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1、第二十五讲,要求：1.了解三种电压频率协调控制方式的特点； 2.了解基频以上恒压变频时异步电动机的机械 特性； 3.掌握恒流正弦波供电时的机械特性及其特 点； 4.了解不同类型变压变频器的特点及其工作原 理； 5.了解不同类型逆变器的特点及其工作原理； 6.了解逆变器常用的换流方式及特点,4、几种协调控制方式的比较 综上所述，在正弦波供电时，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。 恒压频比（Us/1= Constant ）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。,恒Eg/1控制是通常
2、对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到rm=Constant，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机一样的线性机械特性，按照转子全磁通 恒定进行控制，即得Er/1=Constant 而且，在动态中也尽可能保持rm恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的,6.2.3 基频以上恒压变频时的机械 特性 1、性能分析 在基频f1N以上变频调速时，由于定子电压Us=UsN 不变，那么机械特性方程式可写成:,而式（6-10）的最大转矩表达式可改写成： （6-21） 同步转速的表达式为：,2、机械特性曲线 由此可见，
3、当角频率提高时，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，如图6-7所示。 由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。,图6-7 基频以上恒压变频调速的机械特性,6.2.4 恒流正弦波供电时的机械特 性 在变频调速时，保持异步电机定子电流Is的幅值恒定，叫作恒流控制 电流幅值恒定是通过带PI调节器的电流闭环控制实现的，这种系统不仅安全可靠而且具有良好的动静态性能。,恒流供电时的机械特性与上面分析的恒压机械特性不同，现进行分析。 1、转子电流计算 设电流波形为正弦波，即忽略电流谐波
4、，由异步电动机等效电路图所示的等效电路在恒流供电情况下可得：,电流幅值为,2、电磁转矩公式 将式（6-22）代入电磁转矩表达式得,3、最大转矩及其转差率 取 ，可求出恒流机械特性的最大转矩值： （6-24） 产生最大转矩时的转差率为 （6-25）,4、机械特性曲线 按上式绘出不同电流、不同频率下的恒流机械特性示于图6-8。,图6-8 恒流供电时异步电动机的机械特性,5、性能比较 第5章式（5-4）和（5-5）给出了恒压机械特性的最大转差率和最大转矩，现再录如下：,比较恒流机械特性与恒压机械特性，由上述表达式和特性曲线可得以下的结论： 恒流机械特性与恒压机械特性的形状相似，都有理想空载转速点（s
5、=0，Te= 0）和最大转矩点（sm，Temax）。,两类特性的特征有所不同 比较式（6-25）和式（5-4）可知，由于Lls Lm，所以， sm|Isconst sm|Usconst ，因此恒流机械特性的线性段比较平，而最大转矩处形状很尖。,恒流机械特性的最大转矩值与频率无关，恒流变频时最大转矩不变，但改变定子电流时，最大转矩与电流的平方成正比。,由于恒流控制限制了电流Is，而恒压供电时随着转速的降低Is会不断增大，所以在额定电流时的Temax|Isconst 要比额定电压时的Temax|Usconst小得多，用同一台电机的参数代入式（6-24）和式（5-5）可以证明这个结论。 但这并不影响
6、恒流控制的系统承担短时过载的能力，因为过载时可以短时加大定子电流，以产生更大的转矩, 参看图6-8。,图6-8 恒流供电时异步电动机的机械特性,6.3 电力电子变压变频器 的主要类型 6.3.0 引言 异步电机的变压变频调速系统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。,最早的VVVF装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发电机，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压和频率。 自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组已经无例
7、外地让位给静止式的变压变频器了。,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-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，如图6-9所示。,图6-9 交-直-交（间接）变压变频器,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（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器
8、，如图6-10示。,图6-10 交-直-交PWM变压变频器,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： 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。,输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。,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。,采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因
9、素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。,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，见图6-11 。,普通交-直-交变压变频器的基本结构,图6-11 可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器,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
10、器。 有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）,图6-12 交-交（直接）变压变频器,交-交变压变频器的基本电路结构 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（图613a）。,图6-13 交-交变压变频器每一相的可逆线路（a）电路结构,交-交变压变频器的控制方式 A. 整半周控制方式 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，
11、则输出平均电压是方波，如图6-13 -b 所示。,图6-13 -b 方波型平均输出电压波形,B. 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），如图6-14所示。,图6-14 交-交变压变频器的单相正弦波输 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虚线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。,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
12、管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。 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。,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1/31/2，一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。,近年来又出现了一种采用全控型开关器件的
13、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。,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。,1、两种类型逆变器结构,图615 电压源型和电流源型逆变器示意图,电压源型逆变器（Voltage Source
14、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。,2、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：,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
15、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。 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）来缓冲无功能量。,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。,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。,A.电动运行状态 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6-16a所示。,图6-1
16、6 电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态 (a)电动运行,B.逆变运行状态 如果降低变压变频器的输出频率1，或从机械上抬高电机转速，使190，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可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6-16b）。,图6-16 电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态 (b)逆变运行,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
17、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。,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。,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。,6.3.3 180导通型和
18、120导通型逆 变器 1、换流方式 通常的逆变器接成三相桥式电路，其电力电子开关器件分布为图617所示。,图617 三相桥式逆变器主电路,在图示电路中，每一时刻每一桥臂上只有一个开关器件导通，根据导通时间长度，可以分为两种换流方式 1、180导通型 特点 同一桥臂上下两管之间互相换流的逆变器； 同一时刻有三个管子导通； 每管导通时间为180,要求 换流时应采取先断后通策略，也就是上下桥臂换流时应留有一定的死区时间,2、120导通型 在同一排不同桥臂的两管之间进行换流； 每一时刻只有两管导通； 每管导通时间为120,课后思考,1. 三种电压频率协调控制方式的特点是什么？ 2. 基频以上恒压变频时异步电动机的机械特性是什么？ 3. 什么是恒流正弦波供电时的机械特性？特点是什么？ 4. 不同变压变频器的特点是什么？它们的工作原理是什么？ 5. 不同类型逆变器有什么特点？它们的工作原理是什么？ 6.逆变器常用的换流方式有几种？各自的特点是什么？,