第六章 交流異步電動機變壓變頻調速系統(tǒng)

第六章交流異步電動機

變壓變頻調速系統(tǒng)6.1變壓變頻調速的基本控制方式

在進行電機調速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁通量

m為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。對于直流電機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應有恰當?shù)难a償，

m保持不變是很容易做到的。在交流異步電機中，磁通

m由定子和轉子磁勢合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就需要費一些周折了。

定子每相電動勢（6-1）

式中：Eg

—氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值，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。

f1NskNs

m1.基頻以下調速

由式（6-1）可知，要保持

m

不變，當頻率f1

從額定值f1N

向下調節(jié)時，必須同時降低Eg

，使常值

（6-2）

即采用恒值電動勢頻率比的控制方式。

恒壓頻比的控制方式

然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓U1

≈

Eg，則得（6-3）

這是恒壓頻比的控制方式。

但是，在低頻時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，需要人為地把電壓U1

抬高一些，以便近似地補償定子壓降。帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性示于下圖中的b線，無補償?shù)目刂铺匦詣t為a線。

OUsf1圖6-1

恒壓頻比控制特性

帶壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性UsNf1Na

—無補償

b

—帶定子壓降補償

2.基頻以上調速

在基頻以上調速時，頻率應該從f1N

向上升高，但定子電壓U1

卻不可能超過額定電壓U1N

，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，如下圖所示。

f1N

變壓變頻控制特性圖6-2異步電機變壓變頻調速的控制特性

恒轉矩調速UsU1NΦmNΦm恒功率調速ΦmU1f1O6.2.1恒壓恒頻控制異步電動機的機械特性當定子電壓U1

和電源角頻率

1

恒定時，可以將5-1式改寫成如下形式：

（6-4）

6.2異步電動機電壓和頻率協(xié)調控制時

的機械特性

特性分析當s很小時，可忽略上式分母中含s各項，則（6-5）

也就是說，當s很小時，轉矩近似與s成正比，機械特性Te=f（s）是一段直線，見圖6-3。

特性分析（續(xù)）

當s接近于1時，可忽略式（6-4）分母中的R2'

，則（6-6）即s接近于1時轉矩近似與s成反比，這時，Te=f（s）是對稱于原點的一段雙曲線。恒壓恒頻時異步電機的機械特性

當s為以上兩段的中間數(shù)值時，機械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段，如右圖所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax圖6-3恒壓恒頻時異步電機的機械特性6.2.2基頻以下電壓-頻率協(xié)調控制時的

機械特性

由式（6-4）機械特性方程式可以看出，對于同一組轉矩Te

和轉速n（或轉差率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)調控制。

1.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，以便充分利用電機鐵心，發(fā)揮電機產(chǎn)生轉矩的能力，在基頻以下須采用恒壓頻比控制。這時，同步轉速自然要隨頻率變化。

（6-7）

在式（6-5）所表示的機械特性近似直線段上，可以導出（6-9）帶負載時的轉速降落為（6-8）

由此可見，當U1/

1

為恒值時，對于同一轉矩Te

，s

1是基本不變的，因而

n

也是基本不變的。這就是說，在恒壓頻比的條件下改變頻率

1

時，機械特性基本上是平行下移，如圖6-4所示。它們和直流他勵電機變壓調速時的情況基本相似。

所不同的是，當轉矩增大到最大值以后，轉速再降低，特性就折回來了。而且頻率越低時最大轉矩值越小，可參看第5章式（5-5），對式（5-5）稍加整理后可得

（6-10）

可見最大轉矩Temax

是隨著的

1

降低而減小的。頻率很低時，Temax太小將限制電機的帶載能力，采用定子壓降補償，適當?shù)靥岣唠妷篣1，可以增強帶載能力，見圖6-4。

恒壓頻比控制時變頻調速的機械特性On圖6-4恒壓頻比控制時變頻調速的機械特性補償定子壓降后的特性2.恒EG/

1

控制

圖6-5再次繪出異步電機的穩(wěn)態(tài)等效電路，圖中幾處感應電動勢的意義如下：

Eg

—氣隙（或互感）磁通在定子每相繞組中的感應電動勢；

Es

—定子全磁通在定子每相繞組中的感應電動勢；

Er

—在轉子繞組中的感應電動勢（折合到定轉子全磁通子邊）。

圖6-5異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應電動勢

U1

1R1Ll1L’l2LmR’2

/sI1I0I’2

異步電動機等效電路EgEsEr

特性分析

如果在電壓－頻率協(xié)調控制中，恰當?shù)靥岣唠妷篣1

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，無論頻率高低，每極磁通

m

均為常值。

特性分析（續(xù)）由等效電路可以看出

（6-11）代入電磁轉矩關系式，得（6-12）

利用與前相似的分析方法，當s很小時，可忽略式（6-12）分母中含s項，則

（6-13）

這表明機械特性的這一段近似為一條直線。

特性分析（續(xù)）

當s接近于1時，可忽略式（6-12）分母中的R2'2

項，則

（6-14）

s值為上述兩段的中間值時，機械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡，整條特性與恒壓頻比特性相似。

特性分析（續(xù)）

性能比較（續(xù)）

但是，對比式（6-4）和式（6-12）可以看出，恒Eg/

1

特性分母中含s項的參數(shù)要小于恒U1/

1

特性中的同類項，也就是說，s值要更大一些才能使該項占有顯著的份量，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s求導，并令dTe/ds=0，可得恒Eg/

1控制特性在最大轉矩時的轉差率（6-15）和最大轉矩（6-16）

性能比較（續(xù)）

值得注意的是，在式（6-16）中，當Eg/

1

為恒值時，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

控制中補償定子壓降所追求的目標。

性能比較（續(xù)）

機械特性曲線OnTemax圖6-6恒Eg/

1控制時變頻調速的機械特性3.恒ER/

1

控制

如果把電壓－頻率協(xié)調控制中的電壓再進一步提高，把轉子漏抗上的壓降也抵消掉，得到恒Er/

1

控制，那么，機械特性會怎樣呢？由此可寫出（6-17）

代入電磁轉矩基本關系式，得

（6-18）

現(xiàn)在，不必再作任何近似就可知道，這時的機械特性完全是一條直線，見圖6-7。0s10Te

幾種電壓－頻率協(xié)調控制方式的特性比較圖6-7不同電壓－頻率協(xié)調控制方式時的機械特性恒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一樣的線性機械特性。這正是高性能交流變頻調速所要求的性能。現(xiàn)在的問題是，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）電動勢和磁通的關系，可以看出，當頻率恒定時，電動勢與磁通成正比。在式（6-1）中，氣隙磁通的感應電動勢Eg

對應于氣隙磁通幅值

m

，那么，轉子全磁通的感應電動勢Er

就應該對應于轉子全磁通幅值

rm

：（6-19）

由此可見，只要能夠按照轉子全磁通幅值

rm=Constant進行控制，就可以獲得恒Er/

1

了。4．幾種協(xié)調控制方式的比較

綜上所述，在正弦波供電時，按不同規(guī)律實現(xiàn)電壓－頻率協(xié)調控制可得不同類型的機械特性。

（1）恒壓頻比（Us/

1=Constant）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，能夠滿足一般的調速要求，但低速帶載能力有些差強人意，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?，可以在穩(wěn)態(tài)時達到

rm=Constant，從而改善了低速性能。但機械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉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，按照轉子全磁通

rm

恒定進行控制，即得

Er/

1=Constant

而且，在動態(tài)中也盡可能保持

rm

恒定是矢量控制系統(tǒng)的目標，當然實現(xiàn)起來是比較復雜的。6.2.3基頻以上恒壓變頻時的機械特性

性能分析

在基頻以上變頻調速時，由于定子電壓U1=U1N

不變，式（6-4）的機械特性方程式可寫成

（6-20）

而式（6-10）的最大轉矩表達式可改寫成（6-21）

同步轉速的表達式仍和式（6-7）一樣。

性能分析

（續(xù)）基頻以上恒壓變頻調速的機械特性曲線恒功率調速O<<<

由此可見，當角頻率提高時，同步轉速隨之提高，最大轉矩減小，機械特性上移，而形狀基本不變，如圖所示。圖6-8基頻以上恒壓變頻調速的機械特性

由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢必減弱，導致轉矩的減小，但轉速升高了，可以認為輸出功率基本不變。所以基頻以上變頻調速屬于弱磁恒功率調速。最后，應該指出，以上所分析的機械特性都是在正弦波電壓供電下的情況。如果電壓源含有諧波，將使機械特性受到扭曲，并增加電機中的損耗。因此在設計變頻裝置時，應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本節(jié)提要交-直-交和交-交變壓變頻器電壓源型和電流源型逆變器180o導通型和120o導通型逆變器

引言

如前所述，對于異步電機的變壓變頻調速，必須具備能夠同時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，因此應該配置變壓變頻器，又稱VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）裝置。

最早的VVVF裝置是旋轉變頻機組，即由直流電動機拖動交流同步發(fā)電機，調節(jié)直流電動機的轉速就能控制交流發(fā)電機輸出電壓和頻率。自從電力電子器件獲得廣泛應用以后，旋轉變頻機組已經(jīng)無例外地讓位給靜止式的變壓變頻器了。*6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器

從整體結構上看，電力電子變壓變頻器可分為交-直-交和交-交兩大類。

1.交-直-交變壓變頻器

交-直-交變壓變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流，如下圖所示。

交-直-交變壓變頻器基本結構圖6-9

交-直-交（間接）變壓變頻器

變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻(CVCF)逆變DCACAC50Hz~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“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，當前應用最廣的是由二極管組成不控整流器和由功率開關器件（P-MOSFET，IGBT等）組成的脈寬調制（PWM）逆變器，簡稱PWM變壓變頻器，如下圖所示。

交-直-交PWM變壓變頻器基本結構圖6-10交-直-交PWM變壓變頻器變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻(CVCF)PWM逆變器DCACAC50Hz~調壓調頻C

PWM變壓變頻器的應用之所以如此廣泛，是由于它具有如下的一系列優(yōu)點：

（1）在主電路整流和逆變兩個單元中，只有逆變單元可控，通過它同時調節(jié)電壓和頻率，結構簡單。采用全控型的功率開關器件，只通過驅動電壓脈沖進行控制，電路也簡單，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?shù)腜WM控制技術，正弦基波的比重較大，影響電機運行的低次諧波受到很大的抑制，因而轉矩脈動小，提高了系統(tǒng)的調速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。

（3）逆變器同時實現(xiàn)調壓和調頻，動態(tài)響應不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響，系統(tǒng)的動態(tài)性能也得以提高。

（4）采用不可控的二極管整流器，電源側功率因素較高，且不受逆變輸出電壓大小的影響。2.交-交變壓變頻器

交-交變壓變頻器的基本結構如下圖所示，它只有一個變換環(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。有時為了突出其變頻功能，也稱作周波變換器（Cycloconveter）。

交-交變壓變頻器的基本結構圖6-11交-交（直接）變壓變頻器交－交變頻AC50Hz~ACCVCFVVVF

常用的交-交變壓變頻器輸出的每一相都是一個由正、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，每一相都相當于一套直流可逆調速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆線路（下圖）。交-交變壓變頻器的基本電路結構VRVFId-Id+--+a)電路結構負載50Hz~50Hz~u0圖6-12交-交變壓變頻器每一相的可逆線路交-交變壓變頻器的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正組通反組通正組通反組通輸出電壓波形控制方式（續(xù)）

調制控制方式

要獲得正弦波輸出，就必須在每一組整流裝置導通期間不斷改變其控制角。例如：在正向組導通的半個周期中，使控制角

由

/2（對應于平均電壓u0=0）逐漸減小到0（對應于u0最大），然后再逐漸增加到

/2（u0

再變?yōu)?），如下圖所示。2AOw

ta=a=0

p

2a=

pBCDEFu0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

角按正弦規(guī)律變化時，半周中的平均輸出電壓即為圖中虛線所示的正弦波。對反向組負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

三相交交變頻電路

三相交交變頻電路可以由3個單相交交變頻電路組成，其基本結構如下圖所示。

如果每組可控整流裝置都用橋式電路，含6個晶閘管（當每一橋臂都是單管時），則三相可逆線路共需36個晶閘管，即使采用零式電路也須18個晶閘管。

三相交交變頻器的基本結構

輸出星形聯(lián)結方式三相交交變頻電路三相橋式交交變頻電路

因此，這樣的交-交變壓變頻器雖然在結構上只有一個變換環(huán)節(jié)，省去了中間直流環(huán)節(jié)，看似簡單，但所用的器件數(shù)量卻很多，總體設備相當龐大。

不過這些設備都是直流調速系統(tǒng)中常用的可逆整流裝置，在技術上和制造工藝上都很成熟，目前國內有些企業(yè)已有可靠的產(chǎn)品。

這類交-交變頻器的其他缺點是：輸入功率因數(shù)較低，諧波電流含量大，頻譜復雜，因此須配置諧波濾波和無功補償設備。其最高輸出頻率不超過電網(wǎng)頻率的1/3~1/2，一般主要用于軋機主傳動、球磨機、水泥回轉窯等大容量、低轉速的調速系統(tǒng)，供電給低速電機直接傳動時，可以省去龐大的齒輪減速箱。

近年來又出現(xiàn)了一種采用全控型開關器件的矩陣式交-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，能量可雙向流動，以獲得四象限運行，但當輸出電壓必須為正弦波時，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)展前景是很好的。*6.3.2

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)直流電源性質的不同，逆變器可以分成電壓源型和電流源型兩類，兩種類型的實際區(qū)別在于直流環(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。

兩種類型逆變器結構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（VoltageSourceInverter--VSI），直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，因而直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，有時簡稱電壓型逆變器。電流源型逆變器（CurrentSourceInverter--CSI），直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，直流電流波形比較平直，相當于一個恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，或簡稱電流型逆變器。

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，在性能上卻帶來了明顯的差異，主要表現(xiàn)如下：

（1）無功能量的緩沖在調速系統(tǒng)中，逆變器的負載是異步電機，屬感性負載。在中間直流環(huán)節(jié)與負載電機之間，除了有功功率的傳送外，還存在無功功率的交換。濾波器除濾波外還起著對無功功率的緩沖作用，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)在采用什么儲能元件（電容器或電感器）來緩沖無功能量。

（2）能量的回饋用電流源型逆變器給異步電機供電的電流源型變壓變頻調速系統(tǒng)有一個顯著特征，就是容易實現(xiàn)能量的回饋，從而便于四象限運行，適用于需要回饋制動和經(jīng)常正、反轉的生產(chǎn)機械。

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構成的交-直-交變壓變頻調速系統(tǒng)（如下圖所示）為例，說明電動運行和回饋制動兩種狀態(tài)。圖6-16-a電流源型交-直-交變壓變頻調速系統(tǒng)的兩種運行狀態(tài)M3~+-UdIdLdCSIα<90o整流ω1>ω電動Teω

逆變UCRa）電動運行

電動運行狀態(tài)P

當電動運行時，UCR的控制角

<90

，工作在整流狀態(tài)，直流回路電壓Ud

的極性為上正下負，電流Id

由正端流入逆變器CSI，CSI工作在逆變狀態(tài)，輸出電壓的頻率

1>

，電動機以轉速運行，電功率的傳送方向如上圖a所示。圖6-16-b電流源型交-直-交變壓變頻調速系統(tǒng)的兩種運行狀態(tài)M3~+-UdIdLdCSIα>90o有源逆變ω1<

ω發(fā)電Teω整流UCRb）逆變運行逆變運行狀態(tài)P如果降低變壓變頻器的輸出頻率

1，或從機械上抬高電機轉速

，使

1<

，同時使UCR的控制角

>90

，則異步電機轉入發(fā)電狀態(tài)，逆變器轉入整流狀態(tài)，而可控整流器轉入有源逆變狀態(tài)，此時直流電壓Ud

立即反向，而電流Id

方向不變，電能由電機回饋給交流電網(wǎng)（圖b）。

與此相反，采用電壓源型的交-直-交變壓變頻調速系統(tǒng)要實現(xiàn)回饋制動和四象限運行卻很困難，因為其中間直流環(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導電性的制約也不能反向，所以在原裝置上無法實現(xiàn)回饋制動。

必須制動時，只得在直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)電阻實現(xiàn)能耗制動，或者與UCR反并聯(lián)一組反向的可控整流器，用以通過反向的制動電流，而保持電壓極性不變，實現(xiàn)回饋制動。這樣做，設備要復雜多了。性能比較（續(xù)）

（3）動態(tài)響應正由于交-直-交電流源型變壓變頻調速系統(tǒng)的直流電壓可以迅速改變，所以動態(tài)響應比較快，而電壓源型變壓變頻調速系統(tǒng)的動態(tài)響應就慢得多。

（4）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（見下表）。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)）

（4）應用場合電壓源型逆變器屬恒壓源，電壓控制響應慢，不易波動，所以適于做多臺電機同步運行時的供電電源，或單臺電機調速但不要求快速起制動和快速減速的場合。采用電流源型逆變器的系統(tǒng)則相反，不適用于多電機傳動，但可以滿足快速起制動和可逆運行的要求。*6.3.3180o導通型和120o導通