第5章-异步电动机变频调速系统

第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一第五章异步电机变频调速系统第一节交流电动机变频调速的基本理论第二节正弦波脉宽调制(SPWM)第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广，是本书的重点。概述第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；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，严重时会因绕组过热而损坏电机。第一节交流电动机变频调速的基本理论一、变频调速基本原理对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，m保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通m由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一•定子每相电动势mw111Φ44.4kNfE（5-1）式中：E1—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；—定子频率，单位为Hz；—定子每相绕组串联匝数；—基波绕组系数；—每极气隙磁通量，单位为Wb。f1N1Kwm（一）变压变频调速的基本控制方式第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一由式（5-1）可知，只要控制好E1和f1，便可达到控制磁通m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。第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一1.基频以下调速由式（5-1）可知，要保持m不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低E1，使11fE常值（5-2）即采用恒电动势频率比的控制方式。第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一(1)恒压频比的控制方式绕组中的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漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1≈E1，则得（5-3）这是恒压频比的控制方式。常值11fU但是，在低频时U1和E1都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压U1抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的b线，无补偿的控制特性则为a线。(2)带定子压降补偿的恒压频比控制方式第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一•带压降补偿的恒压频比控制特性OUsf1图5-1恒压频比控制特性UsNf1Na—无补偿b—带定子压降补偿第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一2.基频以上调速在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us却不可能超过额定电压U1N，最多只能保持U1=U1N，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况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一•变压变频控制特性图5-2异步电机变压变频调速的控制特性f1N恒转矩调速UsUsNΦmNΦm恒功率调速Usf1OΦmN第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化；按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质；在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。返回目录第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一变频器按装置的结构形式分为交-交变频器和交-直-交变频器。目前应用较多的是交-直-交变频器。二、变频器简介对异步电动机进行变频调速，就要求为电动机提供一个频率可变的电源，即变频器。（一）变频器按装置的结构形式分类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换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如图所示。第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一图5-3交-直-交（间接）变压变频器变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)逆变DCACAC50Hz~整流由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一交-直-交变频器控制方式(1)用可控整流器变压、逆变器变频，即调压和调频分别在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。优点：装置结构简单，控制方便。缺点：由于输入环节采用可控整流器，当电压和频率调得较低时，电网端的功率因数较小；另外，输出环节多用由晶闸管组成的三相六拍逆变器(每周换流六次)，输出的谐波较大。(2)用不可控整流器整流、斩波器变压、逆变器变频，即整流环节采用二极管不可控整流器，再增设斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但输入功率因数高，克服了第一种装置的缺点。输出逆变环节不变，仍有谐波较大的问题。第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一(3)用不可控整流器整流、PWM逆变器同时变压变频。用不可控整流，则功率因数高；用PWM逆变，则谐波可以减少。这样，可以解决上述两种装置的两个缺点。谐波减少的程度取决于开关频率，而开关频率受器件开关时间的限制。如果仍采用普通晶闸管，其开关频率比六拍逆变器也高不了多少。采用可关断的全控式器件以后，开关频率可以大大提高，输出波形几乎可以得到非常逼近的正弦波，因而又称正弦波脉宽调制(SPWM)逆变器。它是当前最有前途的一种结构形式，将在下一节做详细介绍。第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一•普通交-直-交变压变频器的基本结构SCR可控整流器六拍逆变器DCACAC50Hz~调频调压图5-5可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一2.交-交变压变频器交-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，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成电压和频率都可调的交流电VVVF输出，因此又称直接变频器。图5-6交-交（直接）变频器交－交变频AC50Hz~ACCVCFVVVF第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一常用的交-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。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a）。第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一•交-交变压变频器的基本电路结构VRVFId-Id+--+a)电路结构负载50Hz~50Hz~u0图5-7-a交-交变压变频器每一相的可逆线路第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一(1)交-交变频器的控制方式整半周控制方式正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u0，u0的幅值决定于各组可控整流装置的控制角，u0的频率决定于正、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波，如下图b所示。图5-7-b方波型平均输出电压波形u0t正组通反组通正组通反组通第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一调制控制方式要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角由/2（对应于平均电压u0=0）逐渐减小到0（对应于u0最大），然后再逐渐增加到/2（u0再变为0），如下图所示。第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一2AOwt02BCDEFu0图5-8交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形•输出电压波形当角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中蓝线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一•单相交交变频电路输出电压和电流波形1OO23456图4-20uoiowtwt第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一(2)三相交交变频电路三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图所示。如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一•三相交交变频器的基本结构第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一•输出星形联结方式三相交交变频电路第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一三相桥式交交变频电路第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一因此，这样的交-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。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上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。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。第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一类别比较项目交-直-交变频器交-交变频器换能形式两次换能，效率略低一次换能，效率略高换流方式强迫换流或负载谐振换流电源电压换流装置元件数量元件数量较少元件数量较多调频范围频率调节范围宽一般情况下，输出最高频率为电网频率的1/3~1/2电网功率因数用可控整流调压室，功率因数在低压室较低，用斩波其或PWM方式调压室，功率因数高较低适用场合可用于各种电力拖动装置，稳频稳压电源和不停电电源特别适用于低速大功率拖动表5-1交-直-交变频器与交-交变频器主要特点比较表第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一二.交-直-交变频器按直流环节直流电源的性质分类在交-直-交变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用什么样的滤波器。电压源型和电流源型逆变器的示意图如图5-8。第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一在图5-8(a)中，直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下相当于一个恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，称为电压源型逆变器，有时简称为电压型逆变器。在图5-8(b)中，直流环节采用大电感滤波，使直流电流波形比较平直，在理想情况下相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，叫做电流源型逆变器，或简称为电流型逆变器。逆变器逆变器LdIdCdUdUd++--a)电压源逆变器b)电流源逆变器图5-8电压源型和电流源型逆变器示意图第5章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2020年5月18日星期一•性能比较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