1、籠型異步電機變壓變頻調速系統籠型異步電機變壓變頻調速系統（VVVF系統）系統）轉差功率不變型調速系統轉差功率不變型調速系統第第 6 章章JVVVF調速系統簡稱調速系統簡稱變頻變頻調速系統。調速系統。J在變頻調速時，在變頻調速時，轉差功率不變轉差功率不變，在各種異，在各種異步電動機調速系統中步電動機調速系統中效率最高效率最高，性能最好性能最好，是交流調速的主要發展方向。是交流調速的主要發展方向。J因此現在應用面很廣，是本篇的重點。因此現在應用面很廣，是本篇的重點。 概概 述述本章提要本章提要n變壓變頻調速的基本控制方式變壓變頻調速的基本控制方式n異步電動機異步電動機電壓頻率協調控制時的機械特性電

2、壓頻率協調控制時的機械特性n* *電力電子變壓變頻器的主要類型電力電子變壓變頻器的主要類型n變壓變頻調速系統中的脈寬調制變壓變頻調速系統中的脈寬調制（PWM）技術技術n基于異步電動機穩態模型的變壓變頻調速基于異步電動機穩態模型的變壓變頻調速n異步電動機的動態數學模型和坐標變換異步電動機的動態數學模型和坐標變換n基于動態模型按轉子磁鏈定向的矢量控制系統基于動態模型按轉子磁鏈定向的矢量控制系統n基于動態模型按定子磁鏈控制的直接轉矩控制系基于動態模型按定子磁鏈控制的直接轉矩控制系統統 6.1 變壓變頻調速的基本控制方式變壓變頻調速的基本控制方式 在進行電機調速時，常須考慮的一個在進行電機調速時，常須

3、考慮的一個重要因素是：重要因素是：希望保持電機中每極磁通希望保持電機中每極磁通量量 m 為額定值不變。為額定值不變。如果磁通太弱，如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。繞組過熱而損壞電機。n對于直流電機，勵磁系統是獨立的，只要對于直流電機，勵磁系統是獨立的，只要對電樞反應有恰當的補償，對電樞反應有恰當的補償， m 保持不變保持不變是很容易做到的。是很容易做到的。n在交流異步電機中，磁通在交流異

4、步電機中，磁通 m 由定子和轉由定子和轉子磁勢合成產生，要保持磁通恒定就需要子磁勢合成產生，要保持磁通恒定就需要費一些周折了。費一些周折了。 定子每相電動勢定子每相電動勢mNs1g44. 4SkNfE （6-1） 式中：式中：Eg 氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值，單位為效值，單位為V； 定子頻率，單位為定子頻率，單位為Hz； 定子每相繞組串聯匝數；定子每相繞組串聯匝數； 基波繞組系數；基波繞組系數； 每極氣隙磁通量，單位為每極氣隙磁通量，單位為Wb。 f1NskNs m 由式（由式（6-1）可知，只要控制好）可知，只要控制好 Eg 和和 f1 ，便可達

5、到控制磁通便可達到控制磁通 m 的目的，對此，需要的目的，對此，需要考慮考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩兩種情況。種情況。 1. 基頻以下調速基頻以下調速 由式（6-1）可知，要保持要保持 m 不變，當不變，當頻率頻率 f1 從額定值從額定值 f1N 向下調節時，必須同時向下調節時，必須同時降低降低 Eg ，使 1gfE常值 （6-2） 即采用恒值電動勢頻率比的控制方式采用恒值電動勢頻率比的控制方式。 恒壓頻比的控制方式恒壓頻比的控制方式 然而，繞組中的感應電動勢是難以直接然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定控制的，當電動勢值

6、較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓壓 Us Eg，則得，則得（6-3） 這是這是恒壓頻比的控制方式恒壓頻比的控制方式。常值1fUs 但是，在低頻時但是，在低頻時 Us 和和 Eg 都較小，定子都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時，需要人為地把電壓忽略。這時，需要人為地把電壓 Us 抬高一抬高一些，以便些，以便近似地補償定子壓降近似地補償定子壓降。 帶定子壓降補償的恒壓頻比控制特性帶定子壓降補償的恒壓頻比控制特性示示于下圖中的于下圖中的 b 線，無補償的控制特性則為線，無補償的控制

7、特性則為a 線。線。 OUsf 1圖圖6-1 恒壓頻比控制特性恒壓頻比控制特性 帶壓降補償的恒壓頻比控制特性帶壓降補償的恒壓頻比控制特性UsNf 1Na 無補償無補償 b 帶定子壓降補償帶定子壓降補償 2. 基頻以上調速基頻以上調速 在基頻以上調速時，頻率應該從在基頻以上調速時，頻率應該從 f1N 向上升高，但定子電壓向上升高，但定子電壓Us 卻不可能超過卻不可能超過額定電壓額定電壓UsN ，最多只能保持，最多只能保持Us = UsN ，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。當于直流電機弱磁升速的情況。 把基頻以下和基頻以上兩種情況的控

8、把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如下圖所示。制特性畫在一起，如下圖所示。 f1N 變壓變頻控制特性變壓變頻控制特性圖圖6-2 異步電機變壓變頻調速的控制特性異步電機變壓變頻調速的控制特性 恒轉矩調速恒轉矩調速UsUsNmNm恒功率調速恒功率調速mUsf1O 如果電機在不同轉速時所帶的負載都如果電機在不同轉速時所帶的負載都能使電流達到額定值，即都能在允許溫升能使電流達到額定值，即都能在允許溫升下長期運行，則轉矩基本上隨磁通變化，下長期運行，則轉矩基本上隨磁通變化，按照電力拖動原理，按照電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒在基頻以下，磁通恒定時轉矩也恒定，屬于定時轉矩也恒定，屬于“恒轉

9、矩調速恒轉矩調速”性性質，而在基頻以上，轉速升高時轉矩降低，質，而在基頻以上，轉速升高時轉矩降低，基本上屬于基本上屬于“恒功率調速恒功率調速”。返回目錄返回目錄6.2 異步電動機電壓頻率協調控制時異步電動機電壓頻率協調控制時 的機械特性的機械特性本節提要本節提要n恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的機械恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的機械特性特性n基頻以下電壓基頻以下電壓-頻率協調控制時的機械特性頻率協調控制時的機械特性n基頻以上恒壓變頻時的機械特性基頻以上恒壓變頻時的機械特性n恒流正弦波供電時的機械特性恒流正弦波供電時的機械特性6.2.1 恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的恒壓恒頻正弦波供電時異步

10、電動機的 機械特性機械特性 第第5章式（章式（5-3）已給出異步電機在恒壓恒）已給出異步電機在恒壓恒頻正弦波供電時的機械特性方程式頻正弦波供電時的機械特性方程式 Te= f (s)。 當定子電壓當定子電壓 Us 和電源角頻率和電源角頻率 1 恒定時，可恒定時，可以改寫成如下形式：以改寫成如下形式： 2rs2122rsr121spe)()(3llLLsRsRRsUnT（6-4） 特性分析當當s很小時，可忽略上式分母中含很小時，可忽略上式分母中含s各項，則各項，則（6-5） 也就是說，也就是說，當當s很小時，轉矩近似與很小時，轉矩近似與s成成正比正比，機械特性，機械特性 Te = f（s）是一段直

11、線，）是一段直線，見圖見圖6-3。sRsUnTr121spe3 特性分析（續） 當當 s 接近于接近于1時，可忽略式（時，可忽略式（6-4）分母）分母中的中的Rr ，則，則 sLLRsRUnTll1)(32rs212sr121spe（6-6）即即s接近于接近于1時轉矩近似與時轉矩近似與s成反比，這時，成反比，這時， Te = f（s）是對稱于原點的一段雙曲線。）是對稱于原點的一段雙曲線。 機械特性 當當 s 為以上為以上兩段的中間數兩段的中間數值時，機械特值時，機械特性從直線段逐性從直線段逐漸過渡到雙曲漸過渡到雙曲線段，如圖所線段，如圖所示。示。smnn0sTe010TeTemaxTemax圖

12、6-3 恒壓恒頻時異步電機的機械特性6.2.2 基頻以下電壓基頻以下電壓-頻率協調控制時的頻率協調控制時的 機械特性機械特性 由式（由式（6-4）機械特性方程式可以看出，）機械特性方程式可以看出，對于同一組轉矩對于同一組轉矩 Te 和轉速和轉速 n（或轉差率（或轉差率s）的要求，電壓的要求，電壓 Us 和頻率和頻率 1 可以有多種配合?？梢杂卸喾N配合。 在在 Us 和和 1 的不同配合下機械特性也是的不同配合下機械特性也是不一樣的，因此可以有不同方式的電壓頻不一樣的，因此可以有不同方式的電壓頻率協調控制。率協調控制。 1. 恒壓頻比控制（恒壓頻比控制（ Us / 1 ） 在第在第6-1節中已經

13、指出，為了節中已經指出，為了近似地保持近似地保持氣隙磁通不變氣隙磁通不變，以便充分利用電機鐵心，以便充分利用電機鐵心，發揮電機產生轉矩的能力，發揮電機產生轉矩的能力，在基頻以下須在基頻以下須采用恒壓頻比控制采用恒壓頻比控制。這時，同步轉速自然。這時，同步轉速自然要隨頻率變化。要隨頻率變化。 p10260nn（6-7） 在式（在式（6-5）所表示的機械特性近似直線）所表示的機械特性近似直線段上，可以導出段上，可以導出 21sper13UnTRs（6-9） 帶負載時的轉速降落為帶負載時的轉速降落為 1p0260snsnn（6-8） 由此可見，當由此可見，當 Us / 1 為恒值時，對于同一為恒值時

14、，對于同一轉矩轉矩 Te ，s 1 是基本不變的，因而是基本不變的，因而 n 也是也是基本不變的。這就是說，基本不變的。這就是說，在恒壓頻比的條在恒壓頻比的條件下改變頻率件下改變頻率 1 時，機械特性基本上是平時，機械特性基本上是平行下移，行下移，如圖如圖6-4所示。它們和直流他勵電所示。它們和直流他勵電機變壓調速時的情況基本相似。機變壓調速時的情況基本相似。 所不同的是，當轉矩增大到最大值以所不同的是，當轉矩增大到最大值以后，轉速再降低，特性就折回來了。而且后，轉速再降低，特性就折回來了。而且頻率越低時最大轉矩值越小頻率越低時最大轉矩值越小，可參看第，可參看第5章章式（式（5-5），對式（）

15、，對式（5-5）稍加整理后可得）稍加整理后可得 2rs21s1s21spmaxe)(123llLLRRUnT（6-10） 可見最大轉矩可見最大轉矩 Temax 是隨著的是隨著的 1 降低而降低而減小的。頻率很低時，減小的。頻率很低時，Temax太小將限制電太小將限制電機的帶載能力，采用定子壓降補償，適當機的帶載能力，采用定子壓降補償，適當地提高電壓地提高電壓Us，可以增強帶載能力，可以增強帶載能力，見圖見圖6-4。 機械特性曲線機械特性曲線eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1恒壓頻比控制時變頻調速的機械特性恒壓頻比控制時變頻調速的機械特性補 償 定 子 壓補 償 定

16、 子 壓降后的特性降后的特性2. 恒 Eg / 1 控制 下圖再次繪出異步電機的穩態等效電下圖再次繪出異步電機的穩態等效電路，圖中幾處感應電動勢的意義如下：路，圖中幾處感應電動勢的意義如下： Eg 氣隙（或互感）磁通在定子每相繞組中氣隙（或互感）磁通在定子每相繞組中 的感應電動勢；的感應電動勢； Es 定子全磁通在定子每相繞組中的感應電定子全磁通在定子每相繞組中的感應電 動勢；動勢； Er 轉子全磁通在轉子繞組中的感應電動勢轉子全磁通在轉子繞組中的感應電動勢 （折合到定子邊）。（折合到定子邊）。 圖圖6-5 異步電動機穩態等效電路和感應電動勢異步電動機穩態等效電路和感應電動勢 Us1RsLls

17、LlrLmRr /sIsI0Ir 異步電動機等效電路EgEsEr 特性分析 如果在電壓頻率協調控制中，恰當地如果在電壓頻率協調控制中，恰當地提高電壓提高電壓 Us 的數值，使它在克服定子阻的數值，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持抗壓降以后，能維持 Eg / 1 為恒值（基頻為恒值（基頻以下），則由式（以下），則由式（6-1）可知，無論頻率）可知，無論頻率高低，每極磁通高低，每極磁通 m 均為常值。均為常值。 特性分析（續）特性分析（續）由等效電路可以看出由等效電路可以看出 2r212rgrlLsREI（6-11）代入電磁轉矩關系式，得代入電磁轉矩關系式，得2 r2122 rr121gpr2r

18、212r2g1pe33llLsRRsEnsRLsREnT（6-12） 特性分析（續） 利用與前相似的分析方法，當s很小時，可忽略式（6-12）分母中含 s 項，則 sRsEnTr121gpe3（6-13） 這表明機械特性的這一段近似為一條直線。這表明機械特性的這一段近似為一條直線。特性分析（續） 當 s 接近于1時，可忽略式（6-12）分母中的 Rr2 項，則 sLsREnTl132 r1r21gpe（6-14） s 值為上述兩段的中間值時，機械特性在值為上述兩段的中間值時，機械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡，整條特性與恒直線和雙曲線之間逐漸過渡，整條特性與恒壓頻比特性相似。壓頻比特性相似。

19、性能比較 但是，對比式（但是，對比式（6-4）和式（）和式（6-12）可以）可以看出，恒看出，恒 Eg / 1 特性分母中含特性分母中含 s 項的參數項的參數要小于恒要小于恒 Us / 1 特性中的同類項，也就是特性中的同類項，也就是說，說， s 值要更大一些才能使該項占有顯著值要更大一些才能使該項占有顯著的份量，從而不能被忽略，因此恒的份量，從而不能被忽略，因此恒 Eg / 1 特性的線性段范圍更寬。特性的線性段范圍更寬。性能比較（續）性能比較（續） 將式（將式（6-12）對）對 s 求導，并令求導，并令 dTe / ds = 0，可，可得恒得恒Eg / 1控制特性在最大轉矩時的轉差率控制特

20、性在最大轉矩時的轉差率 r1rmlLRs（6-15） 和最大轉矩和最大轉矩r21gpmaxe123lLEnT（6-16） 性能比較（續）性能比較（續） 值得注意的是，在式（值得注意的是，在式（6-16）中，）中，當當Eg / 1 為恒值時，為恒值時，Temax 恒定不變，如下恒定不變，如下圖所示，其穩態性能優于恒圖所示，其穩態性能優于恒 Us / 1 控制控制的性能。的性能。 這正是恒這正是恒 Eg / 1 控制中補償定子壓降控制中補償定子壓降所追求的目標。所追求的目標。 機械特性曲線eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1Temax恒恒 E1 / 1 控制時變頻調速的

21、機械特性控制時變頻調速的機械特性結論結論當當Eg / 1為恒值調頻調速時：為恒值調頻調速時：B機械特性線性段范圍要比為機械特性線性段范圍要比為Us / 1恒值控制恒值控制時寬；時寬；BTemax與與 1無關，不會有低頻時變小，其低無關，不會有低頻時變小，其低頻帶載能力增強；頻帶載能力增強；B通過低頻時定子電壓補償可實現通過低頻時定子電壓補償可實現Eg / 1為恒為恒值的控制。值的控制。3. 恒恒 Er / 1 控制控制 如果把電壓頻率協調控制中的電壓再如果把電壓頻率協調控制中的電壓再進一步提高，把轉子漏抗上的壓降也抵消進一步提高，把轉子漏抗上的壓降也抵消掉，得到恒掉，得到恒 Er / 1 控制

22、，那么，機械特性控制，那么，機械特性會怎樣呢？由此可寫出會怎樣呢？由此可寫出 sREI/rrr（6-17） 代入電磁轉矩基本關系式，得 r121rpr2r2r1pe33RsEnsRsREnT（6-18） 現在，不必再作任何近似就可知道，這不必再作任何近似就可知道，這時的機械特性完全是一條直線，時的機械特性完全是一條直線，見圖6-6。0s10Te 幾種電壓頻率協調控制方式的特性比較幾種電壓頻率協調控制方式的特性比較圖圖6-6 不同電壓頻率協調控制方式時的機械特性不同電壓頻率協調控制方式時的機械特性恒恒 Er / 1 控制控制恒恒 Eg / 1 控制控制恒恒 Us / 1 控制控制ab c 顯然，

23、顯然，恒恒 Er / 1 控制的穩態性能最控制的穩態性能最好，可以獲得和直流電機一樣的線性機好，可以獲得和直流電機一樣的線性機械特性。械特性。這正是高性能交流變頻調速所這正是高性能交流變頻調速所要求的性能。要求的性能。 現在的問題是，怎樣控制變頻裝置的現在的問題是，怎樣控制變頻裝置的電壓和頻率才能獲得恒定的電壓和頻率才能獲得恒定的 Er / 1 呢？呢？ 按照式（按照式（6-1）電動勢和磁通的關系，可）電動勢和磁通的關系，可以看出，當頻率恒定時，電動勢與磁通成以看出，當頻率恒定時，電動勢與磁通成正比。在式（正比。在式（6-1）中，氣隙磁通的感應電）中，氣隙磁通的感應電動勢動勢 Eg 對應于氣隙

24、磁通幅值對應于氣隙磁通幅值 m ，那么，那么，轉子全磁通的感應電動勢轉子全磁通的感應電動勢 Er 就應該對應于就應該對應于轉子全磁通幅值轉子全磁通幅值 rm ：rmNs1r44. 4skNfE （6-19） 由此可見，只要能夠按照轉子全磁通幅只要能夠按照轉子全磁通幅值值 rm = Constant 進進 行控制，就可以獲得行控制，就可以獲得恒恒 Er / 1 了。這正是矢量控制系統所遵循了。這正是矢量控制系統所遵循的原則，的原則，下面在第6-7節中將詳細討論。 4幾種協調控制方式的比較幾種協調控制方式的比較 綜上所述，在正弦波供電時，按不同規律實現電壓頻率協調控制可得不同類型的機械特性。 （1

25、）恒壓頻比（恒壓頻比（ Us / 1 = Constant ）控控制最容易實現，它的變頻機械特性基本上制最容易實現，它的變頻機械特性基本上是是平行下移，硬度也較好平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般，能夠滿足一般的調速要求，但低速帶載能力有些差強人的調速要求，但低速帶載能力有些差強人意，意，須對定子壓降實行補償須對定子壓降實行補償。 （2）恒恒Eg / 1 控制控制是通常對恒壓頻比控是通常對恒壓頻比控制實行電壓補償的標準，可以在穩態時達制實行電壓補償的標準，可以在穩態時達到到 m = Constant，從而改善了低速性能。，從而改善了低速性能。但機械特性還是非線性的，產生轉矩的能但機械特性還是非

26、線性的，產生轉矩的能力仍受到限制。力仍受到限制。 （3）恒恒 Er / 1 控制控制可以得到和直流他勵可以得到和直流他勵電機一樣的線性機械特性，按照轉子全電機一樣的線性機械特性，按照轉子全磁通磁通 rm 恒定進行控制，即得恒定進行控制，即得 Er / 1 = Constant 而且，在動態中也盡可能保持而且，在動態中也盡可能保持 rm 恒定恒定是矢量控制系統的目標，當然實現起來是矢量控制系統的目標，當然實現起來是比較復雜的。是比較復雜的。6.2.3 基頻以上恒壓變頻時的機械特性基頻以上恒壓變頻時的機械特性 性能分析性能分析 在基頻以上變頻調速時，由于定子電壓在基頻以上變頻調速時，由于定子電壓

27、Us= UsN 不變，式（不變，式（6-4）的機械特性方程）的機械特性方程式可寫成式可寫成 2rs2122rs1r2sNpe)()(3llLLsRsRsRUnT（6-20） 性能分析（續） 而式（而式（6-10）的最大轉矩表達式可改寫成）的最大轉矩表達式可改寫成（6-21） 同步轉速的表達式仍和式（同步轉速的表達式仍和式（6-7）一樣。）一樣。2rs212ss12sNpmaxe)(123llLLRRUnT 機械特性曲線機械特性曲線恒功率調速恒功率調速eTOnN0nc0nb0na0nN1a1b1c1c1b1a1N1 由此可見，由此可見，當角頻率提高當角頻率提高時，同步轉速時，同步轉速隨之提高，最

28、隨之提高，最大轉矩減小，大轉矩減小，機械特性上移，機械特性上移，而形狀基本不而形狀基本不變，變，如圖所示。如圖所示。圖圖6-7 基頻以上恒壓變頻調速的機械特性基頻以上恒壓變頻調速的機械特性 由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢必由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢必減弱，導致轉矩的減小，但轉速升高了，可減弱，導致轉矩的減小，但轉速升高了，可以認為輸出功率基本不變。所以以認為輸出功率基本不變。所以基頻以上變基頻以上變頻調速屬于弱磁恒功率調速。頻調速屬于弱磁恒功率調速。 最后，應該指出，以上所分析的機械特性最后，應該指出，以上所分析的機械特性都是在都是在正弦波電壓供電正弦波電壓供電下的情況。如果電壓下

29、的情況。如果電壓源含有諧波，將使機械特性受到扭曲，并增源含有諧波，將使機械特性受到扭曲，并增加電機中的損耗。因此在設計變頻裝置時，加電機中的損耗。因此在設計變頻裝置時，應盡量減少輸出電壓中的諧波。應盡量減少輸出電壓中的諧波。 小小 結結n電壓電壓Us與頻率與頻率 1是變頻器是變頻器異步電動機調速異步電動機調速系統的兩個獨立的控制變量，在變頻調速系統的兩個獨立的控制變量，在變頻調速時需要對這兩個控制變量進行協調控制。時需要對這兩個控制變量進行協調控制。n在基頻以下，有三種協調控制方式。采用在基頻以下，有三種協調控制方式。采用不同的協調控制方式，得到的系統穩態性不同的協調控制方式，得到的系統穩態性

30、能不同，其中恒能不同，其中恒Er / 1控制的性能最好。控制的性能最好。n在基頻以上，采用保持電壓不變的恒功率在基頻以上，采用保持電壓不變的恒功率弱磁調速方法。弱磁調速方法。返回目錄返回目錄*6.3 電力電子變壓變頻器的主要類型電力電子變壓變頻器的主要類型本節提要本節提要n交交-直直-交和交交和交-交變壓變頻器交變壓變頻器n電壓源型和電流源型逆變器電壓源型和電流源型逆變器n180導通型和導通型和120導通型逆變器導通型逆變器 引引 言言 如前所述，對于異步電機的變壓變如前所述，對于異步電機的變壓變頻調速，必須具備能夠頻調速，必須具備能夠同時控制電壓同時控制電壓幅值和頻率的交流電源幅值和頻率的交

31、流電源，而電網提供，而電網提供的是恒壓恒頻的電源，因此應該配置的是恒壓恒頻的電源，因此應該配置變壓變頻器變壓變頻器，又稱，又稱VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）裝置。）裝置。 最早的最早的VVVF裝置是裝置是旋轉變頻機組旋轉變頻機組，即，即由直流電動機拖動交流同步發電機，調節由直流電動機拖動交流同步發電機，調節直流電動機的轉速就能控制交流發電機輸直流電動機的轉速就能控制交流發電機輸出電壓和頻率。自從電力電子器件獲得廣出電壓和頻率。自從電力電子器件獲得廣泛應用以后，旋轉變頻機組已經無例外地泛應用以后，旋轉變頻機組已經無例外地讓位給靜止式的變壓變頻器

32、了。讓位給靜止式的變壓變頻器了。 *6.3.1 交交-直直-交和交交和交-交變壓變頻器交變壓變頻器 從整體結構上看，電力電子變壓變頻器可從整體結構上看，電力電子變壓變頻器可分為分為交交-直直-交和交交和交-交交兩大類。兩大類。 1.交交-直直-交變壓變頻器交變壓變頻器 交交-直直-交變壓變頻器先將工頻交流電源通交變壓變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流可控頻率和電壓的交流，如下圖所示。，如下圖所示。 交交-直直-交變壓變頻器基本結構交變壓變頻器基本結構圖圖6-9 交交-直直-交（間接）變壓變頻器交（間接）變壓變

33、頻器 變壓變頻變壓變頻(VVVF)中間直流環節中間直流環節恒壓恒頻恒壓恒頻(CVCF)逆變逆變DCACAC50Hz整流整流 由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源和變由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個頻交流輸出之間有一個“中間直流環節中間直流環節”，所以又稱所以又稱間接式的變壓變頻器間接式的變壓變頻器。 具體的整流和逆變電路種類很多，當前應具體的整流和逆變電路種類很多，當前應用最廣的是由用最廣的是由二極管組成不控整流器和由功二極管組成不控整流器和由功率開關器件（率開關器件（P-MOSFET，IGBT等）組成的等）組成的脈寬調制（脈寬調制（PWM）逆變器，簡稱）逆變器，簡稱PWM

34、變壓變壓變頻器，變頻器，如下圖所示。如下圖所示。 交交-直直-交交PWM變壓變頻器基本結構變壓變頻器基本結構圖圖6-10 交交-直直-交交PWM變壓變頻器變壓變頻器變壓變頻變壓變頻(VVVF)中間直流環節中間直流環節恒壓恒頻恒壓恒頻(CVCF)PWM逆變器逆變器DCACAC50Hz調壓調頻調壓調頻C PWM變壓變頻器的應用之所以如此廣泛，變壓變頻器的應用之所以如此廣泛，是由于它具有如下的一系列優點：是由于它具有如下的一系列優點： （1）在主電路整流和逆變兩個單元中，）在主電路整流和逆變兩個單元中，只有逆變單元可控，通過它同時調節電壓只有逆變單元可控，通過它同時調節電壓和頻率，結構簡單。采用全控

35、型的功率開和頻率，結構簡單。采用全控型的功率開關器件，只通過驅動電壓脈沖進行控制，關器件，只通過驅動電壓脈沖進行控制，電路也簡單，效率高。電路也簡單，效率高。 （2）輸出電壓波形雖是一系列的）輸出電壓波形雖是一系列的PWM波，波，但由于采用了恰當的但由于采用了恰當的PWM控制技術，正弦控制技術，正弦基波的比重較大，影響電機運行的低次諧基波的比重較大，影響電機運行的低次諧波受到很大的抑制，因而轉矩脈動小，提波受到很大的抑制，因而轉矩脈動小，提高了系統的調速范圍和穩態性能。高了系統的調速范圍和穩態性能。 （3）逆變器同時實現調壓和調頻，動態）逆變器同時實現調壓和調頻，動態響應不受中間直流環節濾波器

36、參數的影響，響應不受中間直流環節濾波器參數的影響，系統的動態性能也得以提高。系統的動態性能也得以提高。 （4）采用不可控的二極管整流器，電源）采用不可控的二極管整流器，電源側功率因數較高，且不受逆變輸出電壓大側功率因數較高，且不受逆變輸出電壓大小的影響。小的影響。 PWM變壓變頻器常用的功率開關器件變壓變頻器常用的功率開關器件有：有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代和替代GTO的電壓控制器件如的電壓控制器件如IGCT、IEGT等等。 受到開關器件額定電壓和電流的限制，受到開關器件額定電壓和電流的限制，對于對于特大容量特大容量電機的變壓變頻調速仍只好電機的變壓變頻調速仍只好采用采用半控型

37、的晶閘管（半控型的晶閘管（SCR），即用可控），即用可控整流器調壓和六拍逆變器調頻的交整流器調壓和六拍逆變器調頻的交-直直-交交變壓變頻器變壓變頻器，見下圖。，見下圖。 普通交普通交-直直-交變壓變頻器的基本結構交變壓變頻器的基本結構SCR可控可控整流器整流器六六 拍拍逆變器逆變器DCACAC50Hz調頻調頻調壓調壓圖圖6-11 可控整流器調壓、六拍逆變器調頻的交可控整流器調壓、六拍逆變器調頻的交-直直-交變壓變頻器交變壓變頻器2. 交交-交變壓變頻器交變壓變頻器 交交-交變壓變頻器的基本結構如下圖所示，交變壓變頻器的基本結構如下圖所示，它只有一個變換環節，它只有一個變換環節，把恒壓恒頻把恒壓

38、恒頻（CVCF）的交流電源直接變換成）的交流電源直接變換成VVVF輸出，因此又稱直接式變壓變頻器。輸出，因此又稱直接式變壓變頻器。 有時為了突出其變頻功能，也稱作有時為了突出其變頻功能，也稱作周波周波變換器（變換器（Cycloconveter）。 交交-交變壓變頻器的基本結構交變壓變頻器的基本結構圖圖6-12 交交-交（直接）變壓變頻器交（直接）變壓變頻器交交變頻交交變頻AC50HzACCVCFVVVF 常用的交常用的交-交變壓變頻器輸出的每一相交變壓變頻器輸出的每一相都是一個由正、反兩組晶閘管可控整流裝都是一個由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯的可逆線路。置反并聯的可逆線路。 也就是說，每

39、一相都相當于一套直流可也就是說，每一相都相當于一套直流可逆調速系統的反并聯可逆線路（下圖逆調速系統的反并聯可逆線路（下圖a）。）。交交-交變壓變頻器的基本電路結構交變壓變頻器的基本電路結構VRVFId-Id+-+a) 電路結構電路結構負負載載50Hz50Hzu0圖圖6-13-a 交交-交變壓變頻器每一相的可逆線路交變壓變頻器每一相的可逆線路交交-交變壓變頻器的控制方式交變壓變頻器的控制方式n整半周控制方式整半周控制方式 正、反兩組按一定周期相互切換，在負正、反兩組按一定周期相互切換，在負載上就獲得交變的輸出電壓載上就獲得交變的輸出電壓 u0 ， u0 的幅的幅值值決定于各組可控整流裝置的決定于

40、各組可控整流裝置的控制角控制角 ， u0 的頻率的頻率決定于正、反兩組整流裝置的決定于正、反兩組整流裝置的切切換頻率換頻率。如果控制角一直不變，則輸出平。如果控制角一直不變，則輸出平均電壓是方波，均電壓是方波，如下圖如下圖 b 所示。所示。圖圖6-13 -b 方波型平均輸出電壓波形方波型平均輸出電壓波形tu0正組通正組通反組通反組通正組通正組通反組通反組通輸出電壓波形輸出電壓波形 控制方式（ 2 ）n 調制控制方式調制控制方式 要獲得正弦波輸出，就必須在每一組整要獲得正弦波輸出，就必須在每一組整流裝置導通期間不斷改變其控制角。流裝置導通期間不斷改變其控制角。例如例如：在正向組導通的半個周期中，

41、使控制角：在正向組導通的半個周期中，使控制角 由由 /2（對應于平均電壓（對應于平均電壓 u0 = 0）逐漸減小到）逐漸減小到 0（對（對應于應于 u0 最大），然后再逐漸增加到最大），然后再逐漸增加到 /2（ u0 再再變為變為0），如下圖所示。），如下圖所示。2AO t 0 2 BCDEFu0圖圖6-14 交交-交變壓變頻器的單相正弦波輸出電壓波形交變壓變頻器的單相正弦波輸出電壓波形輸出電壓波形 當當 角按正弦規律變化時，正半周中的角按正弦規律變化時，正半周中的平均輸出電壓即為圖中虛線所示的正弦波。平均輸出電壓即為圖中虛線所示的正弦波。對反向組負半周的控制也是這樣。對反向組負半周的控制也是

42、這樣。 n兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電。該頻率的交流電。n改變控制角變化的快慢，就可以控制輸出交流電改變控制角變化的快慢，就可以控制輸出交流電的頻率。的頻率。n改變控制角的大小，就可以控制輸出交流電的幅改變控制角的大小，就可以控制輸出交流電的幅值。值。 單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形1OO23456圖4-20uoiott 三相交交變頻電路三相交交變頻電路 三相交交變頻電路可以由三相交交變頻電路可以由3個單相交交個單相交交變頻電路組成，其基本結構如下圖所示。變頻電路組成，其基本結構如下圖所示。 如果每組可控整流裝置都用橋式

43、電路，如果每組可控整流裝置都用橋式電路，含含6個晶閘管（當每一橋臂都是單管時），個晶閘管（當每一橋臂都是單管時），則三相可逆線路共需則三相可逆線路共需36個晶閘管，即使采個晶閘管，即使采用零式電路也須用零式電路也須18個晶閘管。個晶閘管。 三相交交變頻器的基本結構三相交交變頻器的基本結構 輸出星形聯結方式三相交交變頻電路輸出星形聯結方式三相交交變頻電路三相橋式三相橋式交交變頻電交交變頻電路路 因此，這樣的交因此，這樣的交-交變壓變頻器雖然在交變壓變頻器雖然在結構上只有一個變換環節，省去了中間直結構上只有一個變換環節，省去了中間直流環節，看似簡單，但所用的器件數量卻流環節，看似簡單，但所用的器件

44、數量卻很多，總體設備相當龐大。很多，總體設備相當龐大。 不過這些設備都是直流調速系統中常用不過這些設備都是直流調速系統中常用的可逆整流裝置，在技術上和制造工藝上的可逆整流裝置，在技術上和制造工藝上都很成熟，目前國內有些企業已有可靠的都很成熟，目前國內有些企業已有可靠的產品。產品。 這類交這類交-交變頻器的其他缺點是：交變頻器的其他缺點是：輸入功輸入功率因數較低，諧波電流含量大，頻譜復雜，率因數較低，諧波電流含量大，頻譜復雜，因此須配置諧波濾波和無功補償設備。其因此須配置諧波濾波和無功補償設備。其最高輸出頻率不超過電網頻率的最高輸出頻率不超過電網頻率的 1/3 1/2，一般主要用于軋機主傳動、球

45、磨機、水泥一般主要用于軋機主傳動、球磨機、水泥回轉窯等大容量、低轉速的調速系統，供回轉窯等大容量、低轉速的調速系統，供電給低速電機直接傳動時，可以省去龐大電給低速電機直接傳動時，可以省去龐大的齒輪減速箱。的齒輪減速箱。 近年來又出現了一種采用近年來又出現了一種采用全控型開關器全控型開關器件的矩陣式交件的矩陣式交-交變壓變頻器交變壓變頻器，類似于，類似于 PWM控制方式，輸出電壓和輸入電流的低控制方式，輸出電壓和輸入電流的低次諧波都較小，輸入功率因數可調，能量次諧波都較小，輸入功率因數可調，能量可雙向流動，以獲得四象限運行，但當輸可雙向流動，以獲得四象限運行，但當輸出電壓必須為正弦波時，最大輸出

46、輸入電出電壓必須為正弦波時，最大輸出輸入電壓比只有壓比只有0.866。目前這類變壓變頻器尚處。目前這類變壓變頻器尚處于開發階段，其發展前景是很好的。于開發階段，其發展前景是很好的。 *6.3.2 電壓源型和電流源型逆變器電壓源型和電流源型逆變器 在交在交-直直-交變壓變頻器中，按照中間直交變壓變頻器中，按照中間直流環節直流電源性質的不同，逆變器可以流環節直流電源性質的不同，逆變器可以分成分成電壓源型電壓源型和和電流源型電流源型兩類，兩種類型兩類，兩種類型的的實際區別在于直流環節采用怎樣的濾波實際區別在于直流環節采用怎樣的濾波器。器。下圖繪出了電壓源型和電流源型逆變下圖繪出了電壓源型和電流源型逆

47、變器的示意圖。器的示意圖。 兩種類型逆變器結構兩種類型逆變器結構逆變器逆變器LdIdCdUdUd+-a) 電壓源逆變器電壓源逆變器b) 電流源逆變器電流源逆變器圖圖6-15 電壓源型和電流源型逆變器示意圖電壓源型和電流源型逆變器示意圖n電壓源型逆變器電壓源型逆變器（Voltage Source Inverter -VSI ），），直流環節采用大電容濾波，因直流環節采用大電容濾波，因而直流電壓波形比較平直，在理想情況下而直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是一個內阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，有時簡稱電壓型逆變是矩形波或階梯波，有時簡稱電壓型逆變

48、器。器。n電流源型逆變器電流源型逆變器（Current Source Inverter- CSI），），直流環節采用大電感濾直流環節采用大電感濾波，直流電流波形比較平直，相當于一個波，直流電流波形比較平直，相當于一個恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，或簡稱電流型逆變器?；蚝喎Q電流型逆變器。 性能比較 兩類逆變器在主電路上雖然只是濾波環節的不同，在性能上卻帶來了明顯的差異，主要表現如下： （1）無功能量的緩沖）無功能量的緩沖 在調速系統中，逆變器的在調速系統中，逆變器的負載是異步電機，屬感性負載。在中間直流環節負載是異步電機，屬感性負載。在中間直流環節與

49、負載電機之間，除了有功功率的傳送外，還存與負載電機之間，除了有功功率的傳送外，還存在無功功率的交換。濾波器除濾波外還起著對無在無功功率的交換。濾波器除濾波外還起著對無功功率的緩沖作用，使它不致影響到交流電網。功功率的緩沖作用，使它不致影響到交流電網。 因此，兩類逆變器的區別還表現在采用什么因此，兩類逆變器的區別還表現在采用什么儲能元件（電容器或電感器）來緩沖無功能量。儲能元件（電容器或電感器）來緩沖無功能量。 （2）能量的回饋）能量的回饋 用電流源型逆變器給異用電流源型逆變器給異步電機供電的電流源型變壓變頻調速系統步電機供電的電流源型變壓變頻調速系統有一個顯著特征，就是容易實現能量的回有一個顯

50、著特征，就是容易實現能量的回饋，從而便于四象限運行，適用于需要回饋，從而便于四象限運行，適用于需要回饋制動和經常正、反轉的生產機械。饋制動和經常正、反轉的生產機械。 下面以由晶閘管可控整流器下面以由晶閘管可控整流器UCR和電流和電流源型串聯二極管式晶閘管逆變器源型串聯二極管式晶閘管逆變器CSI構成構成的交的交-直直-交變壓變頻調速系統（如下圖所交變壓變頻調速系統（如下圖所示）為例，說明電動運行和回饋制動兩種示）為例，說明電動運行和回饋制動兩種狀態。狀態。圖圖6-16-a 電流源型交電流源型交-直直-交變壓變頻調速系統的兩種運行狀態交變壓變頻調速系統的兩種運行狀態M3+-UdIdLdCSI 電動

51、電動Te 逆變逆變UCRa）電動運行）電動運行 電動運行狀態電動運行狀態P 當電動運行時，當電動運行時，UCR的控制角的控制角 ，電動機以轉速運行，電功率的傳送方向如上電動機以轉速運行，電功率的傳送方向如上圖圖a所示。所示。圖圖6-16-b 電流源型交電流源型交-直直-交變壓變頻調速系統的兩種運行狀態交變壓變頻調速系統的兩種運行狀態M3+-UdIdLdCSI 90o有源逆變有源逆變1 發電發電Te整流整流UCRb）逆變運行）逆變運行逆變運行狀態逆變運行狀態Pn如果降低變壓變頻器的輸出頻率如果降低變壓變頻器的輸出頻率 1，或從，或從機械上抬高電機轉速機械上抬高電機轉速 ，使，使 1 90 ，則異

52、步電機轉入，則異步電機轉入發電狀態，逆變器轉入整流狀態，而可控發電狀態，逆變器轉入整流狀態，而可控整流器轉入有源逆變狀態，此時直流電壓整流器轉入有源逆變狀態，此時直流電壓Ud 立即反向，而電流立即反向，而電流 Id 方向不變，電能由方向不變，電能由電機回饋給交流電網（圖電機回饋給交流電網（圖b）。）。 與此相反，采用電壓源型的交與此相反，采用電壓源型的交-直直-交變交變壓變頻調速系統要實現回饋制動和四象限壓變頻調速系統要實現回饋制動和四象限運行卻很困難，因為其中間直流環節有運行卻很困難，因為其中間直流環節有大大電容鉗制著電壓的極性，不可能迅速反向電容鉗制著電壓的極性，不可能迅速反向，而電流受到

53、器件單向導電性的制約也不能而電流受到器件單向導電性的制約也不能反向，所以在原裝置上無法實現回饋制動。反向，所以在原裝置上無法實現回饋制動。 必須制動時，只得在必須制動時，只得在直流環節中并聯電直流環節中并聯電阻實現能耗制動，或者與阻實現能耗制動，或者與UCR反并聯一組反并聯一組反向的可控整流器，用以通過反向的制動反向的可控整流器，用以通過反向的制動電流，而保持電壓極性不變，實現回饋制電流，而保持電壓極性不變，實現回饋制動動。這樣做，設備要復雜多了。這樣做，設備要復雜多了。 性能比較（續） （3）動態響應）動態響應 正由于交正由于交-直直-交電流源型交電流源型變壓變頻調速系統的直流電壓可以迅速改

54、變壓變頻調速系統的直流電壓可以迅速改變，所以動態響應比較快，而電壓源型變變，所以動態響應比較快，而電壓源型變壓變頻調速系統的動態響應就慢得多。壓變頻調速系統的動態響應就慢得多。 （4）輸出波形）輸出波形 電壓源型逆變器輸出的電壓源型逆變器輸出的電壓波形為方波，電流源型逆變器輸出的電壓波形為方波，電流源型逆變器輸出的電流波形為方波（見下表）。電流波形為方波（見下表）。 性能比較（續）性能比較（續）表表6-1 兩種逆變器輸出波形比較兩種逆變器輸出波形比較性能比較（續） （5）應用場合）應用場合 電壓源型逆變器屬恒壓源，電壓源型逆變器屬恒壓源，電壓控制響應慢，不易波動，所以適于做電壓控制響應慢，不易

55、波動，所以適于做多臺電機同步運行時的供電電源，或單臺多臺電機同步運行時的供電電源，或單臺電機調速但不要求快速起制動和快速減速電機調速但不要求快速起制動和快速減速的場合。采用電流源型逆變器的系統則相的場合。采用電流源型逆變器的系統則相反，不適用于多電機傳動，但可以滿足快反，不適用于多電機傳動，但可以滿足快速起制動和可逆運行的要求速起制動和可逆運行的要求。電壓源和電流源交電壓源和電流源交-直直-交變頻器主要特點比較交變頻器主要特點比較 變頻器類型變頻器類型比較項目比較項目電壓源電壓源電流源電流源直流回路濾波環節直流回路濾波環節無功功率緩沖環節無功功率緩沖環節電容器電容器電抗器電抗器輸出電壓波形輸出

56、電壓波形矩形波矩形波決定于負載，對異步電決定于負載，對異步電機負載近似為正弦波機負載近似為正弦波輸出電流波形輸出電流波形決定于負載的功率因數，決定于負載的功率因數，有較大的諧波分量有較大的諧波分量矩形波矩形波輸出阻抗輸出阻抗小小大大回饋制動回饋制動須在電源則側設置反并須在電源則側設置反并聯逆變器聯逆變器方便，主電路不需要附方便，主電路不需要附加設備加設備調速動態響應調速動態響應較慢較慢快快適用范圍適用范圍多電機拖動，穩頻穩壓多電機拖動，穩頻穩壓電源電源單電機拖動，可逆拖動單電機拖動，可逆拖動*6.3.3 180導通型和導通型和120導通型逆變器導通型逆變器 交交-直直-交變壓變頻器中的逆變器一

57、般接交變壓變頻器中的逆變器一般接成三相橋式電路，以便輸出三相交流變頻成三相橋式電路，以便輸出三相交流變頻電源，下圖為電源，下圖為6個電力電子開關器件個電力電子開關器件VT1 VT6 組成的三相逆變器主電路，圖中用開組成的三相逆變器主電路，圖中用開關符號代表任何一種電力電子開關器件。關符號代表任何一種電力電子開關器件。 三相橋式逆變器主電路結構三相橋式逆變器主電路結構CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd 2Ud 2RL圖圖6-17 三相橋式逆變器主電路三相橋式逆變器主電路控制方式 控制各開關器件輪流導通和關斷，可使控制各開關器件輪流導通和關斷，可使輸出端得到三相交流電壓。在某一瞬間

58、，輸出端得到三相交流電壓。在某一瞬間，控制一個開關器件關斷，同時使另一個器控制一個開關器件關斷，同時使另一個器件導通，就實現了兩個器件之間的換流。件導通，就實現了兩個器件之間的換流。在三相橋式逆變器中，有在三相橋式逆變器中，有180導通型和導通型和120導通型導通型兩種換流方式。兩種換流方式。（1）180導通型控制方式 同一橋臂上、下兩管之間互相換流的逆同一橋臂上、下兩管之間互相換流的逆變器稱作變器稱作180導通型逆變器。導通型逆變器。n例如，當例如，當VT1關斷后，使關斷后，使VT4導通，而當導通，而當VT4關斷關斷后，又使后，又使VT1導通。這時，每個開關器件在一個導通。這時，每個開關器件

59、在一個周期內導通的區間是周期內導通的區間是180，其他各相亦均如此。，其他各相亦均如此。由于每隔由于每隔60有一個器件開關，在有一個器件開關，在180導通型導通型逆變器中，除換流期間外，每一時刻總有逆變器中，除換流期間外，每一時刻總有3個開個開關器件同時導通。關器件同時導通。 但須注意，必須防止同一橋臂的上、下兩但須注意，必須防止同一橋臂的上、下兩管同時導通，否則將造成直流電源短路，管同時導通，否則將造成直流電源短路，謂之謂之“直通直通”。為此，在換流時，必須采。為此，在換流時，必須采取取“先斷后通先斷后通”的方法，即先給應關斷的的方法，即先給應關斷的器件發出關斷信號，待其關斷后留一定的器件發

60、出關斷信號，待其關斷后留一定的時間裕量，叫做時間裕量，叫做“死區時間死區時間”，再給應導，再給應導通的器件發出開通信號。通的器件發出開通信號。 死區時間的長短視器件的開關速度而死區時間的長短視器件的開關速度而定，器件的開關速度越快時，所留的死區定，器件的開關速度越快時，所留的死區時間可以越短。為了安全起見，設置死區時間可以越短。為了安全起見，設置死區時間是非常必要的，但它會造成輸出電壓時間是非常必要的，但它會造成輸出電壓波形的畸變。波形的畸變。三相電壓型逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62