1、第6章交流傳動(dòng)控制系統(tǒng),直流傳動(dòng)系統(tǒng)，因其具有的高精度性，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)占據(jù)了需要速度調(diào)節(jié)的大部分應(yīng)用領(lǐng)域。 但是，直流電動(dòng)機(jī)因?yàn)榫哂须娝⒑蛽Q向器因而必須經(jīng)常檢查維修，換向火花使它的應(yīng)用環(huán)境受到限制，換向能力也限制了直流電動(dòng)機(jī)的容量和速度等。 隨著變流技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使得采用新型電力電子變換器的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，交直流拖動(dòng)按調(diào)速性能分工的格局終于被打破。 目前，需要速度調(diào)節(jié)的應(yīng)用，工程師一般采用交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。,6.1 交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域,目前，交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有下述三個(gè)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

2、伺服系統(tǒng) ； 3) 特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速 。,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(chēng)交流移相調(diào)壓器) 2）通斷比控制的交流調(diào)壓器(簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)零自然關(guān)斷，不需另加換流電路，所以電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便。但其輸出含有較嚴(yán)重的諧波分量，對(duì)于加熱爐、電光源、以及交流電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)等慣性較大的負(fù)載，諧波對(duì)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。,6.2.1晶閘管交流移相調(diào)壓器,1單相相控調(diào)壓,6.2.1晶閘管交流移相調(diào)壓

3、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1，在電源負(fù)半周觸發(fā)VT2，控制角為2，若令1=2，則輸出電壓有效值為,當(dāng)控制角從0到變化時(shí)，輸出電壓有效值U0從U變到0。,對(duì)于反并聯(lián)的兩個(gè)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。,（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(duì)電源頻率的功串因數(shù)角，為VT1的控制角，為VT1的導(dǎo)通角，則這三個(gè)角度之間的關(guān)系為 當(dāng) 一定時(shí)，與的關(guān)系如圖6.3的曲線所示，由式(6.3)和圖6.3可見(jiàn)：對(duì)電感性

4、負(fù)載的單相交流調(diào)壓，其控制角移相范圍應(yīng)為 的情形。,帶RL負(fù)載的單相交流調(diào)壓電路及、和的關(guān)系,2三相交流移相調(diào)壓器,(1)負(fù)載星形連接,雙向開(kāi)關(guān)三角形連接的電路及不同時(shí)刻各管導(dǎo)通狀態(tài)見(jiàn)表,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,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(kāi)關(guān)元件電流容量比圖b)小，但如以每時(shí)刻均為兩個(gè)元件導(dǎo)通時(shí)圖a)是負(fù)載各相單獨(dú)接入到線電壓的一相中去，而圖b)是三相負(fù)載每時(shí)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。,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

5、電器英文名稱(chēng)為Solid State Relay，簡(jiǎn)稱(chēng)SSR。它是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點(diǎn)作為切換裝置的具有繼電器特性的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件，單相SSR為四端有源器件，其中兩個(gè)輸入控制端，兩個(gè)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(hào)到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。,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(duì)晶閘管，SSR具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)固體繼電器工作可靠，壽命長(zhǎng)； (2)無(wú)噪聲、無(wú)火花、無(wú)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(kāi)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(hào)達(dá)到直接驅(qū)

6、動(dòng)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(diǎn)組數(shù)少； (4)過(guò)電流、過(guò)電壓及電壓上升率、電流上升率等指標(biāo)差。,SSR固體繼電器用途,SSR固體繼電器目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)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(dòng)化裝置、信號(hào)燈、閃爍器、照明舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)、儀器儀表、醫(yī)療器械、復(fù)印機(jī)、自動(dòng)洗衣機(jī)、 自動(dòng)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(kāi)關(guān)等等，另外在化工、煤礦等需防爆、防潮、防腐蝕場(chǎng)合中都有大量使用。 SSR交流固體繼電器按開(kāi)關(guān)方式分為： 電壓過(guò)零導(dǎo)通型(簡(jiǎn)

7、稱(chēng)過(guò)零型) 隨機(jī)導(dǎo)通型(簡(jiǎn)稱(chēng)隨機(jī)型)； 按輸出開(kāi)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(DC332V)的恒流源型和串電阻限流型等。,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(guò)零型/隨機(jī)型SSR的輸出波形圖 a)電平控制 b)脈沖控制,固態(tài)繼電器SSR在分相電動(dòng)機(jī)與三相交流電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制的應(yīng)用實(shí)例,圖6.9交流電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制 a)分相電動(dòng)機(jī)b)三相交流電動(dòng)機(jī),6.2.2 固態(tài)繼

8、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)SXJKA、TB-3A和6只單向可控硅組成的三相交流移相調(diào)壓器,3. 固態(tài)繼電器交流移相調(diào)壓器,b)SXJKT、TB-3A和3只雙向可控硅組成的三相交流移相調(diào)壓器,3.固態(tài)繼電器交流移相調(diào)壓器,c)SX3JK、TB-3和3只固態(tài)繼電器組成的三相交流移相調(diào)壓器,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(guò)零檢測(cè)器檢測(cè)交流電源電壓正過(guò)零信號(hào)，使從單片機(jī)8031的P1.0、P1.1、P1.2輸出的脈沖信號(hào)與品閘管主電路電源同步。,6.2.4 調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的組成與特性分析,三相交流

9、異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)圖6.15高阻值繞組線圈調(diào)壓機(jī)械特性,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,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(xiě)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(dòng)機(jī)定子電壓)； Kn轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系數(shù)。,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(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。,根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的實(shí)用表達(dá)

10、式,當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，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(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩為,式中Xk一一異步電動(dòng)機(jī)的短路電抗。,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(lèi)似的。,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(duì)象：三相交流異步電動(dòng)機(jī)(380V50Hz)； (2)輔出功率：小

11、于40kW； (3)調(diào)速范圍：5：1，對(duì)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255； (5)控制電壓(08)V。,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,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(jiàn)圖6.19，由籠型異步電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器和晶閘管勵(lì)磁電源及其控制部分組成。晶閘管直流勵(lì)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(lì)磁電流。,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

12、和磁積極兩部分組成，兩者無(wú)機(jī)械聯(lián)系，都可自由旋轉(zhuǎn)。電樞由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，稱(chēng)主動(dòng)部分，磁極用聯(lián)軸節(jié)與負(fù)載相聯(lián)，稱(chēng)從動(dòng)部分。當(dāng)勵(lì)磁繞組通以直流電，電樞為電動(dòng)機(jī)所拖動(dòng)以恒速定向旋轉(zhuǎn)時(shí)，在電樞中感應(yīng)產(chǎn)生渦流，渦流與磁極的磁場(chǎng)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(lì)磁電流大，磁場(chǎng)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(dòng)負(fù)載，轉(zhuǎn)速較高。反之，速度低。同樣，如勵(lì)磁電流恒定，負(fù)載大則轉(zhuǎn)違低。所以，改變勵(lì)磁電流的大小即可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的調(diào)速。,6.3.2 電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的工作特性,一般情況下，電磁調(diào)速電動(dòng)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

13、下降較多，是軟特性。勵(lì)磁電流越小，特性越軟，且在TL10%TN時(shí)，有一個(gè)失控區(qū)。這種機(jī)械特性可用如下的經(jīng)驗(yàn)公式表示：,n1離合器主動(dòng)部分轉(zhuǎn)速； n2離合器從動(dòng)部分轉(zhuǎn)速； T離合器轉(zhuǎn)矩； If勵(lì)磁電流； K與離合器類(lèi)型有關(guān)的系數(shù)。,電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性,6.3.3 電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍,主要優(yōu)點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，價(jià)格低廉，對(duì)電網(wǎng)，電機(jī)均無(wú)諧波影響。閉環(huán)控制時(shí)調(diào)速范圍達(dá)10：1，轉(zhuǎn)速變化率在2%左右。 缺點(diǎn)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(dòng)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(shí)，其額定轉(zhuǎn)速可達(dá)95%。負(fù)載小時(shí)有一個(gè)失控區(qū)。,6.4 晶閘管串級(jí)調(diào)

14、速系統(tǒng),晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是在繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方式。,6.4.1 串級(jí)調(diào)速的基本工作原理,繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)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(shí)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(jiǎn)單、方便。但存在如下缺點(diǎn)：,(1)調(diào)速是有級(jí)的，不平滑； (2)在深調(diào)速時(shí)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(shí)，效率0.5。,

15、6.4.1串級(jí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)E2同頻率的附加電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)改變幅值和相位來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這樣電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(shì)所吸收，再利用產(chǎn)生附加電勢(shì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入附加電動(dòng)勢(shì)以改變轉(zhuǎn)差功率的調(diào)速方法，稱(chēng)為串級(jí)調(diào)速。,6.4.1串級(jí)調(diào)速的基本工作原理,當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在固有機(jī)械特性上時(shí)，若拖動(dòng)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(shì)Ef的相

16、位與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(SE2)的相位相差180時(shí)，由于反相的Ef接入，立即引起轉(zhuǎn)子電流I2的減小，此時(shí)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(shí),6.4.1串級(jí)調(diào)速的基本工作原理,電動(dòng)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(dòng)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(guò)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(shí)，電動(dòng)機(jī)加速到超過(guò)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(guò)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(dòng)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(jí)調(diào)速的原理。串入與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)同相位的幅值愈大，電動(dòng)

17、機(jī)的轉(zhuǎn)速就愈高。 綜上所述，串級(jí)調(diào)速的原理是在轉(zhuǎn)子回路中串入一個(gè)與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2同頻率的附加電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)改變的相位和幅值大小，就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)低于或超過(guò)同步速度的調(diào)速。,6.4.2串級(jí)調(diào)速的基本運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與功率傳遞關(guān)系,6.4.3調(diào)速范圍與串級(jí)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(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速為額定位轉(zhuǎn)速nN時(shí)，其輸出功率也相應(yīng)為額定值PN。當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，電動(dòng)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。,6.4.3 調(diào)速范圍與串級(jí)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(jí)調(diào)速，當(dāng)調(diào)速范圍21(nN0.5nN)時(shí)，最大轉(zhuǎn)差功率為s*P=0.5PN，

18、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(jí)調(diào)速，當(dāng)調(diào)速范圍3：1(1.5nN0.5nN)時(shí)，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。,6.4.4串級(jí)調(diào)速的的主回路方案,1.低于同步轉(zhuǎn)速串級(jí)調(diào)速主回路,6.4.4串級(jí)調(diào)速的的主回路方案,1.低于同步轉(zhuǎn)速串級(jí)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(jí)調(diào)速電路； 圖b)為三相零式電路，線路簡(jiǎn)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

19、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)。,6.4.4串級(jí)調(diào)速的的主回路方案,2.超同步串級(jí)調(diào)速的主回路,6.4.4串級(jí)調(diào)速的的主回路方案,1.高于同步轉(zhuǎn)速串級(jí)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(dòng)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(dòng)機(jī)。,6.4.5 功率因數(shù)和效率,如果串級(jí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率S的關(guān)系如圖6.26所示。 串級(jí)調(diào)速時(shí)，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(wú)功電流以實(shí)現(xiàn)自然換流，故總的功率因數(shù)較低，但在超同步運(yùn)行

20、時(shí)，效率和功率因數(shù)均較高。 雖然串級(jí)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(shí)，過(guò)大的無(wú)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(wú)功沖擊對(duì)全廠功率因數(shù)的影響等因素，采取必要的措施。,6.4.6 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性,串級(jí)調(diào)速情況下的機(jī)械特性實(shí)用表達(dá)式為,式中 串級(jí)調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 電動(dòng)機(jī)自然特性轉(zhuǎn)矩。,6.4.6串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性,機(jī)械特性曲線見(jiàn)圖6.27，其中曲線1為自然機(jī)械特性，其中曲線2，3為不同逆變角下的串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性。,6.4.7串級(jí)調(diào)速控制系統(tǒng),除個(gè)別對(duì)調(diào)速系統(tǒng)性能要求不高的場(chǎng)合可以所有開(kāi)環(huán)

21、控制以外，串級(jí)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)。,6.5 變頻調(diào)速,對(duì)異步電動(dòng)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(lèi)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(diǎn)。因此，變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。 本節(jié)重點(diǎn)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)。,變頻調(diào)速的基本依據(jù),異步電動(dòng)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(dòng)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)。,6.5.1變頻器的主要類(lèi)型和特點(diǎn),帶定子壓降轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性示于圖6.2

22、9中的b線，無(wú)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(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的控制特性,6.5.1變頻器的主要類(lèi)型和特點(diǎn),1按裝置形式分類(lèi) (1)交交變頻器 (2)交直交變頻器,交交變頻器由于性能上的原因，常用來(lái)作為低頻大功率變頻器，交直交變頻器的應(yīng)用場(chǎng)所則要廣泛得多，除變頻調(diào)速外，還可用來(lái)構(gòu)成高精度穩(wěn)頻穩(wěn)壓交流電源和不停電交流電源。,6.5.1變頻器的主要類(lèi)型和特點(diǎn),2按無(wú)功能量處理方式分類(lèi) (1)電壓源型變頻器 (2)電流源型變頻器,6.5.1變頻器的主要類(lèi)型和特點(diǎn),3按變頻器工作方式分類(lèi) 180o導(dǎo)電型;120o導(dǎo)電型。 1） 180o導(dǎo)電型 每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角為1

23、80o，在任意瞬間三個(gè)不同橋臂同時(shí)有個(gè)晶閘管導(dǎo)通，每隔60 o 更換一個(gè)晶閘管，觸發(fā)導(dǎo)通順序?yàn)閂T5、6、1；VT6、1、2；VT、3；VT、4；VT、5；VT、6；VT、1。,6.5.1變頻器的主要類(lèi)型和特點(diǎn),3按變頻器工作方式分類(lèi) 180o導(dǎo)電型;120o導(dǎo)電型。 2） 120o導(dǎo)電型 每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角為120o ，在任意瞬間二個(gè)不同橋臂同時(shí)有個(gè)晶閘管導(dǎo)通，每隔60 o 更換一個(gè)晶閘管，觸發(fā)導(dǎo)通順序?yàn)閂T、1；VT、2；VT、3；VT、4；VT、；VT、6；VT、1。,結(jié)論：,無(wú)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(gè)周期，因此也稱(chēng)這種工作方式的變頻器為六

24、拍變頻器。,(1)180導(dǎo)通型分析,6.5.1變頻器的主要類(lèi)型和特點(diǎn),3按變頻器工作方式分類(lèi) (1)180導(dǎo)通型,逆變器輸出的是三相對(duì)稱(chēng)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,6.5.1變頻器的主要類(lèi)型和特點(diǎn),3按變頻器工作方式分類(lèi) (1)180導(dǎo)通型,對(duì)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(jí)數(shù)展開(kāi)，得,式中，Ud為逆變器輸入的直流電壓。,由上式可見(jiàn)，線電壓和相電壓均不包含3次及3n(n=1,2,3,)次諧波，故對(duì)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。,6.5.2交直交器電壓源型變頻器,(一)串聯(lián)電感式電壓源

25、型變頻器,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(guò)程,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,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,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(guò)程,圖6.41(a)為換流前的原始狀態(tài)。,圖6.41(b)為換流開(kāi)始時(shí)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(duì)CA繼續(xù)充電。,圖6.41(f)為換流結(jié)束階段。,6.5.2交直交器電壓源型變頻

26、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=R/2LA，為振蕩頻率。,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(shí)的電流、電壓波形,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,6.5.3交直交電流源型蠻頻器,換流中的四個(gè)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(guò)程。,圖6.45(b)中，V3被觸發(fā)導(dǎo)通，電容C通過(guò)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(guò)V3構(gòu)成加在V1上的反向電壓。,圖6.45(a)為

27、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(shí)的狀態(tài)。,6.5.3交直交電流源型蠻頻器,該換流過(guò)程若用時(shí)間函數(shù)曲線表示，則如圖6.46所示。,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?cè)谛阅苌蠀s有相當(dāng)大的差異，主要表現(xiàn)在： (一)使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)反饋制動(dòng)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(dòng)機(jī)工作于反饋制動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，這是它的優(yōu)點(diǎn)之一。,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(shí)現(xiàn)電動(dòng)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)

28、相類(lèi)似，變頻調(diào)速系統(tǒng)同樣是通過(guò)對(duì)變頻器輸出電壓的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(gè)問(wèn)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(dòng)機(jī)定子繞組供電時(shí)，定子電流由六階梯形波與正弦定子電勢(shì)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

29、20和14。,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(chǎng)合不同 電壓源型逆變器由于輸出阻抗小，適用于作為多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的供電電源。但由于濾波電容加大了系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，輸出電壓對(duì)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(chǎng)合。 電流源型變頻器則相反，由于濾波電感的作用，系統(tǒng)對(duì)負(fù)載變化的反應(yīng)遲緩，不適于作多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的供電電源，而更適合于一臺(tái)變頻器對(duì)臺(tái)電動(dòng)機(jī)供電的單機(jī)運(yùn)行方式。,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(diǎn)： 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(shí)，變頻器輸入端的功率固數(shù)隨著電

30、壓的降低而減?。?3)中間濾波環(huán)節(jié)的大時(shí)間常數(shù)使變頻器電壓(電流)調(diào)節(jié)過(guò) 程緩慢，難以獲得滿意的動(dòng)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(dòng)，造成低速不穩(wěn)，限制了電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍的擴(kuò)大。,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(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得在正弦波調(diào)制波的半個(gè)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(gè)矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積

31、相等，應(yīng)而這個(gè)序列的矩形波與期望的正弦波等效。這個(gè)序列的正弦波稱(chēng)作SPWM波。,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(hào)與正弦參考電壓均為單極性的，因此，2的輸出波形必須經(jīng)過(guò)倒向處理才能得到完整的正弦輸出。,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U1f1協(xié)調(diào)控制的目的，但控制電壓的最

32、大值不能超過(guò)三角波信號(hào)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。,注意！,當(dāng)三角波調(diào)制信號(hào)頻率一定，僅改變正弦波控制信號(hào)的頻率時(shí)，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(gè)周期內(nèi)均保持對(duì)稱(chēng)，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(duì)應(yīng)，若三角波調(diào)制信號(hào)的頻率隨正弦波控制信號(hào)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(gè)數(shù)相同，這種調(diào)制方式稱(chēng)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(shí)輸出電壓中的諧波分量將增加，對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能會(huì)產(chǎn)生不利的影響。 異步調(diào)制式逆變器的

33、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(dòng)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(jiàn)圖6.50 (e)一(g)，造成電動(dòng)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(hào)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。,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(shí)，輸出電壓平均值ud為,式中晶閘管的控制角。,圖6.52a)、b)分別為正、反組工作時(shí)的輸出電壓與平均輸出電壓波形； 圖6.52c)為正、反組工作時(shí)的輸出電壓與平均輸出電壓波形。,圖中，A、B、C分別為=0 o

34、、=15o、=30o時(shí)觸發(fā)角；K、L、M、N、O、P分別為=0 o、=15o、=30o、=50o、=90o、=105o， 由圖c）可見(jiàn)，在正組與反組交接工作的過(guò)程中，正組有一個(gè)本橋逆變的發(fā)電過(guò)程，向電網(wǎng)回饋功率。,6.5.6交交變頻器,當(dāng)整流過(guò)程大于逆變過(guò)程時(shí)，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收電能，為電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，反之，當(dāng)整流過(guò)程小于逆變過(guò)程時(shí)，電動(dòng)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(guò)程等于逆變過(guò)程時(shí)，則電動(dòng)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(jiǎn)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(wèn)題，其中最重要的是觸發(fā)脈沖

35、的控制問(wèn)題和環(huán)流問(wèn)題。,2觸發(fā)脈沖的控制,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(diǎn)處觸發(fā)相應(yīng)相的晶閘管，即以各相處至uC與usi交點(diǎn)處的電角度1，2，3，6，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(shí)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us1usi的交點(diǎn)處產(chǎn)生對(duì)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(hào)右邊部分給出，其幅值和頻率均可通過(guò)改變控制電壓的幅值和頻率的大小進(jìn)行控制。顯然，若將us1usi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

36、免控制電壓過(guò)高。,注意！,工程實(shí)際應(yīng)用中，要產(chǎn)生一個(gè)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(gè)相位上完全對(duì)稱(chēng)、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(jiǎn)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(lái)代替正弦控制（參考）電壓。為此，付出的代價(jià)是導(dǎo)致輸出波形的畸變，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能變差。,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(duì)稱(chēng)的控制電壓，并以適當(dāng)?shù)姆绞綄⑷捉唤蛔冾l器的三個(gè)輸出端接成星形或三角形電路。,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(diǎn)： 1)僅有一級(jí)功率變換，由于采用的是相位控制的整流電路，因此在一般情況下不需耍輔助換流電路，減少了系統(tǒng)的損耗，提高了效率； 2)交一交直接變頻器可以很容易地在電源與負(fù)載之間進(jìn)行功率變換，因此調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行； 3)交一交直接變頻在低頻時(shí)也可以得到較好的輸出電壓波形，因此不致引起低速運(yùn)行時(shí)諧波損耗的增加和電機(jī)的抖動(dòng)和爬行。 缺點(diǎn)： 1)變頻器輸出的最高頻率受電網(wǎng)頻率的限制，一般不