交流傳動控制系統(tǒng)第一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.1交流拖動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域目前，交流拖動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有下述三個方面：1）一般性能的節(jié)能調(diào)速和按工藝要求調(diào)速；2)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)；3)特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速。第二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.2調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)壓器是輸出與輸入頻率相同而電壓不同的交流電壓控制器，交流調(diào)壓器的調(diào)節(jié)控制方式可分為：1）移相控制的交流調(diào)壓器(單稱交流移相調(diào)壓器)2）通斷比控制的交流調(diào)壓器(簡稱交流通斷控制調(diào)壓器)。交流調(diào)壓，晶閘管可以藉負(fù)載電流過零自然關(guān)斷，不需另加換流電路，所以電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便。但其輸出含有較嚴(yán)重的諧波分量，對于加熱爐、電光源、以及交流電動機(jī)、電焊機(jī)等慣性較大的負(fù)載，諧波對工作的影響較小，故交流調(diào)壓多用于熱或機(jī)械慣性較大的負(fù)載功率調(diào)整。第三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.1晶閘管交流移相調(diào)壓器1．單相相控調(diào)壓第四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.1晶閘管交流移相調(diào)壓器1．單相相控調(diào)壓(1)電阻性負(fù)載圖6.1a)中,設(shè)輸入電壓為在電源正半周觸發(fā)VT1，控制角為α1，在電源負(fù)半周觸發(fā)VT2，控制角為α2，若令α1=α2，則輸出電壓有效值為當(dāng)控制角α從0到π變化時，輸出電壓有效值U0從U變到0。對于反并聯(lián)的兩個晶閘管VT1和VT2

，通常采用脈沖變壓器將控制極觸發(fā)電路隔離，脈沖變壓器一次側(cè)絕緣耐壓應(yīng)能承受電源電壓。第五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五（2）電感性負(fù)載具有RL負(fù)載的單相交流調(diào)壓電路如圖6.2所示。設(shè)輸入電壓

，并設(shè)負(fù)載對電源頻率的功串因數(shù)角

，α為VT1的控制角，θ為VT1的導(dǎo)通角，則這三個角度之間的關(guān)系為當(dāng)一定時，θ與α的關(guān)系如圖6.3的曲線所示，由式(6.3)和圖6.3可見：對電感性負(fù)載的單相交流調(diào)壓，其控制角移相范圍應(yīng)為≤α<π，若α<，則控制器不能調(diào)壓，只能作簡單開關(guān)用，圖6.2的波形即為α>的情形。

第六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五帶RL負(fù)載的單相交流調(diào)壓電路及θ、φ和α的關(guān)系

第七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2．三相交流移相調(diào)壓器(1)負(fù)載星形連接第八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五雙向開關(guān)三角形連接的電路及不同時刻各管導(dǎo)通狀態(tài)見表

第九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五II—線電流有效值Ip一相電流有效值(2)負(fù)載三角形連接

該電路線電流的有效值不遵守一般三相線性系統(tǒng)的關(guān)系，而有第十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五負(fù)載三角形連接三相交流調(diào)壓電路

圖6.6中，圖a)所用開關(guān)元件電流容量比圖b)小，但如以每時刻均為兩個元件導(dǎo)通時圖a)是負(fù)載各相單獨接入到線電壓的一相中去，而圖b)是三相負(fù)載每時都接入列線電壓上，所以圖b)負(fù)載相電流的諧波成份小一些。第十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.2固態(tài)繼電器交流移相調(diào)壓器1.固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器英文名稱為SolidStateRelay，簡稱SSR。它是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關(guān)器件，單相SSR為四端有源器件，其中兩個輸入控制端，兩個輸出端，輸入輸出之間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。第十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.2固態(tài)繼電器交流移相調(diào)壓器1.固態(tài)繼電器相對晶閘管，SSR具有如下優(yōu)點：(1)固體繼電器工作可靠，壽命長；(2)無噪聲、無火花、無電磁干擾、抗干擾能力強(qiáng)；(3)體積小、耐沖擊、耐振蕩、防爆、防潮、防腐蝕；(4)開關(guān)速度快，能與TTL、DTL、HTL等邏輯電路兼容，以微小的控制信號達(dá)到直接驅(qū)動大電流負(fù)載。主要不足：(1)通態(tài)壓降大(管耗大，需相應(yīng)散熱措施)；(2)有斷態(tài)漏電流，需要限制最小負(fù)載；(3)交/直流不能通用，且；觸點組數(shù)少；(4)過電流、過電壓及電壓上升率、電流上升率等指標(biāo)差。第十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五SSR固體繼電器用途SSR固體繼電器目前已廣泛應(yīng)用于計算機(jī)外圍接口裝置，電爐加熱恒溫系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)械，遙控系統(tǒng)、工業(yè)自動化裝置、信號燈、閃爍器、照明舞臺燈光控制系統(tǒng)、儀器儀表、醫(yī)療器械、復(fù)印機(jī)、自動洗衣機(jī)、自動消防保安系統(tǒng)以及作為電網(wǎng)功網(wǎng)因素補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娙萸袚Q開關(guān)等等，另外在化工、煤礦等需防爆、防潮、防腐蝕場合中都有大量使用。SSR交流固體繼電器按開關(guān)方式分為：電壓過零導(dǎo)通型(簡稱過零型)隨機(jī)導(dǎo)通型(簡稱隨機(jī)型)；按輸出開關(guān)元件分為：雙向可控硅輸出型(普通型)單向可控硅反并聯(lián)型(增強(qiáng)型)；按安裝方式分為：印刷線路板上用的針插式(自然冷卻，不必帶散熱器)固定在金屬底板上的裝置式(靠散熱器冷卻)；另外輸入端又有寬范圍輸入(DC3—32V)的恒流源型和串電阻限流型等。

第十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.固態(tài)繼電器工作原理固態(tài)繼電器SSR工作原理與晶閘管SCR相似。圖6.8是過零型/隨機(jī)型SSR的輸出波形圖a)電平控制b)脈沖控制第十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五固態(tài)繼電器SSR在分相電動機(jī)與三相交流電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制的應(yīng)用實例

圖6.9交流電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制a)分相電動機(jī)b)三相交流電動機(jī)第十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.2固態(tài)繼電器交流移相調(diào)壓器3.固態(tài)繼電器交流移相調(diào)壓器a)SX—JKA、TB-3A和6只單向可控硅組成的三相交流移相調(diào)壓器第十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五3.固態(tài)繼電器交流移相調(diào)壓器b)SX—JKT、TB-3A和3只雙向可控硅組成的三相交流移相調(diào)壓器第十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五3.固態(tài)繼電器交流移相調(diào)壓器c)SX—3JK、TB-3和3只固態(tài)繼電器組成的三相交流移相調(diào)壓器第十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.3三相交流調(diào)壓電源圖6.11為采用8031單片機(jī)作移相控制的三相交流調(diào)壓電源接口電路原理圖。圖中，過零檢測器檢測交流電源電壓正過零信號，使從單片機(jī)8031的P1.0、P1.1、P1.2輸出的脈沖信號與品閘管主電路電源同步。第二十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五第二十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.4調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的組成與特性分析三相交流異步電動機(jī)調(diào)壓機(jī)械特性如圖6.14圖6.14三相交流異步電動機(jī)

圖6.15高阻值繞組線圈調(diào)壓機(jī)械特性第二十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.4調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的組成與特性分析1.轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性第二十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.4調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的組成與特性分析1.轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性根據(jù)圖2.17所示的結(jié)構(gòu)框圖可寫出各環(huán)節(jié)的輔出量與輸入量的關(guān)系Ks——速度調(diào)節(jié)器靜態(tài)放大倍數(shù)；Kv——調(diào)壓器放大倍數(shù)；U1——調(diào)壓器輸出電壓(電動機(jī)定子電壓)；Kn——轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系數(shù)。第二十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.4調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的組成與特性分析1.轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性由上式可得：式中n1—一異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。根據(jù)異步電動機(jī)機(jī)械特性的實用表達(dá)式當(dāng)電動機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時，轉(zhuǎn)差率s很小，則

?

，則式(6.6)可近似為在忽略定子電阻R1的條件下，可得到電動機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩為式中Xk一一異步電動機(jī)的短路電抗。第二十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.4調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的組成與特性分析將式(6.5)和式(6.8)代入式(6.7)得式中

K=由式(6.9)可知，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的加入使系統(tǒng)的靜特性硬度大大增加，而影響調(diào)速精度的主要因素是Kn、Kv、Ks，它們的選擇和直流系統(tǒng)是類似的。第二十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.4調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的組成與特性分析2．應(yīng)用舉例成套產(chǎn)品—KJF系列雙向晶閘管調(diào)壓調(diào)速裝置介紹。1)主要技術(shù)指標(biāo)(1)控制對象：三相交流異步電動機(jī)(380V／50Hz)；(2)輔出功率：小于40kW；(3)調(diào)速范圍：5：1，對力矩電機(jī)可達(dá)l0：11(4)穩(wěn)態(tài)精度：靜態(tài)誤差不大于2．5％～5％；(5)控制電壓(0～8)V。第二十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.4調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的組成與特性分析2．應(yīng)用舉例成套產(chǎn)品—KJF系列雙向晶閘管調(diào)壓調(diào)速裝置介紹。2)工作原理(1)主電路(2)控制電路(3)移相觸發(fā)電路第二十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五第二十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.3電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)6.3.1系統(tǒng)的組成和工作原理電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)見圖6.19，由籠型異步電動機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器和晶閘管勵磁電源及其控制部分組成。晶閘管直流勵磁電源功串較小，常用單相半波或全波晶閘管電路控制轉(zhuǎn)差離合器的勵磁電流。

第三十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.3.1系統(tǒng)的組成和工作原理電磁轉(zhuǎn)差離合器由電樞和磁積極兩部分組成，兩者無機(jī)械聯(lián)系，都可自由旋轉(zhuǎn)。電樞由電動機(jī)帶動，稱主動部分，磁極用聯(lián)軸節(jié)與負(fù)載相聯(lián)，稱從動部分。當(dāng)勵磁繞組通以直流電，電樞為電動機(jī)所拖動以恒速定向旋轉(zhuǎn)時，在電樞中感應(yīng)產(chǎn)生渦流，渦流與磁極的磁場作用產(chǎn)生電磁力，形成的電磁轉(zhuǎn)矩使磁極跟著電樞同方向旋轉(zhuǎn)。如負(fù)載恒定，則勵磁電流大，磁場與電樞只有較小的轉(zhuǎn)差率，就能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩帶動負(fù)載，轉(zhuǎn)速較高。反之，速度低。同樣，如勵磁電流恒定，負(fù)載大則轉(zhuǎn)違低。所以，改變勵磁電流的大小即可實現(xiàn)對負(fù)載的調(diào)速。第三十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.3.2電磁調(diào)速電動機(jī)的工作特性一般情況下，電磁調(diào)速電動機(jī)的機(jī)械特性就是轉(zhuǎn)差離合器的機(jī)械特性?？蛰d轉(zhuǎn)速n0不變，隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)速下降較多，是軟特性。勵磁電流越小，特性越軟，且在TL<10%TN時，有一個失控區(qū)。這種機(jī)械特性可用如下的經(jīng)驗公式表示：n1——離合器主動部分轉(zhuǎn)速；n2——離合器從動部分轉(zhuǎn)速；T——離合器轉(zhuǎn)矩；If——勵磁電流；K——與離合器類型有關(guān)的系數(shù)。第三十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五電磁調(diào)速電動機(jī)機(jī)械特性

第三十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.3.3電磁調(diào)速電動機(jī)的優(yōu)缺點及適用范圍主要優(yōu)點是線路簡單，運(yùn)行可靠，價格低廉，對電網(wǎng)，電機(jī)均無諧波影響。閉環(huán)控制時調(diào)速范圍達(dá)10：1，轉(zhuǎn)速變化率在2%左右。缺點是轉(zhuǎn)差損耗大，效率低，負(fù)載端速度損失較大，額定轉(zhuǎn)速僅為電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速的80％一85％，用低電阻端環(huán)的轉(zhuǎn)差離合器時，其額定轉(zhuǎn)速可達(dá)95%。負(fù)載小時有一個失控區(qū)。第三十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.4晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)是在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)用大功率二極管或晶閘管，將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差頻率交流電變?yōu)橹绷麟?，再用晶閘管逆變器將轉(zhuǎn)子電流返回電電源以改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方式。第三十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.4.1串級調(diào)速的基本工作原理繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，在轉(zhuǎn)子回路中串入不同數(shù)值的電阻RS，可以獲得不同斜率的機(jī)械特性，從而實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。屬于變轉(zhuǎn)差率調(diào)速方法。這種調(diào)速方法簡單、方便。但存在如下缺點：(1)調(diào)速是有級的，不平滑；(2)在深調(diào)速時機(jī)械特性很軟，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差；(3)轉(zhuǎn)差功率PS轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，消耗在電阻RS上，效率低。且隨著調(diào)速范圍加大，轉(zhuǎn)速愈低，轉(zhuǎn)差功率也愈大，當(dāng)轉(zhuǎn)差率S=0.5時，效率η<0.5。第三十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.4.1串級調(diào)速的基本工作原理為了利用轉(zhuǎn)差功率，可以采用控制轉(zhuǎn)子變量的調(diào)速方法，即在電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入與轉(zhuǎn)子電動勢E2同頻率的附加電動勢，通過改變幅值和相位來實現(xiàn)調(diào)速。這樣電動機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)差功率PS僅有小部分消耗在轉(zhuǎn)子相電阻R2上，而大部分（）被串入的附加電勢所吸收，再利用產(chǎn)生附加電勢的裝置，設(shè)法把所吸收的這部分轉(zhuǎn)差功率回饋給電網(wǎng)。這種在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入附加電動勢以改變轉(zhuǎn)差功率的調(diào)速方法，稱為串級調(diào)速。第三十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.4.1串級調(diào)速的基本工作原理當(dāng)電動機(jī)工作在固有機(jī)械特性上時，若拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在接近額定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子相電流I2為當(dāng)轉(zhuǎn)子串入的附加電勢Ef的相位與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢(SE2)的相位相差180°時，由于反相的Ef接入，立即引起轉(zhuǎn)子電流I2的減小，此時轉(zhuǎn)子相電流I2為由于Ef的接入，使轉(zhuǎn)子電流I2增加，此時第三十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.4.1串級調(diào)速的基本工作原理電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩亦相應(yīng)增加并大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，迫使電動機(jī)加速，轉(zhuǎn)差率s值減小。由式（6.12）可看出轉(zhuǎn)子電流亦減小，這一過程將持續(xù)到轉(zhuǎn)矩T恢復(fù)為原有數(shù)值。當(dāng)串入的值足夠大時，電動機(jī)加速到超過同步轉(zhuǎn)速，于是S值將變負(fù)，（SE2）反相，使I2值又下降，這一過程持續(xù)到T又恢復(fù)到原有數(shù)值為止。在新的平衡狀態(tài)下，電動機(jī)處于高于同步速度下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，這就是超同步速度串級調(diào)速的原理。串入與轉(zhuǎn)子電動勢同相位的幅值愈大，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就愈高。

綜上所述，串級調(diào)速的原理是在轉(zhuǎn)子回路中串入一個與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢E2同頻率的附加電動勢，通過改變的相位和幅值大小，就可以實現(xiàn)電動機(jī)低于或超過同步速度的調(diào)速。第三十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.4.2串級調(diào)速的基本運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與功率傳遞關(guān)系第四十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.4.3調(diào)速范圍與串級調(diào)速裝置的容量，轉(zhuǎn)子電壓的關(guān)系如圖6.23所示，當(dāng)電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速為額定位轉(zhuǎn)速nN時，其輸出功率也相應(yīng)為額定值PN。當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時，電動機(jī)從電網(wǎng)吸取的功率全部變?yōu)檗D(zhuǎn)差功率饋入電網(wǎng)，而輸出功率為零。第四十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.4.3調(diào)速范圍與串級調(diào)速裝置的容量，轉(zhuǎn)子電壓的關(guān)系如采用低同步串級調(diào)速，當(dāng)調(diào)速范圍2∶1(nN～0.5nN)時，最大轉(zhuǎn)差功率為s*P=0.5PN，即調(diào)速裝置的功率僅需額定功率的一半。如采用超同步串級調(diào)速，當(dāng)調(diào)速范圍3：1(1.5nN～0.5nN)時，P=1.5PN，s*P=0.5PN=0.33P。即用同樣容量的調(diào)速裝置可以控制更大的輸出功率。第四十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.4.4串級調(diào)速的的主回路方案1.低于同步轉(zhuǎn)速串級調(diào)速主回路第四十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.4.4串級調(diào)速的的主回路方案1.低于同步轉(zhuǎn)速串級調(diào)速主回路圖6.24為幾種常用的主回路形式，圖a)為最常用三相橋式串級調(diào)速電路；圖b)為三相零式電路，線路簡單，但諧狡嚴(yán)重，有零線電流，僅適用于小容量電機(jī)；圖c)為帶斬彼器的三相橋式電路，電源側(cè)逆變器控制在全逆變狀態(tài)，系統(tǒng)功率因數(shù)較高，適用于中小容量電機(jī)；圖d)為十二相橋式電路，線路復(fù)雜，但功率因數(shù)較高，諧波分量小，適用于中大容量電機(jī)。第四十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.4.4串級調(diào)速的的主回路方案2.超同步串級調(diào)速的主回路第四十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.4.4串級調(diào)速的的主回路方案1.高于同步轉(zhuǎn)速串級調(diào)速主回路圖a)為交—直—交強(qiáng)迫換流電路；適用于小容量電動機(jī)；圖b)為交—交電流型自然換流電路(亦可用交—交電壓型自然換流電路)適用于大容量電動機(jī)。第四十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.4.5功率因數(shù)和效率如果串級調(diào)速的變流器不采取任何改善功率因數(shù)的措施，則其效率和功率因數(shù)與電動機(jī)轉(zhuǎn)差率S的關(guān)系如圖6.26所示。串級調(diào)速時，定子必須從電網(wǎng)吸收滯后電流，電源側(cè)逆變器也必須從電網(wǎng)吸取滯后無功電流以實現(xiàn)自然換流，故總的功率因數(shù)較低，但在超同步運(yùn)行時，效率和功率因數(shù)均較高。雖然串級調(diào)速有較高的效率，但如不采取措施，其功率因數(shù)較低，影響總的力能指標(biāo)。大量使用時，過大的無功功率沖擊，將使電網(wǎng)損耗加大，供電質(zhì)量下降，必須根據(jù)電網(wǎng)容量大小、并聯(lián)運(yùn)行負(fù)載性質(zhì)、無功沖擊對全廠功率因數(shù)的影響等因素，采取必要的措施。第四十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.4.6串級調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性串級調(diào)速情況下的機(jī)械特性實用表達(dá)式為式中

—串級調(diào)速時電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 —電動機(jī)自然特性轉(zhuǎn)矩。第四十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.4.6串級調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性機(jī)械特性曲線見圖6.27，其中曲線1為自然機(jī)械特性，其中曲線2，3為不同逆變角β下的串級調(diào)速機(jī)械特性。第四十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.4.7串級調(diào)速控制系統(tǒng)除個別對調(diào)速系統(tǒng)性能要求不高的場合可以所有開環(huán)控制以外，串級調(diào)速系統(tǒng)一般均采用電流和轉(zhuǎn)速環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。第五十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5變頻調(diào)速對異步電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，需要一套變頻電源，目前市售的各種類型的變頻調(diào)速裝置，它們具有重量輕、體積小、維護(hù)方便、慣性小和效率高等優(yōu)點。因此，變頻調(diào)速已成為異步電動機(jī)調(diào)速的主要選擇，在很多方面也已經(jīng)進(jìn)入了直流電動機(jī)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。本節(jié)重點討論交—直—交變頻器、交—交變頻器中逆變器的工作原理，及SPWM技術(shù)。

第五十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五變頻調(diào)速的基本依據(jù)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速故改變定子供電電源頻率f1就可以改變電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0和轉(zhuǎn)速n，這就是變頻調(diào)速的基本依據(jù)。第五十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.1變頻器的主要類型和特點帶定子壓降轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性示于圖6.29中的b線，無補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a線。圖6.29定子壓降轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償特性

圖6.30異步電動機(jī)變頻調(diào)速的控制特性第五十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.1變頻器的主要類型和特點1．按裝置形式分類(1)交—交變頻器(2)交—直—交變頻器圖6.31交—交變頻器圖6.32交—直—交變頻器交—交變頻器由于性能上的原因，常用來作為低頻大功率變頻器，交—直—交變頻器的應(yīng)用場所則要廣泛得多，除變頻調(diào)速外，還可用來構(gòu)成高精度穩(wěn)頻穩(wěn)壓交流電源和不停電交流電源。第五十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.1變頻器的主要類型和特點2．按無功能量處理方式分類(1)電壓源型變頻器(2)電流源型變頻器第五十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.1變頻器的主要類型和特點3．按變頻器工作方式分類180o導(dǎo)電型;120o導(dǎo)電型。1）

180o導(dǎo)電型每個晶閘管的導(dǎo)通角為180o，在任意瞬間三個不同橋臂同時有１個晶閘管導(dǎo)通，每隔60o

更換一個晶閘管，觸發(fā)導(dǎo)通順序為VT5、6、1；VT6、1、2；VT１、２、3；VT２、３、4；VT３、４、5；VT４、５、6；VT５、６、1…。第五十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五第五十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.1變頻器的主要類型和特點3．按變頻器工作方式分類180o導(dǎo)電型;120o導(dǎo)電型。2）120o導(dǎo)電型每個晶閘管的導(dǎo)通角為120o

，在任意瞬間二個不同橋臂同時有１個晶閘管導(dǎo)通，每隔60o

更換一個晶閘管，觸發(fā)導(dǎo)通順序為VT６、1；VT１、2；VT２、3；VT３、4；VT４、５；VT５、6；VT６、1…。

第五十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五第五十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五結(jié)論：無論180o或120o導(dǎo)通型變頻器，六只晶閘管各換流一次構(gòu)成輸出電壓的一個周期，因此也稱這種工作方式的變頻器為六拍變頻器。第六十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五(1)180°導(dǎo)通型分析第六十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.1變頻器的主要類型和特點3．按變頻器工作方式分類(1)180°導(dǎo)通型逆變器輸出的是三相對稱電壓，而線電壓的有效值為相電壓的有效值為線電壓與相電壓之比為第六十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.1變頻器的主要類型和特點3．按變頻器工作方式分類(1)180°導(dǎo)通型對階梯形的線電壓和相電壓進(jìn)行諧波分析，將其用傅立葉級數(shù)展開，得式中，Ud為逆變器輸入的直流電壓。由上式可見，線電壓和相電壓均不包含3次及3n(n=1,2,3,…)次諧波，故對電機(jī)的運(yùn)行影響不大。但仍含有5,7,11,…高次諧波，它們使波形稍有畸變和增加一些損耗。第六十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.2交—直—交器電壓源型變頻器(一)串聯(lián)電感式電壓源型變頻器第六十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.2交—直—交器電壓源型變頻器串聯(lián)電感式電壓源型變頻器A相電路的換流過程

第六十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.2交—直—交器電壓源型變頻器串聯(lián)電感式電壓源型變頻器A相電路的換流波形

第六十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.2交—直—交器電壓源型變頻器(二)帶輔助換流晶閘管的電壓源型變頻器第六十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.2交—直—交器電壓源型變頻器帶輔助換流晶閘管的電壓源型變頻器A相電路的換流過程圖6.41(a)為換流前的原始狀態(tài)。圖6.41(b)為換流開始時的情況。圖6.41(c)和6.41(d)為換流的主要階段。圖6.41(e)表示的期間內(nèi)，由于V21截止，IL改經(jīng)V11對CA繼續(xù)充電。圖6.41(f)為換流結(jié)束階段。第六十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.2交—直—交器電壓源型變頻器(二)帶輔助換流晶閘管的電壓源型變頻器根據(jù)電路理論中的結(jié)論，諧振電流ic的表達(dá)式為式中δ=R/2LA，ω為振蕩頻率。第六十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.2交—直—交器電壓源型變頻器帶輔助換流晶閘管換流電路在換流時的電流、電壓波形

第七十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.3交—直—交電流源型蠻頻器串聯(lián)二極管式電流源型變頻器

第七十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.3交—直—交電流源型蠻頻器換流中的四個階段如圖6.45所示，圖中被涂成黑色的晶閘管和二極管表示它們正處于導(dǎo)通狀態(tài)。圖6.45(c)為uC=0后的過程。圖6.45(b)中，V3被觸發(fā)導(dǎo)通，電容C通過V11和V3放電，若放電電流的最大值大于iA的最大值，則V1被關(guān)斷，uC則通過V3構(gòu)成加在V1上的反向電壓。圖6.45(a)為換流前的原始狀態(tài)。圖6.45(d)為電容C被充電至反向穩(wěn)定值+UC時的狀態(tài)。第七十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.3交—直—交電流源型蠻頻器該換流過程若用時間函數(shù)曲線表示，則如圖6.46所示。第七十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.4電壓源型變頻器與電流源型變頻器的性能比較從主電路上看，電壓源型變頻器和電流源型變頻器的區(qū)別僅在于中間濾波環(huán)節(jié)的形式不同，但它們在性能上卻有相當(dāng)大的差異，主要表現(xiàn)在：(一)使電動機(jī)實現(xiàn)反饋制動的能力不同電流源型變頻器不用加任何附加電路即可使電動機(jī)工作于反饋制動狀態(tài)，實現(xiàn)四象限運(yùn)行，這是它的優(yōu)點之一。

第七十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.4電壓源型變頻器與電流源型變頻器的性能比較(二)實現(xiàn)電動機(jī)定子電流控制的難易程度不同

和直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相類似，變頻調(diào)速系統(tǒng)同樣是通過對變頻器輸出電壓的控制實現(xiàn)對主電流(定子電流)的控制。由于濾波電容嚴(yán)重的延緩作用，采用電壓源型變頻器的變頻調(diào)速系統(tǒng)堆以實現(xiàn)這種控制，采用電流源型變頻器的變頻調(diào)速系統(tǒng)則不存在這個問題，可以方便地利用電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)定子電流的大小。(三)電流波中高次諧波分量的大小不同電壓源型變頻器多為180o通導(dǎo)型，輸出相電壓為六階梯形波，在向異步電動機(jī)定子繞組供電時，定子電流由六階梯形波與正弦定子電勢E1之差產(chǎn)生。分析證明，五次諧波電流的幅值約為基波幅值的40%，七次諧波約為20%。電流源型變頻器多為120o通導(dǎo)型，輸出相電流為斷續(xù)矩形波，五，七次諧波幅值所占比例分別為基波幅值的20％和14％。第七十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.4電壓源型變頻器與電流源型變頻器的性能比較(四)適用場合不同

電壓源型逆變器由于輸出阻抗小，適用于作為多臺電動機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時的供電電源。但由于濾波電容加大了系統(tǒng)的時間常數(shù)，輸出電壓對控制作用反應(yīng)遲緩，故一般只適用于不要求快速加降速的場合。

電流源型變頻器則相反，由于濾波電感的作用，系統(tǒng)對負(fù)載變化的反應(yīng)遲緩，不適于作多臺電動機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的供電電源，而更適合于一臺變頻器對—臺電動機(jī)供電的單機(jī)運(yùn)行方式。第七十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.5脈寬調(diào)制式電壓源型變頻器上述交—直—交變頻器存在著如下共同缺點： 1)需要兩套功率變換器，裝置龐大；

2)利用相控整流器調(diào)節(jié)變頻器的輸出電壓時，變頻器輸入端的功率固數(shù)隨著電壓的降低而減?。?/p>

3)中間濾波環(huán)節(jié)的大時間常數(shù)使變頻器電壓(電流)調(diào)節(jié)過程緩慢，難以獲得滿意的動態(tài)性能；

4)輸出電流中高次諧波所占比例很大，不僅增加了運(yùn)行損耗，還引起電磁轉(zhuǎn)矩的波動，造成低速不穩(wěn)，限制了電動機(jī)調(diào)速范圍的擴(kuò)大。第七十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.5脈寬調(diào)制式電壓源型變頻器（SPWM）以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高的多的等腰三角波作為載波，并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波，當(dāng)調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得在正弦波調(diào)制波的半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。按照波形面積相等的原則，每一個矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等，應(yīng)而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效。這個序列的正弦波稱作SPWM波。第七十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.5脈寬調(diào)制式電壓源型變頻器(一)單極性調(diào)制所謂單極性調(diào)制，系指逆變器中每相橋臂上的兩只晶體管一只交替地通，斷，另一只保持截止?fàn)顟B(tài)的調(diào)制方式。單極性調(diào)制，由于三角形調(diào)制信號與正弦參考電壓均為單極性的，因此，π～2π的輸出波形必須經(jīng)過倒向處理才能得到完整的正弦輸出。第七十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.5脈寬調(diào)制式電壓源型變頻器(二)雙極性調(diào)制所謂雙極性調(diào)制系指逆變器中每相橋臂上的兩只二極管交替地互補(bǔ)式通斷。改變正弦控制電壓的頻率和幅值，即可相應(yīng)地調(diào)節(jié)輸出電壓的頻率和幅值，只要配合得當(dāng)，即可達(dá)到U1／f1協(xié)調(diào)控制的目的，但控制電壓的最大值不能超過三角波信號的最大值，否則輸出電壓頻率與幅值的協(xié)調(diào)控制關(guān)系將被破壞。

第八十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五注意！當(dāng)三角波調(diào)制信號頻率一定，僅改變正弦波控制信號的頻率時，輸出的等效正弦電壓波形中正負(fù)半周內(nèi)的脈沖數(shù)和相位不可能在每一個周期內(nèi)均保持對稱，即輸出波形中包含有偶次諧波分量，這種調(diào)制方式叫異步調(diào)制式。與此對應(yīng)，若三角波調(diào)制信號的頻率隨正弦波控制信號頻率同步調(diào)節(jié)，保證在任何頻率下輸出電壓的正、負(fù)半周內(nèi)的脈沖個數(shù)相同，這種調(diào)制方式稱為同步調(diào)制式。同步調(diào)制式逆變器的輸出波形中雖不包含偶次諧她，但由于正、負(fù)半周內(nèi)矩形脈沖數(shù)恒定，頻率降低時輸出電壓中的諧波分量將增加，對電動機(jī)運(yùn)行性能會產(chǎn)生不利的影響。異步調(diào)制式逆變器的輸出波形中正、負(fù)半周內(nèi)的矩形脈沖數(shù)隨頻率的降低而增加，有利于改善電動機(jī)的低速運(yùn)行性能，以擴(kuò)大其調(diào)速范圍，但偶次諧波的存在，將使輸出電壓的波形和相位經(jīng)常發(fā)生改變，見圖6.50(e)一(g)，造成電動機(jī)運(yùn)行速度不穩(wěn)。為降低這種影響，三角波調(diào)制信號的頻率必須高于正弦波控制電壓最高頻率(也是輸出電壓的量高頻率)的10倍以上。

第八十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.6交—交變頻器1．工作原理三相全控橋式整流電路輸出電流連續(xù)時，輸出電壓平均值ud為式中α—晶閘管的控制角。第八十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖6.52a)、b)分別為正、反組工作時的輸出電壓與平均輸出電壓波形；圖6.52c)為正、反組工作時的輸出電壓與平均輸出電壓波形。圖中，A、B、C分別為α=0o、α=15o、α=30o時觸發(fā)角；K、L、M、N、O、P分別為β==0o、β=15o、β=30o、β=50o、、β=90o、β=105o，由圖c）可見，在正組與反組交接工作的過程中，正組有一個本橋逆變的發(fā)電過程，向電網(wǎng)回饋功率。第八十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五6.5.6交—交變頻器當(dāng)整流過程大于逆變過程時，電動機(jī)從電網(wǎng)吸收電能，為電動運(yùn)行狀態(tài)，反之，當(dāng)整流過程小于逆變過程時，電動機(jī)向電網(wǎng)饋送電能，為發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。同理，當(dāng)整流過程等于逆變過程時，則電動機(jī)從電網(wǎng)吸收的電能等于向電網(wǎng)饋送的電能，這相當(dāng)于純電感或純電容負(fù)載下的理想空載運(yùn)行狀態(tài)。交—交變頻器的工作原理比較簡單，關(guān)鍵在于如何處理其在工程應(yīng)用中出現(xiàn)的各種具體問題，其中最重要的是觸發(fā)脈沖的控制問題和環(huán)流問題。第八十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2．觸發(fā)脈沖的控制第八十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2．觸發(fā)脈沖的控制如圖6.55所示，如果在uC與usi

（i=1，2，----6）交點處觸發(fā)相應(yīng)相的晶閘管，即以各相處至uC與usi交點處的電角度α1，α2，α3，…α6，作為各相晶閘管的控制角，則根據(jù)上述同步電壓形成的方法可知，此時整流器輸出電壓的大小應(yīng)與控制電壓uC相等，換言之，只要在圖6.55中所示的uC和us1～usi的交點處產(chǎn)生對應(yīng)晶閘管的觸發(fā)脈沖，那么，交—交頻器的輸出電壓的表達(dá)式可由式（6.24）等號右邊部分給出，其幅值和頻率均可通過改變控制電壓的幅值和頻率的大小進(jìn)行控制。顯然，若將us1～usi和uC的幅值按相同的比例縮小，變頻器輸出電壓幅度不變，這樣可以避免控制電壓過高。第八十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五注意！工程實際應(yīng)用中，要產(chǎn)生一個幅值和頻率均連續(xù)可調(diào)的控制電壓uC并不容易，產(chǎn)生三個相位上完全對稱、幅值和頻率都能在足夠廣的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相控制電壓就更加困難。為了降低成本，簡化變頻器的電路結(jié)構(gòu)和提高工作的可靠性，常常只能降格以求地利用三角波、鋸齒波甚至方波電壓來代替正弦控制（參考）電壓。為此，付出的代價是導(dǎo)致輸出波形的畸變，電動機(jī)的運(yùn)行性能變差。第八十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五三相聯(lián)結(jié)交—交變頻器若希望獲得三相變頻電源，則應(yīng)采用三套如圖6.51所示的電路和三相對稱的控制電壓，并以適當(dāng)?shù)姆绞綄⑷捉弧蛔冾l器的三個輸出端接成星形或三角形電路。

第八十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五3．交一交直接變頻調(diào)速與交一直一交變變頻調(diào)速的比較優(yōu)點：

1)僅有一級功率變換，由于采用的是相位控制的整流電路，