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1、,第三章 交压变频调速系统,第一节 变频调速技术的发展及应用,第二节 变频调速系统的工作原理,第四节 晶闸管变频调速系统,第五节 正弦波脉宽调制技术,第三节 变频调速系统无逆变电路,第一节 变频技术的发展及应用,什么叫变频?变频器有什么特点？,变频调速就是通过变频器将固定频率和固定电压的交流电源转化为能在宽广的范围内电压和频率均可调的变频电源。,优点：调速范围宽，自身损耗少，系统的功率因数和效率高，节电效果明显。,缺点：价格昂贵，输出信号非正弦，含各种谐波，会出现发热、振动和噪声等一系列不良影响。,0.1-130Hz范围内可调,为什么频率和电压均可调，而我们所需要的其实只是频率，能不能只变频率
2、呢？,上述两种情况实际运行中都不允许出现。 因此，变频器不能只改变f1一个物理量！,解决方法: 频率f1和供电电压u1配合调节,f1增大则磁通减小，从而会使得电磁转矩减小，对于恒转矩负载则会出现而带不动负载的现象。,如果f1减小，则会使得主磁通趋于饱和从而使得励磁电流急剧增大。,变频调速的现状：,风机、泵类所用55kW变频器市场价18000元，160kW:52000元左右，280kW:90000元左右，平均320350元/kW，如果系统的节电率是30%，半年内可收回投资，,进步快，成绩大，产品可靠性和工艺水平与国外有较大差距，自行开发和生产的能力较弱，中小功率的变频器台数多，总体容量不大。,国
3、内市场上流行的通用变频器多达几十种，如欧美国家的品牌有西门子、ABB、Schneider（施耐德）、SIEI（西威）等；日本产的品牌有富士、三菱、日立、松下、东芝、等；韩国生产的LG、三星、现代等；,港澳台地区的品牌有普传、台安、台达、东元、正频、宁茂、九德松益、爱德利等；国产的品牌有康沃、安邦信、惠丰、森兰、阿尔法、时代、格立特、海利、佳灵、富凌、英威腾等。,常见的变频器产品及特点,欧美国家的产品以性能先进、适应环境性强而著称；日本产品则以外形小巧、功能多而闻名；,港澳台地区的产品以符合国情、功能简单实用而流行；,国产变频器则以大众化、功能简单、专用、价格低的优势而获得广泛应用。,变频器的发
4、展趋势：,低电磁噪音化：变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准,专用化：更好发挥变频器的独特功能并尽可能地方便用户,主控一体化：使逆变功率和控制电路达到一体化,小型化：就是向发热挑战，功率器件发热的改善和冷却技术的发展已成为小型化的重要原因,系统化：通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多功能向集中型发展,功率部件：高电压，大电流,控制部件：数字化及软硬件电路的开发,总结起来就是两个部分：,第二节 变频调速的原理及基本控制方式,一.原理及控制方式的分类,1.异步电动机的转速：,改变电源频率，同步转速发生改变，从而改变电动机的转速。,由电机学知,如果忽略定子上的电阻压降，则有,2
5、、变频调速的基本控制方式,由上面推导出来的式子可知，只要控制好 U1 和 f1 ，便可达到控制磁通 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。,a、基频以下的变频控制方式,即：气隙磁通感应电势与频率之比为常数,基频以下常采用恒磁通变频控制方式。,（1）保持不变，则当频率f1从额定值f1e向下调节时，须同时降低U1，使U1 /f1=常数。,（2）因感应电势难以直接控制，忽略定子压降，认为定子相电压U1E1， 则U1/f1=常数。这就是恒压频比的变频控制方式。基频以下如果采用恒电压的控制方式，因为频率和磁通的变化趋势相反，频率低于基频就会使得磁通趋于饱和磁通，从而引起过大的励磁
6、电流，因此只能采用恒磁通的控制方式。,b、基频以上的变频控制方式,在基频以上时，频率可从f1N往上增高，但电压U1却不能增加得比额定电压U1N大，一般保持U1=U1N，使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。,恒电压的控制方式用于基频以上的变频系统中，此时电压恒定，磁通会从额定值N向下调节。,c、恒电流的变频控制方式,如果在变频调速的过程中，如果始终保持定子的电流幅值恒定，即：I1=const，这种控制方式称为恒电流控制方式。,该控制方式的过载能力比较差而不太常用。,二.各控制方式的机械特性,1.恒磁通控制方式的机械特性,分析机械特性通常需要求出该情况下的最大电磁转矩Tm及对应
7、的临界转差率Sm。根据表达式来画出调频调速的机械特性曲线族。,异步电动机电磁转矩一般方程为：,求解,求得：,当运行的频率较高时，参数,即当系统的频率较高时，电磁转矩的最大值保持恒定,可以看出转速降与频率的大小无关，调速特性曲线是相互平行的。,电动机的转速降为：,当运行的频率较低时，参数,最大电磁转矩随着频率的降低而减少。,此时的转速降,转速降随频率的增大而增大。,但此时机械特性曲线的斜率并不发生改变：,根据上面的推导，得出变频调速基频下调速时的机械特性曲线族如下：,但是前面的推导只是频率较大时最大电磁转矩不变化，而频率较小时，最大电磁转矩随频率减小而降低。,因此得出的机械特性曲线修改如下：,n
8、,N,0,n,01,n,02,n,03,n,0,e,T,1N,w,11,w,13,w,12,w,13,12,11,1N,w,w,w,w,对于恒转矩性质的负载则希望Tm保持不变。,为什么低频的时候Tm会随频率的变化而变化呢?,由于低频时定子相电阻上的压降相对增大，从而无法保持电动机的气隙磁通保持恒定，启动的时候启动转矩也减小，有时候还会出现带不动负载的现象。,解决方法：,在控制回路中加入一个函数发生器，补偿定子电阻上的压降，从而提升U1.,补偿定子压降后的特性,n,N,0,n,01,n,02,n,03,n,0,e,T,1N,w,11,w,13,w,12,w,13,12,11,1N,w,w,w,w
9、,补偿后尽量保持不同转速下的最大电磁转矩值相同。从而也提高了系统带负载的能力。,2.恒电压控制方式的机械特性,在基频f1N以上变频时，电压U1=U1N不变。其机械特性同样来分析最大电磁转矩、相应的转差率及转速降。,电压恒定,当运行的频率较高时,转速降任然是与频率大小无关的常数。,但是此时,说明调速机械特性的曲线斜率随着频率的升高而增大。,得出相对应的机械特性曲线如下图：,由图可见，当频率1提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移；转速降落随频率的提高而增大，特性斜率稍变大，其它形状基本相似。,当电压U1=U1N时的变频调速具有近似恒功率的特性,恒功率调速,证明,恒电流的控制方式,定
10、子电流的幅值保持不变,要保持定子电流幅值不变化，则要求变频电源为恒流源。因此通常需要通过电流调节器构成电流闭环控制来实现。,当恒定电流时系统的电磁转矩表达式如下：,求得最大电磁转矩的值及相应的转差率为：,=const,=const,根据上述的计算分析得出恒流变频调速时异步电动机的机械特性曲线如下图,相同的条件下，恒电流的最大电磁转矩比恒磁通能取得的最大电磁转矩要小一些。,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,第三节 变频电源,交-交变频器 又称为直接变频器 将电网交流电变成
11、变压变频的交流电 没有明显的中间滤波环节,交-直-交变频器 又称为间接变频器 将电网交流电变成变压变频的交流电 具有明显的整流-滤波-逆变环节,根据交-直-交变频器的中间滤波环节是采用电容性元件或是电感性元件，可将其分为电压源型变频器和电流源型变频器。,电压源型变频器,采用大电容滤波，输出直流电压恒定，类似于恒压源。这类变频器叫电压源型变频器，见图（a）所示。,电压源型 变频器,采用大电感滤波，输出直流电流恒定，类似于恒流源。这类变频装置叫电流源型变频器，见图（b）所示。,电流源型变频器,电流源型变频器,性能比较,（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
12、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。,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：,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。,（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。,（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
13、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.,（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。,交-直-交变频装置的不同结构形式,二、PWM型逆变器主电路,1、晶体管PWM型逆变器,VT7,电路中的电压Ed由整流电路所提供。与Ed所并接的电容对电压起平波的作用，同时还是一个能量储存器。,逆变器由6个电力晶体管和6个反馈二极管
14、所组成。 每相输出的脉宽调制电压波形为双极性的，输出的电流则为带锯齿的正弦波。,每个电力晶体管附近都并接一个RCD的缓冲保护电路，抑制过电压。这个RCD在电路布置上尽量靠近晶体管，以减少分布电容。,过压保护,每个晶体管两端都并接了一个反馈二极管，电动机有反馈能量时，这些能量经反馈二极管向电容充电，平波电容在充电的过程中将提高Ed两端的电压。,Ed电压过高则电力晶闸管承受的压降必然增大。,不合适！怎么办？,加入了VT7管。VT7管的集电极上加入了制动电阻，当Ed两端的电压升高到一定值时，VT7管导通，也就把制动电阻加入到电路中，消耗掉一部分能量。,过压保护,重要概念：泵升电压,当电动机停车时，驱
15、动信号被封锁，VT1VT7截止。电动机轴上的机械能要可逆转换为电能，负载发出来的电能会通过 VD1VD6续流管组成的三相整流器向直流侧滤波电容Cd供电，造成直流母线电压的瞬间急剧升高，这个电压叫泵升电压。其危害是将VT器件瞬间击穿。,电路中还需要有过流的保护措施。对于小容量的变频器来说，就在电路中加入限流电阻即可。但是对于大容量的变频器我们需要加入电流检测的装置。例如电流互感器。,电流互感器通常安装在逆变器的直流侧的上下母线上即可检测到各种过流信号，把检测到的信号送入比较器及相应的控制电路中去。,也可以把互感器加在每个晶闸管之路中，但是所需器件多，费用就高！,过流保护,过热保护：,过热保护通常
16、是对于功率器件。我们通常把功率器件安装在散热器上。每块散热器上都安装有热敏电阻，散热片过热的时候，热敏元件就会断开电路，进行过热保护。,对于不同容量的逆变器来说，各种保护电路也不一样，例如最基本的缓冲保护电路，就有六个管子共用一套缓冲电路的，有同相共用一套缓冲电路，也有每个管子都有自己的缓冲电路的连接方式。,2.晶闸管PWM型逆变器,GTO(门极关断)晶闸管具有自关断的能力和高频开关的性能。但是实际应用中，大容量的逆变器常常还是采用没有自关断能力的晶闸管，在这样的电路中就需要加入强迫换相电路,晶闸管PWM型逆变器的主电路如下图所示：,换相电路,电路中六个VT管(晶闸管)和六个VD管(二极管)构成逆变电路，与VT并接的RC电路为缓冲电路。,VT7-VT10及与之相连的器件构成换相电路。,VT11-VT12构成过载保护电路。,VD7-VD8为续流二极管，防止晶闸管承受过高电压。,之后电容C开始反向充电。与此同时VT7和VT8管在电容C放电电流过零时会自行关断。接下来就是VT2管的导通和被关断的过程。,
