1、電力傳動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng) 湯寧平 （第七章）第七章 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)本章重點(diǎn)介紹變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成及其工作原理和控制規(guī)律：異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的一般基礎(chǔ)，交-直-交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)交-直-交電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)PWM交流調(diào)速系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為可見，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有3種： (1) 變極調(diào)速改變定子繞組的極對(duì)數(shù) nP (2) 變頻調(diào)速改變供電電源的頻率 f1 (3) 變轉(zhuǎn)差率調(diào)速改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率 s a）調(diào)壓調(diào)速改變定子電壓； b）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路串電阻； c）串級(jí)調(diào)速繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電勢(shì)； d）電磁離合

2、器調(diào)速滑差電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 變頻調(diào)速1變頻與調(diào)壓配合(1)基頻 (額定頻率fN) 以下調(diào)速電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子阻抗壓降很小， f1如果U1 不變 Fm 電動(dòng)機(jī)磁路飽和，勵(lì)磁電流急劇增加， U1 / f1 = const Fm = const表明：在基頻以下變頻調(diào)速時(shí)，要實(shí)現(xiàn)恒磁通調(diào)速，應(yīng)使 電壓和頻率按比例調(diào)節(jié) 恒轉(zhuǎn)矩特性(2)基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時(shí)，也按比例升高電壓是很困難的。 只好保持電壓不變 U1 = UN1 f1 Fm 恒功率特性2. 機(jī)械特性1）磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速(與頻率成正比)2) 最大轉(zhuǎn)矩 當(dāng)頻率較高時(shí)在變頻調(diào)速時(shí)，臨界轉(zhuǎn)差率 sm與 f1 成反比變化。 按U1/f1 常數(shù)的規(guī)律

3、調(diào)速時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩Tmax 基本上保持不變。 只有當(dāng) f1 很低時(shí)，r1 的影響不能忽略，Tmax 才逐漸減小。從基頻以上調(diào)速時(shí)，電壓U1不變， Tmax將隨fl的升高而減小。 3）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 當(dāng)頻率較高時(shí) 可見：基頻以下按U1 / f1 常數(shù)的規(guī)律調(diào)速時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst 與 fl 近似成反比但f1很低時(shí)，r1+ r2不能忽略，隨著f1的繼續(xù)降低，則Tst反而減小。從基頻以上調(diào)速時(shí)，fl升高而Ul不變，Tst將隨fl 的升高而減小。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的控制特性7.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的一般基礎(chǔ)一、變頻器的工作原理 組成類型：類型：電壓型電流型AC-AC （直接變頻器）AC-DC-AC（間接變頻器）電壓

4、型 電流型 AC-DC-AC（間接變頻器） 儲(chǔ)能元件： 電容器 電抗器晶閘管交-直-交電壓型變頻器功率晶體管交-直-交電壓型變頻器逆變器工作方式： 180導(dǎo)電型 120導(dǎo)電型180導(dǎo)電型 180導(dǎo)電型 180導(dǎo)電型 180導(dǎo)電型工作特點(diǎn)： 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，逆變器中晶閘管的導(dǎo)通順序：VTlVT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VTl各觸發(fā)信號(hào)間相隔60電角度；在任意瞬間有3只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通；每只晶閘管的導(dǎo)通為180電角度；兩只管子之間的換流是在同一橋臂內(nèi)上下兩只管子之間進(jìn)行,即在VTl VT4、VT3VT6、VT5 VT2之間進(jìn)行相互換流。 180導(dǎo)電型工作特點(diǎn)： 電壓波形：相電壓是幅值為2Ud

5、/3階梯波線電壓是幅值為Ud為矩形波。輸出為三相交流，各相之間互差120；三相是對(duì)稱的；周期為T，改變 T 即可改變頻率的大小。 線電壓的有效值：相電壓的有效值：120導(dǎo)電型 120導(dǎo)電型 120導(dǎo)電型 120導(dǎo)電型工作特點(diǎn)： 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，逆變器中晶閘管的導(dǎo)通順序：VTlVT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VTl各觸發(fā)信號(hào)間相隔60電角度；在任意瞬間有2只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通；每只晶閘管的導(dǎo)通為120電角度；兩只管子之間的換流是在同極的相鄰橋臂兩只管子間進(jìn)行,如在VTl VT3、VT3VT5之間進(jìn)行相互換流。同一橋臂上兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通之間相隔60電角度，不易造成短路 120導(dǎo)電型工作特點(diǎn)： 電壓

6、波形：相電壓是幅值為Ud/2的矩形波；線電壓是幅值為Ud的梯形波。線電壓有效值相電壓有效值由于導(dǎo)通時(shí)間比180導(dǎo)電型短，所以有效值相應(yīng)較低。二、變頻器的變壓方式為了保持恒轉(zhuǎn)矩(恒磁通)變頻調(diào)速原則，在變頻的同時(shí)，必須按比例地改變電壓，即變壓變頻(VVVF) 。在交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻是由逆變器來完成的，而變壓則有下述 4 種方式：自耦變壓器方式相位控制方式斬波器方式脈寬調(diào)制(PWM)方式 自耦變壓器方式采用二極管三相橋整流電路，直流電壓Ud為恒值，不可控；逆變器的控制電路,使逆變器輸出電壓大小不變，而頻率可調(diào)的交流電壓；再通過自耦變壓器改變它的變比來改變交流電壓的大小。自耦變壓器變比的

7、改變至是通過驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)自動(dòng)完成。特點(diǎn)：系統(tǒng)簡單，輸入功率因數(shù)高，啟動(dòng)沖擊電流小等；缺點(diǎn)是伺服電機(jī)是慣性環(huán)節(jié)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差，自耦變壓器按低頻設(shè)計(jì)，體積大。整流器采用三相全控橋或半控橋整流電路；電壓控制回路調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖控制角a來改變整流電壓Ud；逆變器采用三相全控橋電路。由逆變器控制回路進(jìn)行控制，使逆變器改變輸出頻率。 相位控制方式優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)簡單，電壓和頻率分別控制；缺點(diǎn)：低電壓時(shí)輸入功率因數(shù)降低。相位控制變壓常用于晶閘管電壓型或電流型變頻器，以及脈沖幅值可調(diào)的脈寬調(diào)制型變頻器。 斬波器方式整流器采用三相二極管整流橋，直流電壓為恒定的。逆變器采用三相全控橋;，直流側(cè)中間加入一個(gè)斬波器電路，其

8、輸出為大小可調(diào)的直流電壓。開關(guān)元件VT的工作方式：脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制方式:開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間d 一定，改變開關(guān)的通、斷頻率或周期T來改變直流電壓的平均值。 斬波器方式脈寬調(diào)制(PWM)控制方式:開關(guān)頻率或周期 T 一定，改變開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 d 的長短進(jìn)行調(diào)壓特點(diǎn): 輸入功率因數(shù)高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，常用于中小功率的交-直-交變頻器中 脈寬調(diào)制(PWM)方式整流器不可控，直流電壓恒定；逆變器可控逆變器既可改變電壓又能改變頻率。既可改善輸出波形，削減高次諧波影響；又可提高輸人功率因數(shù)，是交-直-交變頻器的重要發(fā)展方向。脈寬調(diào)制(PWM)方式正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)7.2 交-直-交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)

9、特點(diǎn): 轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單.應(yīng)用：用于對(duì)調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合。 例如風(fēng)機(jī)、水泵、軋鋼機(jī)生產(chǎn)線上的輥道傳動(dòng)系統(tǒng)等。 整流器逆變器給定積分器函數(shù)發(fā)生器電壓調(diào)節(jié)器觸發(fā)器電壓頻率變換器環(huán)形分配器脈沖輸出電壓反饋脈沖發(fā)生器頻率給定頻率控制電壓控制7.2 交-直-交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用：用于對(duì)調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合。 例如風(fēng)機(jī)、水泵、軋鋼機(jī)生產(chǎn)線上的輥道傳動(dòng)系統(tǒng)等。 整流器逆變器給定積分器函數(shù)發(fā)生器電壓調(diào)節(jié)器觸發(fā)器電壓頻率變換器環(huán)形分配器觸發(fā)器電壓反饋脈沖發(fā)生器頻率給定電壓控制7.2 交-直-交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)

10、構(gòu)簡單，應(yīng)用：用于對(duì)調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合。 例如風(fēng)機(jī)、水泵、軋鋼機(jī)生產(chǎn)線上的輥道傳動(dòng)系統(tǒng)等。 整流器逆變器給定積分器函數(shù)發(fā)生器電壓調(diào)節(jié)器觸發(fā)器電壓頻率變換器環(huán)形分配器觸發(fā)器電壓反饋脈沖發(fā)生器頻率給定頻率控制電壓控制7.2 交-直-交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用：用于對(duì)調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合。 例如風(fēng)機(jī)、水泵、軋鋼機(jī)生產(chǎn)線上的輥道傳動(dòng)系統(tǒng)等。 整流器逆變器給定積分器函數(shù)發(fā)生器電壓調(diào)節(jié)器觸發(fā)器電壓頻率變換器環(huán)形分配器觸發(fā)器電壓反饋脈沖發(fā)生器頻率給定電壓控制V/F轉(zhuǎn)換器LM331 7.2 交-直-交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用

11、：用于對(duì)調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合。 例如風(fēng)機(jī)、水泵、軋鋼機(jī)生產(chǎn)線上的輥道傳動(dòng)系統(tǒng)等。 整流器逆變器給定積分器函數(shù)發(fā)生器電壓調(diào)節(jié)器觸發(fā)器電壓頻率變換器環(huán)形分配器觸發(fā)器電壓反饋脈沖發(fā)生器頻率給定電壓控制7.2 交-直-交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用：用于對(duì)調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合。 例如風(fēng)機(jī)、水泵、軋鋼機(jī)生產(chǎn)線上的輥道傳動(dòng)系統(tǒng)等。 整流器逆變器給定積分器函數(shù)發(fā)生器電壓調(diào)節(jié)器觸發(fā)器電壓頻率變換器環(huán)形分配器脈沖輸出電壓反饋方波發(fā)生器頻率給定電壓控制7.2 交-直-交電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn):一種轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，控制電路簡單，可較容易實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)轉(zhuǎn)，再生制動(dòng)和能耗制動(dòng)

12、；但轉(zhuǎn)速開環(huán)，其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能不是很高。應(yīng)用：適合對(duì)轉(zhuǎn)速要求不高的場(chǎng)臺(tái)，例如離心式風(fēng)機(jī)、泵類壓縮機(jī)、擠壓機(jī)等。 恒定的交-直-交電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)環(huán)形分配器觸發(fā)器方波發(fā)生器邏輯開關(guān)電壓頻率變換器絕對(duì)值運(yùn)算器頻率瞬態(tài)校正電流反饋電壓反饋轉(zhuǎn)差頻率控制的交-直-交電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)；通過對(duì)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制；對(duì)Us/fs= C 控制方式的一種改進(jìn)。有助于改善異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能1. 基本控制原理轉(zhuǎn)差頻率電磁轉(zhuǎn)矩：電磁功率： 當(dāng)ws很小時(shí)則令dTe/dws，可求出可見，當(dāng)Fm 一定時(shí)，則電磁轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)差角頻率ws成正比。這與直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)

13、矩特性 Te= CmF Ia 相似即:對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)在wswsm 范圍內(nèi)，如果保持Fm一定，就可以通過控制ws來控制電磁轉(zhuǎn)矩。 且Fm= 常數(shù)2. Fm恒定的實(shí)現(xiàn)方法異步電動(dòng)機(jī)的磁通Fm是由勵(lì)磁電流Io決定的， Io = C Fm= C根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的磁勢(shì)平衡方程式 可知，Io不是一個(gè)獨(dú)立的變量，它可通過定子電流I1來間接地控制Fm ，由等效電路推導(dǎo)：可得： 根據(jù)這個(gè)曲線可以構(gòu)成函數(shù)發(fā)生器。當(dāng)該函數(shù)發(fā)生器的輸入為轉(zhuǎn)差頻率給定信號(hào)ws時(shí)，在其輸出端就可以得到保持氣隙磁通。恒定所需要的定子電流給定值I1(1)在下列條件下： 1）在wsw*, Dw = w *-w 0，略有超調(diào)時(shí)，ASR退飽和，w*

14、s 最后使電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于c點(diǎn)， Te=Tl1(2) 負(fù)載變化調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理分析：設(shè)原來負(fù)載轉(zhuǎn)矩為Te=Tl1,運(yùn)行于 d點(diǎn)。Tl Te=Tl2 w Dw = （w *-w ） 速度調(diào)節(jié)器ASR 輸出w *s Tew ,一方面: w*s函數(shù)發(fā)生器 I1* 保證恒磁通恒定。另一方面：w*0=（w +w*s） w1 w 最后使 w = w*, 電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于e點(diǎn)， Te=Tl2(3) 回饋制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理分析：a點(diǎn) 給定信號(hào)w*突然減小 Dw =（w *-w ） 0 速度調(diào)節(jié)器ASR 輸出w *s w *s = -w*sm Te = -Temax w ,一方面: w*s函數(shù)發(fā)生器| I1*

15、 |保證恒磁通恒定。另一方面：w*0=（w +w*s） b 點(diǎn)w1 w 最后使 w = w*, 電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于c點(diǎn)， Te=Tl如果 w* = 0， 電動(dòng)機(jī)減速，直至停車。(4)反轉(zhuǎn)過程 反轉(zhuǎn)過程是回饋制動(dòng)加反向啟動(dòng)過程， 給定信號(hào)w* 07.4 PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)電力電子器件的飛速進(jìn)步和單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用促進(jìn)了脈寬調(diào)制(pulse width modulation，簡寫為PWM)控制技術(shù)的發(fā)展。PWM技術(shù)是通過半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，控制脈沖序列的調(diào)制周期和脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)輸出頻率和電壓的調(diào)節(jié)的一種技術(shù)。脈寬調(diào)制方式的不同，對(duì)PWM逆變器輸出電壓波形的質(zhì)量和變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能的影響也不同。PW

16、M逆變器可以分為變幅和恒幅兩種調(diào)制方式。目前，工業(yè)上廣泛采用恒幅PWM逆變器，優(yōu)點(diǎn)是主回路簡單，逆變器可以直接地控制本身輸出電壓的大小頻率，使其調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能好。一、脈寬調(diào)制方式1簡單的多脈沖調(diào)制法2正弦波脈沖調(diào)制法（SPWM )3準(zhǔn)正弦波脈沖調(diào)制法4單元調(diào)制PWM法5諧波消除法6電流跟蹤控制PWM1簡單的多脈沖調(diào)制法三相橋式逆變器主電路原理圖1簡單的多脈沖調(diào)制法各晶體管基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用峰值恒定的單極性三角波 uc (載波)與大小可變的直流電壓 ur (參考波)進(jìn)行比較在 uc 和 ur 的交點(diǎn)處發(fā)出調(diào)制信號(hào)；根據(jù)180導(dǎo)電型的特點(diǎn)，分配給VTlVT6基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，得到逆變器三相輸

17、出電壓的調(diào)制波形。1簡單的多脈沖調(diào)制法改變參考電壓ur的大小，輸出脈沖的寬度隨之改變，從而可以改變輸出基波電壓的大小。實(shí)際控制時(shí)，可同時(shí)改變ur的大小和頻率，滿足變頻調(diào)速系統(tǒng)恒磁通(uf = 常數(shù))控制方式的要求。1簡單的多脈沖調(diào)制法逆變器輸出電壓中，除基波以外，還含有諧波分量。分析表明：逆變器輸出電壓每個(gè)周波中的脈沖數(shù)較少時(shí)，諧波分量較大。特點(diǎn)：在半個(gè)周期內(nèi)，各脈沖等幅、等寬，控制電路筒單，易于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。2正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)在控制回路中，采用三角形載波信號(hào)uc 和正弦波的參考信號(hào)ur相比較;在uc和ur交點(diǎn)處發(fā)出調(diào)制信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)逆變器主回路的各晶體管的基極。2正弦波脈寬調(diào)制法(SP

18、WM)當(dāng)改變參考信號(hào)ur的幅值，相電位脈沖的脈寬隨之改變，從而改變了主回路基波相電壓的大小。當(dāng)改變參考信號(hào)ur 的頻率時(shí)輸出電壓的頻率隨之改變。單極性 SPWM波2正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)同時(shí)改變參考電壓ur 的幅值和頻率，就可以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)u/f = 常數(shù)的要求。特點(diǎn): 在半個(gè)周期內(nèi)，脈沖間中心線等距，脈沖等幅、調(diào)寬，各脈沖面積之和與正弦波下的面積成比例。單極性 SPWM波三相 雙極性 SPWM波2正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)2正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)異步調(diào)制 ： N常數(shù)。即：一般fc 不變，通過fr 改變。來改變主回路輸出電壓的頻率當(dāng)主回路輸出電壓頻率不同時(shí)，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)發(fā)生變化，且正負(fù)半周的脈沖數(shù)和相位發(fā)生不對(duì)稱。載波比2正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)載波比同步調(diào)制：N=常數(shù)即：fc與fr同時(shí)改變。在逆變器輸出電壓一個(gè)周期中正負(fù)半周的脈沖數(shù)和相位對(duì)稱；但低頻時(shí)一個(gè)周期中脈沖數(shù)較少，諧波分量較大2正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)一般Ucm 不變，通過調(diào)節(jié)Urm 來改變脈沖寬度，從而改變主回路輸出電壓的大小。或者說調(diào)節(jié)M可以改變輸出電壓的大小。調(diào)制系數(shù)（調(diào)幅深度）2正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)采用同步調(diào)制時(shí)如圖所示逆變器輸出