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1、异步电动机变压变频调速,变压变频调速的基本原理,基频以下调速,基频以上调速,电压保持额定电压不变,变压变频调速时的机械特性,“恒转矩调速”方式,“近似的恒功率调速”方式,基频以下电压补偿控制,恒气隙磁通 控制（恒 Eg/1 控制）,恒定子磁通 控制（恒 Es/1 控制）,恒转子磁通 控制（恒 Er/1 控制）,回顾,恒压频比控制（恒 Us/1 控制）,5.4 电力电子变压变频器,本节提要交-直-交和交-交变压变频器变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术正弦波脉宽调制(SPWM)技术消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM)控制技术电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术电压空间矢量PWM(
2、SVPWM)控制技术（或称磁链跟踪控制技术）,引 言,如前所述，对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。,从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。1.交-直-交变压变频器 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。,引 言,交-直-交变压变频器基本结构,图 交-直-交（间接）变压变频器,间接式的变压变频器,具体的整流和逆变电
3、路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如下图所示。,交-直-交PWM变压变频器基本结构,图 交-直-交PWM变压变频器,变压变频(VVVF),中间直流环节,恒压恒频(CVCF),PWM逆变器,DC,AC,AC,50Hz,调压调频,C,PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：（1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。（2）转矩脉动小，提
4、高了系统的调速范围和稳态性能。（3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。,交-直-交PWM变压变频器优点,PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（SCR），并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器，见下图。,普通交-直-交变压变频器的基本结构,特大容量,2.交-交变压变频
5、器,交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。也称作周波变换器（Cycloconveter）。,交-交变压变频器的基本结构,图 交-交（直接）变压变频器,常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路（下图a）。,交-交变压变频器的基本结构,交-交变压变频器的基本电路结构,图6-13-a 交-交变压变频器每一相的可逆线路,交-交变压变频器的控制方式,正半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，
6、在负载上就获得交变的输出电压 u0，u0 的幅值决定于各组可控整流装置的控制角，u0 的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如下图 b 所示。,输出电压波形,控制方式（2）,调制控制方式 要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角 由/2（对应于平均电压 u0=0）逐渐减小到 0（对应于 u0 最大），然后再逐渐增加到/2（u0 再变为0），如下图所示。,图6-14 交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形,输出电压波形,当角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中蓝线所示的正弦
7、波。对反向组负半周的控制也是这样。,单相交交变频电路输出电压和电流波形,三相交交变频电路,三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图所示。如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。,三相桥式交交变频电路,因此，这样的交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。,三相交交变频电路,这类交-交变频器
8、的其他缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的 1/3 1/2，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。,三相交交变频电路,近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，类似于 PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行，但当输出电压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.866。目前这类变压变频器尚处于开发阶段，其发展前景是很好的。,三相交交变频电路,5.4.
9、1 交-直-交PWM变频器主回路,图5-15 交-直-交变频器主回路结构图,左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压。右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电。中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。,5.4.1 交-直-交PWM变频器主回路,主回路只有一套可控功率级，具有结构、控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小。缺点是当电动机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网，造成直流侧电压上升，称作泵升电压。,5.4.1 交-直-交PWM变频器主回路,直流母线供电,采用直流母线供电给多台逆变器，可以减少整流装置的电力电子器件，逆变器从直流母线上汲取能
10、量，还可以通过直流母线来实现能量平衡，提高整流装置的工作效率。当某个电动机工作在回馈制动状态时，直流母线能将回馈的能量送至其他负载，实现能量交换，有效地抑制泵升电压。,直流母线供电,图5-16 直流母线方式的变频器主回路结构图,电压源型和电流源型逆变器,在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。示意图如下：,两种类型逆变器结构,电压源型逆变器（Voltage Source Inverter-VSI），直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出
11、交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。,电流源型逆变器（Current Source Inverter-CSI），直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。,性能比较,表5-1 两种逆变器输出波形比较,性能比较,应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。,表5-1 电压源和电流源交-直-交变频器主要特点比较,180导通
12、型和120导通型逆变器,交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源，下图为6个电力电子开关器件VT1 VT6 组成的三相逆变器主电路，图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。,图 三相桥式逆变器主电路,控制方式,控制各开关器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压。在某一瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。在三相桥式逆变器中，有180导通型和120导通型两种换流方式。,（1）180导通型控制方式,同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器称作180导通型逆变器。当VT1关断后，使VT4导通，而当VT4关断后，又使V
13、T1导通。这时，每个开关器件在一个周期内导通的区间是180，其他各相亦均如此。由于每隔60有一个器件开关，在180导通型逆变器中，除换流期间外，每一时刻总有3个开关器件同时导通。,但须注意，必须防止同一桥臂的上、下两管同时导通，否则将造成直流电源短路，谓之“直通”。为此，在换流时，必须采取“先断后通”的方法，即先给应关断的器件发出关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，叫做“死区时间”，再给应导通的器件发出开通信号。,死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快时，所留的死区时间可以越短。为了安全起见，设置死区时间是非常必要的，但它会造成输出电压波形的畸变。,（1）180导通型控制方式
14、,电压源型三相桥式逆变电路的输出波形,UAO=Ud/2UBO=UCO=-Ud/2,UAO=2Ud/3UBO=UCO=-Ud/3,例VT1,VT2,VT6导通时等效电路如下：,（2）120导通型控制方式,120导通型逆变器的换流是在不同桥臂中同一排左、右两管之间进行的。VT1关断后使VT3导通，VT3关断后使VT5导通，VT4关断后使VT6导通等等。这时，每个开关器件一次连续导通120，在同一时刻只有两个器件导通，如果负载电机绕组是Y联结，则只有两相导电，另一相悬空。,电流源型三相桥式逆变电路的输出波形,图示出了一个120导电型交-直-交电流型逆变器的主电路及其波形。这种主电路拓扑称为串联二极管式，六个电容起强迫换流的作用。电动机正转时，逆变器中晶闸管的触发顺序是 VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT1，,
