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交流调速系统机电传动控制第十一章内容提要▲闭环控制的异步电动机变压调速系统▲笼型异步电动机变压变频调速系统（VVVF系统）11.1闭环控制的异步电动机变压调速系统11.1.1闭环变压调速系统的组成变压调速是异步电动机调速方法中比较简便的一种，也是非常常用的一种电动机在变压时的机械特性如（11-1）图图11-1高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性对于恒转性质的负载，要求调速范围大于2时，往往采用带转速反馈的闭环系统，如图（11-2）所示。图11-2带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统11.1.2闭环控制的变压器调速系统的静特性图11-3所示的是闭环控制变压调速系统的静特性。图11-3闭环控制变压调速系统的静特性异步电动机闭环变压调速系统不同于直流电机闭环调速系统的地方是：静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压下的机械特性和最小输出电压下的机械特性。当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。11.2笼型异步电动机变压变频调速系统（VVVF系统）11.2.1变压变频调速的特点（1）变频调速的调速范围宽（2）无论高速还是低速效率都较高，（3）通过变频控制可以得到和直流他励电动机机械特性相似的线性硬特性，能够实现高动态性能。11.2.2电力电子变压变频器的主要类型1.交—直—交变压变频器。交—直—交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变成可控频率和电压的交流，如图11—4所示。图11—4交—直—交变压变频器当前应用最广的是由二极管组成不可控整流器和由全控型功率开关器件组成脉宽调制PWM逆变器。PWM变压变频器具有如下的一系列优点：（1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元是可控的，通过它同时调节电压和频率，结构十分简单。采用全控型的功率开关器件，通过驱动电压脉冲进行控制，驱动电路简单，效率高。（2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电动机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。（3）逆变器同时实现调压和调频，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，使动态性能得以提高。（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较高，且不受逆变器输出电压大小的影响。2、交—交变压变频器交—交变压变频器的结构图如图11-5所示。图11-5交-交（直接）变压变频器常用的交—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线路，如图11-6所示。图11-6交—交变压变频器每相可逆线路交—交变压变频器的缺点是：（1）所用器件数量很多，总体设备相当庞大。（2）输入功率因数低、谐波电流含量大、频谱复杂，因此需配置滤波和无功补偿设备。交—交变压变频器最高输出频率不超过电网频率的1/2，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，可以省去庞大的齿转减速箱。11.2.3电压源型和电流源型逆变器直流环节采用大电容滤波是电压源型逆变器（VSI）、其直流电压波形比较平直，图11-7（a）所示简称电压型逆变器。直流环节采用大电感滤波。图11-7（b）所示，是电流源型逆变器（CSI）其直流电流波形比较平直，简称电流型逆变器。图11-7电压源型和电流源型逆变器示意图（a)电压源逆变器（b)电流源逆变器11.2.4导通型和导通型逆变器交—直—交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，在三相桥式逆变器中，根据各控制开关轮流导通和关断的顺序不同可有导通型和导通型两种换流方式图11-8所示三相桥式逆变器主电路图11-8三相桥式逆变器主电路在导通型逆变器中，除换流期间外，每一时刻总有3个开关器件同时导通。导通型逆变器的换流是在同一排不同桥臂的左右两管之间进行的每个开关器件一次连续导通，在同一时刻只有两个器件导通11.2.5变压变频调速系统中的脉宽调制技术1他控变频调速系统SPWM变频器属于交—直—交静止变频装置。输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波（SPWM波）图11-9所示为SPWM变频器控制电路图图11-9SPWM变频器控制电路图2通用变频器所谓“通用”是指它具有多种可供选择的功能，可适应各种不同性质负载的异步电动机的配套使用。图11-10所示为通用变频器的组成框图图11-10通用变频器的组成框图3永磁同步电动机的自控变频控制图11-11为自控变频同步电动机控制框图图11-11自控变频同步电动机控制框图它是通过电动机轴端上的转子位置检测器BQ（如霍尔元件、接近开关等）发出的信号来控制逆变器的换流。从而改变同步电动机的供电频率，调速时由外部控制逆变器的直流输入电压。图11-12为一个四极的位置检测器安装位置和逻辑图图11-12位置检测器安装位置和逻辑图在金属圆板上，每隔180°空间电角度就有凸部和凹部与N极和S极对应，间隔120°空间电角度设置三个检测元件A、B、C转子每转过60°空间电角度，通过控制电路，顺序地使功率晶体管导通。如按图11-11所示的编号，则六个功率晶体管按V6—V1—V2—V3—V4—V5—V6—V1顺序循环导通，每个功率晶体管导通120°空间电角度，给电枢绕组提供三相平衡电流，产生电磁转矩使电动机转子连续旋转。永磁同步电动机利用电动机轴上所带的转子位置检测器检测转子位置也可以进行矢量变频控制。矢量控制调速系统具有动态特性好、调速范围宽、控制精度高、过载能力强且可承受冲击负载和转速突变等特点。在利用频率、电压可调的变频器来实现交流电动机的调速过程中，通过“等效”的方法获得与直流电动机相同转矩特性的控制方式，就叫矢量控制。就是说，把交流电动机的三相输入电流等效为直流电动机中彼此独立的电枢电流和励磁电流，然后象直流电动机一样，通过对这两个量的控制，实现对电动机的转矩控制，再通过反变换，将控制的等效直流电动机还原成三相交流电动机，这样，三相交流电动机的调速特性就完全体现了直流电动机的调速特性。等效变换过程如表11-1所示。表11-1三相交流电动机的矢量变换过程矢量控制调速系统就是通过上述的矢量变换获得幅值和频率可调的正弦波，经过SPWM调制，驱动主电路中的三组共六个开关元件，输出电压到三相交流电动机，使电动机的输出转速和转矩随之而改变，从而适应系统的要求。