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1、,第五章 交流变频调速系统,第一节 变频调速的基本控制方式和机械特性简介,第二节 变频调速系统无逆变电路,第三节 晶闸管变频调速系统,第四节 正弦波脉宽调制的变频调速系统,下图是异步电机变频调速控制特性。在基频以下，属于“恒转矩调速”；而在基频以上，基本属于“恒功率调速”。,第二节 变频调速系统中的无源逆变电路,对交流电机实现变频调速的变频电源装置叫变频器，其功能是将电网提供的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电，变频伴随变压。 变频器的基本分类如下：,一、变频器的分类,交-直-交变频器的主要构成环节如图（a）所示。它先把交流电转换为直流电，经中间直流环节后再把直流电逆变成变频变压的交流电，又称
2、为间接变频器。按不同的控制方式，间接变频器有图5-7中b、c、d三种情况。,二、静止型常规变频器及特点,（一）间接（交-直-交）变压变频装置,图5-7 间接变压变频装置的不同结构形式,交-交变频器的主要构成环节如图5-8所示。交-交变频器没有明显的中间滤波环节，交流电被直接变成频率和电压可调的交流电，故又称为直接变频器。,（二）直接（交-交）变压变频装置,控制角由小变大再变小，如/2/2如右图（b）所示。,（1）输出正弦波形的获得方法 常用的方法是余弦交点法，该方法的原则是：触发角的变化和切换应使得整流输出电压的瞬时值与理想正弦电压的瞬时值误差最小。 正弦波型交-交变频器适合于低频大功率的电气
3、传动系统，最高输出频率是输入频率的1/3或1/2。 （2）输出电压有效值和频率的调节 交-交变频电路的输出电压是由若干段电源电压拼接而成的。在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。 使控制角从 ，改变0，就改变了输出电压的峰值，也就改变了输出电压的有效值；改变变化的速率，也就改变了输出电压的频率。,（二）三相-单相交-交变频电路 将两组三相可逆整流器反并联即可构成单相变频电路。,三相半波-单相交-交变频电路,三相桥式-单相交-交变频电路,（三） 三相交-交变频电路,交-交变频器主要用于交流调速系统中，因此实际使用的主要是三相交-交变频器。三相交-交变频器电路是由
4、三组输出电压相位互差的单相交-交变频电路组成的。 1、电路的接线方式 三相交-交变频电路主要有两种接线方式，即公共交流母线进线方式和输出星形联结方式。,（1）公共交流母线进线方式 它由三组彼此独立、输出电压相位互差120度的单相交-交变频电路组成，其电源进线通过电抗器接在公共的交流母线上。由于电源进线端公用，所以三组单相变频电路的输出端必须隔离。为此，交流电机的三个绕组必须拆开，共引出六根线。,（2）输出星形连接方式 由于变频器输出端中点不和负载中点相连接，所以在构成三相变频器的六组桥式电路中，至少要有不同相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。,2、具体电路结构,三相桥式整流
5、器组成的三相-三相交-交变频电路，采用公共交流母线进线方式,三相桥式整流器组成的三相-三相交-交变频电路，给电动机负载供电，采用输出星形联结方式（负载未画出）,由电流型变频器构成的调速系统易实现回馈制动。图5-19绘出了变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状态。,电动状态如图（a）所示。整流电压极性为上正下负，电流由Ud的正端流入逆变器，电能由交流电网经变频器传送给电机，电机处于电动状态。,（3）电压型和电流源型变频器的回馈制动比较,回馈制动状态如图5-19b示。降低变频器的输出频率，使转速降低，同时使整流器UR的90，则整流电压Ud立即反向，而电流Id方向不变。于是，逆变器CSI变成整流器，
6、而整流器UR转入有源逆变状态，电能由电机回馈给交流电网。,1、主电路组成,（二）180导电型的交-直-交电压型变频器,（三）120导电型的交-直-交电流型变频器,1、主电路的组成,（a）功放与输出级功能原理图 （b）功放器的输出波形 图5-33 脉冲功放与输出级的 功能原理图及输出波形,6、函数发生器,作用：在f1minf1n的范围内，将频率给定信号正比例转换为电压给定信号，确保恒转矩调速，并在低频段将电压适当提升，实现低频电压补偿，保证Eg/f1=常数；在f1n以上，频率给定信号变化，电压给定信号保持不变，使输出电压U1=U1n不变。其输入、输出关系如右图所示。,7、逻辑开关 作用是根据给定
7、信号为正、负或零来控制电动机的正转、反转或停车。如给定信号为正，则控制脉冲输出级按正相序触发，如给定信号为负，则控制脉冲输出级按负相序触发，相应控制调速电动机的正、反转。如给定信号为零，则逻辑开关将脉冲输出级的正负脉冲都封锁，使电动机停车。,二、转速开环的电压型晶闸管变频调速系统 该系统是没有测速反馈的转速开环变频调速。适用于调速 要求不高的场合。,对变频器的要求： 在f1n以下，进行恒转矩调速，即要求在改变频率的同时， 改变供电电压，保证变频器以恒压频比Eg/f1=常数来控制电机。 在额定频率f1n以上，进行近似恒功率调速，即要求变频器 保持输出电压不变，只改变频率调速。,系统组成说明： 1
8、）控制部分分上、下两路，上路实现对晶闸管整流桥的变 压控制，下路实现对晶闸管逆变桥的变频控制； 2）主电路采用晶闸管交-直-交电压型变频器； 3）有两个控制通道：上为电压控制通道，采用电压闭环控 制整流器的输出电压；下为频率控制通道，控制逆变器的输 出频率。电压和频率控制采用同一控制信号（来自绝对值运 算器），保证二者之间的协调。,4）因转速开环控制，不能让阶跃给定信号直接加到系统上， 为此设置了给定积分器将阶跃信号转变成合适的斜坡信号，从 而使电压和转速都能平缓地升高或降低。 5）实现系统可逆只需改变变频电压的相序，并不需要在电压 和频率的控制信号上反映极性，因此，设置了绝对值运算器将 给定
9、积分器的输出变换成只输出其绝对值的信号。 电压控制采用电压、电流双闭环结构。内环设电流调节器， 限制动态电流；外环设电压调节器，以控制变频器输出电压。 电压-频率控制信号加到电压环以前，应补偿定子阻抗压降， 以改善低速时的机械特性，提高带负载能力。 频率控制环节主要由压-频变换器、环分器和脉冲放大器三 部分组成。,2.转速开环的电流型晶闸管变频调速系统,主电路采用了大电感滤波的电流源型逆变器，控制系统采用电压-频率协调控制。只是电压反馈环节有所不同。电压源型变频器直流电压的极性是不变的，而电流源型变频器在回馈制动时直流电压要反向，因此后者的电压反馈不能从直流电压侧引出，而改从逆变器的输出端引出
10、。,系统中控制环节采用了电压、电流双闭环的控制结构。内环设电流调节器，以限制动态电流；外环设电压调节器，以控制变频器输出电压。,第四节 正弦波脉宽调制的异步电动机变频调速系统,一、电压正弦脉宽调制的变频调速系统 （一）电压正弦脉宽调制原理 1、正弦脉宽调制（SPWM）波形 所谓正弦脉宽调制（SPWM）波形，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，如图所示。,图5-41 与正弦波等效的等幅不等宽的矩形脉冲波形 （a）正弦波形 （ b ）等效的SPWM波形,图5-42是SPWM变频器主电路的原理图。电机绕组上所获得的相电压为Us/2。,图5-42 SPWM变压变频器主电路原理图,2、SP
11、WM变频器主电路原理图,3、脉宽调制方法,图5-44 单极式脉宽调制波的形成 a）正弦调制波与三角载波 b）输出的SPWM波形,图5-45 三相双极式SPWM波形 （a）三相调制波与双极性三角载波 （b）UU0=f（t）（c）UV0=f（t） （d）UW0=f（t） （e）UUV=f（t）,逆变器的载波比N定义为载波频率ft与调制波频率f r之比。即N=,（二）SPWM逆变器的同步调制和异步调制,视载波比的变化与否，有同步调制与异步调制之分。,1、同步调制：在改变f r的同时成正比地改变ft，使载波比N=常数； 2、异步调制：在整个变频范围内，载波比N不等于常数。 3、分段同步调制：将同步调制
12、和异步调制结合起来，成为分段同步调制方式,（三）SPWM的实现方法 1、自然采样法 2、规则采样法 3、指定谐波消除法,（四）电压型GTR-SPWM异步电动机变频调速系统,主电路由不可控三相桥式整流器UR、三相桥式SPWM逆变器UI和中间直流环节等三部分组成。中间直流环节采用大电容C进行滤波和中间储能。二极管整流虽然是全波整流电路，但由于整流桥接滤波电容，只有当交流电压超过电容电压时，整流电路才进行充电。交流电压小于电容电压时，电流为零，这将导致在电网上产生谐波。为了抑制谐波，通常在电网和变频器之间加一个进线电抗器LL。 由于电容量很大，合闸突加电压时，电容器相当于短路，将产生很大的充电电流，损坏整流二极管。为了限制充电电流，采用限流电阻R0和延时开关SA组成的预充电电路对电容C进行充电，电源合闸后，延时数秒，通过R0对电容C进行充电。电容的电压升高到一定值后，闭合开关SA将限流电阻R0短路，避免正常运行时的附加损耗。,