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1、第6章异步电动机变频调速系统变频调速特点变频调速是通过改变电动机定子供电频率来改 变同步转速，从而实现交流电动机调速的一种 方法，变频调速调速范围宽，平滑性好，具有 优良的动、静态特性，是一种理想的高效率、 高性能的调速手段。变频电源过左多采用旋转变频发电机组作为变频电源，但这些 设备庞人、可靠性差。随着GTR、IGBT等人功率电 力电子器件的问世，变频电源获得了迅速发展，它们 具有重量轻、体积小、维护方便、惯性小和效率高等 优点，但由其组成的变频电路较复杂，造价较高。而 功率集成电路的出现，产品价格随之降低，它集功率 开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一休， 可靠性高，维护方便。因此，
2、目前变频调速已成为交 流调速的主要发展方向。变频技术新型器件的不断涌现，使变频技术获得了迅速 发展。以普通晶闸管构成的方波形逆变器被全 控型高频率开关组成的PWM逆变器取代后， SPWM逆变器及其专用芯片得到普遍应用。电 流跟踪型、磁通跟踪型PWM逆变器以其控制 简单，数字化方便，而呈现出取代传统SPWM 逆变器的趋势。交流电动机控制技术由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系 统，与直流电动机和比，转矩控制要困难的多。 70年代初提出的矢量控制理论，使交流调速获 得了与直流调速同样优良的静、动态性能，开 创了交流调速与直流调速相竞争的时代，80年 代中期又提出了直接转矩控制理论，其控制结 构
3、简单，便于实现数字化。近年来，由于电力电子技术、微电子技术和计 算机技术的飞速发展，为交流调速控制的进步 提供了技术保障；而控制理论的发展则为人们 制定先进的交流电机控制策略提供了理论依据。n 目前，交流调速控制技术已发展成为多学科、 多门技术互相交叉的新学科。6.1变频调速基本原理6.1.1变频调速基本原理根据电机学原理可知，异步电动机的转速为”=“0（1 $） = （1$） （6.1.1）式中，比。为异步电机同步转速；t为定子供电 频率；P为电动机的极对数；S为转差率。由此可见，若能连续地改变异步电动机的供电 频率儿就可以平滑地改变电动机的同步速度及 电动机轴上的转速，从而实现异步电动机的
4、无 级调速，这就是变频调速的基本原理。在电动机进行变频调速时，希望保持电动机中的 每极磁通吐妇为额定值不变。如果磁通太弱，则没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；磁通过分增加将引起铁心饱和，导致励磁电流 急剧增加，使绕组发热而损坏电机。那么在变频调速时如何保持磁通恒定呢？三相异步电动机定子每相电动势的有效值式中，V为定子绕组每相串联匝数；匕I为基波绕组系数；血为每极气隙磁通。由此可见，只要控制好d和/.,便可达到控 制0”的目的，对此，需考虑基频（额定频率） 以下和基频以上两种情况。1.基频以下调速要保持0”不变，当频率乞从额定值几向下调节时，必须同时降低Q使这是恒压频比的控制方式。低频时，6和
5、d都较小，定子漏阻抗压降所占 的份量就比较显著，不能再忽略。这时，可人 为地把5抬高一些，以便近似地补偿定子压降, 补偿多少，视负载的情况而定。带定子压降补 偿的恒压频比控制特性见怪61丄中的特性b, 无定子压降补偿的特性为a。2.基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从几往上提i；j, 但电压却那能在I储加了，最多只能保持U=UN不变。由式(6.1.2)可知，这 将迫使磁通与频率成反比地减少，相当于直 流电动机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可 得图6.1.2所示的异步电动机变频调速的控制 特性。如果电动机在不同转速下都具有额定电 流，则电机都能在温升允许的条件下长期运
6、行, 这时转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原 理，在基频以下，属于“恒转矩调速”的性质, 而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”的 性质。6.1.2变频器分类及主回路结构异步电动机变频调速需要电压与频率均可调的 交流电源，常用的交流可调电源是由电力电子 器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频 器。1.变频器的分类及其特点(1)变频器按装置的结构形式分类交直交变频器把某一恒压恒频的交流电先经整流器整流成直 流电，再经逆变器变换成电压和频率都可调的 交流电，如图6.1.3(a)所示。交直交变频器又称间接变频器。这种变频器 调频范围宽，功率因数高，可用于各种电力拖 动系统。交交变频器把某一恒压恒
7、频的交流电直接变换成电压和频 率都可调的交流电，如图6.1.3(b)所示。交交变频器乂称直接变频器。这种变频器效 率较高，但控制复杂，主要用于低速犬容量系 统，本书不作介绍。(2)交直交变频器按直流环节直流电源的性质分类电压源型变频器中间直流环节采用大电容滤波，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, 如图6.1.4(a)所示。这种变频器适用于多台电动 机同步运行时的供电电源。电流源型变频器中间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，如图6.1.4(b)所示。 这种变频器动态响应较快，适用于可逆系统。2.变频器主回路结构常用的交直交PWM变频器主回
8、路结构如图 6.5所示,由整流器、滤波环节和逆变器组成。 整流器由不可控二极管组成三相整流桥，将三 相电网的交流电整流成电压恒定的直流电压。 中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设 置的。逆变器是将直流电压变换为电压与频率 均可调的交流电匡，它是变频器的核心部分， 其开关器件主要采用GTO、GTR、MOSFET、 IGBT 等。这种形式的主回路只有一套可控功率级，具有 结构简单、控制方便得优点，采用脉宽调制的 方法，输出谐波分量小；缺点是能量不能回馈 至电网，当电动机负载工作在回馈制动状态时, 造成直流侧电压上升,称为泵升电压。6.1.3逆变器工作原理 由上述可知，变频器中逆变电路的作用是把
9、I 直流电“逆变”成频率任意可调的三相交流电。I 下面通过单相逆变电路来说明“逆变”的过程O单相逆变电路的构成及工作过程如图6.1.6所示，图中开关符号代表任何一种电力电子开关器件。(1) 前半周期令VT1、VT4导通；VT2、VT3截 止。则负载乙 上所得电压为a+、b“，设这 时的电压为“+。(2) 后半周期令VT1、VT4截止；VT2、VT3导 通。则负载乙 上所得电压为心、b“+,设这 时的电压为“。上述两种状态如能不断地反复交替进行，则负 载上所得到的便是交变的电压了。改变两种状 态的切换速度(即改变电力电子开关器件的开 关频率)，便可改变负载两端交流电压的频率。 这就是由直流电压变
10、为频率可调的交流电压的“逆变”过程。三相桥式逆变电路如图6.1.7所示,由六个电力电子开 关器件组成，其工作过程与单相逆变电路相似，控制 各开关器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交 流电压。注意：(1) 三相之间互差120；(2) 同一桥臂上、下两管之间互相换流，每个开关器件 在一个周期内导通180,称180。导通型逆变器。(3) 为防止同一桥臂的上、下两管同时导通，即“直通” 现彖的出现，釆用“先断后通”的方法。可见，逆变电路是实现变频的关键部分，它由六个 开关器件构成。这些电力电子开关器件必须满足 以下要求：能承受足够大的电压和电流；允许长时间频繁地接通和关断；接通和关断的控制十分方便
11、。上述逆变电路虽然将直流电压变成了交流电压, 但其交流输出电压为方波，该方波与交流电动 机所需要的正弦波和差甚远，故应对逆变电路 的控制方式进行改进，使其能输出比较好的正 弦波电压，以满足交流电动机工作的要求。6.2脉宽调制(PWM)控制技术PWM (Pulse width modulation)控制技术就是对 脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列 脉冲的宽度进行调制，來有效地获得所需要的 波形。1.基本原理在采样控制理论中有一个重要结论：冲量（窄 脉冲的面积）和等而形状不同的窄脉冲加在具 有惯性的环节上时，其效果基本相同（是指环 节的输出响应波形基本相同。该结论是PWM 控制的重要理论基
12、础。将图621 (a)所示的正弦波分成N等份.即把正 弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成。这 些脉冲宽度相等(均为兀/N),但幅值不等， 其幅值是按正弦规律变化的曲线。将每一等份正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面 积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正眩 脉冲的中点重合，且使各矩形脉冲而积与相应各正弦部 分面积相等，得到图621(b)所示的脉冲序列。根据冲量 相等、效杲相同的原理，该矩形脉冲序列与正弦半波是 等效的。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等 效。由图6.22口丁见,各矩形脉冲在幅值不变的条件下， 其宽度随正弦规律变化。这种宽度按正弦规律变化并和正弦波等效的矩形脉冲
13、序 列称为SPWM (Sinusoidal PWM)波形。图621 (b)的矩形脉冲系列就是所期望的变频器输出波 形。通常将输出SPWM波的变频器称为SPWM型变频 器。显然，当变频器各开关器件工作在理想状态下 时，驱动相应开关器件的信号也应为与图6.2.1(b)形状 相似的一系列脉冲波形。由于各脉冲的幅值相等，所 以逆变器可由恒定的直流电源供电，即变频器中的整 流器采用不可控的二极管整流器就可以了。采用SPWM的显著优点是：由于电动机的绕组具有电 感性，因此，尽管电压是由一系列的脉冲构成的，但 通入电动机的电流却十分逼近正弦波。根据PWM调制原理，SPWM脉冲序列中各脉冲的上 升与下降是山正
14、弦波和三角波的交点來决定的。其控 制方法可以是单极式的，也可以是双极式的。采用单极式控制时，在正弦波的半个周期内，每相只 有一个功率开关开通或关断，女口图6.2.2所示。采用PWM脉宽调制技术，可获得一组等高不等 宽的矩形波脉冲。改变脉冲宽度就是改变输出电压；改变调制周期就是改变输出频率。可见变压变频可同时在逆变器中完成。正弦波的幅值按控制方式变化，当正弦波 的幅值随给定频率变化时，三角波的幅值 则不变。如图623所示,当5的幅值较大时, 所得到的SPWM如图(b)所示；当 的慚值较 小时，所得到的SPWM如图(c)所示； 正眩波的频率随给定频率而变，三角波频率的 变化规律则由所采用的控制方式
15、（即同步式、异 步式和分段同步式）来决定。同步式控制时，三角波频率力 随正弦波频率力 的变化而变化，两者频率之比为一常数，即= 2=常数；异步式控制时，正弦波频率力变化时，三角 波频率f始终不变，即N工常数；分段同步式控制时，把整个变频范围划分为 若干频段，在每个频段内，保持N =常数， 不同频段取不同的N值。这三种控制方式各有其特点，不同品牌的变频 器采用不同的控制方式。实际变频器中，更多地使用双极性调制方法。 双极性PWM调制采用的是正负交变的双极性 三角载波均与正弦调制波色，如图623所 Zps o双极性控制时，逆变部分同一桥臂上下两个 开关元件交替通断。处于互补的工作状态。 例如，A和正半周时VT1与VT4交替反复导 通，调制波形见图623。2. SPWM波的实现根据上述SPWM控制的基本原理，如果给出了 逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期 内的脉冲数，SPWM波形中个脉冲的宽度和间 隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制逆 变电路中个开关器件的通断，就可以得到所需 要的SPWM波形，这种方法称
