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1、1,笼型异步电机变压变频调速系统（VVVF系统）转差功率不变型调速系统,电力拖动自动控制系统,第 6 章,2,本章主要内容,变压变频调速的基本控制方式 异步电动机电压频率协调控制时的机械特性 电力电子变压变频器的主要类型 变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速系统,3,学习要点：,1、变频调速的基本控制方式： 基频以下，恒压频比控制，实现恒转矩调速； 基频以上，恒压升频控制，实现恒功率调速； 2异步电动机电压频率协调控制的稳态机械特性：CVCF时的机械特性，电压频率协调控制下的机械特性： （1）Us/1=恒值控制， （2）恒Eg/1控制， （3）恒Er
2、/1控制。 重点、难点: 异步电动机改变电压时机械特性的变化规律,4,6.1 变压变频调速的基本控制方式,在进行电机调速时，希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。 -如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费； -如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。,5,异步电动机等效电路,6,定子每相电动势,气隙磁通在定子每相中感应电动势的有 效值(V)；,定子频率(Hz)；,定子每相绕组串联匝数；,定子基波绕组系数；,每极气隙磁通量(Wb)。,7,1. 基频以下调速,要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低
3、Eg ，使,常值,-即采用电动势频率比为恒值的控制方式。,8,恒压频比的控制方式,感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 ，则 这是恒压频比的控制方式。,9,注：电压补偿(转矩补偿),在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量比较显著，不能忽略。 这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。,10,带电压补偿的恒压频比控制特性,11,2. 基频以上调速,在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us =UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，
4、相当于直流电机弱磁升速的情况。,12,变压变频控制特性,图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性,Us,mN,m,13,6.2 异步电动机电压频率协调控制 时的机械特性,恒压恒频正弦波供电时的机械特性 基频以下电压频率协调控制的机械特性 基频以上恒压变频控制的机械特性,14,1. 恒压恒频正弦波供电时的机械特性,最大转矩,15,机械特性,16,2.基频以下电压频率协调控制时的特性,由机械特性方程式（6-4）可以看出，对于同一组转矩 Te 和转速 n（或转差率s）的要求，电压 （Us ）和频率 1 可以有多种配合，因此可以有不同方式的电压频率协调控制。,17,（1） 恒压频比控制（ Us /1
5、）,在恒压频比的条件下改变频率 1 时，机械特性基本上是平行下移，它们和直流他励电动机变压调速时的情况基本相似。 最大转矩 Temax 随着 1 的降低而减小，频率很低时，Temax 太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，可以增强带载能力。,18,恒压频比机械特性,0,n,补偿定子压降后的特性,19,（2） 恒 Eg /1 控制,如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压 Us ，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持 Eg /1 为恒值，则无论频率高低，每极磁通 m 均为常值。,20,异步电动机等效电路,21,恒 Eg /1机械特性,最大转矩,当Eg /1 为恒值时，Temax 恒定不变。,
6、22,机械特性曲线,恒 Eg /1控制的稳态性能优于恒 Us /1控制，它正是恒 Us /1控制中补偿定子压降所追求的目标,23,（3） 恒 Er /1 控制,这时的机械特性是一条直线，和直流他励电动机机械特性相同。,24,转子全磁通的感应电动势 Er 对应于转子全磁通幅值 rm ：,按照转子全磁通为恒值进行控制，就可以获得 Er /1恒定，这正是矢量控制系统所遵循的原则。,25,小结,恒压频比（ Us /1 =恒值）控制最容易实现，变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能满足一般的调速要求，但低速带载能力有限，须对定子压降实行补偿。 恒Eg /1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿，可以
7、在稳态时达到m 恒定，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。 恒Er /1控制可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性，按照rm恒定进行控制即得Er /1 =恒值，在动态中也尽可能保持恒定是矢量控制系统所追求的目标，当然实现起来是比较复杂的。,26,3.基频以上恒压变频时的机械特性,最大转矩,27,基频以上恒压变频机械特性,当电源频率 提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变。,28,作业：,6-1、6-2,29,6.3 电力电子变压变频器的主要类型,本节提要 交-直-交和交-交变压变频器 电压源型和电流源型逆变器,30,学习要点：
8、,1.静止式变频装置； 间接变频交直交变频装置 直接变频交交变频装置 电压源和电流源变频器； 2. 正弦脉宽调制（SPWM）逆变器工作原理。 重点、难点: 1.正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器的控制方式。,31, 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。,32,6.3.1 交-直-交和交-交变压变频器,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-
9、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。,33,交-直-交变压变频器基本结构,34,由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。 具体的整流和逆变电路种类很多，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组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如下图所示。,35,交-直-交PWM变压变频器基本结构,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,36,PWM变压变频器的应用广泛
10、，具有如下的优点： （1）只有逆变单元可控，它同时调节电压和频率，结构简单。 （2）采用PWM控制技术，正弦基波的比重较大，因而转矩脉动小，提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。 （4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变器输出电压大小的影响。,37,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、六拍逆变器调频
11、的交-直-交变压变频器，见下图。,38,普通交-直-交变压变频器的基本结构,39,2. 交-交变压变频器,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。 有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。,40,交-交变压变频器的基本结构,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）。,41,交-交变压变频器的基本电路结构,42,交-交变压变频器的控制方式,整半周
12、控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，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。,43,输出电压波形,44,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。,45,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
13、,46,当角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中虚线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。,47,单相交交变频电路输出电压和电流波形,48,三相交交变频电路,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。,49,三相交交变频器的基本结构,50,输出星形联结方式三相交交变频电路,51,三相桥式交交变频电路,52,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
14、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。,53,这类交-交变频器的其他缺点是：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。,54,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
15、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。,55,6.3.2 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。下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。,56,两种类型逆变器结构,57,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，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电
16、压型逆变器。,58,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。,59,性能比较,两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现如下： （1）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。,60,因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）
17、来缓冲无功能量。 （2）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。,61,下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSI构成的交-直-交变压变频调速系统（如下图所示）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。,62,电动运行状态,电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态,63,当电动运行时，UCR的控制角 ，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图a所示。,64,逆变运行状态,b）逆变运行,65,如果降低变压变频器的输出频率 1，或从机械
18、上抬高电机转速 ，使 1 90 ，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压Ud 立即反向，而电流 Id 方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图b）。,66,与此相反，采用电压源型的交-直-交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。 必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与UCR反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这样做，设备要复杂多了。,6
19、7,性能比较（续）,（3）动态响应 正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。 （4）输出波形 电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流波形为方波（见下表）。,68,性能比较（续）,表6-1 两种逆变器输出波形比较,69,性能比较（续）,（5）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。,70,小 结,(1) 变压变频调速的基本控制方式 (2) 变压变频调速的控制系统。,