交流调速技术与系统

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1、第一章 概 论,1.1 交流调速发展的概况与趋势,1.1.1 直流电机与交流电机的比较: 由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求， 60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争，目前，交流调速已进入逐步替代直流调速的时代。,1.1.2 电力电力子器件的发展 电力电力子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。50年代末出现了晶闸管，实现了变频调速，70年代以后，功率晶体管（GTR）、门

2、极关断晶闸管(GTO晶闸管)、功MOS场效应晶体管(Power MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(MCT) 等已先后问世，这些器件都是既能控制导通又能控制关断的自关断器件。80年代以后出现的功率集成电路(Power ICPIC)，集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，目前已应用于交流调速的智能功率模块(Intelligent Power ModuleIPM) 是功率器件的重要发展方向。,1.1.3 变频技术的发展 以普通晶闸管构成的方波形逆变器被全控型高频率开关器件组成的脉宽调制(PWM)逆变器取代后，SPWM 逆变器及其专用芯片得到了普通应用。,1

3、.1.4 控制技术的发展 70年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题 。 直接转矩控制是80年代中期提出的又一转矩控制方法，其思路是把电机与逆变器看作一个整体,采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。,1.1.5 交流调速系统的发展 无速度传感器控制系统的研究 。 微处理机引入控制系统，促进了模拟控制系统向数字控制系统的转化。 非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等各种新的控制策略正不断涌现 。,1.2 交流调速方法,异步电动调速可以通过三条途径进行：改变电源频率、改变极对数以及改变转差率。,1.2.

4、1.1变频调速,1. 变频调速的基本要求及机械性能 . 保持磁通为额定值 恒定图1-1 异步电动机的稳态等效电路,转子电流电磁功率,电磁转矩 最大转矩可见，保持 恒定进行变频调速时，最大转矩保持不变。,图1-2 保持E1/f1恒定时，变频调速时的机械特性,U1/f1恒定 保持E1/f1恒定只是一种理想的控制方法 ，可以近似地维持m恒定，从而实现近似的恒磁通调速，这可通过对定子相电压和频率进行协调控制来实现。 转子电流电磁转矩,转差率 最大转矩,可见，保持U1/f1恒定进行变频调速时，最大转矩将随f1的降低而降低。,图1-3 保持U1/f1恒定时，变频调速时的机械特性,（2）保持电压为额定值,此

5、时气隙磁通 将随着频率f1的升高而反比例下降，类似于直流电动机的弱磁升速。,可见，保持电压为额定值进行变频调速时，最大转矩将随f1的升高而减少。,当s很小时，有r2/sx1及r2/s(x1+ x2)，,带负载后的转速降为,当保持电压为额定值、且s变化范围不大时，如果频率f1增加，则转矩T减少，而同步机械角速度1=2f1/pN将随频率增加而增加。这就是说，随着频率增加，转矩减少，而转速增加。根据pM=T1，可近视地看作恒功率调速。,图1-4 保持U1为额定电压时，变频调速时 1-5 异步电动机变频调速时 的机械特性图 的控制特性,2. 变频电源,按结构型式 ：交-直-交变频器和交-交变频器两类,

6、表1-1 交-直-交变频器与交-交变频器主要特点比较,按电源性质：可分为电压型变频器和电流型变频器两类。,表1-2 电压型与电流型交-直-交变频器主要特点比较,1.2.1.2变极调速,1. 变极原理 改变绕组联接方法，使流过线圈的电流相反，即可达到改变极对数的目的。将一相绕组分为两半，当两半绕组顺接串联时，在气隙中形成4极磁场，如果把其中一半绕组的电流反向，即把两半绕组反接串联或反接并联时，气隙中就形成2极磁场，同步转速将升高一倍。,2. 变极调速时的容许输出与机械特性,图1-13 -变极调速时的机械特性 图1-14 -变极调速时的机械特性,1.2.1.3变转差率调速,1. 绕线转子串电阻调速

7、 串入调速电阻r1，转子回路总电阻变为r2+ r1，机械特性由固有特性1变为认为特2，机械特性变软。若负载转矩仍为额定值不变，则运行点由ab，转差率从sNs1，转速便由n1(1-sN)变为n1(1-s1)。,图1-15 绕线转子串电阻时的机械特性,转子串电阻属于恒转矩调速。,2.定子调压调速,改变异步电动机定子端电压，其机械特性如图1-16a所示。如果带恒转矩负载,由于稳定运行区限制在0sm范围内，可以调试的范围极小，已无实际意义。如果带通风机型负载,稳定运行区不受sm限制，相应的调速范围较大。,3. 电磁转差率离合器调速,采用电磁转差离合器调速的异步电动机称为电磁调速电动机，它由三部分组成：

8、笼型异步电动机、电磁转差离合器和控制装置。我国的YCT系列电磁调速电动机已将三部分组装起来成套供应。,离合器输出转矩为,图1-20 电磁转差离合器的机械特性,4. 双馈调速及串级调速,（1）双馈调速 双馈调速是将定、转子三相绕组分别接入两个独立的三相对称电源：定子绕组接入工频电源；转子绕组接入频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的交流电源，即采用交-交变频器或交-直-交变频器给定子绕组供电。其中，必须保证的是在任何情况下转子外加电压的频率都要与转子感应电动势的频率保持一致。当改变转子外加电压的幅值和相位时就可以调节异步电动机的转速，也可以调节定子侧的功率因数。,（2）串级调速 串级调速的基本

9、思路是，把异步电动机转子感应电动势和转子外加电压都变为直流量，使原来随转差率而变化的可变频率交流量转化为与频率无关的直流量，从而免去了对转差频率的检测、控制，主电路结构和控制系统都要简单得多。由于采用不控整流器整流，转差功率也仅仅是单方向地由转子转子侧送出，回馈给电网。串级调速于双馈调速相比，系统结构简单，易于实现，分析、控制都方便，但在相同调速范围和额定负载下，调速装置容量增大一倍，因而往往推荐用于调速范围不太大的场合。另外功率因数也较低。,1.2.2 同步电动机,同步电动机的转速就是同步转速n1=60f1/pN，如果接入恒频电源，则由于同步电动机的转速将与电源频率保持严格的同步关系故而不可

10、调。随着电力电子变频技术的飞速发展，同步电动机同样可以进行变频调速。 同步电动机变频调速可以分为他控式变频调速和自控式变频调速两大类。,1.3 交流调速的主要应用领域,冶金机械 电气牵引 数控机床 矿井提升机械 起重、装卸机械 原子能及化工设备 建筑电气设备 纺织、食品机械,The end.,第二章 变频调速技术,2.1 交-直-交变频器的基本电路,交-直-交变频器的基本电路包括整流电路和逆变电路，整流电路将共频交流电整流成直流电，逆变电路再将直流电逆变成频率可调的三相交流电，是整流变换的逆过程。其核心部分为逆变器。,变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型

11、变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。,2.1.1 交直交电压型变频器,图2-1 交-直-交电压型变频器主电路,三相逆变电路由六只具有单向导电性的功率半导体开关SlS6组成。每只功率开关上反并联一只续流二极管，为负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路。 极据功率开关的导通持续时间不同，可以分为180导电型和120导电型两种工作方式。,180导电型各功率元件驱动脉冲波形如

12、图2-3所示。,表2-1 180导电型逆变器功率开关导通规律,表2-2 负载为丫接时各个工作状态下的输出电压,图2-5 三相电压型逆变器的输出电压波形（180导电型）,2电压型变频器及电压调节方式,（1）电压型变频器 最简单的电压型变频器由可控整流器和电压型逆变器组成，用可控整流器调压，逆变器调频，如图2-6所示。,为适应再生制动运行，可在图2-6电路的基础上，增加附加电路。一种方法是，在中间直流电路中设法将再生能量处理掉，即在电容Cd的两端并联一条由耗能电阻R与功率开关(可以是晶闸管或自关断器件)相串联的电路，如图2-7所示。,另一种方法是，在整流电路中设置再生反馈通路反并联一组逆变桥，如图

13、2-8所示。,（2）电压调节方式 一种是采用可控整流器整流，通过对触发脉冲的相位控制直接得到可调直流电压。 另一种是采用不控整流器整流，在直流环节增加斩波器，以实现调压，如图2-9所示。,3串联电感式电压型变频器,图2-10 三相串联电感式电压型变频器的主电路,图中Cd、Ld构成中间滤波环节，通常Ld很小，Cd很大。晶闸管VT1VT6作为功率开关取代了图2-3中的SlS6。L1L6为换相电感，位于同一桥臂上的两个换相电感是紧密耦合的，串联在两个主晶闸管之间，因而称之为串联电感式。C1C6为换相电容，RARC为环流衰减电阻。该电路属于180导电型，换相是在同桥臂的两个晶闸管之间进行，采用补换相方

14、式、即触发一个晶闸管去关断同一桥臂上的另个晶闸管。,（1）换相前的状态,（2）.换相阶段,（3）环流及反馈阶段,（4）负载电流反向阶段,图2-12 换相时的电压、电流波形,2.1.2 交-直-交电流型变频器,1电流型逆变器的基本电路,表2-3 120导电型逆变器功率开关导通规律,以状态1为例,表2-4 负载为接时各个工作状态下的输出电流,图2-15 三相电流型逆变器的输出电流波形（120导电型）,2电流型变频器的再生制动运行,图2-16 电流型变频器的电动状态与再生制动状态 （a）电动状态 （b）再生制动状态,3串联二极管式电流型变频器,a换相前的状态 b晶间管换相及恒流充电阶段,（3）二极管

15、换相阶段 （4）换相后的状态,2.2 脉宽调制型变频器,图2-19 PWM变频器的主电路原理图,PWM变频器的主电路如图2-19所示，,由图可知，该变频器的主电路时由整流电路部分和逆变电路部分组成。整流电路完成将三相交流电转变为直流电的作用。逆变部分再将恒定的直流电转变为电压和频率均可调的三相交流电，以驱动三相异步电动机负载，,2.2.1 交-直部分,图2-20 PWM变频器交-直部分主电路 图2-21 PWM变频器交-直部分输出 电压波形,2.2.2 直-交部分,图2-22 PWM变频器直-交部分主电路,图2-23 三相桥式PWM逆变电路波形,2.3 谐振型变频器,2.3.1 诣振直流环节逆变器的基本原理图2-24 三相谐振直流环节逆变器原理图,图2-25 每个谐振周期对应的等效电路,1忽略电路中的损耗考虑种理想情况，即令图2-25中的R0。 当开关S导通时,两式整理得,解之并考虑到初始条件,如果有，则有,（a）,2考虑电路中的损耗，即,当， S在零电压下关断时，对应的电路方程为,