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1、电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统1笼型异步电机变压变频笼型异步电机变压变频调速系统调速系统（VVVF系统）系统）转差功率不变型调速系统转差功率不变型调速系统电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统第第 6 6 章章1电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统2本章主要内容本章主要内容l变压变频调速的基本控制方式变压变频调速的基本控制方式l异步电动机电压频率协调控制异步电动机电压频率协调控制时的机械特性时的机械特性l电力电子变压变频器的主要类型电力电子变压变频器的主要类型l变压变频调速系统中的脉宽调制变压变频调速系统中的脉宽调
2、制(PWM)(PWM)技术技术 l基于异步电动机稳态模型的变压基于异步电动机稳态模型的变压变频调速系统变频调速系统2电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统3l学习要点：学习要点：1 1、变频调速的基本控制方式：、变频调速的基本控制方式：基频以下，恒压频比控制，实现恒转矩调速；基频以下，恒压频比控制，实现恒转矩调速； 基基频频以以上上，恒恒压压升升频频控控制制，实实现现恒恒功功率率调调速速；2 2异异步步电电动动机机电电压压频频率率协协调调控控制制的的稳稳态态机机械械特特性性：CVCFCVCF时时的的机机械械特特性性，电电压压频频率率协协调调控控制制下下的的机机
3、械械特性：特性：（1 1）U Us s/1 1= =恒值控制，恒值控制，（2 2）恒）恒Eg/Eg/1 1控制，控制，（3 3）恒）恒Er/Er/1 1控制。控制。 重点、难点重点、难点: : 异步电动机改变电压时机械特性的变化规律异步电动机改变电压时机械特性的变化规律 3电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统46.1 6.1 变压变频调速的基本控制方式变压变频调速的基本控制方式 在进行电机调速时，希望保持电机在进行电机调速时，希望保持电机中每极磁通量中每极磁通量 m m 为额定值不变。为额定值不变。 -如果磁通太弱，没有充分利用电如果磁通太弱，没有充分利用电
4、机的铁心，是一种浪费；机的铁心，是一种浪费； -如果过分增大磁通，又会使铁心如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。时会因绕组过热而损坏电机。4电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统5异步电动机等效电路异步电动机等效电路UsLmI0EgEsEr5电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统6 定子每相电动势定子每相电动势 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有气隙磁通在定子每相中感应电动势的有 效值效值( (V)； 定子频率(Hz)； 定子每相绕组串联匝数
5、； 定子基波绕组系数； 每极气隙磁通量(Wb)。 6电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统7 1. . 基频以下调速基频以下调速 要保持要保持 m 不变，当频率不变，当频率 f1 从额定从额定值值 f1N 向下调节时，必须同时降低向下调节时，必须同时降低 Eg ，使使 常值常值-即即采用电动势频率比为恒值的控制方采用电动势频率比为恒值的控制方式式。 7电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统8 恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 感应电动势是难以直接控制的，当电动感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的
6、漏磁阻抗势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压压降，而认为定子相电压 ，则，则 这是恒压频比的控制方式这是恒压频比的控制方式。8电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统9 注：注：电压补偿电压补偿( (转矩补偿转矩补偿) ) 在低频时在低频时 Us 和和 Eg 都较小，定子阻都较小，定子阻抗压降所占的份量比较显著，不能忽抗压降所占的份量比较显著，不能忽略。略。 这时，需要人为地把电压这时，需要人为地把电压 Us 抬高抬高一些，以便近似地补偿定子压降。一些，以便近似地补偿定子压降。9电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力
7、传动控制系统10 带电压补偿的恒压频比控制特性带电压补偿的恒压频比控制特性0UsUsNf 1f 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 10电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统11 2. 2. 基频以上调速基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压向上升高，但定子电压Us 却不可却不可能超过额定电压能超过额定电压UsN，最多只能保持最多只能保持Us =UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地这将迫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降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。况。
8、11电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统12 变压变频控制特性变压变频控制特性f1N图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O12电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统136.2 异步电动机电压频率协调控制异步电动机电压频率协调控制 时的机械特性时的机械特性l恒压恒频正弦波供电时的机械特性恒压恒频正弦波供电时的机械特性l基频以下电压频率协调控制的机械特性基频以下电压频率协调控制的机械特性l基频以上恒压变频控制的机械特性基频以上恒压变频控制的机械特性13电力拖
9、动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统141. 恒压恒频正弦波供电时的机械特性恒压恒频正弦波供电时的机械特性 最大转矩14电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统15 机械特性机械特性nn0smsTemaxTe010TeTemax15电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统162.基频以下电压频率协调控制时的特性基频以下电压频率协调控制时的特性 由机械特性方程式（由机械特性方程式（6-46-4）可以看出，）可以看出，对于同一组转矩对于同一组转矩 Te 和转速和转速 n（或转差率或转差率s）的要求，的要求
10、，电压电压 （Us ）和和频率频率 1 可以可以有多种配合，因此可以有不同方式的电有多种配合，因此可以有不同方式的电压频率协调控制。压频率协调控制。 16电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统17 （1） 恒压频比控制恒压频比控制（ Us / 1 ） 在恒压频比的条件下改变频率在恒压频比的条件下改变频率 1 1 时，机时，机械特性基本上是平行下移，它们和直流他励械特性基本上是平行下移，它们和直流他励电动机变压调速时的情况基本相似。电动机变压调速时的情况基本相似。 最大转矩最大转矩 Temax 随着随着 1 的降低而减小，的降低而减小，频率很低时，频率很低时，T
11、emax 太小将限制电机的带载能太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，可以增强带载能力。力，采用定子压降补偿，可以增强带载能力。17电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统18 恒压频比机械特性恒压频比机械特性0n补补偿偿定定子子压压降后的特性降后的特性18电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统19（2） 恒恒 Eg / 1 控制控制 如果在电压频率协调控制中，恰如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压当地提高电压 Us ，使它在克服定子阻使它在克服定子阻抗压降以后，能维持抗压降以后，能维持 Eg / 1 为恒值，为恒值，
12、则无论频率高低，每极磁通则无论频率高低，每极磁通 mm 均为常均为常值。值。19电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统20异步电动机等效电路异步电动机等效电路UsLmI0EgEsEr20电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统21恒恒 Eg / 1机械特性机械特性最大转矩当Eg /1 为恒值时，Temax 恒定不变。21电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统22 机械特性曲线机械特性曲线0nTemax恒恒 Eg / 1控制的控制的稳态性能优于稳态性能优于恒恒 Us / 1控制，它控制，它正是正是
13、恒恒 Us / 1控控制中补偿定子压制中补偿定子压降所追求的目标降所追求的目标22电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统23（3） 恒恒 Er / 1 控制控制 这时的机械特性是一条这时的机械特性是一条直线，和直流他励电动机直线，和直流他励电动机机械特性相同。机械特性相同。0s1ab c恒恒 Er / 1 控制控制恒恒 Eg / 1 控制控制恒恒 Us / 1 控制控制0Te23电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统24 转子全磁通的感应电动势转子全磁通的感应电动势 Er 对应于对应于转子全磁通幅值转子全磁通幅值 rm ： 按
14、照转子全磁通为恒值进行控制，按照转子全磁通为恒值进行控制，就可以获得就可以获得 E Er r / / 1 1恒定，这正是恒定，这正是矢量控矢量控制系统制系统所遵循的原则。所遵循的原则。24电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统25小结l恒压频比（ Us /1 =恒值）控制最容易实现，变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能满足一般的调速要求，但低速带载能力有限，须对定子压降实行补偿。l恒Eg /1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿，可以在稳态时达到m 恒定，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。l恒Er /1控制可以得到和
15、直流他励电动机一样的线性机械特性，按照rm恒定进行控制即得Er /1 =恒值，在动态中也尽可能保持恒定是矢量控制系统所追求的目标，当然实现起来是比较复杂的。25电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统263.3.基频以上恒压变频时的机械特性基频以上恒压变频时的机械特性 最大转矩最大转矩26电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统27基频以上恒压变频机械特性基频以上恒压变频机械特性0恒功率调速恒功率调速 当电源频率当电源频率 提高时，同提高时，同步转速随之提步转速随之提高，最大转矩高，最大转矩减小，机械特减小，机械特性上移，而形性上
16、移，而形状基本不变。状基本不变。27电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统28l作业：作业：6-1、6-2 28电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统296.3 6.3 电力电子变压变频器电力电子变压变频器的主要类型的主要类型本节提要本节提要交交-直直-交和交交和交-交变压变频器交变压变频器电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器29电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统30l学习要点：学习要点： 1.1.静止式变频装置；静止式变频装置； 间接变频间接变频交直交变频装置交直交变频装置
17、直接变频直接变频交交变频装置交交变频装置 电压源和电流源变频器；电压源和电流源变频器； 2.2.正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWMSPWM）逆变器工作原理。逆变器工作原理。重点、难点重点、难点: : 1.1.正弦波脉宽调制（正弦波脉宽调制（SPWMSPWM）逆变器的控制方式。逆变器的控制方式。 30电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统31 引引 言言 如前所述，对于异步电机的变压变如前所述，对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，
18、因此应该配置的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称变压变频器，又称VVVFVVVF（Variable Variable Voltage Variable FrequencyVoltage Variable Frequency）装置。装置。31电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统326.3.1 交交-直直-交和交交和交-交变压变频交变压变频器器 从从整整体体结结构构上上看看，电电力力电电子子变变压压变频器可分为交变频器可分为交- -直直- -交和交交和交- -交两大类。交两大类。 1. 1.交交- -直直- -交变压变频器交变压变频器 交交- -直直
19、- -交变压变频器先将工频交流交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。如下图所示。32电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统33 交交-直直-交变压变频器基本结构交变压变频器基本结构变压变频变压变频(VVVF)中间直中间直流环节流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC50Hz整流整流33电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统34 由于这类变压变频器在恒频交流由于这类变压变频器在恒频交流电
20、源和变频交流输出之间有一个电源和变频交流输出之间有一个“中中间直流环节间直流环节”，所以又称间接式的变，所以又称间接式的变压变频器。压变频器。 具体的整流和逆变电路种类很多，具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件组成的脉宽整流器和由功率开关器件组成的脉宽调制调制（PWMPWM）逆变器，简称逆变器，简称PWMPWM变变压变频器，如下图所示压变频器，如下图所示。34电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统35 交交-直直-交交PWM变压变频器基本结构变压变频器基本结构变压变频变压变频(VV
21、VF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC50Hz调压调频调压调频C35电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统36 PWMPWM变压变频器的应用广泛，具有如下的优点：变压变频器的应用广泛，具有如下的优点： （1 1）只只有有逆逆变变单单元元可可控控，它它同同时时调调节节电电压压和和频率，结构简单。频率，结构简单。 （2 2）采用）采用PWMPWM控制技术，正弦基波的比重较控制技术，正弦基波的比重较大，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范大，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。围和稳态性能。 （3 3）逆逆
22、变变器器同同时时实实现现调调压压和和调调频频，动动态态响响应应不受中间直流环节滤波器参数的影响。不受中间直流环节滤波器参数的影响。 （4 4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变器输出电压大小的率因素较高，且不受逆变器输出电压大小的影响。影响。 36电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统37 PWMPWM变压变频器常用的功率开变压变频器常用的功率开关器件有：关器件有：P-MOSFETP-MOSFET，IGBTIGBT，GTOGTO和替代和替代GTOGTO的电压控制器件如的电压控制器件如IGCTIGCT、I
23、EGTIEGT等。等。 受到开关器件额定电压和电流的受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频限制，对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管调速仍只好采用半控型的晶闸管（SCRSCR），），并用可控整流器调压、六并用可控整流器调压、六拍逆变器调频的交拍逆变器调频的交- -直直- -交变压变频器，交变压变频器，见下图。见下图。 37电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统38 普通普通交交-直直-交变压变频器的基本结构交变压变频器的基本结构SCR可控可控整流器整流器六六 拍拍逆变器逆变器DCACAC50Hz调频调频调压调压38电力拖
24、动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统392. 交交-交变压变频器交变压变频器 交交- -交变压变频器的基本结构如交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（把恒压恒频（CVCFCVCF）的交流电源直的交流电源直接变换成接变换成VVVFVVVF输出，因此又称直接输出，因此又称直接式变压变频器。式变压变频器。 有时为了突出其变频功能，也称有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（作周波变换器（CycloconveterCycloconveter）。）。 39电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力
25、传动控制系统40 交交- -交变压变频器的基本结构交变压变频器的基本结构交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF 常用的交常用的交- -交变压变频器输出的每一相都是一交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。线路。 也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路（下图系统的反并联可逆线路（下图a a）。）。40电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统41交交- -交变压变频器的基本电路结构交变压变频器的基本电路结构VRV
26、FId-Id+-+a) 每相电路结构负负载载50Hz50Hzu041电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统42交交- -交变压变频器的控制方式交变压变频器的控制方式l整半周控制方式整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，在负正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压载上就获得交变的输出电压 u u0 0 ，u u0 0 的幅值的幅值决定于各组可控整流装置的控制角决定于各组可控整流装置的控制角 ，u u0 0 的的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方如果控制角
27、一直不变，则输出平均电压是方波，如下图波，如下图 b b 所示。所示。42电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统43方波型平均输出电压波形方波型平均输出电压波形tu0正组通正组通反组通反组通正组通正组通反组通反组通输出电压波形输出电压波形43电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统44 控制方式（控制方式（ 2 ）l 调制控制方式调制控制方式 要获得正弦波输出，就必须在每一组要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。整流装置导通期间不断改变其控制角。例如例如：在正向组导通的半个周期中，使控制在正向组导通的
28、半个周期中，使控制角角 由由 /2/2（对应于平均电压（对应于平均电压 u u0 0 = 0 = 0）逐逐渐减小到渐减小到 0 0（对应于（对应于 u u0 0 最大），然后再逐最大），然后再逐渐增加到渐增加到 /2/2（ u u0 0 再变为再变为0 0），如下图所），如下图所示。示。44电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统452AO ta =a = 0 p 2a = p BCDEFu0交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形输出电压波形输出电压波形45电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统46 当当 角角按按正正弦弦规规
29、律律变变化化时时，半半周周中中的的平平均均输输出出电电压压即即为为图图中中虚虚线线所所示示的的正正弦弦波波。对对反反向向组组负负半半周周的的控制也是这样。控制也是这样。46电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统47 单相交交变频电路输出电压和电单相交交变频电路输出电压和电流波形流波形47电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统48 三相交交变频电路三相交交变频电路 三相交交变频电路可以由三相交交变频电路可以由3 3个单相个单相交交- -交变频电路组成，其基本结构如下交变频电路组成，其基本结构如下图所示。图所示。 如果每组可控整流
30、装置都用桥式如果每组可控整流装置都用桥式电路，含电路，含6 6个晶闸管（当每一桥臂都是个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需单管时），则三相可逆线路共需3636个个晶闸管，即使采用零式电路也须晶闸管，即使采用零式电路也须1818个个晶闸管。晶闸管。48电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统49 三相交交变频器的基本结构三相交交变频器的基本结构49电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统50 输出星形联结方式三相交交变频电路输出星形联结方式三相交交变频电路50电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电
31、力传动控制系统51三相桥式交交变频电路51电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统52 因此，这样的交因此，这样的交- -交变压变频器虽然在交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。很多，总体设备相当庞大。 不过这些设备都是直流调速系统中常不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。
32、的产品。52电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统53 这类交-交变频器的其他缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。 其最高输出频率不超过电网频率的 1/3 1/2，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。53电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统54 近年来又出现了一种采用全控型开关近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式器件的矩阵式交交- -交变压变频器，类似于交变压变频器，类似于 PWMP
33、WM控制方式，输出电压和输入电流的低次控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行，但当输出电压向流动，以获得四象限运行，但当输出电压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.8660.866。目前这类变压变频器尚处于开发阶。目前这类变压变频器尚处于开发阶段，其发展前景是很好的。段，其发展前景是很好的。 54电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统556.3.2 电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器 在在交交- -直直- -
34、交交变变压压变变频频器器中中，按按照照中中间间直直流流环环节节直直流流电电源源性性质质的的不不同同，逆逆变变器器可可以以分分成成电电压压源源型型和和电电流流源源型型两两类类，两两种种类类型型的的实实际际区区别别在在于于直直流流环环节节采采用用怎怎样样的的滤滤波波器器。下下图图绘绘出出了了电电压压源源型型和和电电流流源源型型逆逆变器的示意图。变器的示意图。55电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统56 两种类型逆变器结构两种类型逆变器结构LdIdCdUdUd+-a) 电压源逆变器电压源逆变器b) 电流源逆变器电流源逆变器电压源型和电流源型逆变器示意图电压源型和电
35、流源型逆变器示意图56电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统57l电压源型逆变器电压源型逆变器（Voltage Source Voltage Source Inverter -VSI Inverter -VSI ），），直流环节采用大电容直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在滤波，因而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，理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。简称电压型逆变器。57电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控
36、制系统58l电流源型逆变器电流源型逆变器（Current Source Current Source Inverter- CSIInverter- CSI），），直流环节采用大电感直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。阶梯波，或简称电流型逆变器。 58电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统59 性能比较性能比较 两两类类逆逆变变器器在在主主电电路路上上虽虽然然只只是是滤滤波波环环节节的的不不同同，在在性性能能上上却却带
37、带来来了了明明显显的的差差异异，主要表现如下：主要表现如下： （1 1）无功能量的缓冲无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的直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。不致影响到交流电网。59电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统60 因此，两类逆变器的区别还表现在采用因
38、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）来缓冲无什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。功能量。 （2 2）能量的回馈能量的回馈 用电流源型逆变器给异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，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。和经常正、反转的生产机械。60电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统61 下面以由晶闸管可控整流器下面以由晶闸管可
39、控整流器UCRUCR和电和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSICSI构构成的交成的交- -直直- -交变压变频调速系统（如下图交变压变频调速系统（如下图所示）为例，说明电动运行和回馈制动两所示）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。种状态。61电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统62 电动运行状态电动运行状态电流源型交电流源型交-直直-交变压变频调速系统的两种运行状态交变压变频调速系统的两种运行状态62电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统63 当电动运行时，当电动运行时，UCRUCR的控制角
40、的控制角 ，电动机以转速运行，电功率的传，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图送方向如上图a a所示。所示。63电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统64电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI 90o有源逆变1 发电Te整流UCR逆变运行状态逆变运行状态Pb）逆变运行）逆变运行64电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统65l如果降低变压变频器的输出频率如果降低变压变频器的输出频率 1 1，或，或从机械上抬高电机转速从机械上抬高电机转速 ，使，使 1 1 90 90 ，则异步，则异步电机转
41、入发电状态，逆变器转入整流状态，电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压流电压U Ud d 立即反向，而电流立即反向，而电流 I Id d 方向不方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图变，电能由电机回馈给交流电网（图b b）。）。65电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统66 与此相反，采用电压源型的交与此相反，采用电压源型的交- -直直- -交变压变频交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压
42、的极性，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。 必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与能耗制动，或者与UCRUCR反并联一组反向的可控整流器，反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这样做，设备要复杂多了。实现回馈制动。这样做，设备要复杂多了。66电力拖动自动控制系
43、统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统67性能比较（续）性能比较（续） （3 3）动动态态响响应应 正正由由于于交交- -直直- -交交电电流流源源型型变变压压变变频频调调速速系系统统的的直直流流电电压压可可以以迅迅速速改改变变，所所以以动动态态响响应应比比较较快快，而而电电压压源源型型变变压压变变频频调速系统的动态响应就慢得多。调速系统的动态响应就慢得多。 （4 4）输输出出波波形形 电电压压源源型型逆逆变变器器输输出出的的电电压压波波形形为为方方波波，电电流流源源型型逆逆变变器器输输出出的的电电流波形为方波（见下表）。流波形为方波（见下表）。 67电力拖动自动控制系统电力拖
44、动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统68性能比较（续）性能比较（续）表6-1 两种逆变器输出波形比较68电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统69性能比较（续）性能比较（续） （5 5）应用场合）应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电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。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于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求逆运行的要求。69电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统70小小 结结 (1) (1) 变压变频调速的基本控制变压变频调速的基本控制方式方式 (2) (2) 变压变频调速的控制系统。变压变频调速的控制系统。70
