2019年变频调速技术与应用第3章.ppt

第3章变频调速原理内容提要与学习要求掌握变频调速的基本原理及PWM控制技术。掌握通用变频器的基本结构、额定值和频率指标。了解通用变频器控制电路。了解变频器的结构和控制特点。随着交流电动机调速控制理论、电力电子技术、数字化控制技术的发展，交流变频调速技术日趋成熟，其应用越来越广泛。变频调速技术的应用已扩展到工业生产的所有领域，并且在家电产品中也得到广泛的应用。3．1变频调速原理3．1．1交流异步电动机的调速原理交流异步电动机的转速关系式如下：式中f为定子供电频率（Hz）；p为磁极对数；s为转差率；n为电动机转速（r／min）。由式（3－l）可知，交流异步电动机的调速方式一般有三种：变极调速、改变电机转差率调速、变频调速。pfsn60)1(1．变极调速通过改变电动机定于绕组的接线方式以改变电机极数实现调速，这种调速方法是有级调速，不能平滑调速，而且只适用于鼠笼式异步电动机。2．改变电机转差率调速其中有通过改变电机转子回路的电阻进行调速，此种调速方式效率不高，且不经济，只适用于绕线式异步电动机。其次是采用电磁转差离合器进行调速，调速范围宽且能平滑调速，但这种调速装置结构复杂，低速运行时损耗较大、效率低。较好的转差率调速方式是串级调速，这种调速方法是通过在转子回路串入附加电动势实现调速的。这种调速方式效率高、机械特性好，但设备投资费用大、操作不方便。3．变频调速通过改变异步电动机定子的供电频率人，以改变电动机的同步转速达到调速的目的，其调速性能优越，调速范围宽，能实现无级调速。过去只能通过旋转变频发电机组实现电源频率的改变，这种变频方式造价高、使用不方便。随着电力电子技术的飞速发展，采用新型电力电子器件制造变频电源装置（变频器）成为可能，使异步电动机的变频调速的应用越来越广泛。3．1．2变频调速的工作原理由《电机学》中的相关知识可知，异步电动机定子绕组的感应电动势E1的有效值为：式中，E1为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；f1为定子频率（HZ）；N1为定子每相绕组串联匝数；krl为与绕组有关的结构常数；Фm为每极气隙磁通量（Wb）。由式可知，如果定子每根电动势的有效值E1不变，改变走子频率时会出现下面两种情况：（1）如果f1大于电动机的额定频率f1N。，气隙磁通Фm就会小于额定气隙磁通ФmN。，结果是电动机的铁芯没有得到充分利用，造成浪费，而且在相同的转子电流下，电磁转矩将变小，使电动机带负载能力下降。若要保证电动机带负载能力不变，就必须加大转子电流，此时电动机势必会出现过电流。（2）如果F1小于电动机的额定频率人。，气隙磁通也就会大于额定气隙磁通ФmN，结果是电动机的铁芯产生过饱和，从而导致过大的励磁电流，使电动机功率因数、效率下降，严重时会因绕组过热烧坏电动机。因此，要实现变频调速，且在不损坏电动机的情况下充分利用电机铁芯，应保持每极气隙磁通中Фm不变。mrlNfKE11144.41．基频以下调速要保持Фm不变，当频率f1从额定值f1N向下调时，必须降低E1，使E1／f1=常数，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。但绕组中的感应电动势不易直接控制，当电动势的值较高时，可以认为电机输入电压V1≈E1，则可通过控制V1达到控制E1的目的，即基频以下调速时的机械特性曲线如图3．l所示。如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升允许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。由于在基频以下调速时磁通恒定，所以转矩恒定，其调速属于恒转矩调速。常数11fV2．基频以上调速在基颜以上调速时，频率可以从f1N向上增加，但电压V1却不能超过额定电压V1N，最大为V1＝V1N。由式（3－2）可知，这将使磁通Фm随频率f1的升高而降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。在基频以上调速时，由于电压V1＝V1N不变，当频率升高时，电动机的同步转速n1随之升高，气隙磁动势减弱，最大转矩减小，电磁功率P＝T2πn1/60基本不变。所以，基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。其机械特性如图所示。3．2交流变频系统的基本形式从交流变频调速的系统结构上来分可以分为交—交变频系统和交—直—交变频系统。3．2．1交—交变频系统交一交变频系统是一种可直接将某固定频率交流变换成可调频率交流的电路系统，无须中间直流环节。与交一直一交变频系统相比，提高了系统变换效率。又由于整个变频电路直接与电网相连接，各晶闸管元件上承受的是交流电压，故可采用电网电压自然换流，无须强迫换流装置，简化了变频器主电路结构，提高了换流能力。交一交变频电路广泛应用于大功率低转速的交流电动机调速传动，交流励磁变速恒频发电机的励磁电源等。实际使用的交一交变频器多为三相输入—三相输出电路，但其基础是三相输入—单相输出电路，因此首先介绍单相输出电路的工作原理、触发控制、输入输出特性等；然后介绍三相输出电路结构。交流励磁发电机，因其励磁绕组采用交流电励磁而得名，其本体的结构与绕线式异步电机相同，定子具有三相对称绕组，转子上采用三相（或两相）对称分布的励磁绕组，且励磁电压的频率、大小、相位、相序都可以控制传统的同步发电机采用集中的励磁绕组，其励磁电流为直流，因而只能控制励磁电压幅值的大小，来控制励磁电流，且转子磁场相对转子本体的位置是固定不变的，当进行有功、无功调节时必然伴随有转子的过度过程。而交流励磁发电机则不同，由于其转子励磁绕组为多相对称绕组，且励磁电压为相位、幅值、频率可变的对称交流电，可通过调节励磁电压幅值、频率、相位来控制发电机励磁磁场大小、相对转子本体的位置和电机的转速，由于交流励磁发电机励磁控制自由度的增加，使得该类电机具有超越传统同步发电机性能的可能多用于风力发电机等速度变化的发电机.前苏联称的异步发电机（AsychronizedMachine，ASM）与北美、欧洲称的双馈电机（Doubly-FedMachine，DFM）及日本称的交流励磁电机（AternatingCurrentExcitationMachine，ACEM）无本质的差别，这些称谓只是从电机某方面的特征给这类电机不同的命名。虽然该类电机电气结构上类似于绕线式异步电机，但从内部的电磁关系看，是同一类特殊的同步电机1．三相输入一单相输出的交一突变频电路（1）基本工作原理。三相输入一单相输出的交一交变频器原理如图3．3所示，三相输入—单相输出电路：由两组反并联的三相晶闸管可控整流桥和单相负载组成；其中图（a）接入了足够大的输入滤波电感，输入电流近似矩形波，称电流源型电路；；图（b）则为电压源型电路，其输出电压可为矩形波、亦可通过控制成为正弦波。图3．3（c）为图3．3（b）电路输出的矩形波电压，用以说明交一交变频电路的工作原理。当正组变流器工作在整流状态时，反组封锁，以实现无环流控制，负载Z上电压u0为上（＋）、下（一）；反之当反组变流器处于整流状态而正组封锁时，负载电压u0为上（－）、下（＋），负载电压交变。若以一定频率控制正、反两组变流器交替工作（切换），则向负载输出交流电压的频率f0就等于两级变流器的切换频率，而负载电压u0大小则决定于晶闸管的触发角。交一交变频电路根据输出电压波形不同可计为方波型和正弦被型。方波型控制简单。正、反两桥工作时维持晶闸管触发角α恒定不变，但其输出波形不好，高次谐波大，用于电动机调速传动时会增大电动机损耗，降低运行效率，特别增大转矩脉动，因此很少采用。（2）工作状态。三相一单相正弦型交一交变频电路如图3．4所示，它由两个三相桥式可控整流电路构成。如果输出电压的半周期内使导通组变流器晶闸管的触发角变化，如α从900到00，再增加到900，则相应变流器输出电压的平均值就可以按正弦规律从零变到最大，再减小至零，形成平均意义上的正弦波电压波形输出。输出电压的瞬时值波形不是平滑的正弦波，而是由片段电源电压波形拼接而成，在一个输出周期中所包含的电源电压片段数越多，波形就越接近正弦，通常到采用6脉波的三相桥式电路或12脉波变流电路来构成交一突变频器2．三相输入一三相输出的交一交变频电路三相输出交一突变频电路由3个输出电压相位互差1200的单相输出交一交变频电路按照一定方式连接而成，主要用于低速、大功率交流电动机变频调速传动。三相输出交一突变频电路有两种主要接线形式。（1）输出Y接方式：3组单相输出交一交变频电路接成Y，中点为O，三相交流电动机绕组亦为接成Y，中点为O’。由于3组输出连接在一起，电源进线必须采用变压器隔离。这种接法可用于较大容量交流调速系统。（2）公共交流母线进线方式：它由3组彼此独立、输出电压相让互差1200的单相输出交一交变频电路构成，其电源进线经交流进线电抗器接至公用电源。因电源进线端公用，3组单相输出必须隔离。这种接法主要用于中等容量交流调速系统。3．2.2交一直一交变频系统在交一直一交变频调速系统中，变频器有以下3种主要结构形式。（1）用可控整流器调压如图3．6（a）所示，这种装置结构简单，控制方便。但是，由于输入环节采用可控整流器，当电压或转速调得较低时，电网端的功率因数较低；输出环节多采用功率开关元件组成的三相六拍逆变器（每周换流6次），输出的谐波较大，这是该种调压控制方法的缺点。（2）用不可控整流器整流，斩波器调压如图（b），这种调压控制方法是在主回路增设的斩波器上用脉宽调压，而整流环节采用二极管不可控整流器。这样显然多增加了一个功率环节，但输入功率因数高，克服了前种方法的一个缺点，而逆变器输出信号的谐波仍较大。（3）用不可控整流器整流，PWM型逆变器调压如图（c）在这种控制方法中，由于采用不可控整流器整流，故输入功率因数高；采用PWM型逆变器则输出谐波较少。这样，前两种调压控制方法中存在的缺点问题都解决了。谐波能减少的程度取决于功率开关元件的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。如果仍采用普通功率开关元件，其开关频率比六拍逆变器也高不了多少。只有采用可控关断的全控式功率开关元件以后，开关频率才得以大大提高。逆变器的输出波形几乎是正弦波，因此成为当前被采用的一种调压控制方法。3．3变频器的PWM逆变电路（Pulse-WidthModulation脉宽调制）在工业应用中许多负载对逆变器的输出特性有严格要求，除频率可变、电压大小可调外，还要求输出电压基波尽可能大、谐波含量尽可能小。对于采用无自关断能力晶闸管元件的方波输出逆变器，多采用多重化、多电平化措施使输出波形多台阶化来接近正弦。这种措施使得电路结构较复杂，代价较高，效果却不尽人意。PWM型逆变电路是使用自关断器件作高频通、断的开关控制，将台阶电压输出变为等幅不等宽的脉冲电压输出，并通过调制控制使输出电压消除低次谐波，只剩幅值很小、易于抑制的高次谐波，从而极大地改善了逆变器的输出特性。这种逆变电路就是PWM型逆变电路，它是目前直流一交流（DC－AC）变换中最重要的变换技术。按照输出交流电压半周期内的脉冲数，PWM可分为单脉冲调制和多脉冲调制；按照输出电压脉冲宽度变化规律，PWM可分为等脉宽调制和SPWM（abbr.sine-wavepulse-widthmodulation正弦波脉宽调制））按照输出半周期内脉冲电压极性单一还是变化，PWM可分为单极性调制和双极性调制。在输出电压频率变化中，按照输出电压半周期内的脉冲数固定还是变化，PWM可分为同步调制、异步调制和分段同步调制等。对于这些有关调制技术的基本原理和概念，本节通过单相脉宽调制电路来说明。1．单脉冲调制与多脉冲调制（1）单脉冲调制图（a）为一单相桥式逆变电路。功率开关器件VT1、VT2之间及VT3、VT4之间作互补通、断，则负载两端A、B点对电源E负端的电压波形UA、UB均为180°的方波。若VT1、VT2通断切换时间与VT3、VT4通断切换时间错开λ角，则负载上的输出电压uAB得到调制，输出脉宽为λ的单脉冲方波电压，如图（b）所示，λ调节范围为0°－180°，从而使交流输出电压uAB大小可从零调至最大值，这就是电压的单脉冲脉宽调制