷損耗增加，延長開通和關斷時間。因此最好的辦法是配置兩個串聯(lián)電阻器，即RG（on）和RG（off），在實際設計時應考慮具體的應用要求。如在高壓二極管的情況下，恢復時間趨長，RG（on）應比產(chǎn)品的值大2倍～4倍。第三章、交流技術基礎IPM(In ligentPowerModule—智能功率模塊)元件是在

模塊中集成了驅(qū)動和保護電路而派生出來的，其結(jié)構(gòu)如圖3-18所示。IPM的觸發(fā)信號可和TTL電平兼容，它本身具有短路、過流、過熱及電流實時控制等完善的保護功能，更有利于應用。目前，新干線E2系高速動車的牽引變流器即采用IPM元件。第三章、交流技術基礎第二節(jié)、整流技術基礎一、典型整流電路（一）半波不可控整流電路圖3-26半波整流電路第三章、交流技術基礎圖3-27半波整流波形第三章、交流技術基礎（二）單相半波可控整流電路圖3-28

單相半波可控整流第三章、交流技術基礎3、單相半波可控整流（1）電阻性負載（見圖3-30）電阻性負載，id波形與ud波形相似?？煽毓鑄承受的正向電壓隨控制角α而變化，但它承受的反向電壓總是負半波電壓，負半波電壓的最大值為U2。線路簡單，多用在要求不高的電阻負載的場合。第三章、交流技術基礎（2）感性負載（不帶續(xù)流二極管，見圖3-30）：第三章、交流技術基礎（3）感性負載（帶續(xù)流二極管，見圖3-31）圖3-31、電感性負載有續(xù)流第三章、交流技術基礎(三)、全波整流電路圖3-32全波整流電路圖3-33

半波整流波形第三章、交流技術基礎(四)、單相橋式半控整流電路圖3-34、單相橋式半控整流第三章、交流技術基礎整流器的基礎是電力電子器件，其與普通整流器和相控整流器的不同之處是其中用到了全控型器件，器件性能的好壞決定了

整流器的性能。優(yōu)質(zhì)的電力電子器件必須具有如下特點：(1)能夠控制通斷，確保在必要時可靠導通或截止；（2）能夠承受一定的電壓和電流，阻斷狀態(tài)時能承受一定電壓，導通時勻許通過一定的電流；（3）具有較高的開關頻率，在開關狀態(tài)轉(zhuǎn)換時具有足夠短的導通時間和關斷時間，并能承受高的di/dt和dv/dt。(五)整流電路第三章、交流技術基礎圖3.36

整流器主電路圖3-36(a)和(b)即為單相和三相電壓型整流電路，通過對它的適當控制，可使輸入電流非常接近正弦波，且電流和電壓同相位，功率因數(shù)近似為1。圖

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紋波和平衡直流輸入與輸出能量的作用。第三章、交流技術基礎a)負載b)usLsisRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+++udusL

Rs

sV1V2VD1VD2ud負載C1C2單相半橋單相全橋圖3.37單相整流電路第三章、交流技術基礎圖3.38整流器交流側(cè)等效電路和相量圖第三章、交流技術基礎2.三相多開關

整流電路六開關Boost型：也可稱為兩電平電壓型整流器或三相橋式可逆 整流器。電路如圖3-42所示，每個橋臂上的可關斷開關管都帶有反并聯(lián)二極管，可以實現(xiàn)能量的雙向流動，每只開關管的導通作用，一般都是使交流側(cè)濾波電感L蓄積磁能，而在開關管關斷時，迫使電感產(chǎn)生較高的電壓Ldi/dt，通過另一橋臂的續(xù)流二極管向直流側(cè)

磁能。因此，從廣義上講，這種橋式仍屬于升壓式結(jié)構(gòu)。六開關Boost型可逆整流器拓撲，整流器的特點是結(jié)構(gòu)簡單且宜于實現(xiàn)有源逆變，因而是目前應用和研究最為活躍的一種類型，也是多開關 整流電路中應用最為廣泛的一種第三章、交流技術基礎圖3-42三相多開關Boost型第三章、交流技術基礎六開關Buck型：也可稱為兩電平電流型整流器，電路如圖3-43所示，直流側(cè)電抗器一般要求很大。由于電流型變換器的特點，交流側(cè)輸入LC濾波器通常是必不可少的，以改善電流波形和功率因數(shù)。這種電路拓樸較適合于空間矢量調(diào)制，且有降壓作用。其缺點是由于直流側(cè)大電感內(nèi)阻較大，消耗功率較大導致其效率略低于六開關Boost型。第三章、交流技術基礎圖3-43三相多開關Buck型第三章、交流技術基礎3三電平在大功率整流電路變流裝置中，常采用拓樸結(jié)構(gòu)