異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)

異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)廣師?第1頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?第七章異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)（VVVF系統(tǒng)）

§7-1變頻調(diào)查的基本控制方式 三相異步電機(jī)定子第相電動(dòng)勢(shì)的有效值是：式中

Eg——?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電罷勢(shì)有效值，單位為V；

f1——定子頻率，單位為HN；

N1——定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

kN1——基波繞組系數(shù)；

Φm——每極氣極隙磁通量，單位為Wb。 只要控制好Eg和f1，便可達(dá)到控制磁通Φm的目的。第2頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?

一、基頻以下調(diào)速 要保持Φm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)降代Eg，使即采用恒定的電動(dòng)勢(shì)頻率的控制方式。

二、基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從f1n往地增高，但電壓U1n還要大，最多只能保持U1=U1n。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)，而基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速”第3頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?

§7-2靜止式變頻裝置一、間接變頻裝置（交-直交頻裝置）

1、用可控制整流器變壓、用逆變器變器變頻的交-直-交變頻裝置。

2、用控整流器整流、斬波器變壓、逆變器變頻的交-直-交頻裝置。

3、用控整流器整流、PWM逆變器同時(shí)變壓頻的交-直-交變頻裝置第4頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?

二、直接變頻裝置（交--交變頻裝置） 交一交變頻裝置輸出的每一相都是一個(gè)兩組晶闡管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路（圖7-6a）。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的幅值決定于各組整流裝置的控制角α一直不變，則輸出平均電壓是方波，（圖7-6b）。第5頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?

要得到正弦波輸出，必須在每一組整流器導(dǎo)通期間不斷改變其控制角，例如，在正組導(dǎo)通的半個(gè)周期中，使控制角α由π/2（對(duì)應(yīng)于平均電壓U0=0）逐漸減小到0（對(duì)應(yīng)于平均電壓最大），然后再逐漸增加到π/2，也就是使α角在π/2~0~π/2之間變化，整流的平均輸出電壓U0就由零變到最大值再變到零，呈正弦變化（圖7-7）。因A點(diǎn)α=0，平均電壓最大，然后在B、C、D、E點(diǎn)α逐漸增大，平均電壓減小，直到F點(diǎn)α=π/2，平均電壓為零。半周中平均輸出電壓為圖中虛線所示的正弦波。對(duì)反組負(fù)半周的控制也是這樣。第6頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師? 對(duì)于三相負(fù)載，其它兩相也各用一套反并聯(lián)的可逆線路，輸出平均電壓相位依次相差120°。如果每個(gè)整流器都用橋式電路，三相變頻裝置共用三套反并聯(lián)線路，共需36個(gè)晶閘管元件（當(dāng)每一橋臂只用一個(gè)元件時(shí)）。若采用零式電路，需要18個(gè)元件。第7頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?§7-3正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）逆變器在一般的交-直-交變頻器供電的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，為了獲得變頻調(diào)速所要求的電壓頻率協(xié)調(diào)控制，整流器必須是可控的，調(diào)速時(shí)須同時(shí)控制整流器UR和逆變器UI（圖7-9），這樣就帶來(lái)了一系列的問(wèn)題。

第8頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?（1）主電路有兩個(gè)可控的功率環(huán)節(jié)，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜；（2）由于中間直流環(huán)節(jié)有濾波電容或電抗器等慣性元件存在，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢；（3）由于整流器是可控的，使供電電源的功率因數(shù)隨變頻裝置輸出頻率的降低而變差，并產(chǎn)生高次諧波電流；（4）逆變器輸出為六拍階梯波交變電壓（電流），在拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)中形成較多的各次諧波，從而產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)的穩(wěn)定工作，低速時(shí)尤為嚴(yán)重。

第9頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?

1964年，德國(guó)的A.Sch?nung提出了脈寬調(diào)制變頻的思想，把通訊系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流變頻。（圖7-10）

電路的主要特點(diǎn)是：（1）主電路只有一個(gè)可控的功率環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)；（2）使用了不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小無(wú)關(guān)而接近于1；（3）逆變器調(diào)頻的同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，而與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無(wú)關(guān)，加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；（4）可獲得比常規(guī)六拍階梯波更好的輸出電壓波形，能抑制低次諧波，使電機(jī)可在正弦的交變電壓下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，擴(kuò)展了調(diào)速范圍，并提高了系統(tǒng)的性能。

第10頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?一、SPWM逆變器的工作原理

SPWM逆變器是期望其輸出電壓是純粹的正弦波形，那么，可以把一個(gè)正弦半波分作N等分，如圖7-11a所示（圖中N=12），然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的中點(diǎn)下正弦波每一等分的中點(diǎn)重合（圖7-11b）。這樣，由N個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半調(diào)等效。同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法來(lái)等效。

第11頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?

圖7-11b的一系列脈沖波形就是逆變器輸出SPWM波形。由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，這種交-直-交變頻器中的整流器采用不可控的二極管整流器就可以了（見(jiàn)圖7-10）。逆變器輸出脈沖的幅值就是整流器的輸出電壓。當(dāng)逆變器各開(kāi)關(guān)器件都是在理想狀態(tài)下工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)開(kāi)關(guān)器件的信號(hào)也應(yīng)為與圖7-10b形狀相似的一系列脈沖波形。

第12頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?SPWM變頻器的工作原理

圖7-12a是SPWM變頻器的主電路，圖中是逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件（在這里畫(huà)的是GTR），各由一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)接，整個(gè)逆變器由三相整流器提供的恒直流電壓供電。圖7-12b是它的控制電路，一組三相對(duì)稱的正弦參考電壓信號(hào)Ura、Urb

、Urc

由參考信號(hào)發(fā)生器提供，其頻率決定逆變器輸出的基波頻率，應(yīng)在所要求的輸出頻率范圍內(nèi)可調(diào)。

第13頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?

參考信號(hào)的幅值也可在一定范圍內(nèi)變化，以決定輸出電壓的大小。三角波載波信號(hào)是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零”的飽和輸出，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波Uda、Udb

、Udc

，作為逆變器功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。

第14頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?§7-5轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)、恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)

一、轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的交-直-交電壓源變頻調(diào)速系統(tǒng)圖7-27是這一系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理。UR是可控整流器，用電壓控制環(huán)節(jié)控制它的輸出直流電壓；USI（VoltageSourceInverter）是電壓源逆變器，用頻率控制它的輸出頻率。電壓和頻率控制采用同一個(gè)控制信號(hào)Uabs，以保證二者協(xié)調(diào)。由于轉(zhuǎn)速控制是開(kāi)環(huán)的，不能讓階躍的轉(zhuǎn)速給信號(hào)直接加到電壓和頻率控制系統(tǒng)上，否則將產(chǎn)生很大的沖擊電流而使電源跳閘。

第15頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?為了解決這個(gè)問(wèn)題，在給定信號(hào)和電壓、頻率的控制信號(hào)Uabs

之間設(shè)置了給定積分器GI和絕對(duì)值變換器GAB。

第16頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?（一）給定積分器

由模擬電子路給成的給定積分器原理圖如圖7-28所示，它包含了三級(jí)運(yùn)算放大器。

第一級(jí)是放大倍數(shù)的極性鑒別器（R1>100R0）其輸出電壓U1只取與給定電壓相反的極性,不管大小如何,U1都是飽和值.

第二級(jí)是反向器，使其輸出電壓U2的極性再倒一下，變成與極性相同。第三級(jí)是積分器，經(jīng)RC積分使輸出電壓Ugi

成為斜坡信號(hào)，積分的變化率用電位器RP來(lái)調(diào)節(jié)。

第17頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?

第一級(jí)是放大倍數(shù)的極性鑒別器（R1>100R0）其輸出電壓U1只取與給定電壓相反的極性,不管大小如何,U1都是飽和值.

第二級(jí)是反向器，使其輸出電壓U2的極性再倒一下，變成與極性相同。第三級(jí)是積分器，經(jīng)RC積分使輸出電壓Ugi

成為斜坡信號(hào)，積分的變化率用電位器RP來(lái)調(diào)節(jié)。再由Ugi引負(fù)反饋信號(hào)回到第一級(jí)，以決定積分的終止時(shí)刻。只要Ugi的絕對(duì)值小于，則第一級(jí)輸出始終飽和，負(fù)反饋對(duì)它沒(méi)有影響，直到=時(shí)，U1、U2很快下降到零，積分終止，Ugi保持恒值。

第18頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?圖7-28上標(biāo)出了給定電壓為正時(shí)各級(jí)運(yùn)放的輸出極性。這時(shí)，突加和突減后各處電壓的波形于圖7-29。積分器的積分時(shí)間可從其虛地點(diǎn)的電流平衡方程式推導(dǎo)出來(lái)

（7-35）

式中T=RC——積分時(shí)間常數(shù)。調(diào)節(jié)ρ和T都能改變Ugi的斜率，從而改變調(diào)速系統(tǒng)的加（減）速度，一般系統(tǒng)要求積分時(shí)間在5-50s之間可調(diào)。

如果把第一級(jí)運(yùn)放改為同相端輸入，可以省去一個(gè)反號(hào)器，只要改變一下負(fù)反饋的接法就可以了。第19頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?（二）絕對(duì)值變換器絕對(duì)值變換器GAB的電路如圖7-30所示。如果忽略二極管VD1和VD2的正向壓降，其輸出電壓Uabs的大小與輸入信號(hào)Ugi（來(lái)自給定積分器）相等，而極性則不隨Ugi的極性變化，也就是說(shuō)，。圖7-30中為負(fù)，也可以設(shè)計(jì)成正的極性，視系統(tǒng)對(duì)控制信號(hào)極性的需要而定。

第20頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?（三）電壓控制環(huán)節(jié)電壓控制環(huán)節(jié)一般采用電壓、電流雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖7-31所示。內(nèi)環(huán)設(shè)電流調(diào)節(jié)器ACR，用以限制動(dòng)態(tài)電流，兼起保護(hù)作用。外環(huán)設(shè)電壓調(diào)節(jié)器AVR，用以控制輸出電壓。簡(jiǎn)單的小容量系統(tǒng)也可用單電壓環(huán)結(jié)構(gòu)。電壓-頻率控制信號(hào)加到電壓調(diào)節(jié)器上以前，應(yīng)先通過(guò)函數(shù)發(fā)生器GF，把電壓給定信號(hào)提高一些，以補(bǔ)償定子阻抗壓降，改善調(diào)速時(shí)（特別是低速時(shí)）的機(jī)械特性。

第21頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?圖7-32a中繪出了函數(shù)發(fā)生器GF的原理圖，其輸入信號(hào)為Uabs，輸出信號(hào)為AVR的給定電壓（設(shè)Uabs極性為負(fù)，極性為正）。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RP1和RP2能夠獲得圖7-32b所示的函數(shù)特性。

第22頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?當(dāng)Uabs=0時(shí)，加在運(yùn)算放大器上的只有偏壓信號(hào)+Ub，輸出信號(hào)為負(fù)值（A點(diǎn)），可控整流器UR處在待逆變狀態(tài)，無(wú)電壓輸出。當(dāng)Uabs信號(hào)增大，逐漸變正，使UR進(jìn)入整流區(qū)工作，但的數(shù)值還不足以使二極管VD完全導(dǎo)通時(shí)，GF的放大系數(shù)為，輸入輸出特性是圖7-32b中比較陡的段。在B點(diǎn)，，VD剛好完全導(dǎo)通，電阻R被短路，放大系數(shù)變成，特性斜率開(kāi)始減?。▽?shí)際上是平滑過(guò)渡的）。

B點(diǎn)對(duì)應(yīng)于最低轉(zhuǎn)速的工作點(diǎn)，此時(shí)壓頻控制電壓為。在段，運(yùn)算放大器虛地點(diǎn)的電流平衡方程式為式中R2——電位器RP2的電阻值。

第23頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?因此

這就是GF在變頻調(diào)速時(shí)的工作特性，C點(diǎn)對(duì)應(yīng)于基頻工作點(diǎn)。調(diào)節(jié)電位RP2可以改變工作特性的斜率，調(diào)節(jié)RP1可以改變GF的偏壓值，即改變工作特性的起始點(diǎn)。超過(guò)C點(diǎn)以后，利用運(yùn)算放大器的限幅作用使保持恒定，系統(tǒng)可進(jìn)入恒壓調(diào)頻階段，亦即弱磁升速階段。

第24頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣師?（四）頻率控制環(huán)節(jié)

頻率控制環(huán)節(jié)主要由壓頻變換器GVF、環(huán)形分配器DRC和脈沖放大器AP三部分組成（圖7-33），將電壓——頻率控制信號(hào)Uabs轉(zhuǎn)變成具有一定頻率的脈沖列,再按六個(gè)脈沖一組依次分配給逆變器，分別觸發(fā)橋臂上相應(yīng)的六個(gè)晶閘管。第25頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20