交流調(diào)速傳動系統(tǒng)

第7章交流調(diào)速傳動系統(tǒng)7.1交流調(diào)速的引言及分類7.1.1引言——交流調(diào)速和直流調(diào)速交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格使宜、維護(hù)工作量少，但起、制動及調(diào)速性能不如直流電動機(jī)，且調(diào)速裝置價(jià)高，故長期以來在調(diào)速領(lǐng)域一直以直流調(diào)速為主。近年來，隨電力電子技術(shù)及控制技術(shù)的發(fā)展、交流調(diào)速的性能與成本已能和直流調(diào)速競爭，越來越多的直流調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域被交流調(diào)速占領(lǐng)，以交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成為趨勢。調(diào)速傳動按其應(yīng)用領(lǐng)域，大致分為四大類：●通用機(jī)械的節(jié)能調(diào)速通用機(jī)械指風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等類機(jī)械，量大、面廣，應(yīng)用于各行各業(yè)。它們的用電量約占全國總發(fā)電量的1/3。這類機(jī)械過去都用不調(diào)速的交流電動機(jī)驅(qū)動，風(fēng)量和流量靠擋板及閥門調(diào)節(jié)，浪費(fèi)大量能源。把這類機(jī)械的交流傳動系統(tǒng)由不調(diào)速改為調(diào)速，取消擋板及閥門調(diào)節(jié)，平均可節(jié)電30%～40%,故稱這類調(diào)速系統(tǒng)為節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)。改調(diào)速后，由于風(fēng)量和流量可以連續(xù)平滑和快速精確控制，給工藝(或燃燒)過程的優(yōu)化創(chuàng)造了條件，有助于提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量；由于減少了管道和閥門的壓力，可以提高設(shè)備壽命，減小維修量?！窆に囌{(diào)速由于機(jī)械設(shè)備的工藝需要，要求驅(qū)動電動機(jī)必須調(diào)速運(yùn)行的傳動系統(tǒng)稱為工藝調(diào)速系統(tǒng)，例如金屬加工、造紙、提升等機(jī)械的傳動系統(tǒng)。長期以來，在這個(gè)領(lǐng)域里都采用直流調(diào)速，現(xiàn)正逐步過渡到以交流調(diào)速為主。各種電動車輛及船舶等運(yùn)輸機(jī)械的電驅(qū)動系統(tǒng)，也要求在運(yùn)行中及時(shí)調(diào)速，這類傳動系統(tǒng)稱為牽引調(diào)速系統(tǒng)。它們屬于工藝調(diào)速范疇，但由于裝在移動機(jī)械上，又有許多不同于--般機(jī)械的特殊要求，例如供電電源、設(shè)備尺寸和重量、散熱及防護(hù)要求等。過去這類傳動系統(tǒng)都采用直流調(diào)速，現(xiàn)也在逐步改用交流調(diào)速。由于牽引機(jī)械對傳動設(shè)備的尺寸、重量和防護(hù)有嚴(yán)格要求，而在這些方面交流比直流占優(yōu)勢，所以交流牽引調(diào)速取得更快發(fā)●特殊調(diào)速某些應(yīng)用場合，用戶對調(diào)速有特殊要求，滿足這些特殊要求的調(diào)速系統(tǒng)屬特殊調(diào)速系統(tǒng)。例如轉(zhuǎn)速6000r/min以上的高速系統(tǒng)，這種轉(zhuǎn)速要求直流電動機(jī)實(shí)現(xiàn)不了，只能使用交流調(diào)速。又如調(diào)速范圍1:50000～1:100000的極寬調(diào)速系統(tǒng)，用普通直流或交流電動機(jī)都有困難，只有采用特殊的永磁交流電動機(jī)才能實(shí)現(xiàn)。交流電動機(jī)與直流電動機(jī)的比較及針對典型工藝要求的調(diào)速方案選擇，請參見第2476電氣傳動自動化技術(shù)手冊7.1.2交流調(diào)速系統(tǒng)分類交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式同步電動機(jī)n=60flp式中?——定子頻率；交流調(diào)速系統(tǒng)有多種分類方法；●按調(diào)速效率分：離效、低效?！癜凑{(diào)速平滑性分：有級、無級。●按調(diào)速裝置所在位置分：定子側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)、轉(zhuǎn)子軸上?！癜词褂玫碾妱訖C(jī)分：異步電動機(jī)有籠形異步電動機(jī)、繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)；同步電動機(jī)有勵(lì)磁同步電動機(jī)、永磁同步電動機(jī)、無刷直流電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)。●變極對數(shù)——變p,高效，定子側(cè)，異步電動機(jī)●轉(zhuǎn)子串電阻——變s,低效，轉(zhuǎn)子側(cè)，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)?！穸ㄗ觽?cè)：定子調(diào)壓—-變s,低效，異步電動機(jī)；定子變頻——變f,高效，異步電動機(jī)或同步電動機(jī)?！褶D(zhuǎn)子側(cè)：串級調(diào)速(向下調(diào))—~變s,高效，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)；雙饋調(diào)速(上下調(diào))——調(diào)s,高效，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)?！褶D(zhuǎn)子軸上：液力耦合器——調(diào)s,低效，異步電動機(jī)或同步電動機(jī)；電磁轉(zhuǎn)差離合器——調(diào)s,低效，異步電動機(jī)或同步電動機(jī)。有級調(diào)速系統(tǒng)已在第5章中介紹過，不再重復(fù)，本章只介紹無級調(diào)速系統(tǒng)。7.2交流調(diào)速用電力電子裝置本章介紹交流調(diào)速用的裝置。多年前曾用過一些機(jī)組裝置，例如各種變流機(jī)組、飽和電抗器等，現(xiàn)在已經(jīng)淘汰，不再介紹。本手冊僅涉及用電力電子裝置(變流器)構(gòu)成調(diào)速裝置。同一種裝置可以用于不同交流調(diào)速系統(tǒng)和接于不同地方，例如整流裝置可以用于交-交直接變頻，也可用于交-直-交間接變頻，又如變頻裝置既可接電動機(jī)定子——變頻調(diào)速，也可接電動機(jī)轉(zhuǎn)子——串調(diào)和雙饋調(diào)速。在介紹調(diào)速系統(tǒng)之前，把各種系統(tǒng)用到的電力電子變流器集中在本節(jié)做簡要說明，交流調(diào)速用電力電子裝置有交流調(diào)壓裝置和變頻裝置兩大類?，F(xiàn)用的交流調(diào)壓裝置儀一種——晶閘管交流調(diào)壓器。變頻裝置種類很多，歸納起來分交-直-交間接變頻器和交-交直接變頻器兩類。在交-直-交間接變頻器中，先用交-直變流裝置(又稱前端)——整流器，把交流電變?yōu)橹绷麟姡儆弥?交變流裝置——逆變器，把直流電變?yōu)榱硪环N頻率和電壓的交流電(兩次變換)。根據(jù)直流回路中儲能元件的不同，交-直交間接變頻器又分電壓型和電流型兩種：電壓型的儲能元件為電容，由于電容上的電壓難變化，在控制規(guī)律不變而負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓基本不變；電流型的儲能元件為電感，由于電感上的電流難變化，在挖制規(guī)律不變而負(fù)載變化時(shí)，輸出電流基本不變。交-交直接變頻器沒有中間直流環(huán)節(jié)，直接把一種頻率和電壓的交流電變?yōu)榱怼N頻率和電壓的交流電(一次變換)。變頻器使用的電力電子開關(guān)器件種類很多，基本上有三類：不可控整流器、半控晶闡管和全控(自關(guān)斷)器件，例如電力1.電壓型間接變頻器●整流器：不可控整流；晶閘管相控整流(不可逆、可逆);自關(guān)斷器件的電壓型PWM●逆變器：晶闡管強(qiáng)制關(guān)斷的電壓型逆變器(基本上已淘汰，本手冊不再介紹);自關(guān)斷2.電流型問接變頻器●整流器：品閘管相控整流(不可逆);自關(guān)斷器件的電流型PWM整流?！衲孀兤鳎夯诰чl管負(fù)載自然換相的電流型逆變器(LCI);基于晶閘管強(qiáng)制關(guān)斷的電流型逆變器(基本上已淘汰，本手冊不再介紹);自關(guān)斷器件的電流型PWM逆變器。3.直接變頻器：基于晶閘管電源自然換相的直接變頻〔常稱為交-變頻器(Cycloconvert-整流器用于把交流電變?yōu)橹绷麟?，本小?jié)討論基于整流二極管的不可控整流器和基于晶閘管相控的可控整流器。整流器的工作原理、聯(lián)結(jié)線路及基本電路參數(shù)(重疊角、換相電壓降、最小觸發(fā)超前角及最小觸發(fā)延遲角、整流電壓和電流計(jì)算、變壓器及電抗器計(jì)算、整流管和晶閘管計(jì)算等)已在第3和6章中介紹過，不再重復(fù)，本章僅討論用于交流調(diào)速時(shí)的特殊問題。1.直流輸出端接有大濾波電容的整流工況用于交-直-交變頻器前端的整流器的直流輸出端通常直接連接大容量濾波電容器(見圖7-1a),造成直流母線電壓被拾高，整流電流斷續(xù)，整流管導(dǎo)電時(shí)間縮短，流過整流管的電流及交流進(jìn)線電流波形變?yōu)閮蓚€(gè)很窄的尖脈沖電流波(見圖7-1b),給設(shè)備和電網(wǎng)帶來許多危害：圖7-1接電容負(fù)載的整流電路及波形●輸出同樣的直流平均電流，尖脈沖電流給整流管帶來的電流沖擊比120°方波電流大許多，增加整流器件的故障率。478電氣傳動自動化技術(shù)手冊●尖脈沖電流中含有巨大諧波成分，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低，僅0.6左右；諧波還影響接于同…電網(wǎng)的其他用電設(shè)備的工作。解決該問題必須增大整流管的導(dǎo)通角，增設(shè)交流進(jìn)線電抗器，或在儲能電容器與整流器之問增設(shè)直流平波電抗器，詳見本章7.3.4節(jié)中低壓電壓型交-直-交變頻器應(yīng)用部分。2.連接于異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的不可控整流器在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)中，三相橋式不可控整流器經(jīng)集電環(huán)與電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組相連接，把轉(zhuǎn)子交流電整流成直流電，然后經(jīng)逆變器回饋給電網(wǎng)。這種不可控整流器的工作原理與普通有整流變壓器的整流器相同，可以直接引用已有的整流理論，但兩者之間還存在…些差異：●在串級調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于整流變壓器的二次繞組，它感生的電動勢的幅值和頻率都與電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率s成正比，即式中Bpf?~—s=!(轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn))時(shí)的e,和f.。●和整流變壓器的漏感一樣，電動機(jī)繞組的漏感也導(dǎo)致?lián)Q相重疊，由于電動機(jī)的漏感值比變壓器的漏感值大，所以換相重疊角比普通整流大，對整流性能影響嚴(yán)重。●隨轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)差率減小，轉(zhuǎn)子電動勢減小，換相重疊時(shí)間加長，但由于轉(zhuǎn)子頻率也按比例減小，周期加長，使得換相重疊角u不隨轉(zhuǎn)速變化，式中ex——限抗電壓值(%);f.和I——整流輸出直流電流及其額定值。●重疊角u使轉(zhuǎn)子電流基波滯后轉(zhuǎn)子電動勢一個(gè)略大于u/2的電角度，影響電動機(jī)電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)；重疊角還使整流輸出電壓下降△u,相當(dāng)于在直流電路中增加一個(gè)等效電阻r。影響申級調(diào)速的機(jī)械特性，詳見木章7.4.1節(jié)。等效電阻r。(相對值)按下式計(jì)算：式中um~—s=1時(shí)的理想空載整流電壓，U=2.34em。3.輸出交流或周期脈動直流的可控整流裝置若可控整流器的移相控制信號是直流，則輸出的整流電壓、電流也是直流；若移相控制信號是交流或周期脈動直流，則整流輸出也將是交流或周期脈動直流。輸出交流的可控整流器稱為交-交變頻器。交-交變頻器可以接至電動機(jī)定子繞紐，也可經(jīng)集電環(huán)接繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，前者是交-交變頻調(diào)速，后者是雙饋調(diào)速方案之一，詳見本章7.3.2節(jié)和7.4,1.3節(jié)。本章7.3.3節(jié)介紹的負(fù)載自然換相電流型交-直-交變頻器中的前端可控整流器，低速時(shí)就工作在輸出周期脈動工況，見下面對LCI的介紹。4.基于晶閘管負(fù)載自然換相的電流型逆變器(LCI)這類電流型逆變器實(shí)質(zhì)上是晶闡管整流器的逆應(yīng)用(從直流電變換到交流電),工作于最大觸發(fā)延遲角anx>90°,其特點(diǎn)是負(fù)載為同步電動機(jī)，利用同步電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)在定子繞組中感生的交流電動勢，通過自然換相來關(guān)斷已導(dǎo)通的晶閘管。為確保安全換相，防止逆變顛覆，晶閘管的觸發(fā)脈沖必須超前交流電動勢最小觸發(fā)超前角β…,導(dǎo)致電動機(jī)定子電流超前電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于10%時(shí)，電動勢太低，不能安全關(guān)斷正在導(dǎo)通的晶閘管，則必須通過控制前端交-直變換側(cè)的可控整流器，產(chǎn)生周期脈7.2.2晶閘管交流調(diào)壓器晶削管交流調(diào)壓器接于交流電源和電動機(jī)之間，通過收變電動機(jī)輸入電壓來改變電動機(jī)的機(jī)械特性，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。交流調(diào)壓器的工作原理基于品閘管移相控制，兒種可能的三相交流圖7-2a為帶零線的三相調(diào)壓電iǐ-0230~60°成零序電流，不僅加大損耗，而且造Ao—a-0°30°60° 圖7-2h為不帶零線的三相調(diào)壓電C0路，最大移相范圍150°,三相對稱。a=030°60°雖有三次諧波電壓，但無通路，尤三·相雖有三次諧波電壓，但無通路，尤三·相圖7-2c為半控調(diào)壓電路，每相只Ar-u-03260^對稱，造成諧波電流中有奇次，也有Co—使電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減小，效率降低，e)Bc——C:]圖7-2常用三相交流調(diào)壓電路角形的三相調(diào)壓電路，其原理與圖7-及某一相輸出電壓波形2a相似，但同樣負(fù)載容量時(shí)，流過晶閘管的電流比圖7-2a小，承受的電壓高，存在三次諧波電流，且需電動機(jī)引出六個(gè)接線端，很少使用。圖7-2e使用器件最少，電路最簡單，屬于不對稱控制，負(fù)載上有偶次諧波，電動機(jī)輸出7.2.3脈寬調(diào)制(PWM)變流器基礎(chǔ)通和關(guān)斷，通過改變占空比D(開通時(shí)間與開關(guān)周期之比)來改變輸出電壓的變流器。這類PWM變流器有三類基本線路結(jié)構(gòu)：降壓型(Buck)、升壓型(Boost)和升降壓型(Buck-Boost)。480電氣傳動自動化技術(shù)手冊斷時(shí)間，周期T=tm+t;u,是開關(guān)S上的電壓。輸出電壓(一個(gè)開關(guān)周期的平均值)為●升壓型(Boost)變流器：升壓型變流器是降壓型的逆向應(yīng)用，如果降壓型變流器中的電流反流(能量回饋),它就變?yōu)樯龎汗ぷ鳌Ｉ龎盒妥兞髌鞯碾娐芳肮ぷ鞑ㄐ我妶D7-4。輸出電壓(一個(gè)開關(guān)周期的平均值)為圖中和公式中各變量及符號定義與降壓型相同。由于D≤1,所以U。≥U;?！裆祲盒?Buck-Boost)變流器：升降壓型變流器在調(diào)速系統(tǒng)中很少用，它的電路及工作波形見圖7-5。輸出電壓(一個(gè)開關(guān)周期的平均值)為壓極性與輸入電壓相反)。注意：由于在電源、負(fù)載及連接導(dǎo)線中都仔在電感，不允許電感電路中的開關(guān)在有電流時(shí)突然切斷。為此，在變流器設(shè)計(jì)時(shí)必須為電感安排續(xù)流通道，并且調(diào)制開關(guān)(S和S)只能…端接電感，另一端接電容。7.2.4用于調(diào)速系統(tǒng)的PWM變流器若輸入電源U、和產(chǎn)生占空比D的控制信號都是直流，則變流器的輸出U。也是直流，這類變流器稱為直流斬波器。最基本的斬波器是降壓斬波器，見圖7-6。若負(fù)載直流電動機(jī)只工作在電動狀態(tài)，無回饋(電流I?反流)工況，這時(shí)開關(guān)S為自關(guān)斷器件V1,而§為續(xù)流二極管VD2(見圖7-6a)。當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)，電感電流I?增加，蓄能；當(dāng)V1關(guān)斷時(shí)，電感經(jīng)二極管VD2續(xù)流，放能。若負(fù)載直流電動機(jī)存在制動狀態(tài)，有回饋(電流I反流)工況，這時(shí)開關(guān)S和§都必須是自關(guān)斷器件(V1和V2),且反并聯(lián)續(xù)流二極管(VD1和VD2),制動時(shí)V2和VD1工作。在很多開關(guān)器件中，已把自關(guān)斷器件和反并聯(lián)續(xù)流二極管封裝在一起。注意：若在V1和V2的開關(guān)過程中存在導(dǎo)通時(shí)間重疊，電源將被短路，造成開關(guān)器件過電流(“直通”故障):為避免該故障，在設(shè)計(jì)V1和V2的切換控制電路時(shí)需設(shè)置“死時(shí)”,先“關(guān)”后“通”,在“死時(shí)”期間，輸圖7-6直流降壓斬波器基于升壓電路的斬波器稱為升壓斬波器，見圖7-7。它也有無回饋工況和有回饋工況兩種電路：前者的開關(guān)§和§為自關(guān)斷器件V1和二極管VD2;后者的開關(guān)S和§為兩組帶有反并聯(lián)續(xù)流二極管的自關(guān)斷器件V1(VD1)和V2(VD2)。升壓斬波器一般用于電壓匹配，不直接圖7-7直流升壓斬波器a)無回饋]況b)有問饋工況482電氣傳動自動化技術(shù)手冊若降壓變流器的電源是直流U,=2E,而產(chǎn)生占空比D的控制信號是加人1/2偏置的交流則變換器輸出電壓(、個(gè)開關(guān)周期的平均值)u,=mE,sin(wt+0),它是幅值為mE、角頻率為w、相角為0的交流電壓，這時(shí)變流器成為單相電壓型逆變器，見圖7-8。由于交流輸出電流周期性地變換方向，該逆變器的兩組開關(guān)S和S應(yīng)是兩組帶有反并聯(lián)續(xù)流二極管的自關(guān)斷器件VI(VD1)和V2(VD2),電流正半波時(shí)流經(jīng)V1和VD2,電流負(fù)半波時(shí)流經(jīng)V2和VD1。為防山“直通”,在設(shè)計(jì)V1和V2的切換控制電路時(shí)需設(shè)置“死時(shí)”,在“死時(shí)”期間，輸出7.2.4.3電壓型PWM整流器電壓型PWM整流是電壓型逆變器的逆應(yīng)用，基于升壓變換電路，輸人是正弦交流電壓u,產(chǎn)生古空比D的控制信號也是正弦交流，即則輸出電壓(在一個(gè)開關(guān)周期的平均值)是直流電壓U。(>U),見圖7-9。該整流器的兩組開關(guān)也應(yīng)是兩組帶有反并聯(lián)續(xù)流二極管的自關(guān)斷器件V1(VD1)和V2(VD2),并在設(shè)計(jì)VI和V2的切換控制電路時(shí)需設(shè)置“死時(shí)”。PWM整流的特點(diǎn)：●輸出端接大濾波電容，輸出電壓U。是平真的直流，兩組開關(guān)連接點(diǎn)a的電壓是正弦電●輸入電流i;是流經(jīng)電感T.的電流，開關(guān)頻率的脈動??；由于u,和u。都是正弦波，所以i,在·個(gè)開關(guān)周期的平均值也是正弦波?！裼捎??=-j(U,-U)/(al.)(式中U;、U.和1,是正弦電壓、電流u?、u。和i;對應(yīng)的矢量),所以輸入電流i,的相位(與輸入電壓u,間所夾的功率因數(shù)角φ)和幅值可以通過改變占空比控制信號中的m和θ角來控制(見圖7-10),從而實(shí)現(xiàn)輸人電流的有功分量和無功分量的分別控制?！裨试S功率雙向流動：當(dāng)有功電流分量>0時(shí)，功率從交流電源流向直流負(fù)載；當(dāng)有功第7章交流調(diào)速傳動系統(tǒng)483分量<0時(shí)，功率從負(fù)載流向電源。PWM整流輸入電流、電壓矢量圖由于PWM整流具有上述優(yōu)良性能，常用作高性能交-直-交變頻器前端的交直變流器，稱把三個(gè)單相電壓型PWM逆變器組合起來，去掉中性線，就構(gòu)成一臺三相PWM逆變器，見圖7-11.把三個(gè)單相電壓型PWM整流器組合起來，去掉中性線，就構(gòu)成-臺三相PWM整流器，由于它是三相逆變器的逆應(yīng)用，所以它的電路和圖7-11一樣，只是輸入、輸出互換，輸人為串有進(jìn)線電感的三相交流電源，輸出為并有電容的把三相電壓型PWM逆變器和PWM整流器的直流側(cè)連接起來，就構(gòu)成一臺電壓型雙PWM交-直-交變頻器，見圖7-12。圖中左側(cè)為整流器，右側(cè)為逆變器。單相輸出零式矩陣變頻器見圖7-13,其輸入電源是三相交流電壓ua、u、uc,經(jīng)個(gè)PWM調(diào)制開關(guān)S、S、Sc,把負(fù)載周期性地、分時(shí)(無重疊接通情況)接至三相電源。若三相電源為圖7-13單相輸出零式矩陣變頻器484電氣傳動自動化技術(shù)手冊三個(gè)調(diào)制開關(guān)的占空比為可以證明，輸出電壓在一個(gè)開關(guān)周期的平均值也是正弦電壓式中U?！敵鲭妷悍担梢酝ㄟ^m調(diào)整，U…=mUm/2,時(shí));最大Um=時(shí));w?！敵鲭妷航穷l率，可以通過w。調(diào)整，w。=w;-gm;把三個(gè)單相輸出零式矩陣變頻器組合起來，去掉中性線，就構(gòu)成一臺三相輸出矩陣變頻器，見圖7-14,9個(gè)開關(guān)的調(diào)制規(guī)則基于式(7-11),只是B相和C相輸出的兩組開關(guān)的調(diào)制規(guī)則分別要移相-120°和+120°。三相輸出電壓(…個(gè)開關(guān)周期的平均值)為若三相負(fù)載是線性負(fù)載，則輸出電流為三相正弦電流，可以證明，這時(shí)二相輸入電流也足正弦，且與電動機(jī)同相(輸人功率因數(shù)=1),與負(fù)載功率因數(shù)無關(guān)，即和其他變換器-樣，為防止在調(diào)制開關(guān)斷開時(shí)，在電感中感應(yīng)高電壓，矩陣變頻器的調(diào)制開關(guān)也必須一端接電感，另一端接電容，通常輸入端接電容，輸出端接電感(見圖7-14)。當(dāng)能量從輸人流向輸出(電動狀態(tài))時(shí)，變頻器工作基于降壓變流電路；當(dāng)能量從負(fù)載返回(回饋工況)時(shí)，變頻器工作基于升壓變流電路。矩陣變頻器中的調(diào)制開關(guān)，既要在導(dǎo)通時(shí)允許電流雙向流動、又要在關(guān)斷時(shí)能承受雙方向電壓。為此，每個(gè)開關(guān)都需用兩個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的IGBT背靠背串聯(lián)，見圖7-15。調(diào)制開關(guān)的換相控制是矩陣變頻器的難題之一。在兩個(gè)開關(guān)換相過程中，既不能有重疊時(shí)間(重疊造成電源短路),又不能有導(dǎo)通間隙時(shí)問(間隙造成負(fù)載電感斷路，感生高電壓),既無重疊、又無間隙的控制要求很難實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在已經(jīng)有幾個(gè)解決辦法：叫步電流換相、兩步電流換相等。從開第7章交流調(diào)速傳動系統(tǒng)485關(guān)V到V的兩步電流換相過程見圖7-16,先檢測負(fù)載電流方向，只要電流方向?yàn)檎?見圖上述矩陣變頻器有理想的性能：輸出正弦電壓、輸入與電源電壓同相的正弦電流(功率因數(shù)=(μ=Umm/Um=0.5),而開關(guān)器件承受的電壓卻中加人適當(dāng)?shù)娜沃C波共模電壓cos(3w。t)和cos(3w、,t)來克服，使最大輸出電壓提高至μ=0.87,開關(guān)器件承受的電壓不變。實(shí)現(xiàn)的方法有多種，例如：空間矢量法、間接調(diào)制法等。加入共模電壓后，負(fù)載：電壓波形仍為正弦，不受共模電壓影響，但負(fù)載中性點(diǎn)和電源中性點(diǎn)電位不再相等，存在共模電壓的電位差。矩陣變頻器是一種有前途的變頻器，目前仍處于研發(fā)階段，尚未實(shí)用，正受到雙PWM交-直-交變頻器(它具有和矩陣變頻器同樣的優(yōu)良性能，H輸出電壓高(p=1),開關(guān)器件數(shù)少)的挑戰(zhàn)。在隨后本章7.3節(jié)交流調(diào)速系統(tǒng)的介紹中，將不再涉及矩陣變頻器。7.2.4.6三相電流型PWM整流器和PWM逆變器在單相輸出矩陣變頻器(見圖7-13)中，若控制信號的角頻率和輸人電源電壓的角頻率一樣w。=w;,則輸出電壓將變?yōu)橹绷?w=0),這時(shí)知陣變頻器變?yōu)殡娏餍蚉wM整流器。為提高輸出電壓，可把原來的零式電路改為橋式電路(見圖7-17),并修改調(diào)制規(guī)則為D?=M(u,t+a)D-=M(w;t+π+a)m——調(diào)制系數(shù)；1≥m≥-1可以證明輸出電壓為直流(一個(gè)開關(guān)周期的平均值),即是零式電路的3倍。輸入電流是三相正弦電流，同式(7-14),與輸人電壓同相，功率因數(shù)為若m>0,輸出電壓為正，電動工況，能量從電源流向負(fù)載，降壓變流；若m<0,輸出電壓為負(fù)，回饋工況，能量從負(fù)載流向電源，升壓變流。電動和回饋兩種工況，輸出電壓極486電氣傳動自動化技術(shù)手冊性相反，電流方向不變，調(diào)制開關(guān)僅承受雙向電壓，無雙向電流要求，因此調(diào)制開關(guān)簡化成單向開關(guān)(見圖7-17)。在此條件下，只要設(shè)置適當(dāng)?shù)闹丿B時(shí)間就能安全換相，簡化了換相控電流型PWM逆變器是電流型PWM整流器的逆應(yīng)用，兩者電路相同，只是輸入、輸出端互換。逆變器的輸入是串有電感的直流電源，輸出為并有電容的三相負(fù)載，基于升壓變流電路，調(diào)制規(guī)則同式(7-15),通常設(shè)定m=1,這時(shí)二相輸出電流為式中——直流輸入電流。把電流型PWM逆變器和PWM整流器的直流側(cè)連起來，就構(gòu)成…臺電流型雙PWM交-直-交變頻器，見圖7-18。圖中左側(cè)為整流器，右側(cè)為逆變器。7.3定子側(cè)交流調(diào)速系統(tǒng)定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)是一種通過收變定子電壓幅值(頻率不變),實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的調(diào)速系統(tǒng)。這類調(diào)速系統(tǒng)適用的電動機(jī)是異步電動機(jī)，使用的調(diào)壓裝置是在本章7.2.2節(jié)中介紹的晶閘管交流調(diào)壓器(從前曾用過飽合電抗器，現(xiàn)已淘汰)。7.3.1.1調(diào)壓調(diào)速特性異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為式中U、—-定子電壓幅值；r,和x?~—定子電阻和漏抗；r,和x?—-折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)予電阻和漏抗；o?和s-—同步機(jī)械角速度和轉(zhuǎn)差率、對應(yīng)不同的定子電壓，可以得到·組機(jī)械特性，見圖7-19。對于某一固定負(fù)載轉(zhuǎn)矩T,電動機(jī)將穩(wěn)定工作于a、b和c等轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。普通籠形異步電動機(jī)機(jī)械特性工作段的s很小，對恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，調(diào)速范圍很小，見圖7-19。但對于風(fēng)機(jī)和泵類機(jī)械，山于負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=kn2,即與轉(zhuǎn)速二次方成比例，采用調(diào)壓調(diào)速可以得到較寬的調(diào)速范圍，見圖7-20,在a、b和c三點(diǎn)都能穩(wěn)定工作。要擴(kuò)大恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的調(diào)速范圍，常朋高阻轉(zhuǎn)子電動機(jī)或轉(zhuǎn)子外接電阻(或頻敏變阻器)的繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī).高阻轉(zhuǎn)子電動機(jī)(如力矩電動機(jī))的調(diào)壓調(diào)速特性見圖7-21。低速工作時(shí)、特性很軟，工作不易穩(wěn)定，負(fù)載和電壓稍有波動，會引起轉(zhuǎn)速很大變化。為提高調(diào)速硬度、減小轉(zhuǎn)速波動，宜采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，其原理圖見圖7-22a,閉環(huán)控制特性見圖7-22b。假設(shè)系統(tǒng)原來工作于a點(diǎn)：開環(huán)工作時(shí)，若負(fù)載由Tu變到T?,由于U,不變，作點(diǎn)將由a點(diǎn)沿同-機(jī)械特性曲線移到b點(diǎn)，轉(zhuǎn)速變化很大；閉環(huán)工作時(shí)，負(fù)載由T變到T。在速度調(diào)節(jié)器ASR的作用下，轉(zhuǎn)速下降使U、增大，工作點(diǎn)將由a移至c,轉(zhuǎn)速變化減小，調(diào)速范圍可達(dá)1:10.圖7-20風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載調(diào)壓調(diào)速特性圖7-21高阻轉(zhuǎn)子電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速特性1.轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)是一種低效調(diào)速系統(tǒng)，隨轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)差率加大，大最轉(zhuǎn)差功率消耗在電動機(jī)轉(zhuǎn)子電阻或外加電限(或頻敏變阻器)上，究竟消耗了多少轉(zhuǎn)差功率是決定這類調(diào)速工作性能的重要因素。分析表明，轉(zhuǎn)差功率損耗與調(diào)速范圍在采用相對值計(jì)算及忽略定子電阻，定、圖7-22有轉(zhuǎn)速閉環(huán)的調(diào)壓調(diào)速特性式中e,、i,、T,和n——轉(zhuǎn)子電動勢、轉(zhuǎn)子電流、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速相對值；a——代表負(fù)載性質(zhì)的指數(shù)，α=0表示恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；α=1表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成化例；α=2表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速二次方成比例(風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載)。轉(zhuǎn)子電動勢相對值e,的基值是轉(zhuǎn)差率s=!(轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn))時(shí)的轉(zhuǎn)子電動勢Eo,所以e,=s;轉(zhuǎn)速相對值n的基值是理想空載轉(zhuǎn)速，所以n=(1-s)。把上述關(guān)系代入式(7-19)和式(7-20),則轉(zhuǎn)差功率為 轉(zhuǎn)差功率相對值△p的基值是P-ma=EmI≈P、損耗系數(shù)，式中/為轉(zhuǎn)子額定電流。(電動機(jī)額定功率),所以它義稱為轉(zhuǎn)差功率488電氣傳動自動化技術(shù)手冊不同負(fù)載特性(不同α值)時(shí)的△p曲線見圖7-23。由曲線可看出，在α=2時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)最小，所以調(diào)壓調(diào)速較適合用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載則不2.諧波對電動機(jī)運(yùn)行的影響晶閘管調(diào)壓裝置的輸出電壓、電流都是非正弦波，含有大量諧波，影響電動機(jī)出力，(I)諧波使電動機(jī)損耗加大；(2)只有基波電流產(chǎn)生工.作轉(zhuǎn)矩，諧波電流會帶來阻轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)矩脈動。在使用晶閘管調(diào)壓調(diào)速時(shí)，考慮諧波影響，電動機(jī)需適當(dāng)增加容量，在s=0.33時(shí)，增加的百分比如下：調(diào)壓器電路三相Y聯(lián)結(jié)(圖7-2b)三相YN聯(lián)結(jié)(圖7-2a)三相不對稱Y聯(lián)結(jié)(圖7-2c)零點(diǎn)△聯(lián)結(jié)(圖7-2e)含S調(diào)壓調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是簡單，便宜，使用維修方便；主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)差功率損耗高，效率低，諧波大。調(diào)壓調(diào)速主要用于軟起動，參見第5章。在一些容量不大、調(diào)速范圍不寬、精度要求不高(一般為3%)、連續(xù)工作時(shí)間不長的設(shè)備中也可以采用調(diào)壓調(diào)速，例如起重機(jī)械、風(fēng)機(jī)和泵類機(jī)械等。隨變頻調(diào)速等高效調(diào)速技術(shù)發(fā)展，調(diào)壓調(diào)速真正用來調(diào)速，而不是軟起動的場合越來越少?；诰чl管移相控制的交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種適用于大功率(3000kW以上)、低速(600r/min以下)場合的調(diào)速系統(tǒng)，在大型軋機(jī)主傳動、礦井提升、礦石破碎、船舶推進(jìn)等設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。交-交變頻調(diào)速電動機(jī)可以是同步電動機(jī)或異步電動機(jī)，兩者的比較及對它們的要求請參見第2章2.3.1節(jié)“電動機(jī)的選擇”。1.單相輸出交-交變頻器原理單相輸出交-交變頻器見圖7-24。它實(shí)質(zhì)上是--套三相橋式無環(huán)流反并聯(lián)的可逆整流裝置，只是其觸發(fā)移相控制信號un是幅值和頻率可變的交流信號，相應(yīng)的整流輸出電壓也是幅值和頻率可變的交流電壓，以實(shí)現(xiàn)變頻。裝置中晶閘管的關(guān)斷通過電源交流電壓的自然換相來實(shí)現(xiàn)。這種變頻器無中間直流環(huán)節(jié)，故稱為交-交直接變頻器。輸出端接感性負(fù)載的交-交變頻器的輸出電壓和電流波形見圖7-25。一個(gè)周期的波形可以分為6段：(1)u?>0,i。<0,變流器工作于第二象限，反向組逆變。(3)u>0,i?>0,變流器工作于第一象限，正向組整流。(4)u?<0,i?>0,變流器工作于第四象限，正向組逆變。第7章交流調(diào)速傳動系統(tǒng)489(6)u。<0,i。<0,變流器工作于第三象限，反向組整流。如果輸出電壓、電流之間的相位差φ<90°,能量從電網(wǎng)流向負(fù)載；如果q>90,能最從負(fù)載流向電網(wǎng)，負(fù)載電動機(jī)可以四象限工作。在每一個(gè)輸出周期中，有兩次電流過零，存在兩個(gè)無環(huán)流死區(qū)時(shí)間(簡稱為“死時(shí)”),“死時(shí)”的長短對輸出波形影響很大，若最高輸出頻率為20Hz,·個(gè)周期長50ms,要求每個(gè)死時(shí)小于2ms2.三相輸出交-交變頻器原理三相輸出交-交變頻器由輸出電壓彼此差120的三會單相輸出交-交變頻器組成。主電路有兩種接線方式：公共交流母線方式和輸出Y聯(lián)結(jié)方式，見圖7-26和圖7-27。輸出Y聯(lián)結(jié)的三相輸出交-交變頻器有兩個(gè)特點(diǎn)：(1)觸發(fā)脈沖需大于30°。出于變頻器輸出中性點(diǎn)不與負(fù)載中性點(diǎn)相連接，所以至少要有兩個(gè)橋、四個(gè)品閘管同時(shí)有觸發(fā)脈沖才能建立電流，為此要求觸發(fā)脈沖為雙脈沖，且寬度大(2)可利用直流偏置和(或)交流偏置技術(shù)提高裝置出力及改善電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。 490電氣傳動自動化技術(shù)手冊輸出Y聯(lián)結(jié)三相交-交變頻器的等效電路見圖7-28。由于變頻器中性點(diǎn)不與負(fù)載中性點(diǎn)相連接，如果變頻器輸出的一個(gè)相電壓n、tg、uπ中含有同樣的直流分量或二次諧波分量，均不會在線電壓中反映出來，而輸出到負(fù)載」。負(fù)載電動機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，變頻器輸出電壓很低，三套整流裝置都工作于深控區(qū)域，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)差。如果三個(gè)相電壓中都含有同樣的直流分量，觸發(fā)延遲角α減小，既政善功率因數(shù)，又不影響電動機(jī)運(yùn)行。這種技術(shù)稱為“直流偏置”,由于實(shí)現(xiàn)起來較麻煩，很少使用。負(fù)載電動機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，變頻器輸出地壓高，如果使變頻器輸出相電壓中含有適當(dāng)?shù)拇沃C波、使之變成圖7-29所示的準(zhǔn)梯形波，能獲得如下好處；●準(zhǔn)梯形波的幅值比基波幅值低15%,而電動機(jī)端僅接收基波，所以負(fù)載相電壓幅值提高15%(出力提高)?！褚粋€(gè)輸出周期中，整流裝置較長時(shí)間.1.作在高輸出電壓區(qū)域，變頻器電網(wǎng)側(cè)平均功率因數(shù)也提高15%。這種技術(shù)稱為“交流偏置”,實(shí)現(xiàn)容易，效果好，被廣泛應(yīng)用。公共交流母線方式的三套單相輸出交-交變頻器通過進(jìn)線電抗器接至50Hz公共交流母線，三組輸出必須相7.隔離，電動機(jī)的三個(gè)繞組需分開，引出六根線。這種方式的特點(diǎn)是：(1)只需一臺電源變壓器，簡單、經(jīng)濟(jì)，(2)三套單相變頻器完全獨(dú)立，相互影響小，觸發(fā)脈沖為雙窄脈沖。(3)許多交-交變頻調(diào)速電動機(jī)的電壓為1600～1700V,屬中壓范疇，變頻器及引線都需滿足中壓規(guī)范要求。采用公共交流母線方式后，變頻器及引線對地電壓為相電壓，小于1000V,屬低壓范疇，執(zhí)行低壓規(guī)范。(4)使用準(zhǔn)梯形波后，三次諧波電壓將加至電動機(jī)繞組，但若電動機(jī)是隱極電動機(jī)，這種二次諧波也不會對電動機(jī)運(yùn)行帶來影響：3.交-交變頻器輸出頻率上限交-交變頻器輸出電壓、電流波形(見圖7-25)中，除基波外，還含有許多諧波，產(chǎn)生這些諧波的原因有兩個(gè)：(1)交-交變頻器的輸出波形是可控整流波形，含有較大諧波，輸出頻率越高，每周期中波動數(shù)越少，諧波比例越大。(2)無環(huán)流“死時(shí)”,使電流過零不平滑，帶來低次諧波，輸出頻率越高，每周期中“死時(shí)”占的比例越大，諧波比例越大。通常用兩個(gè)指標(biāo)評價(jià)諧波大?。狠敵鲭娏骰兟蔇F和電動機(jī)轉(zhuǎn)矩相對脈動率△T。根據(jù)第7章交流調(diào)速傳動系統(tǒng)491仿真結(jié)果表明，若限制DF≤20%,AT≤30%,則在使用6脈波可控整流、死時(shí)為2ms時(shí)，最大輸出頻率fm=16.7Hz,輸出頻率f.超過上述f.值后，DF和△T快速增加。476.2mm(*3in)晶閘管、風(fēng)冷、6脈波可控整流柜用于交-交變頻時(shí)，每柜輸出最大峰值電流/與頻率f,的關(guān)系見圖7-30。f>16～20Hz后，隨f,增加，諧波電流加大，急驟下降，裝置出力減小，因此交-交變頻器最大輸出頻率被限制為同樣的晶聞管整流裝置，用于交-交變?yōu)橛糜谧冾l時(shí)，每個(gè)晶閘管僅在半個(gè)周期中工作，另半個(gè)周期不工作，即使在工作半周內(nèi)流過管子的電流也時(shí)大時(shí)小。令它們之比為交-交變頻器電流輸出增大系數(shù)，即該系數(shù)與品閘管和散熱器的規(guī)格和型式、柜子和風(fēng)道結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，每種特定的整流柜有…·條自己的曲線，該曲線是交-交變頻器電流計(jì)算的基礎(chǔ)。按圖7-30,Kc≈1.3。4.交-交變頻器電網(wǎng)側(cè)電流諧波和功率因數(shù)交-交變頻器電網(wǎng)側(cè)電流中含有許多由可控整(1)和直流系統(tǒng)一樣的特征諧波f?=(pm±1)f;(2)按輸出頻率f,移相造成的旁頻諧波f?=[(pm±)f?±6f。±[fi±6lf。!m和l——正整數(shù)1、2…;在直流f.=0時(shí)，只有特征諧波(5、7、11、13等次),無旁頻諧波；在交流fo≠o時(shí)，旁頻諧波出現(xiàn)，且隨頻率f。增加，特征諧波幅值減小，旁頻諧波幅值加大。由于輸入電流為非正弦波，在計(jì)算電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)時(shí)采用一種更普遍的定義，即功S-—視在功率S=√3U;I;(U?、1;為輸入線電壓、電流有效值)。影響交-交變頻器輸人功率因數(shù)的因素有兩個(gè)：(1)和輸出電壓幅值Um與變頻器輸出最大整流電壓(理想空載直流電壓)Um之比成492電氣傳動自動化技術(shù)手所(2)負(fù)載電動機(jī)的功率因數(shù)cosg越低，à越差，這是因?yàn)樵谳敵鐾瑯拥碾妷骸㈦娏鞣登闆r下，cosq越低、電流瞬時(shí)值大時(shí)，對應(yīng)的電壓瞬時(shí)值低，而電壓高時(shí)對應(yīng)的電流小。三相輸出交-交變頻器的輸入功率因數(shù)λ與Um及cusg的關(guān)系見圖7-31。在采用準(zhǔn)梯形波相電壓時(shí)，最大輸出電壓基波幅值Um=1.15U/mm,K=1。山圖7-31看出，相輸出交-交變頻器的輸人功率因數(shù)和直流因數(shù)曲線族是交-交變頻器無功功率計(jì)算的基礎(chǔ)。若交-交變頻器的負(fù)載是容性的，例如負(fù)載同步電動機(jī)工作在超前區(qū)，變頻器輸入功率因數(shù)仍為感性，負(fù)載超前的無功功率不僅不能通過變頻器送到電網(wǎng)，不能補(bǔ)償變頻器本身產(chǎn)生的無功功率，反而和感性負(fù)載一樣降低輸入功率因數(shù)。負(fù)載同步電動機(jī)最好工作在cosφ=1狀態(tài)。交-交變頻的無功補(bǔ)償及諧波治理參見本于冊K角an=0條件下，交流變頻器輸出最大可能的交流線電壓有效值(理想空載交流輸出電壓)為式中一·整流變壓器二次線電壓有效值；K?—-交流偏置提高輸出電壓系數(shù)，采用交流偏置時(shí)，K,=1.15;不采用時(shí)，K,=1:比動機(jī)額定電壓(線電壓有效值)為式中K,---電網(wǎng)側(cè)(包括整流變壓器)線路阻抗引起的壓降系數(shù)；K—-電動機(jī)側(cè)線路壓降及晶間管壓降系數(shù)；K,——調(diào)節(jié)裕量系數(shù)，通常K,=0.95,有5%的調(diào)節(jié)裕量；K,——電網(wǎng)壓降系數(shù)，若調(diào)節(jié)系統(tǒng)弱磁點(diǎn)用不穩(wěn)樂整流電源設(shè)定，電網(wǎng)電壓降低，輛由于線路壓降很難精確計(jì)算，通常近似取(K。K、K,K,K,)=1/1.25、則若進(jìn)行精確計(jì)算，請參閱參考文獻(xiàn)[2]。變壓器容量第7章交流調(diào)速傳動系統(tǒng)493式中1一電動機(jī)額定電流。2.晶倒管電壓、電流計(jì)算(1)品閘管電壓裕量校驗(yàn)晶閘管電壓裕量為式中U?x-一-晶阿管額定電壓；Ua-—變壓器一次線電壓有效(2)晶閘管并聯(lián)支路數(shù)計(jì)算在大功率可控整流裝置中，晶剛管常并聯(lián)工作，且多采用橋并方式，并聯(lián)支路數(shù)計(jì)算也就是并聯(lián)橋數(shù)N的計(jì)算，即式中!——電動機(jī)最大電流有效值；K-一均流系數(shù)；l--年橋額定電流，式(7-30)右側(cè)計(jì)算值一般不是整數(shù)，N取一個(gè)比它大的整數(shù)。每橋額定電流T與晶前管規(guī)格、散熱器形式、柜子結(jié)構(gòu)、冷卻條件、變頻器輸出頻率范圍等有關(guān)(參見圖7-30):m值通過用熱阻計(jì)算溫升，按品間管結(jié)溫不超過120℃得到，最后由整流機(jī)出力試驗(yàn)確認(rèn)。用熱阻計(jì)算溫升方法參見本手冊中第6章中6.2.3.2節(jié)“晶閘管通態(tài)平均電流I::的選擇”。7.3.2.3交-交變頻器的控制交-交變頻器用于大功率傳動，對控制要求較高，基本上都用矢量控制技術(shù)，要求變頻器輸出電流快速、準(zhǔn)確地跟隨給定交流信號變化——電流控制。1.單相輸出交-交變頻器的電流控制單相輸出交.交變頻器的電流控制系統(tǒng)和直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電流控制系統(tǒng)基本相同，見圖7-32。它的工作原理在本手冊第6章6.1.4.3節(jié)“電樞回路晶閘管可逆系統(tǒng)”中已介紹過，本節(jié)只說明用于交-交變頻后的特點(diǎn)。(1)電流給定信號i;、電壓前饋(預(yù)控)給定信號u。、電流實(shí)際(2)電壓前饋(預(yù)控)的作用有●消除交流電流調(diào)節(jié)帶來的滯后，使i。無滯后地跟隨其給定i變●實(shí)現(xiàn)有準(zhǔn)備無環(huán)流切換，減(3)為滿足無環(huán)流“死時(shí)”小于2ms的要求，采取了下列措施；●使用靈敏的光電零電流檢測器，通過檢測晶閘管管壓降來判定主電路是否有電流；●使用快速換向邏輯環(huán)節(jié)，把兩級延時(shí)的總時(shí)間減至1msel2](4)使用電流斷續(xù)補(bǔ)償，減小電流過零前后電流斷續(xù)帶來的“死時(shí)”,使電流過零平滑。2.二相輸出交-交變頻器的電流控制三相輸出交-交變頻器的電流控制電路山三套單相電流控制電路控構(gòu)成：在單相電流控制電路中，電流調(diào)節(jié)器是PI調(diào)節(jié)器，它的積分部分能消除低頻電流誤差。二相輸出變頻器有三套電流調(diào)節(jié)，當(dāng)變頻器主電路丫聯(lián)結(jié)時(shí)，三相電流之和一定等于零，個(gè)電流不能獨(dú)立被調(diào)節(jié)，因此電流調(diào)節(jié)器不能用PI結(jié)構(gòu)，只能用P調(diào)節(jié)，允許誤差存在。為減小電流誤差，采取下列措施：(1)在正確的電壓前饋(預(yù)控)和電流斷續(xù)補(bǔ)償作用下，電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓近似為零，相應(yīng)輸入誤差也很小。(2)把一相電流信號ig、ig、i,通過坐標(biāo)變換(坐標(biāo)變換將在本章隨后7.5.2.6節(jié)巾介紹)變換成磁化分量in和轉(zhuǎn)矩分量iy兩個(gè)直流信號，然后與磁化電流給定i和轉(zhuǎn)矩電流給定z相比較，它們的誤差經(jīng)兩個(gè)ADCR(積分調(diào)節(jié)器)輸出兩個(gè)直流校正信號△u和△ug,它們與真流電壓給定信號ug和u疊加后，再通過坐標(biāo)變換，變成三個(gè)交流電壓給定信號un、u;、u;,作為電壓前饋補(bǔ)償值，通過電壓預(yù)控消除三相電流誤差，整個(gè)三相電流控制圖7-33三.相電流控制電路電路見圖7-33。圖中兩個(gè)積分調(diào)節(jié)AACRb-3-交流電流調(diào)節(jié)器ADCR1、2—直流電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器稱為交流電流調(diào)節(jié)器。經(jīng)坐標(biāo)變換后三個(gè)不獨(dú)立的交流變量變成兩個(gè)獨(dú)立的直流變量，因此可以用兩個(gè)積分調(diào)節(jié)器分別控制，使兩個(gè)直流量的靜差為零。在圖中，二個(gè)交流電流給定信號i、is、ir也是從它們的磁化和轉(zhuǎn)矩分量經(jīng)坐標(biāo)變換獲得的。經(jīng)這樣安排，總的電流調(diào)節(jié)仍是PI調(diào)節(jié)，只是P和I被安排在不同地方。三相電流控制的另一個(gè)問題是如何實(shí)現(xiàn)交變頻，有一種簡單方法，它不用另外注入3倍頻信號，而是利用晶剛管整流移相特性的非線性來實(shí)現(xiàn)交流偏置。觸發(fā)控制電壓uwR(電壓前饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)器AVR輸出)、移相特性圖7-34準(zhǔn)梯形波形成及變頻器輸出相電壓u,幽線見圖7-34。若輸入控制電壓是正弦電壓μv,經(jīng)非線性移相特性映射，則輸出相電壓u。為準(zhǔn)正弦波。隨控制電壓um幅值增加，準(zhǔn)梯形波頂部平頂寬度增第7章交流調(diào)速傳動系統(tǒng)4957.3.3晶閘管負(fù)載自然換相電流型交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)晶閘管負(fù)載自然換相電流型交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)(LCI)也稱為無換器電動機(jī)系統(tǒng)，是·種適用于大功率(3000kW以上)、高速(600r/min以上)、中壓(3～10kV)場合的同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，在大型風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等設(shè)備中得到應(yīng)用，它有時(shí)也用來作為巨型同步電動機(jī)(>10MW)的軟起動裝置。它的缺點(diǎn)是過載能力低(120%左右),宜拖動平穩(wěn)負(fù)載。近年來，隨PWM型中壓變頻器的發(fā)展，LCI系統(tǒng)受到很大挑戰(zhàn)，特別是在容量小于5MW場合。7.3.3.11.CI變頻調(diào)速基礎(chǔ)1.LCI變頻原理品閘管負(fù)載自然換相電流型交-直交變頻器(LCI)主電路見圖7-35。圖中，變流器的右側(cè)L1是晶閘管負(fù)載自然換相電流型逆變器，左側(cè)UR是晶閘管可控整流器，中間L是直流平波電抗器，負(fù)載MS是同步電動機(jī)。整流器R用以控制直流電流I,它與電動機(jī)轉(zhuǎn)矩T。成比例。逆變器L3中的六個(gè)品閘管順序、交替導(dǎo)通，每個(gè)品閘管導(dǎo)通120°,使得流向負(fù)載電動機(jī)的電流為三相交流、120°寬、幅值為I的方波，UI中晶閘管導(dǎo)通后、靠負(fù)載同步電動機(jī)感生的交流反電動勢，通過自然換相來關(guān)斷，稱為負(fù)載自然換相。低速(<10%nx)時(shí)，電動機(jī)反電動勢很圖7-35ICI變頻主電路 圖7-36LCl系統(tǒng)四象限運(yùn)行狀態(tài)圖496電氣傳動自動化技術(shù)手冊變狀態(tài)，待/下降至零后，關(guān)斷逆變器中的晶閘管。為加快I。下降過程，常在電抗器L兩端并聯(lián)一個(gè)品閘管(見圖7-35中虛線部分),在I?下降時(shí)，它導(dǎo)通，短路電抗器，加快下降速率；在1上升時(shí)，電抗器1.上電壓左正、右負(fù)，將它關(guān)斷，電抗器L投入。調(diào)速系統(tǒng)可以四象限工作，整流器UR和逆變器UI在四象限的工作狀態(tài)見圖7-36,第一、象限為電動工況，WR整流，I逆變，中間直流電壓為正；第二、四象限為回饋制動工況，UR逆變，UI整流，中間直流電壓為負(fù)。在所有四個(gè)象限中，直流電流的流向不變。2.LCl中逆變器的換相為保證逆變器可靠地自然換相，必須使電動機(jī)的相電流超前相電動勢一個(gè)電角度，稱為換相超前角，見圖7-37:圖7-37中，Y?為電動機(jī)空載時(shí)換相超前角；γ為電動機(jī)負(fù)載時(shí)的換相超前角；8為負(fù)載時(shí)引起的功角(電動機(jī)負(fù)載電壓比空載電作前移的角度),μ是換相重疊角：為使晶閘管可靠關(guān)斷，必須使負(fù)載時(shí)晶閘管承受反電壓的角度(換相剩余角)為式中o——逆變器最大工作角頻率；y?角太大，在同樣電流下電動機(jī)轉(zhuǎn)矩減小。實(shí)用上，電壓和相電流波形式(7-31)中的δ和u隨負(fù)載電流增加而增大，在電動機(jī)勵(lì)磁電流不變情況下，&和u隨負(fù)載電流1變化的關(guān)系見圖7-38。在低速電流斷續(xù)換相時(shí),為加大轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩脈動，γ。角設(shè)置為0°或180°,見圖7-36。y?角大，限制了系統(tǒng)的過載能力，儀為120%左右。要想提高過載能力，可以采用下列改進(jìn)方法：(1)Yu自動調(diào)整使γ?角隨負(fù)載電流增加而增大，可維持y-u在一定范圍內(nèi)保持恒定，從而提高過載能力，但γ。角不宜過大(2)減小功角δ通過加裝補(bǔ)償繞組或串勵(lì)繞組來減小功角δ,流1變化的關(guān)系提高過載能力，但電動機(jī)復(fù)雜，價(jià)高。(3)減小換相重疊角u通過減小電動機(jī)漏抗來減小換相重疊角u,提高過載能力，但小漏抗電動機(jī)尺寸短、粗，慣量大，價(jià)高、(4)隨負(fù)載加大而增加勵(lì)磁在γ?角確定情況下，隨負(fù)載加大而增大勵(lì)磁，可使換相極限右移(見圖7-39),從而提高過載能力，但受磁路飽和限制。7.3.3.2LCI變頻器主電路參數(shù)計(jì)算J.C7變頻器中整流器UR的計(jì)算(整流變壓器二次電壓、電流計(jì)算，直流平波電抗器計(jì)算，晶閘管電壓、電流計(jì)算等與晶閘管直流調(diào)速的主電路計(jì)算相同，見第6章6.2節(jié)“晶閘管變流器主電路參數(shù)計(jì)算”,這里不再重復(fù)，只是計(jì)算中：第7章交流調(diào)速傳動系統(tǒng)497();人●由于存在逆變工況，最小觸發(fā)延遲角α取25°~30°;();人●電抗器計(jì)算時(shí)，按限制電流脈動和按最小連續(xù)電流兩種方法計(jì)算，電流脈動率取10%~15%,最小連續(xù)電流取額定直流電流的10%。在進(jìn)行整流器LR計(jì)算前，需根據(jù)電動機(jī)數(shù)據(jù)先計(jì)算直流電壓、電流值：額定直流電壓//A//A式中U、、1,—電動機(jī)額定線電壓、電流；圖7-39換相極限y—換相超前角，y=γo-δ(見圖7-37);u——換相重疊角；n——每橋臂晶閘管串聯(lián)數(shù)；U——每個(gè)晶閘管壓降：7.3.3.3LCI變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制1.同步電動機(jī)的自擦變頻同步電動機(jī)自控變頻的特點(diǎn)是在電動機(jī)軸上裝有一臺轉(zhuǎn)子位置檢測器，由它發(fā)出的信號控制變頻裝置的逆變器換相，電動機(jī)每轉(zhuǎn)360°電角度，逆變器I換相一周(6次),從而使同步電動機(jī)的供電頻率與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率同步，消除了同步電動機(jī)失步的可能，見圖7-40。由于換和山轉(zhuǎn)子位置控制，類似直流電動機(jī)的換向器，所以同步電動機(jī)的LCl變頻調(diào)速系統(tǒng)又稱為無換向器電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。檢測轉(zhuǎn)子位置的方法有直接式和間接式兩種：直接式用裝于電動機(jī)軸上的位置傳感器檢測；問接式通過檢測定子繞組電壓來檢測轉(zhuǎn)子位置。用位置傳感器直接檢測轉(zhuǎn)子位置，精度和可靠性高，被廣泛采用、常用的位置傳感器有下列兒種：(1)接近開關(guān)方式利用旋轉(zhuǎn)盤和接近開關(guān)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)盤上槽口和接近開關(guān)距離不同發(fā)出三相位置信號；(2)光電方式有輸出三相位置信號的光電編碼器系(3)電磁方式利用旋轉(zhuǎn)盤和磁敏元件，根據(jù)旋轉(zhuǎn)盤上槽11和磁敏元件距離不同發(fā)出三相位置信號。間接式位置檢測基于檢測電動機(jī)定子電壓過零點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是測出的位置角中已含有功角8,容易使運(yùn)行中的有效超前角恒定，但只能用于有感應(yīng)電動勢(電動機(jī)已經(jīng)旋轉(zhuǎn))工況。圖7-41是-種電壓檢測電路，圖中有源二階低通濾波用以消除電壓信號中由換相引起的擾動。在電動機(jī)起動初期，間接位置檢測不能正確工作，這時(shí)逆變器的換相從自控改為他控，外設(shè)他控頻率從零慢慢升起，待電壓檢測能正常工作后再改間自控。電壓傳感器電壓傳感器電民傳感器電壓傳感器倍頻器NALCB濾波器附離放大器圖7-41電壓檢測電路2.LCl變頻調(diào)速控制系統(tǒng)框圖LCl變頻調(diào)速控制系統(tǒng)框圖見圖7-42。URCl-給定積分器ASR一速度調(diào)節(jié)器BAV絕對值變換器BC—電流變換器ACR—電流調(diào)節(jié)器GT1·整流移相觸發(fā)器GT2一逆變觸發(fā)器PSE—轉(zhuǎn)速差及正反轉(zhuǎn)狀態(tài)檢測環(huán)節(jié)PET—電動、制動檢測環(huán)節(jié)PHS一高、低速檢測環(huán)節(jié)AHS—運(yùn)行狀態(tài)合成環(huán)節(jié)AGD—γ。脈沖分配器ACR—γ。調(diào)節(jié)器BQ一位置檢測變換器BS—轉(zhuǎn)速變換器整個(gè)框圖分為兩部分：點(diǎn)劃線框外部分是調(diào)速控制部分，通過控制可控整流器UR米實(shí)現(xiàn)；點(diǎn)劃線框內(nèi)部分是自同步控制及逆變運(yùn)行狀態(tài)切換部分，通過控制逆變器UI來實(shí)現(xiàn)。和直流調(diào)速系統(tǒng)一樣，LCI變頻調(diào)速控制部分由兩個(gè)環(huán)構(gòu)成：外環(huán)是速度環(huán)，從速度調(diào)節(jié)器ASR輸出真流電流給定信號；內(nèi)環(huán)是直流電流環(huán)，從電流調(diào)節(jié)器ACR輸出UR的移相控制信號，由于直流電流近似比例于電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，所以這個(gè)內(nèi)環(huán)實(shí)質(zhì)上是近似的轉(zhuǎn)矩環(huán)。直流電 第7章交流調(diào)速傳動系統(tǒng)499流實(shí)際值信號，用電流五感器測量進(jìn)線交流電流，經(jīng)電流變換器BC獲得；速度實(shí)際值信號來自速度傳感器TG,經(jīng)速度變換器BS獲得。由于正、反轉(zhuǎn)時(shí)，直流電流極性不變，所以在輸出和輸入之問，加入一個(gè)絕對值變換器BAV。自同步和運(yùn)行狀態(tài)切換(斷續(xù)換相和負(fù)載自然換相切換)部分由下列幾個(gè)環(huán)節(jié)組成：轉(zhuǎn)速差及正反狀態(tài)檢測環(huán)節(jié)PSE,電動、制動檢測環(huán)節(jié)PET,高、低速檢測環(huán)節(jié)PHS,運(yùn)行狀態(tài)合成環(huán)節(jié)ARS,Y?脈沖分配器AGD,Y?調(diào)節(jié)器AGR,位置檢測變換器BQ。7.3.3.4CC/LCI混合變頻交-交變頻調(diào)速(CC)的特點(diǎn)是晶閘管電源自然換相，輸出電流正弦波，轉(zhuǎn)矩脈動小，但輸出頻率受限制，低于20Hz。LCl變頻調(diào)速的特點(diǎn)是晶閘管負(fù)載自然換相，輸出頻率不受限制，但輸出電流方波，轉(zhuǎn)矩脈動大，低速時(shí)電動機(jī)電壓低，不能可靠自然換相。德國公司開發(fā)了一種CC和ICI結(jié)合在一起的CC/LCI混合變頻調(diào)速系統(tǒng)，成功地用于軋機(jī)主傳動。低速(<12.5Hz)時(shí)，按CC模式工作；高速(>12.5Hz)時(shí)，按LCI模式工作，既解決CC不能高速，又解決LCI不能低速的問題，輸出頻率范圍為0～60Hz或更高。CC/LCI混合變頻主電路及按CG工作時(shí)的電流波形見圖7-43。它由兩套晶閘管交-直-交變頻器組成。低速(<12.5Hz)時(shí)，混合變頻器按CC模式工作，通過控制兩組整流橋，使兩個(gè)直流電流ia?和im為相位差π/3的三角電流波，每個(gè)電流在一個(gè)輸出周期中有三個(gè)三角電流波，每個(gè)三角電流波持續(xù)2π/3,它的前半部分按sin(0~60)曲線上升，后半部分按sin(120°~180°)曲線下降，峰值為1,通過兩個(gè)逆變橋晶閘管切換，在輸出端合成得幅值為1的三相正弦電流ig、ig、ire以i為例說明合成過程，見表7-1。逆變橋晶閘管關(guān)斷靠電流ia、ig降至零實(shí)現(xiàn)，屬自然換相。區(qū)問0~π/3~4π/3晶閘管號通斷高速(>12.5Hz)時(shí)，混合變頻器按LCI模式工作。這時(shí)ia=i=l?/2,兩套并聯(lián)工作總輸出電流幅值是1?、寬120°的方波，雖然含有5次、7次諧波，但頻率已高，對電動機(jī)運(yùn)行定子側(cè)低壓(<1000V)交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種應(yīng)用最廣泛的交流調(diào)速系統(tǒng)。低壓交-直-交變頻有電壓型和電流型兩類。由于缺少能承受反向電壓的電力電子器件及中間直流回路中的電抗器大、低效等原因，低壓電流型交-直-交變頻器很少應(yīng)用(曾在少量電梯傳動中用過),現(xiàn)在兒乎所有低壓交-直-交變頻器都是電壓型的，本節(jié)只介紹電壓型。電壓型交-直-交變頻器曾有多種結(jié)構(gòu)型式(例如：6拍方波逆變、PWM正弦波逆變等),也曾使用過多種電力電子器件(例如：晶閘管、電力B?T、IGBT等),但現(xiàn)圖7-44一角載波比較法框圖在這類變頻器幾乎全是基于IGBT的PWM變頻器，木節(jié)也將限于這類變頻調(diào)速。電壓型pWM逆變器的原理在本章7.2.4.2節(jié)中已介紹過，只要占空比D是幅值、頻率和相角可調(diào)，且加人1/2偏置后的正弦信號，則逆變器輸出電壓(一個(gè)開關(guān)周期平均值)是具有同樣頻率和相位，H幅值與占空比信號幅值成比例的正弦電壓。本節(jié)討論P(yáng)WM的實(shí)現(xiàn)方法。1.…角載波比較法(電壓正弦法)三角載波比較法(電壓正弦法)的原理框圖見圖7-44。三相挖制信號um、un、u與三角載波信號u,比較，得到三個(gè)開關(guān)最信號μm、μ、ua分別去控制逆變器中的三組開關(guān)器件。三相控制信號、三角載波及逆變器三相輸出電壓波形見圖7-45。該方法的缺點(diǎn)是輸出電壓低，坡大輸出相電壓幅值=E;=Ua/2(U?為直流母線電壓),若直流電源電壓Ua來自二極管整流，則變頻器最大輸出電壓=0.827×輸入電壓，即變頻器進(jìn)線為380V時(shí)，最大輸出只有314V。這個(gè)缺點(diǎn)可以用交流偏置技交-交變頻器原理”)來解決。在一相控制信號中注入適當(dāng)?shù)娜沃C波，使其成為準(zhǔn)梯形波，則相應(yīng)輸出相電壓也是準(zhǔn)梯形波(見圖7-46),在輸出線電壓中三次諧波被抵消掉，僅剩基波，且幅值比準(zhǔn)梯形波高圖7-45三相控制信號、三角載波及二相輸出電壓波形第7章交流調(diào)速傳動系統(tǒng)501×輸人電壓，若再過調(diào)制一點(diǎn)(使準(zhǔn)梯形波平頂寬度再寬一點(diǎn)),就可做到輸入380V,輸出380V。采用交流偏置后，負(fù)載中點(diǎn)與逆變器輸人直流電壓中點(diǎn)之間存在三次諧波偏置電壓。三角載波比較法原理簡單，很容易用模擬電路實(shí)現(xiàn)，若想用微處理器通過軟件實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)現(xiàn)則較麻煩，但在某些TMS320LF24x系列)中已有基于此法的PWM功能，使用起來很方便。另外，隨現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的推廠應(yīng)用，也為使用該法提供了便利。2.電流跟蹤控制法(電流正弦法) 在許多交流調(diào)速系統(tǒng)中，希望對電動機(jī)電流進(jìn)行控制，使三相電流實(shí)際值無差地(無相位和幅值誤差)跟隨它們的正弦給定值變化，電流跟蹤控制法能滿足這個(gè)要求。電流跟蹤法有多種形式，其中最常用的是電流滯環(huán)跟蹤控制法。此法的一相原理框圖見圖7-47。圖中沒有專門的占空比形成環(huán)節(jié)，PWM依靠滯環(huán)寬度為2h的比較器的來回翻轉(zhuǎn)加，當(dāng)它與給定值之房△i,=(i-i)≤-h時(shí)，比較器輸出從1變到0,V1關(guān)斷、V4時(shí)，比較器輸出從0變回到1,V1再導(dǎo)通、V4關(guān)斷，如此循環(huán)，電流i。沿其給定曲線i兩邊擺動，一個(gè)開關(guān)周期平均值正好等于i、電流滯環(huán)跟蹤控制的電流與PWM電壓波形見圖7-48。滯環(huán)控制很容易用模擬電路實(shí)現(xiàn)，但要在微處理器中用軟件實(shí)現(xiàn)則較困難。為得到比較器動作的準(zhǔn)確時(shí)刻，在一個(gè)開關(guān)周期中必須多次采樣和比較，占機(jī)時(shí)太多。為適應(yīng)數(shù)字控制特點(diǎn)，一種改進(jìn)方法——恒頻采樣電流跟蹤控制法得到應(yīng)用，在此法中比較器無滯環(huán)，每采樣周期采樣一次i.值，與給定值i比較，輸出1或0控制信號。此法省了機(jī)時(shí)，但在一個(gè)開關(guān)周期中i.的平均值不等于i,只有在開關(guān)頻率高(≥10kHz)、i。脈動小的情況下，才不b)電流跟蹤法簡單，跟蹤性能好，但開關(guān)頻率隨負(fù)載電動勢變化而變化，電動勢越高、頻率越低(恒頻采樣法也一樣)。開關(guān)頻率變化導(dǎo)致逆變器噪聲大、電磁干擾頻帶寬，推廣應(yīng)用502電氣傳動自動化技術(shù)手冊受到恨制。3.空間電壓矢量法(磁鏈正弦法)空間電壓矢量法是從負(fù)載電動機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電動機(jī)獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場，即正弦磁鏈。逆變器中二組六個(gè)開關(guān)器件，有8種可能的工作狀態(tài)(不存在每組中兩個(gè)開關(guān)均斷開及均導(dǎo)通工作狀態(tài)),每種工作狀態(tài)對應(yīng)一個(gè)空間電壓矢量(空問矢量概念見本章7.5.2u?、us、u)是非零矢最，2個(gè)矢望(u?、u?)是零矢景，逆變器8種工作狀態(tài)及對應(yīng)的8個(gè)電壓矢量見圖7-b)扇區(qū)(I～V),2個(gè)零矢量位于扇區(qū)任一空間電壓矢量u可以用它所處扇區(qū)的兩個(gè)相鄰非零矢量ua、u?(m圖7-49逆變器8種工作狀態(tài)及對應(yīng)的電壓矢最和n是該扇區(qū)兩個(gè)非零矢量的序號，對于圖7-49h所示情況，m=1,n=2)和兩個(gè)零矢量u?、u。合成得到(見圖7-50)T。、T、T?、T,——在一個(gè)開關(guān)周期中各相應(yīng)矢量施加的時(shí)間。由式(7-34)可知，矢量u的方向由所選扇區(qū)及共兩個(gè)非零矢量施加時(shí)間之比決定，a的幅值由零矢量施加時(shí)間的長短決定。由于做鏈?zhǔn)噶縒=!udt,只要矢量u的幅值不變，沿圓形軌跡轉(zhuǎn)動，則磁鏈?zhǔn)噶坷飳⒁惭貓A形軌跡轉(zhuǎn)動(滯后矢屋u為90°)。在數(shù)寧控制系統(tǒng)中，根據(jù)每個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)輸人的矢量幅值和相位角給定信號，選擇扇區(qū)和非零矢量，計(jì)算各電壓矢量的施加時(shí)間，按圖7-50所示開關(guān)時(shí)序去控制三組開關(guān)。空間電壓矢量法把逆變器中的三組開關(guān)和圖7-50一個(gè)開關(guān)周期中空間電壓矢電動機(jī)看成一個(gè)整體來處理，模型簡單，便于微處理器實(shí)時(shí)控制，因此得到廣泛應(yīng)用。該法逆變器輸出電壓較高，在采用二極管整流器供電情況下，變頻器最大輸出電壓=0.955×輸入空間電壓矢量法和使用交流偏置的角載波比較法很相似：兩者電壓輸出能力相同；負(fù)載中點(diǎn)和直流電源中點(diǎn)之間都存在同樣的三次諧波電壓；在一個(gè)開關(guān)周期中三角載波比較法的三組開關(guān)的開關(guān)過程(見圖7-51)也出兩個(gè)非零電壓矢量和兩個(gè)零矢量組成，和空間電壓矢量法(見圖7-50)·一樣。兩種方法本質(zhì)相同，只是實(shí)現(xiàn)方法不同。第7章交流調(diào)速傳動系統(tǒng)5034.指定諧波消除法本方法的特點(diǎn)是能消除逆變器輸出電壓波形中指定次數(shù)的諧波，盡量減少諧波對電動機(jī)運(yùn)行的影響。半個(gè)周期的輸出電壓波形見圖7-52,各方波起始與終了時(shí)的相位為α?、a?、αs、…、azn。對該波形進(jìn)行傅里葉分析，k次諧波電壓的幅值為輸出電壓波形是1/4周期對稱的，在1/4周期內(nèi)，有m個(gè)開關(guān)時(shí)刻(a?值，i=1、…、m)待定，它們代表了可以消除指定諧波次數(shù)的個(gè)數(shù)，例如取m=5,可消除4個(gè)諧波。令基波幅值等于要求值，被指定的5、7、11、13次諧波的幅值等于零，解5元聯(lián)立三角方程，求出a?、…、ag值，去控制開關(guān)器件，便可消除被指定指定次數(shù)的諧波不一定減小，甚至反而增大，考慮到它們已屬高次諧波、對電動機(jī)運(yùn)行影響小。利用該法前以得到較好的輸出電壓波形，但計(jì)算工作量大，難以實(shí)時(shí)控制，應(yīng)用場合受到限制。7.3.4.2逆變器的開環(huán)輸出電壓控制和閉環(huán)輸出電流控制根據(jù)被控制量的不同，逆變器有開環(huán)輸出電壓控制和閉環(huán)輸出電流控制兩類控制系統(tǒng)。1.開環(huán)電壓控制開環(huán)輸出電壓控制時(shí)，逆變圖7-52半個(gè)周期的輸出電壓波形器的輸出是電壓源，其輸出電壓跟隨給定信號變化，受負(fù)載電流變化影響小，多用于開環(huán)壓頻比(t/f)控制調(diào)速系統(tǒng)。由恒定直流電壓供電的電壓型逆變器的輸出本身就是電壓源，只要采用前面介紹的三角載波比較或空間電壓矢量等PWM控制方法，就可實(shí)現(xiàn)輸出電壓跟隨給定變化的要求。通常系統(tǒng)的設(shè)定為電壓幅值和頻率信號，空間電壓矢量法要求的控制信號是交流電壓幅值及相角，為此需增設(shè)一個(gè)積分器，把頻率變換為相角；三角載波比較法要求的輸入信號是三相正弦交流信號ua、un、u,為此需要一個(gè)變換環(huán)節(jié)(見圖7-53),把輸入的幅值U*和頻率f變?yōu)橛杀菊?.2.4節(jié)可知，為防止出現(xiàn)每組開關(guān)上、u*下兩個(gè)開關(guān)器件“直通”故障，必須在開關(guān)切換過程中設(shè)置死時(shí)，先關(guān)、后通，對于IGBT,“死時(shí)”的存在會影響逆變器輸出電壓的幅值和相位：●若負(fù)載功率因數(shù)角際輸出電壓比無“死時(shí)”的理想電壓相位超前，“死時(shí)”越大，φ越大，超前越多；●lφl<90*時(shí)，逆變器實(shí)際輸出電壓比無“死時(shí)”的理想電壓幅值減小，“死時(shí)”越大，504電氣傳動自動化技術(shù)手冊減小越多，φ越小，影響越大，φ=0時(shí)，“死時(shí)”對幅值的影響見圖7-54。對于開環(huán)電壓控制，這死時(shí)影響必須給予補(bǔ)償。開環(huán)電壓控制簡單，應(yīng)用非常廣泛。它的問題是輸出電壓中不可避免地存在微小不對稱和直流分量，在電動機(jī)起動之初，電動機(jī)定子漏抗很小，大功率電動機(jī)的定子電阻也小，這些不對稱和直流電壓分量會導(dǎo)致大的電流不對稱和直流分量，產(chǎn)生附加制動轉(zhuǎn)矩，起動時(shí)電流大，轉(zhuǎn)矩小，影響起動。2.閉環(huán)電流控制閉環(huán)電流控制的任務(wù)是控制逆變器的輸出電流，使其無差地(無相位和幅值誤差)跟隨給定變化，不受負(fù)載電動勢變化的影響，用于高性能調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)環(huán)。從本質(zhì)上來說，電壓型逆變器輸出是電壓源，只有采用電流閉環(huán)控制才能獲得電流源的性能。前面介紹的電流跟蹤控制(電流正弦)法是閉環(huán)電流控制方法之一，只是山于開關(guān)頻率變化大，較少用于產(chǎn)品、用二個(gè)交流電流調(diào)節(jié)器，通過二個(gè)獨(dú)立的電流閉環(huán)，似乎可以實(shí)現(xiàn)電流控制要求，但由于三相電流之和等于零條件的約束，只能有兩個(gè)獨(dú)立控制變量，三個(gè)PI調(diào)節(jié)器不能正確工作，另外PI調(diào)節(jié)器只能消除直流誤差，對于交流信號它們是有差的，會帶來相位和幅值誤差。實(shí)用的閉環(huán)電流控制方法是育流電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，其框圖見圖7-55。此法不直接控制二相交流電流i、ig、i,而是控制它們的兩個(gè)直流分量：磁化分量ia和轉(zhuǎn)矩分量i,,使其分別等于給定值ii和i。圖7-55中：DCR,和DCR,是兩個(gè)直流電流調(diào)節(jié)器，它們的PI功能使兩直流電流無靜差；VR是矢量同轉(zhuǎn)變換器(參見本章7.5節(jié)),它把i,、i?、i.變換成i?、i?;VPC。和VPC?是電壓預(yù)控環(huán)節(jié)，用以減小電流響應(yīng)時(shí)間(從幾十減至幾毫秒),有些系統(tǒng)中無預(yù)控，所以它們用點(diǎn)劃線表示；K/P是直角坐標(biāo)-極坐標(biāo)變換器，它把兩個(gè)直流電壓給定信號u;、u;變換成幅值U°和幅角0,信號，ui、u,來自調(diào)節(jié)器和預(yù)控輸出；PWM控制采用空間電壓矢量或三角載波比較法，它所需的U'來自K/P,θ*=θ+θ(θ為基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)角，θ=wt)。閉環(huán)電流控制可以自動消除開關(guān)器件切換過程中死時(shí)對逆變器輸出的影響，不需要死時(shí)孔作額定電流響補(bǔ)償環(huán)節(jié)。它也不存在電動機(jī)起動之初電流不對稱及直流分量大問題，有助于起動?？鬃黝~定電流響7.3.4.3定子側(cè)低壓電壓型交-直-交變頻調(diào)速的應(yīng)用1.逆變器部分(1)開關(guān)頻率選擇逆變器中的開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，在開通和關(guān)斷兩個(gè)狀態(tài)下，器件的損耗都不大，因?yàn)樗鼈兓蚴怯须妷?、無電流；或是有電流、電壓很低，但在開關(guān)過程中器件既有電壓又有電流，開關(guān)損秏大。隨開關(guān)頻率升高，開關(guān)過程在一個(gè)開關(guān)周期中占的比例增大，開關(guān)損耗的影響越大，逆變器允許的輸出電流要適當(dāng)減小。器件額定電流越大，開關(guān)越慢，允許的開關(guān)頻率越低。逆變器額定電流與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線見圖7-56,圖7-56逆變器額定電流與開關(guān)頻率的關(guān)系(2)輸出濾波逆變器輸出電壓波形是一系列前后沿非常陡峭(dv/dt高)的方波，這種方波電壓在電纜和電動機(jī)中傳輸時(shí)，它們中的分布參數(shù)(寄生電容、電感)都在起作用，導(dǎo)●寄生電容的充放電電流會流過IGBT,帶來電流沖擊，為消除上述危害，當(dāng)使用普通電動機(jī)，且.380V裝置輸出電纜長度超過30m時(shí)或逆變器輸出電壓有效值超過500V時(shí)，需在逆變器輸出端加裝輸出濾波器。輸出濾波器有三種：●輸出電抗器：主要用于限制寄生電容的充放電電流，同時(shí)也減小dv/dt值，輸出電壓為近似方波，不降低逆變器最大輸出電壓，應(yīng)用最廣；●限制dx/dt的濾波器它是LC濾波器，但1.和C值較小，輸出電壓仍為近似方波，只是dx/d!被限制到500Vfμs以下，不降低逆變器最大輸出電壓，主要用于500V以上裝置或輸出電纜較長的380V