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1、百年期待盼变频1 望眼欲穿近百年1.1 结构简单价低廉三相交流异步电动机的创造在电力拖动史上有着十分重要的意义。因为它的转子电路不需要和外电路相联接，转子绕组由两侧端部互相短接的铜条或铝条(俗称鼠笼条)构成，可以自成回路，形状象个“鼠笼，故常称为笼形电动机，如图1-1所示。图1-1 异步电动机的构造在所有电动机中，这种结构在简单、巩固方面是首屈一指的。这带来了使用寿命长、易于维修、以及价格低廉等极为突出的优点，使它在整个电力拖动领域独占鳌头。在20世纪80年代以前，约占工农业生产机械中电动机总量的85以上。1.2 生产要求转速变图1-2 刨台的原拖动系统 随着各种加工技术的不断进步，许多生产机
2、械对无级调速的要求也越来越迫切。以50年代龙门刨床刨台的拖动系统为例，其拖动系统采用-(发电机-电动机组)调速系统，如图1-2所示。图中，直接拖动刨台的是直流电动机DM，DM由直流发电机G1提供电源，G1又由交流电动机AM来带动，AM在带动G1的同时，还带动一台励磁发电机G2。G2发出的电，一方面为DM和G1提供励磁电流，同时也为控制电路提供电源。除此以外，为了改善DM的机械特性，还采用了一台结构复杂、价格昂贵的交磁放大机DMA。可见，为了实现无级调速，简直已经到了不惜工本的地步。这充分说明了:生产机械对电动机进行无级调速的要求是多么地迫切！1.3 变频难产失欢颜(1) 异步电动机的转速公式三
3、相交流电动机中，一个十分重要的“角色便是旋转磁场，它是三个交变磁场合成的结果。这三个交变磁场的特点是:产生磁场的交变电流在时间上互差三分之一周期(T/3)，这由三相交流电源本身的特点所决定;三个磁场的轴线在空间位置上互差2/3电角度，这可以通过三相绕组在定子铁心中的安排来实现。旋转磁场的转速称为同步转速，由下式决定: (1-1)式中，n1同步转速，r/min; f1电流的频率，Hz; p旋转磁场的磁极对数。而异步电动机之所以被冠以“异步二字，是因为其转子的转速n永远也跟不上旋转磁场的转速n1。两者之差称为转差: (1-2)式中，n转差，r/min; n电动机转子的转速，r/min。转差与同步转
4、速之比，称为转差率: (1-3)式中， s转差率。由式(1-1)和式(1-3)，可以推导出: (1-4)(2) 异步电动机的调速方案由式(1-4)说明，要改变异步电动机转子的转速，除了改变频率以外，只有两种方法:1 改变磁极对数这可以通过改变定子绕组的接法来实现，如图1-3(a)所示。图1-3 异步电动机的调速方法这种方法的缺点是十清楚显的:一台电动机最多只能安置两套绕组，每套绕组最多只能有两种接法。所以，最多只能得到4种转速，与无级调速相去甚远。2改变转差率这种方法适用于绕线转子异步电动机，通过滑环与电刷改变外接电阻值来进行调速，如图1-3(b)所示。显然，这是通过改变在外接电阻中消耗能量的
5、多少来调速的，不利于节能。此外，由于增加了滑环与电刷，从而增加了容易发生故障的薄弱环节。3改变同步频率1.4 变频调速难实现式(1-4)是在创造异步电动机的当时就知道了的，所以，变频可以调速是和异步电动机“与生俱来的。一方面，生产机械迫切地要求无级调速，另一方面，改变频率可以实现无级调速的原理又是如此明明白白地摆在那儿。而变频调速装置却如此地难产，成为了人们翘首以盼地期待着的技术！变频调速技术真正地进入到能够推广普及的实用阶段，已经是20世纪80年代了。人们企盼了将近一个世纪！是什么原因使变频调速技术如此地姗姗来迟呢？1 开关器件最关键目前应用得最为广泛的是交直交变频器，如今通过其根本结构，来
6、看看要实现变频调速需要解决哪些问题。图1-4 交-直-交变频器的主电路框图 交直交变频器的根本框图如图1-4所示，其工作过程是:先将电源的三相(或单相)交流电经整流桥整流成直流电，又经逆变桥把直流电“逆变成频率任意可调的三相交流电。其中，变频的核心局部是“逆变电路，其构成和原理如下述。2.1 变频核心是逆变图1-5 单相逆变桥及其工作过程首先从比较简单的单相逆变桥入手，其构成及工作过程如图1-5所示。图1-5中，V1、V2、V3、V4为开关器件，组成单相逆变桥，接至直流电源P()与N()之间，电压为UD; ZL为负载。逆变电路的工作情况如下:(1) 前半周期 令V1、V2导通;V3、V4截止。
7、那么负载ZL中的电流从a流向b，ZL上得到的电压是a“、b“，设这时的电压为“。(2) 后半周期令V1、V2截止;V3、V4导通。那么负载ZL中的电流从b流向a，ZL上得到的电压是a“、b“，这时的电压为“。上述两种状态如能不断地反复交替进行，那么负载ZL上所得到的便是交变电压了。这就是由直流电变为交流电的“逆变过程。图1-6 三相逆变桥及其工作三相逆变桥的电路结构如图1-6所示。其工作过程与单相逆变桥相同，只要注意三相的相位之间互差三分之一周期(T/3)就可以了。2.2 逆变器件有条件上述逆变过程看似简单:无非是假设干个开关反复地交替导通而已。但问题的关键恰恰在于这些开关器件上。因为，这些开
8、关器件必须满足以下要求:(1) 能承受足够大的电压和电流电压：我国三相低压电网的线电压均为380V，经三相全波整流后的平均电压为513V，而峰值电压那么为537V。考虑到在过渡过程中，由于电感及负载动能反响能量的效应，开关器件的耐压应在1000V以上。电流：以中型的150kW的电动机为例，其额定电流为250A，而电流的峰值为353A。考虑到电动机和变频器都应该具有一定的过载能力，该变频器开关器件允许承受的电流应大于700A。上述条件对于有触点开关器件来说，是早已做到了的。(2) 允许频繁地接通和关断如上所述，逆变过程就是假设干个开关器件长时间地反复交替导通和关断的过程，这是有触点开关器件所无法
9、承受的。必须依赖于无触点开关器件，而无触点开关器件要能承受足够大的电压和电流，却并非易事。可以说，正是这个要求，阻碍了变频器的出现长达近百年之久。(3) 接通和关断的控制必须十分方便最根本的控制如:频率的上升和下降、改变频率的同时还要改变电压等等2.3 电力电子根底的奠定上面所说的无触点开关器件，实际上就是半导体开关器件。半导体器件在初期阶段只能用于低压电路中，当半导体器件终于能够承受高电压和大电流时，就形成了一门新的学科，即电力电子学。而变频器和变频调速技术也应运而生了。(1) 起步始于SCR20世纪60年代，大功率晶闸管(SCR)首先亮相，变频调速也因此而得到了实施，出现了希望。图1-7
10、晶闸管在直流电路中晶闸管VR在直流电路中的工作情形如图1-7所示，当门极G与阴极K之间参加正电压信号UG时，VR导通，如图(a)所示。当门极与阴极之间撤消UG时，VT将继续保持导通状态，如图(b)所示。故晶闸管在直流电路中，一旦导通之后，是不能自行关断的。所以，只要在门极与阴极之间参加一个脉冲信号uG，那么VR即可保持导通状态，如图(c)所示，uG称为触发脉冲。图1-8 晶闸管逆变电路由晶闸管构成的逆变桥如图1-8所示，UD是直流回路的电压，设平均值为UD513V。如上述，晶闸管在直流电路中不具有自行关断的能力。要想关断已经导通的晶闸管，必须令晶闸管的阳极和阴极之间的电压0，或参加反向电压。图
11、1-8(a)的大致工作情形如下:假设晶闸管VR1已经处于导通状态，这时，A1点的电位与直流正端(P端)相同，而如果VR3和VR5都处于截止状态的话，那么B1点和C1点都是0电位。如要关断VR1，必须令VR3或VR5导通，今假设VR3导通。在VR3导通的瞬间，B1点的电位突然上升513V，由于电容器C13两端的电压是不能跃变的，故A1点的电位也同时上升513V，使VR1的阴极电位高于阳极电位，从而迫使VR1截止。由于晶闸管逆变桥是由同一侧的晶闸管相互关断的，所以，输出的电压波是矩形波，如图1-8(b)所示;而电流波那么如图1-8(c)所示。晶闸管变频器除了电压和电流波形不好外，并且因为用于相互关
12、断的电容器要求电压较高、容量也较大，故价格昂贵。除此以外，在不同的负载电流下，晶闸管的关断条件也并不一致，这又影响了其工作的可靠性。所以，晶闸管虽然使变频调速成为了可能，实现了近百年来人们对于变频调速的企盼。但由于缺点较多，故并未到达普及推广的阶段。(2) 普及归功GTR(BJT)20世纪70年代，电力晶体管GTR问世，把变频调速推向了实用阶段，于80年代初开始逐渐推广。图1-9 电力晶体管的内部电路电力晶体管实际上是由两个或多个晶体管复合而成的复合晶体管(达林顿管)构成，如图1-9所示。也称为大功率晶体管(GTR)或双极晶体管(BJT)。由于在变频器内，开关器件主要用于逆变桥，故常把两个GT
13、R集成到一起，做成双管模块如图(b)所示，也有把六个GTR集成到一起，做成六管模块的。又因为在变频器中，各逆变管旁边总要反并联一个二极管，所以，模块中的GTR旁边，都已经把反并联的二极管也集成进去了。就根本工作状态而言，电力晶体管和普通晶体管是一样的，也有三种状态:放大状态、截止状态和饱和导通状态。图1-10 GTR变频器的主要特点GTR变频器的逆变电路如图1-10(a)所示，其主要特点有:输出电压：可以采用脉宽调制方式，故输出电压为幅值等于直流电压的强脉冲序列，如图(b)所示。载波频率：由于GTR的开通和关断时间较长，故允许的载波频率较低，大局部变频器的上限载波频率约为1.21.5kHz左右
14、。电流波形：因为载波频率较低，故电流的高次谐波成分较大，如图1-10(c)所示。这些高次谐波电流将在硅钢片中形成涡流，并使硅钢片相互间因产生电磁力而振动，并产生噪音。又因为载波频率处于人耳对声音较为敏感的区域，故电动机的电磁噪音较强。输出转矩：因为电流中高次谐波的成分较大，故在50Hz时，电动机轴上的输出转矩与工频运行时相比，略有减小。(3) 提高全靠IGBT：20世纪80年代末，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开发成功，使变频器在许多方面得到了较大的提高。图1-11 IGBT的根本特点绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是场效应晶体管(MOSFET)和电力晶体管(GTR)相结合的产物。其主体局部与
15、GTR相同，也有集电极(C)和发射极(E)，而控制极的结构却与MOSFET相同，是绝缘栅结构，也称为栅极(G)，如图1-11(a)所示。其工作特点如下:控制局部：控制信号为电压信号uGE，栅极与发射极之间的输入阻抗很大，故信号电流与驱动功率(控制功耗)都很小。主体局部：因为与GTR相同，额定电压与电流容易做得较大，故在中小容量的变频器中，IGBT已经完全取代了GTR。就是说，IGBT是一种以极小的控制功率来控制大功率电路的器件。图1-12 IGBT模块变频器所用的IGBT管，通常已经制作成各种模块，如图1-12所示。图1-12(a)是双管模块，图1-12(b)是六管模块。以IGBT为逆变器件的逆变电路与GTR的逆变电路根本相同，
