交流變頻調(diào)速系統(tǒng)

交流變頻調(diào)速系統(tǒng)第1頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日由電機(jī)學(xué)知如果忽略定子上的電阻壓降，則有

第一節(jié)變頻調(diào)速的基本控制方式和機(jī)械特性簡(jiǎn)介一、變頻調(diào)速的基本控制方式第2頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1、基頻以下的變頻控制方式即：氣隙磁通感應(yīng)電勢(shì)與頻率之比為常數(shù)基頻以下常采用恒磁通變頻控制方式。（1）若要保持Φm不變，則當(dāng)頻率f1從額定值f1e向下調(diào)節(jié)時(shí)，須同時(shí)降低Eg，使Eg/f1=常數(shù)。（2）因感應(yīng)電勢(shì)難以直接控制，忽略定子壓降，認(rèn)為定子相電壓U1≈Eg，則U1/f1=常數(shù)。這就是恒壓頻比的變頻控制方式。恒壓頻比控制在低頻時(shí)，由于U1和Eg都較小，定子阻抗壓降所占的份量比較顯著，不能忽略。這時(shí)，可人為地把電壓U1抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。第3頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

2、基頻以上的變頻控制方式在基頻以上時(shí)，頻率可從f1N往上增高，但電壓U1卻不能增加得比額定電壓U1N大，一般保持U1=U1N，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。

第4頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日下圖是異步電機(jī)變頻調(diào)速控制特性。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”；而在基頻以上，基本屬于“恒功率調(diào)速”。第5頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日當(dāng)Eg/ω1為恒值時(shí)，Temax恒定不變，隨著頻率的降低，恒Eg/ω1控制的機(jī)械特性是一組形狀與恒壓恒頻機(jī)械特性相同，且平行下移的特性。見(jiàn)右圖所示。二、變頻調(diào)速的機(jī)械特性簡(jiǎn)介1.恒Eg/ω1控制（Eg/ω1=恒值）第6頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日因Eg是電機(jī)內(nèi)部參數(shù)，恒Eg/ω1控制難以實(shí)現(xiàn)，工程上常用恒壓頻比控制（U1/ω1=恒值）。其機(jī)械特性見(jiàn)下圖所示。在恒壓頻比條件下變頻時(shí)，機(jī)械特性基本上平行移動(dòng)，而Temax隨ω1降低而減小。低頻時(shí)，Temax將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶負(fù)載能力。需采用定子阻抗電壓補(bǔ)償以增強(qiáng)帶負(fù)載能力。右圖中虛線特性就是采用提高定子電壓后的特性。2、恒壓頻比控制（U1/ω1=恒值）第7頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.基頻以上變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

可見(jiàn)，當(dāng)頻率ω1提高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速n0隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移；轉(zhuǎn)速降落隨頻率的提高而增大，特性斜率稍變大，其它形狀基本相似。如右圖所示。

在基頻f1e以上變頻時(shí)，電壓U1=U1e不變。其機(jī)械特性見(jiàn)下圖所示。第8頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的無(wú)源逆變電路對(duì)交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的變頻電源裝置叫變頻器，其功能是將電網(wǎng)提供的恒壓恒頻交流電變換為變壓變頻交流電，變頻伴隨變壓。

變頻器的基本分類如下：一、變頻器的分類變頻器交-交變頻器按相數(shù)分單相三相按輸出波形分正弦波方波脈沖寬度調(diào)制型(PWM)交-直-交變頻器電流型電壓型第9頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日交-直-交變頻器的主要構(gòu)成環(huán)節(jié)如圖（a）所示。它先把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)后再把直流電逆變成變頻變壓的交流電，又稱為間接變頻器。按不同的控制方式，間接變頻器有圖5-7中b、c、d三種情況。二、靜止型常規(guī)變頻器及特點(diǎn)（一）間接（交-直-交）變壓變頻裝置第10頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D5-7間接變壓變頻裝置的不同結(jié)構(gòu)形式第11頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日交-交變頻器的主要構(gòu)成環(huán)節(jié)如圖5-8所示。交-交變頻器沒(méi)有明顯的中間濾波環(huán)節(jié)，交流電被直接變成頻率和電壓可調(diào)的交流電，故又稱為直接變頻器。（二）直接（交-交）變壓變頻裝置

第12頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日主電路如圖5-9（a）所示，圖中負(fù)載由正組與反組晶閘管整流電路輪流供電，α角不變時(shí)，輸出為矩形交流電壓，如圖5-9（b）所示。改變正反組切換頻率可以調(diào)節(jié)輸出交流電的頻率，而改變?chǔ)恋拇笮〖纯烧{(diào)節(jié)矩形波的幅度。1、方波型交-交變頻器三、交-交變頻電路（一）單相交-交變頻電路第13頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2、正弦波交-交變頻器正弦波型交-交變頻器的主電路與方波型的主電路相同，但可以輸出平均值按正弦規(guī)律變化的電壓?？刂平铅劣纱蟮叫≡僮兇?，如π/2→0→π/2如右圖（a）所示?？刂平怯尚∽兇笤僮冃。绂?2→π→π/2如右圖（b）所示。第14頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

（1）輸出正弦波形的獲得方法常用的方法是余弦交點(diǎn)法，該方法的原則是：觸發(fā)角的變化和切換應(yīng)使得整流輸出電壓的瞬時(shí)值與理想正弦電壓的瞬時(shí)值誤差最小。正弦波型交-交變頻器適合于低頻大功率的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，最高輸出頻率是輸入頻率的1/3或1/2。

（2）輸出電壓有效值和頻率的調(diào)節(jié)交-交變頻電路的輸出電壓是由若干段電源電壓拼接而成的。在輸出電壓的一個(gè)周期內(nèi)，所包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。使控制角從，改變?chǔ)?，就改變了輸出電壓的峰值，也就改變了輸出電壓的有效值；改變?chǔ)磷兓乃俾剩簿透淖兞溯敵鲭妷旱念l率。第15頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（二）三相----單相交-交變頻電路將兩組三相可逆整流器反并聯(lián)即可構(gòu)成單相變頻電路。三相半波-單相交-交變頻電路三相橋式-單相交-交變頻電路第16頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（三）

三相交-交變頻電路交-交變頻器主要用于交流調(diào)速系統(tǒng)中，因此實(shí)際使用的主要是三相交-交變頻器。三相交-交變頻器電路是由三組輸出電壓相位互差的單相交-交變頻電路組成的。1、電路的接線方式三相交-交變頻電路主要有兩種接線方式，即公共交流母線進(jìn)線方式和輸出星形聯(lián)結(jié)方式。第17頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

（1）公共交流母線進(jìn)線方式它由三組彼此獨(dú)立、輸出電壓相位互差120度的單相交-交變頻電路組成，其電源進(jìn)線通過(guò)電抗器接在公共的交流母線上。由于電源進(jìn)線端公用，所以三組單相變頻電路的輸出端必須隔離。為此，交流電機(jī)的三個(gè)繞組必須拆開，共引出六根線。

第18頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

（2）輸出星形連接方式由于變頻器輸出端中點(diǎn)不和負(fù)載中點(diǎn)相連接，所以在構(gòu)成三相變頻器的六組橋式電路中，至少要有不同相的兩組橋中的四個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，形成電流。

第19頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2、具體電路結(jié)構(gòu)三相橋式整流器組成的三相----三相交-交變頻電路，采用公共交流母線進(jìn)線方式

第20頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三相橋式整流器組成的三相-三相交-交變頻電路，給電動(dòng)機(jī)負(fù)載供電，采用輸出星形聯(lián)結(jié)方式（負(fù)載未畫出）

第21頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日四、交-直-交變頻電路（一）交-直-交電壓源型、電流源型變頻器及其比較根據(jù)交-直-交變頻器的中間濾波環(huán)節(jié)是采用電容性元件或是電感性元件，可將其分為電壓源型變頻器和電流源型變頻器。

1、電壓源型變頻器采用大電容濾波，輸出直流電壓恒定，類似于恒壓源。這類變頻器叫電壓源型變頻器，見(jiàn)圖（a）所示。電壓源型變頻器第22頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

2、電流源型變頻器采用大電感濾波，輸出直流電流恒定，類似于恒流源。這類變頻裝置叫電流源型變頻器，見(jiàn)圖（b）所示。電流源型變頻器第23頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日由電流型變頻器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。圖5-19繪出了變頻調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)和回饋制動(dòng)兩種運(yùn)行狀態(tài)。

①電動(dòng)狀態(tài)如圖（a）所示。整流電壓極性為上正下負(fù)，電流由Ud的正端流入逆變器，電能由交流電網(wǎng)經(jīng)變頻器傳送給電機(jī)，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)。（3）電壓型和電流源型變頻器的回饋制動(dòng)比較第24頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

②回饋制動(dòng)狀態(tài)如圖5-19b示。降低變頻器的輸出頻率，使轉(zhuǎn)速降低，同時(shí)使整流器UR的α>90°，則整流電壓Ud立即反向，而電流Id方向不變。于是，逆變器CSI變成整流器，而整流器UR轉(zhuǎn)入有源逆變狀態(tài)，電能由電機(jī)回饋給交流電網(wǎng)。第25頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1、主電路組成（二）180°導(dǎo)電型的交-直-交電壓型變頻器第26頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第27頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第28頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5）相電壓和線電壓的關(guān)系為180°導(dǎo)電型逆變器工作規(guī)律：1）每個(gè)脈沖觸發(fā)間隔60°區(qū)間內(nèi)有3個(gè)晶閘管元件導(dǎo)通，它們分屬于逆變橋的共陰極組和共陽(yáng)極組。2）在3個(gè)導(dǎo)通元件中，若屬于同一組的有2個(gè)元件，則元件所對(duì)應(yīng)相的相電壓為。另1個(gè)元件所對(duì)應(yīng)相的相電壓為。3）共陽(yáng)極組元件所對(duì)應(yīng)相的相電壓為正，共陰極組元件所對(duì)應(yīng)相的相電壓為負(fù)。4）每個(gè)脈沖觸發(fā)間隔60°內(nèi)的相電壓之和為0。第29頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（三）120°導(dǎo)電型的交-直-交電流型變頻器1、主電路的組成第30頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第31頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日與180°導(dǎo)電型類似，120°導(dǎo)電型導(dǎo)電規(guī)律如下：1）每個(gè)脈沖觸發(fā)間隔60°有2個(gè)晶閘管元件導(dǎo)通，它們分屬于逆變橋的共陰極組和共陽(yáng)極組。第32頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2）在2個(gè)導(dǎo)通元件中，每個(gè)元件所對(duì)應(yīng)相的相電流為Id。而不導(dǎo)通元件所對(duì)應(yīng)相的電流為0。3）共陽(yáng)極組中元件所通過(guò)的相電流為正，共陰極組元件所通過(guò)的相電流為負(fù)。4）每個(gè)脈沖間隔60°內(nèi)的相電流之和為0。第33頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)、晶閘管變頻調(diào)速系統(tǒng)給定積分器（軟啟動(dòng)器）是用來(lái)減緩?fù)患与A躍給定信號(hào)造成的系統(tǒng)內(nèi)部電流、電壓的沖擊。其輸入輸出信號(hào)對(duì)比如圖5-29所示。

圖5-29給定積分器輸入輸出波形1、給定積分器一、晶閘管變頻調(diào)速系統(tǒng)中的主要控制環(huán)節(jié)第34頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日絕對(duì)值運(yùn)算器是把給定積分器送來(lái)的輸入信號(hào)（正值或負(fù)值）均轉(zhuǎn)換為正值。其輸入輸出關(guān)系為2、絕對(duì)值運(yùn)算器其輸入輸出信號(hào)關(guān)系如圖5-30所示。圖5-30絕對(duì)值運(yùn)算器的輸入輸出波形第35頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日電壓-頻率（U/F）變換器就是用來(lái)將電壓給定信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)的裝置，輸入電壓越高，脈沖頻率越高；輸入電壓越低，則脈沖頻率越低。輸入輸出信號(hào)關(guān)系如圖5-31所示。

3、電壓-頻率變換器圖5-31壓-頻變換器輸入輸出關(guān)系第36頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4、環(huán)形分配器環(huán)形分配器又稱6分頻器，它將U/F變換器送來(lái)的壓控振蕩脈沖，每6個(gè)為一組分6路輸出，依次送給逆變橋的6個(gè)晶閘管元件。其輸入輸出信號(hào)波形如圖5-32（a）、（b）所示。

圖5-32環(huán)分器的功能與波形（a）環(huán)分器功能（b）環(huán)分器輸出波形

第37頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5、脈沖功率放大與脈沖輸出級(jí)（1）脈沖功率放大的作用是：①根據(jù)邏輯開關(guān)發(fā)出的指令，使功率放大管按照T1→T2→……→T6→T1……或T6→T5→……T1→T6……的順序?qū)?；②將寬度?0°的脈沖拓寬為120°的寬脈沖；③將環(huán)形分配器送來(lái)的脈沖進(jìn)行功率放大。環(huán)形分配器輸出脈沖的特征：①各路脈沖發(fā)出的時(shí)間間隔為60°電角度；②各路脈沖的寬度為60°

第38頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（a）功放與輸出級(jí)功能原理圖（b）功放器的輸出波形圖5-33脈沖功放與輸出級(jí)的功能原理圖及輸出波形第39頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（2）脈沖輸出級(jí)的作用：①將脈沖功率放大器送來(lái)的寬脈沖調(diào)制成觸發(fā)晶閘管所需的脈沖列（用方波發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行脈沖列調(diào)制）；②用脈沖變壓器隔離輸出級(jí)與晶閘管的門極。脈沖輸出級(jí)的輸出波形見(jiàn)下圖。脈沖輸出級(jí)包括方波發(fā)生器、功放與解調(diào)兩個(gè)部分。當(dāng)T1、T2管的基極均為高電平，在TB的原邊得到調(diào)制后的信號(hào)，解調(diào)后得到原信號(hào)，然后供VT觸發(fā)用。第40頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日6、函數(shù)發(fā)生器作用：①在f1min~f1n的范圍內(nèi)，將頻率給定信號(hào)正比例轉(zhuǎn)換為電壓給定信號(hào)，確保恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，并在低頻段將電壓適當(dāng)提升，實(shí)現(xiàn)低頻電壓補(bǔ)償，保證Eg/f1=常數(shù)；②在f1n以上，頻率給定信號(hào)變化，電壓給定信號(hào)保持不變，使輸出電壓U1=U1n不變。其輸入、輸出關(guān)系如右圖所示。第41頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

7、邏輯開關(guān)作用是根據(jù)給定信號(hào)為正、負(fù)或零來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停車。如給定信號(hào)為正，則控制脈沖輸出級(jí)按正相序觸發(fā)，如給定信號(hào)為負(fù)，則控制脈沖輸出級(jí)按負(fù)相序觸發(fā)，相應(yīng)控制調(diào)速電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。如給定信號(hào)為零，則邏輯開關(guān)將脈沖輸出級(jí)的正負(fù)脈沖都封鎖，使電動(dòng)機(jī)停車。第42頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

二、轉(zhuǎn)速開環(huán)的電壓型晶閘管變頻調(diào)速系統(tǒng)該系統(tǒng)是沒(méi)有測(cè)速反饋的轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速。適用于調(diào)速要求不高的場(chǎng)合。第43頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日對(duì)變頻器的要求：①在f1n以下，進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，即要求在改變頻率的同時(shí)，改變供電電壓，保證變頻器以恒壓頻比Eg/f1=常數(shù)來(lái)控制電機(jī)。②在額定頻率f1n以上，進(jìn)行近似恒功率調(diào)速，即要求變頻器保持輸出電壓不變，只改變頻率調(diào)速。系統(tǒng)組成說(shuō)明：1）控制部分分上、下兩路，上路實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管整流橋的變壓控制，下路實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管逆變橋的變頻控制；2）主電路采用晶閘管交-直-交電壓型變頻器；3）有兩個(gè)控制通道：上為電壓控制通道，采用電壓閉環(huán)控制整流器的輸出電壓；下為頻率控制通道，控制逆變器的輸出頻率。電壓和頻率控制采用同一控制信號(hào)（來(lái)自絕對(duì)值運(yùn)算器），保證二者之間的協(xié)調(diào)。

第44頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4）因轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，不能讓階躍給定信號(hào)直接加到系統(tǒng)上，為此設(shè)置了給定積分器將階躍信號(hào)轉(zhuǎn)變成合適的斜坡信號(hào)，從而使電壓和轉(zhuǎn)速都能平緩地升高或降低。5）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可逆只需改變變頻電壓的相序，并不需要在電壓和頻率的控制信號(hào)上反映極性，因此，設(shè)置了絕對(duì)值運(yùn)算器將給定積分器的輸出變換成只輸出其絕對(duì)值的信號(hào)。電壓控制采用電壓、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。內(nèi)環(huán)設(shè)電流調(diào)節(jié)器，限制動(dòng)態(tài)電流；外環(huán)設(shè)電壓調(diào)節(jié)器，以控制變頻器輸出電壓。電壓-頻率控制信號(hào)加到電壓環(huán)以前，應(yīng)補(bǔ)償定子阻抗壓降，以改善低速時(shí)的機(jī)械特性，提高帶負(fù)載能力。頻率控制環(huán)節(jié)主要由壓-頻變換器、環(huán)分器和脈沖放大器三部分組成。第45頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.轉(zhuǎn)速開環(huán)的電流型晶閘管變頻調(diào)速系統(tǒng)

第46頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日主電路采用了大電感濾波的電流源型逆變器，控制系統(tǒng)采用電壓-頻率協(xié)調(diào)控制。只是電壓反饋環(huán)節(jié)有所不同。電壓源型變頻器直流電壓的極性是不變的，而電流源型變頻器在回饋制動(dòng)時(shí)直流電壓要反向，因此后者的電壓反饋不能從直流電壓側(cè)引出，而改從逆變器的輸出端引出。系統(tǒng)中控制環(huán)節(jié)采用了電壓、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。內(nèi)環(huán)設(shè)電流調(diào)節(jié)器，以限制動(dòng)態(tài)電流；外環(huán)設(shè)電壓調(diào)節(jié)器，以控制變頻器輸出電壓。第47頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第四節(jié)正弦波脈寬調(diào)制的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

一、電壓正弦脈寬調(diào)制的變頻調(diào)速系統(tǒng)（一）電壓正弦脈寬調(diào)制原理1、正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波形所謂正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波形，就是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，如圖所示。圖5-41與正弦波等效的等幅不等寬的矩形脈沖波形（a）正弦波形（b）等效的SPWM波形第48頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D5-42是SPWM變頻器主電路的原理圖。電機(jī)繞組上所獲得的相電壓為Us/2。圖5-42SPWM變壓變頻器主電路原理圖2、SPWM變頻器主電路原理圖第49頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3、脈寬調(diào)制方法圖5-44單極式脈寬調(diào)制波的形成a）正弦調(diào)制波與三角載波b）輸出的SPWM波形第50頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D5-45三相雙極式SPWM波形（a）三相調(diào)制波與雙極性三角載波（b）U