電拖第7章異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速基礎(chǔ)課件

第7章異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速基礎(chǔ)7.1異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的控制特性與機(jī)械特性一、變頻時(shí)的電壓控制方式及控制特性1．變頻的同時(shí)為什么要變壓？變頻調(diào)速時(shí)，s變化很小，轉(zhuǎn)差功率基本不變，它的效率最高，性能也最好，是交流調(diào)速系統(tǒng)的主流。變頻裝置工作時(shí),隨著輸出頻率的變化，輸出電壓也要配合改變（why？以講），因此，變頻調(diào)速系統(tǒng)常稱為變壓變頻（VVVF）調(diào)速系統(tǒng)。定子相電動(dòng)勢(shì)有效值:———每極氣隙磁通量

－轉(zhuǎn)子漏磁通，稱“轉(zhuǎn)子全磁通”，2023/7/311第7章異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速基礎(chǔ)7.1異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的2．基頻以下調(diào)速時(shí)的電壓控制方式常用的3種電壓配合控制方式：（1）恒壓頻比控制：優(yōu)點(diǎn):容易實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn):逐步降低，上的壓降所占比重越來(lái)越大，的關(guān)系不成立！解決辦法:在低頻時(shí)使變頻器的輸出電壓抬高，補(bǔ)償r1上的壓降，維持基本不變。稱“定子壓降低頻補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制”（2）恒氣隙磁通控制（3）恒轉(zhuǎn)子全磁通控制特性最好，是高性能交流調(diào)速系統(tǒng)追求的目標(biāo)。采用“矢量控制”實(shí)現(xiàn)。也稱“恒轉(zhuǎn)子全磁通控制”、“恒轉(zhuǎn)子磁鏈控制”

略去Z1，φm≈C2023/7/3122．基頻以下調(diào)速時(shí)的電壓控制方式常用的3種電壓配合控制方式：3．基頻以上調(diào)速時(shí)的電壓控制方式升頻要升壓？?jī)蓚€(gè)難題：電機(jī)及元器件可能損壞變頻器直流母線電壓基本不變，輸出的交流電壓最大值升高很困難。電壓保持最高輸出值不變時(shí)，，，稱“近似恒功率調(diào)速”4．控制特性時(shí)；時(shí)保持不變，當(dāng)時(shí)，不變，不變，稱為“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”2023/7/3133．基頻以上調(diào)速時(shí)的電壓控制方式升頻要升壓？?jī)蓚€(gè)難題：電機(jī)及二、變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

1．固定電壓固定頻率時(shí)機(jī)械特性（復(fù)習(xí)）s很小時(shí)，是與轉(zhuǎn)差s成正比的直線（如a）s接近于1時(shí)，是對(duì)稱于原點(diǎn)（）的雙曲線，如b

2023/7/314二、變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性1．固定電壓固定頻率時(shí)機(jī)械特性（2．恒壓頻比控制（）時(shí)的機(jī)械特性變頻比：α變化時(shí)討論：（1）理想空載轉(zhuǎn)速：∝α（2）直線段斜率略去r1影響，若輸出轉(zhuǎn)矩T不變，應(yīng)使不變。Δn不變＝》斜率不變但計(jì)及，則斜率略為增大。隨著的降低，機(jī)械特性變軟（3）最大轉(zhuǎn)矩不計(jì)定子電阻，為常數(shù)計(jì)及定子電阻，隨α降低而降低2023/7/3152．恒壓頻比控制（）時(shí)的a)恒壓頻比控制，計(jì)及的影響b)恒氣隙磁通控制，不計(jì)r1影響c)恒轉(zhuǎn)子全磁通控制3．恒氣隙磁通控制時(shí)的機(jī)械特性（如b）4．恒轉(zhuǎn)子全磁通控制（）時(shí)如c，不存在Tm，直線2023/7/316a)恒壓頻比控制，計(jì)及的影響b)恒氣隙磁通控制，5．基頻以上恒電壓控制時(shí)比較采用不同控制方案時(shí)，要注意：①理想空載轉(zhuǎn)速②直線段斜率③最大電磁轉(zhuǎn)矩三個(gè)量的變化情況及原因2023/7/3175．基頻以上恒電壓控制7.2異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速主電路類型一、變頻調(diào)速主電路的分類1．按變換方式分:直接變換：把工頻交流電直接變換成可變頻率的交流電，稱交-交變頻間接變換：先把交流變換成直流，再把直流逆變成交流，稱交-直-交變頻2．按電源特性分:依變頻電路最后一級(jí)變換器的電源特性分，分為電壓源型與電流源型

交-交變頻器:電流源型交-交變頻電路電壓源型交-交變頻電路

交-直-交變頻電路：電壓源型、電流源型

3．按主開(kāi)關(guān)元器件的類別分：半可控，全可控

4．電壓源型逆變器按控制方式分

電壓控制型電流控制型（電流跟蹤型）

2023/7/3187.2異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速主電路類型一、變頻調(diào)速主電路逆變器輸出周期T2內(nèi)，主開(kāi)關(guān)元件只經(jīng)歷了6次通斷模式轉(zhuǎn)換的工作方式稱為六拍型。

逆變器在上述的一拍時(shí)間之內(nèi)，主開(kāi)關(guān)元件又進(jìn)行了多次通斷，其目的是進(jìn)行正弦脈沖寬度調(diào)制，稱為SPWM型逆變器5．DC/AC變換的逆變器按其工作方式分:六拍型逆變器 SPWM逆變器6、常用主電路分類表：序號(hào)變換方式電源特性主開(kāi)關(guān)元件工作方式1交-交變換電壓源型晶閘管（SCR）SPWM型2交-直-交變換電流源型晶閘管（SCR）六拍型3電壓源型晶閘管（SCR）六拍型4SPWM型5IGBT等SPWM型2023/7/319逆變器輸出周期T2內(nèi)，主開(kāi)關(guān)元件只經(jīng)歷了6次通斷模式轉(zhuǎn)換逆變7.2.2異步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)常用的幾種主電路1．交-交變頻電路適用低速大容量異步電動(dòng)機(jī)，變頻器的輸出頻率一般不超過(guò)電源頻率的，主開(kāi)關(guān)元件采用晶閘管，依靠電源電壓自然換流2．交-直-交變頻電路(1)采用可控整流，逆變器變頻電路VR是可控整流橋，VI是無(wú)源逆變橋，中間的濾波環(huán)節(jié)是電抗器，主開(kāi)關(guān)一般采用SCR，6拍型a)為電流源型b)為電壓源型(3)不控整流，SPWM逆變器變壓變頻電路變頻器的變壓變頻功能都由逆變橋VI通過(guò)SPWM工作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)(2)不控整流，斬波器調(diào)壓，逆變器變頻電路采用不控整流輸入的功率因數(shù)高，仍有輸出諧波較大的問(wèn)題2023/7/31107.2.2異步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)常用的幾種主電路1．交-交變電壓源型晶體管SPWM交-直-交變頻電路（常見(jiàn)）主開(kāi)關(guān)元件極大部分都采用IGBT，只是在小容量的裝置中有采用功率MOSFET，在特大容量裝置中有采用GTO的優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，在采用矢量控制時(shí)系統(tǒng)性能好缺點(diǎn)：不能回饋制動(dòng)2023/7/3111電壓源型晶體管SPWM交-直-交變頻電路（常見(jiàn)）主開(kāi)關(guān)元件極

一、正弦脈寬調(diào)制的理論基礎(chǔ)1．正弦脈寬調(diào)制的目的變壓（PWM調(diào)制的首要目的）削弱或消除某些有害的低次諧波2．電壓諧波對(duì)電機(jī)影響的分析次電壓諧波的表達(dá)式：Y接電機(jī)中，（3k±1）次諧波電壓產(chǎn)生諧波電流有效值近似為——異步電動(dòng)機(jī)在頻率下的主電感

——變頻器輸出電壓的基波頻率2023/7/3112

對(duì)(3k-1)次諧波，減少了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，增加了電機(jī)的損耗對(duì)(3k+1)次諧波，損耗并不小,其諧波磁場(chǎng)與基波磁場(chǎng)作用將產(chǎn)生次脈動(dòng)力矩次諧波都是有害的諧波，應(yīng)設(shè)法消除或削弱。諧波的頻率越低，諧波電流越大，危害也越大若是三相繞組獨(dú)立供電的電機(jī)，則3k次電壓諧波能使3k次諧波電流流通，其中3次諧波頻率低，分量大，危害極大，是首先必須消除的！3．SPWM波形的單極性與雙極性的高低邏輯電平，經(jīng)分配與放大，驅(qū)動(dòng)逆變器主開(kāi)關(guān)?？墒鼓孀兤鬏敵鱿嗨频腟PWM電壓波形。（1）SPWM調(diào)制原理圖2023/7/3113對(duì)(3k-1)次諧波，減少了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，增加了電機(jī)的損耗（2）SPWM波形：有單極性(下圖a，b)和雙極性(下圖c，d)兩類（3）實(shí)現(xiàn)單極性SPWM的主電路單極性SPWM波形的數(shù)學(xué)表達(dá)式：2023/7/3114（2）SPWM波形：有單極性(下圖a，b)和雙極性(下圖c，（4）實(shí)現(xiàn)雙極性SPWM的主電路雙極性SPWM的數(shù)學(xué)表達(dá)式4．雙極性SPWM波形數(shù)學(xué)分析（1）基波分量大小與調(diào)制比雙極性SPWM波形的傅立葉級(jí)數(shù)形式：

記作：——u的直流分量；SPWM波形上下對(duì)稱時(shí)，——u的次諧波的幅值——u的次諧波的相位角

2023/7/3115（4）實(shí)現(xiàn)雙極性SPWM的主電路雙極性SPWM的數(shù)學(xué)表達(dá)式4參考正弦波的幅值與三角波的幅值之比定義為調(diào)制系數(shù)載波比N＝15時(shí)，不同M時(shí)，基波及主要高次諧波分量的相對(duì)值大小關(guān)系圖：N足夠大且M≤1時(shí)的結(jié)論：(a)基波分量與調(diào)制系數(shù)成正比只要改變參考正弦波的幅值，就可以改變輸出SPWM波形中基波分量幅值（與M成正比）（b）小于（N-1）次的諧波電壓全都為零，消除了（N-1）次及其以下的全部低次諧波（2）PWM電壓波形的諧波不可消除性2023/7/3116參考正弦波的幅值與三角波的幅值之比定義為調(diào)制系數(shù)載波比N＝1由：雙極性SPWM說(shuō)明了：基波以外的各次諧波幅值的平方和只與M有關(guān)。顯然，SPWM電壓波形中的諧波是不可消除的。設(shè)計(jì)SPWM調(diào)制方案時(shí)應(yīng)遵循的原則——減小或消除危害大的諧波（如5、7次），增大無(wú)害的諧波（如3倍頻的諧波）。單極性SPWMSPWM調(diào)制消除諧波影響，追求SPWM電壓所產(chǎn)生的電流接近于正弦！單雙極性SPWM相電壓中基波、諧波峰值與M關(guān)系的帕塞法耳等式：可得：2023/7/3117由：雙極性SPWM說(shuō)明了：基波以外的各次諧波幅值的平方和只與5．同步調(diào)制與異步調(diào)制①同步調(diào)制②異步調(diào)制同步調(diào)制時(shí)，載波頻率與調(diào)制波頻率同步改變，保持載波比N為常數(shù)，不同頻率運(yùn)行時(shí)輸出電壓半波內(nèi)的脈沖數(shù)固定不變。一般取N為3的倍數(shù)，這樣能保證輸出波形正、負(fù)半波對(duì)稱，同時(shí)可使三相波形互差120o。且最大幅值的諧波無(wú)害，減小了有害的諧波異步調(diào)制時(shí)，輸出頻率變化時(shí)載波比N不為常數(shù)，一般是保持載波頻率始終不變。優(yōu)點(diǎn)：低頻時(shí)載波比增大，輸出周期內(nèi)脈沖數(shù)增加，解決了低次諧波問(wèn)題缺點(diǎn)：不能永遠(yuǎn)使N為3的倍數(shù)，輸出電壓波形、相位隨時(shí)變化，難以保持正、負(fù)半波以及三相之間的對(duì)稱性，會(huì)引起偶次諧波等③分段同步調(diào)制是將同步、異步調(diào)制相結(jié)合的一種調(diào)制方法，把整個(gè)變頻運(yùn)行范圍劃分為若干頻率段，在每段內(nèi)都維持恒定的載波比（同步調(diào)制），不同的頻率段N取值不同，低頻時(shí)N取值增大。2023/7/31185．同步調(diào)制與異步調(diào)制①同步調(diào)制②異步調(diào)制同步調(diào)制時(shí)，載既保持了同步調(diào)制下波形對(duì)稱、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，又解決了低頻時(shí)諧波增大的弊病6．直流電壓利用率及其提高辦法（1）直流電壓利用率：對(duì)于某一確定的直流母線電壓，在某種調(diào)制方式下逆變器能輸出的交流線電壓基波分量最大有效值與的比值。即分段同步調(diào)制的規(guī)律圖：——某調(diào)制方式下能輸出的最大的線電壓基波分量有效值

2023/7/3119既保持了同步調(diào)制下波形對(duì)稱、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，又解決了低頻時(shí)諧對(duì)三相橋式主電路，（A）6拍方式，輸出相壓對(duì)直流母線中點(diǎn)是180度交流方波電壓。有（B）采用SPWM調(diào)制，M＝1時(shí)，基波分量最大，為：顯然：SPWM調(diào)制雖然改善了波形，削弱了有害諧波影響，但犧牲了直流電壓利用率不控整流所得直流母線電壓：（2）變換器輸入線電壓Ulin與輸出線電壓基波Ul1間的關(guān)系：

六拍方式工作時(shí)，SPWM方式工作時(shí)，利用率低！2023/7/3120對(duì)三相橋式主電路，（B）采用SPWM調(diào)制，M＝1時(shí)，基波分量補(bǔ)救辦法：SPWM方式工作在M＝1（正常時(shí)利用率最大），然后采取一定的措施。常用方法列舉：不限制，使M可以大于1，則其輸出電壓波形如圖a）所示，當(dāng)M足夠大時(shí)，演變成六拍方式。在參考正弦基波上疊加一個(gè)3次諧波，（3次屬于無(wú)害諧波）用梯形波替代正弦波，并逐步加大梯邊的斜率，如圖b)用“饅頭波”來(lái)替代正弦波，如圖c)干脆采用N＝1的方波工作方式（六拍式）其它，如第11章中要介紹的空間電壓矢量控制2023/7/3121補(bǔ)救辦法：SPWM方式工作在M＝1（正常時(shí)利用率最大），然后7．SPWM波形的其它調(diào)制辦法按SPWM調(diào)制的原理，將其產(chǎn)生辦法分類，有：正弦波與三角波比較（前面就是）電流跟蹤控制（滯環(huán)比較）指定諧波消除法空間電壓矢量控制（和磁鏈跟蹤控制）

（1）電流跟蹤控制（滯環(huán)比較）基本思路：跳過(guò)所有中間環(huán)節(jié)，讓控制電路直接去對(duì)輸出電流的波形進(jìn)行閉環(huán)控制，使其成為一個(gè)正弦波。模擬電路實(shí)現(xiàn)：通常采用滯環(huán)比較器，又稱滯環(huán)比較法生成SPWM。電路電壓、電流波形此時(shí)，逆變器仍是電壓源型逆變器，只是采用了電流閉環(huán)控制而已，因此稱逆變器為電流控制方式的電壓源型逆變器

2023/7/31227．SPWM波形的其它調(diào)制辦法按SPWM調(diào)制的原理，將其產(chǎn)生（2）指定諧波消除法A180o方波：無(wú)法調(diào)壓B在周期內(nèi)有一個(gè)開(kāi)關(guān)點(diǎn)：可改變輸出電壓（基波），但不能同時(shí)消除任何諧波。C在周期內(nèi)有、兩個(gè)開(kāi)關(guān)點(diǎn)：可調(diào)壓，同時(shí)可去消除某一指定諧波?？梢赃f推：若1/4周期中設(shè)定有x個(gè)開(kāi)關(guān)點(diǎn)，則可調(diào)壓并消去（x-1）個(gè)指定的諧波。以c為例，驗(yàn)證：在要求調(diào)制系數(shù)為M，并消除次中危害最大的5次諧波時(shí)。如何確定兩個(gè)開(kāi)