張鳳沈陽建筑大學信息學院第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)主要內(nèi)容概述交、直流調(diào)速系統(tǒng)比較交流調(diào)速的難點和復(fù)雜性交流調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)突破交流調(diào)速系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域交流調(diào)速涉及的知識電力變換電路變頻器的基本構(gòu)成跟蹤型PWM控制重點內(nèi)容2025/2/222第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)概述

直流電力拖動和交流電力拖動在19世紀先后誕生。在20世紀上半葉的年代里，鑒于直流拖動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動都采用直流電機，而約占電力拖動總?cè)萘?0%以上的不變速拖動系統(tǒng)則采用交流電機，這種分工在一段時期內(nèi)已成為一種舉世公認的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問世，并已獲得實際應(yīng)用，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。

直到20世紀60~70年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動系統(tǒng)得以實現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計算機控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運而生，一直被認為是天經(jīng)地義的交直流拖動按調(diào)速性能分工的格局終于被打破了。（1）交、直流調(diào)速系統(tǒng)的比較直流電動機的固有缺點：工藝復(fù)雜，成本高；換向器的換向能力限制了直流電動機的容量和速度；電樞火花限制了直流電動機的安裝環(huán)境；轉(zhuǎn)子發(fā)熱，電機效率低；可靠性較差，增加了維護和保養(yǎng)的工作量2025/2/224第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)（1）交、直流調(diào)速系統(tǒng)的比較比較內(nèi)容直流電動機交流電動機結(jié)構(gòu)以及制造有電刷，制造復(fù)雜無電刷，結(jié)構(gòu)簡單重量/功率約2倍1倍體積/功率約2倍1倍價格/功率幾倍1倍最大容量12MW~14MW幾十MW最大轉(zhuǎn)速1000r/min左右數(shù)千r/min最高電樞電壓1kV6kV~10kV安裝環(huán)境要求高要求低維護較多較少調(diào)速性能好復(fù)雜（1）交、直流調(diào)速系統(tǒng)的比較交流調(diào)速優(yōu)于直流調(diào)速之處：在大功率負載情況下，交流調(diào)速性價比最優(yōu)；交流調(diào)速系統(tǒng)可滿足高速運行要求；在易燃易爆多塵場合，交流調(diào)速系統(tǒng)無需過多維護；交流調(diào)速系統(tǒng)成本較之直流調(diào)速系統(tǒng)明顯降低；中壓交流調(diào)速系統(tǒng)可以節(jié)省變電站容量；交流電動機易于同某些生產(chǎn)機械形成機電一體化產(chǎn)品2025/2/226第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)（2）交流調(diào)速的難點和復(fù)雜性交流調(diào)速系統(tǒng)的難點主要來自于：交流電動機的數(shù)學模型造成轉(zhuǎn)矩控制困難與其相關(guān)的電子器件和微處理器更新?lián)Q代的速度制約了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展速度調(diào)速系統(tǒng)的精度和成本又使交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用復(fù)雜化2025/2/227第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)（3）交流調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)突破電力電子技術(shù)的發(fā)展微機以及數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用以及交流調(diào)速原理的發(fā)展和成熟2025/2/228第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)（4）交流調(diào)速系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域主要應(yīng)用方向：以節(jié)能為目的的改恒速為調(diào)速的系統(tǒng)以少維護省力為目的的取代直流調(diào)速的系統(tǒng)直流調(diào)速難以實現(xiàn)的領(lǐng)域具體應(yīng)用實例：軋鋼工業(yè)、石油工業(yè)、機械工業(yè)、化工工業(yè)2025/2/229第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)1.一般性能的節(jié)能調(diào)速

在過去大量的所謂“不變速交流拖動”中，風機、水泵等通用機械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動總?cè)萘康囊话胍陨?，其中有不少場合并不是不需要調(diào)速，只是因為過去的交流拖動本身不能調(diào)速，不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風和供水的流量，因而把許多電能白白地浪費了。

如果換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在擋板和閥門上的能量節(jié)省下來，每臺風機、水泵平均都可以節(jié)約20~30%以上的電能，效果是很可觀的。但風機、水泵的調(diào)速范圍和對動態(tài)快速性的要求都不高，只需要一般的調(diào)速性能。2.高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)

許多在工藝上需要調(diào)速的生產(chǎn)機械過去多用直流拖動，鑒于交流電機比直流電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、慣量小、效率高，如果改成交流拖動，顯然能夠帶來不少的效益。但是，由于交流電機原理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機那樣通過電樞電流施行靈活的實時控制。

20世紀70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，或稱磁場定向控制技術(shù)，通過坐標變換，把交流電機的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，用來分別控制電機的轉(zhuǎn)矩和磁通，就可以獲得和直流電機相仿的高動態(tài)性能，從而使交流電機的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進展。

其后，又陸續(xù)提出了直接轉(zhuǎn)矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流調(diào)速系統(tǒng)媲美的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。3.特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速

直流電機的換向能力限制了它的容量轉(zhuǎn)速積不超過106kW·r/min，超過這一數(shù)值時，其設(shè)計與制造就非常困難了。交流電機沒有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動設(shè)備，如厚板軋機、礦井卷揚機等，以及極高轉(zhuǎn)速的拖動，如高速磨頭、離心機等，都以采用交流調(diào)速為宜。主要內(nèi)容概述交流調(diào)速涉及的知識電力變換電路2025/2/2213第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)2.交流調(diào)速涉及的知識被控對象：交流電動機控制內(nèi)容：理論基礎(chǔ)：自控原理（古典控制、現(xiàn)代控制）

主電路（變頻器＋電動機）

控制電路（硬件：單片機、PLC、PC、DSP）（軟件：交流電動機控制方案（VVVF、VCS、DTC））變頻器2025/2/2214第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)

交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型

交流電機主要分為異步電機（即感應(yīng)電機）和同步電機兩大類，每類電機又有不同類型的調(diào)速系統(tǒng)?，F(xiàn)有文獻中介紹的異步電機調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，可按照不同的角度進行分類。按電動機的調(diào)速方法分類常見的交流調(diào)速方法有：①降電壓調(diào)速；②轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；③轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；④繞線電機串級調(diào)速或雙饋電機調(diào)速；⑤變極對數(shù)調(diào)速；⑥變壓變頻調(diào)速等等。~按電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類

按照交流異步電機的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分：一部分是拖動負載的有效功率，稱作機械功率；另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率s成正比。

PmechPmPs

即Pm=Pmech+Ps

Pmech=(1–s)Pm

Ps=sPm

從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評價調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標志。從這點出發(fā)，可以把異步電機的調(diào)速系統(tǒng)分成三類。1.轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)

這種類型的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，上述的第①、②、③三種調(diào)速方法都屬于這一類。在三類異步電機調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率最低，而且越到低速時效率越低，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低的（恒轉(zhuǎn)矩負載時）。可是這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應(yīng)用價值。

2.轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)

在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流裝置饋出或饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多，上述第④種調(diào)速方法屬于這一類。無論是饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設(shè)備。3.轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)

在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率更高，上述的第⑤、⑥兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對數(shù)調(diào)速是有級的，應(yīng)用場合有限。只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速；但在定子電路中須配備與電動機容量相當?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。

同步電機的調(diào)速

同步電機沒有轉(zhuǎn)差，也就沒有轉(zhuǎn)差功率，所以同步電機調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型（恒等于0）的，而同步電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)又是固定的，因此只能靠變壓變頻調(diào)速，沒有像異步電機那樣的多種調(diào)速方法。在同步電機的變壓變頻調(diào)速方法中，從頻率控制的方式來看，可分為他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速兩類。

自控變頻調(diào)速利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測信號來控制變壓變頻裝置換相，類似于直流電機中電刷和換向器的作用，因此有時又稱作無換向器電機調(diào)速，或無刷直流電機調(diào)速。

開關(guān)磁阻電機是一種特殊型式的同步電機，有其獨特的比較簡單的調(diào)速方法，在小容量交流電機調(diào)速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途。主要內(nèi)容概述交流調(diào)速涉及的知識電力變換電路變頻器的基本構(gòu)成跟蹤型PWM控制2025/2/2220第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)3.電力變換電路整流器（AC=>DC）逆變器（DC=>AC）變頻器（AC=>AC）

雙整流器反并聯(lián)（AC=>AC）整流器＋逆變器（AC=>DC=>AC）無源逆變2025/2/2221第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)交－交變頻（直接變頻）交－直－交變頻（間接變頻）ＰＷＭ變頻器變頻器基本結(jié)構(gòu)變流器平滑電路逆變器控制器電源IM～pp73（1）變頻器的基本構(gòu)成2025/2/2222第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)①

交－交變頻器交－交變頻ACACCVCFVVVF50Hz變頻器的基本構(gòu)成2025/2/2223第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)單相交－交變頻電路原理工作原理無環(huán)流工作方式一組工作，另一組封鎖兩組變流器按一定頻率交替工作給負載輸出某頻率交流電變頻器的基本構(gòu)成2025/2/2224第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)

工作原理對反并聯(lián)變流器晶閘管的控制角連續(xù)進行交變的相位調(diào)制，則可輸出連續(xù)的交流電改變控制角變化的快慢和大小，可以控制輸出交流電的頻率和幅值變頻器的基本構(gòu)成2025/2/2225第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)特點：一次變流，直接變換效率高，但可調(diào)頻率范圍窄輸出電壓由輸入電壓的某些部分構(gòu)成，低頻波形好按電網(wǎng)電壓過零自然換流，變流器容量可以很大可以方便地實現(xiàn)4象限工作所用功率元件數(shù)量較多功率因數(shù)較低適用范圍：大容量低速傳動變頻器的基本構(gòu)成2025/2/2226第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)②

交－直－交變頻器電壓型逆變器：直流側(cè)是電壓源電流型逆變器：直流側(cè)是電流源整流ACDCACCVCF中間直流環(huán)節(jié)VVVF50Hz逆變變頻器的基本構(gòu)成2025/2/2227第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)比較內(nèi)容電壓型逆變器電流型逆變器直流回路濾波環(huán)節(jié)電容器電抗器輸出電壓波形矩形波與負載有關(guān)輸出電流波形與負載功率因數(shù)有關(guān)矩形波輸出動態(tài)阻抗小大輸入功率因數(shù)0.8~0.850.75~0.85回饋制動不能，需另設(shè)反并聯(lián)逆變器能，無需任何附加設(shè)備過流及短路保護困難容易動態(tài)響應(yīng)較慢快對晶閘管的要求關(guān)斷時間要短，對耐壓要求一般較低耐壓高，對關(guān)斷時間無特殊要求線路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜較簡單適用范圍多機拖動，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源單機拖動，可逆運行變頻器的基本構(gòu)成電壓型逆變器的主要特點中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，相當于恒壓源交流側(cè)輸出電壓是矩形波，電流波形為正弦波為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋能量提供通道，各臂均需反并聯(lián)續(xù)流二極管從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動的當電機工作在再生制動狀態(tài)時，需在中間直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)電阻進行能耗制動變頻器的基本構(gòu)成2025/2/2229第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)當需要向交流電源反饋能量時，只能夠改變直流電流方向來實現(xiàn)，即反并聯(lián)一套逆變器反并聯(lián)逆變橋的電壓型逆變器變頻器的基本構(gòu)成電壓型逆變器的主要特點2025/2/2230第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，相當于恒流源交流側(cè)輸出電流是矩形波，電壓波形為正弦波因電流不能反向，故控制器件無需反并聯(lián)續(xù)流二極管從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動的變頻器的基本構(gòu)成電流型逆變器的主要特點2025/2/2231第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)當電機工作在再生制動狀態(tài)時，若交－直變換為可控變流器，可方便地實現(xiàn)再生制動電流型逆變器的兩種運行狀態(tài)變頻器的基本構(gòu)成電流型逆變器的主要特點2025/2/2232第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)③

PWM變頻器按照整流器是否可控，交－直－交變頻器可分為：可控整流器＋逆變器前者調(diào)壓，后者調(diào)頻不可控整流器＋PWM逆變器調(diào)壓調(diào)頻均由逆變器調(diào)節(jié)變頻器的基本構(gòu)成2025/2/2233第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)調(diào)頻和調(diào)壓分別完成，二者之間需要協(xié)調(diào)配合可控整流器對電網(wǎng)諧波造成污染，降低功率因數(shù)輸出波形為矩形波，含有一系列高次諧波（可控整流器＋基本逆變器）的不足之處：變頻器的基本構(gòu)成2025/2/2234第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)PWM變頻器的特點變流器可為不可控整流橋，簡化電路，提高功率因數(shù)消除或抑制低次諧波，輸出波形非常逼近正弦波調(diào)頻同時調(diào)壓，與中間直流環(huán)節(jié)參數(shù)無關(guān)可由PWM整流器和PWM逆變器組成電壓型變頻器，允許能量雙向傳遞，實現(xiàn)四象限運行變頻器的基本構(gòu)成2025/2/2235第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)PWM逆變器的主電路PWM電壓型變頻器主電路PWM電壓型變頻器的主電路包括交－直部分和直－交部分變頻器的基本構(gòu)成2025/2/2236第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)（2）跟蹤型PWM控制將電流、電壓或磁通的指令值作為調(diào)制波信號將電流、電壓或磁通的實際值作為載波信號通過兩者的瞬時值比較，構(gòu)成閉環(huán)控制，決定

PWM逆變器各功率開關(guān)元件的通斷，使實際輸出跟蹤指令信號又稱為瞬時值控制型逆變器定義2025/2/2237第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)

①

電流跟蹤型PWM控制實質(zhì)：bang-bang控制

應(yīng)用領(lǐng)域：高性能單電動機交流傳動2025/2/2238第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)基本思想：將一個正弦波電流給定信號與電流實測信號相比較，若實際電流值大于給定值，則通過逆變器開關(guān)器件的動作使之減少；反之使之增加。使實際輸出電流圍繞著給定的正弦波電流鋸齒形變化，并將偏差限制在一定范圍內(nèi)。與此同時，逆變器輸出的電壓波成為PWM波，快速調(diào)節(jié)電流幅值和相位，使電動機電流得到高品質(zhì)的動態(tài)控制。

①

電流跟蹤型PWM控制2025/2/2239第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)

①

電流跟蹤型PWM控制2025/2/2240第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)

①

電流跟蹤型PWM控制優(yōu)點：硬件簡單；實時控制；無需調(diào)節(jié)逆變器電壓；閉環(huán)控制缺點：諧波損耗較大，開關(guān)次數(shù)較多三相電流跟蹤型逆變器的控制2025/2/2241第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)

②

電壓跟蹤型PWM控制2025/2/2242第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)

②

電壓跟蹤型PWM控制2025/2/2243第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)

③

磁通跟蹤型PWM控制2025/2/2244第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)（3）變頻器舉例SIEMENS變頻器緊湊型MicroMaster410基本型MicroMaster420節(jié)能型MicroMaster430矢量型MicroMaster4402025/2/2245第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)（3）變頻器舉例顯示/按鈕功能顯示變頻器當前所用設(shè)定值啟動電動機停止電動機改變電動機轉(zhuǎn)向電動機電動瀏覽輔助信息、跳轉(zhuǎn)功能、確認功能參數(shù)訪問增加面板上顯示的參數(shù)數(shù)值減少面板上顯示的參數(shù)數(shù)值基本操作板2025/2/2246第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)（3）變頻器舉例更改參數(shù)P0004數(shù)值2025/2/2247第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)（3）變頻器舉例端子號標識符功能1、2-輸出+10V/0V3、4ADC1+/1-模擬輸入1(+)/1(-)5、6、7、8DIN1/2/3/4數(shù)字輸入1/2/3/49-帶電位隔離輸出+24V，最大100mA10、11ADC2+/2-模擬輸入2(+)/2(-)12、13DAC1+/1-模擬輸出1(+)/1(-)14、15PTCA/PTCB連接溫度傳感器PTC16、17DIN5/6數(shù)字輸入5/618、19、20DOUT1NC/NO/COM數(shù)字輸出1NC常閉觸頭/NO常開觸頭/切換觸頭21、22DOUT2NO/COM數(shù)字輸出2NO常開觸頭/切換觸頭23、24、25DOUT3NC/NO/COM數(shù)字輸出3NC常閉觸頭/NO常開觸頭/切換觸頭26、27DAC2+/2-模擬輸出2(+)/2(-)28-帶電位隔離輸出0V，最大100mA29、30P+/P-RS485串口MicroMaster440變頻器控制端子2025/2/2248第五章交流調(diào)速基礎(chǔ)（3）變頻器舉例端子號標識符功能1、2-輸出+10V/0V3、4ADC1+/1-模擬輸入1(+)/1(-)5、6DIN1/2數(shù)字輸入1/29-帶電位隔離輸出+24V，最大100mA10、11ADC2+/2-模擬輸入2(+)/2(-)12、13DAC1+/1-模擬輸出1(+)/1(-)19、20DOUT1NO/COM數(shù)字輸出1NO常開觸頭/切換觸頭26、27DAC2+/2-