1、電力傳動與自動控制系統(tǒng) 湯寧平 （第七章）第七章 異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)本章重點介紹變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成及其工作原理和控制規(guī)律：異步電動機(jī)變頻調(diào)速的一般基礎(chǔ)，交-直-交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)交-直-交電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)PWM交流調(diào)速系統(tǒng)異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速為4.3 三相異步電動機(jī)的調(diào)速在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速為可見，異步電動機(jī)的調(diào)速方法有3種： (1) 變極調(diào)速改變定子繞組的極對數(shù) nP (2) 變頻調(diào)速改變供電電源的頻率 f1 (3) 變轉(zhuǎn)差率調(diào)速改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率 s a）調(diào)壓調(diào)速改變定子電壓； b）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子電路串電阻； c）串級調(diào)速繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電勢； d）電磁離合

2、器調(diào)速滑差電動機(jī)調(diào)速。 變頻調(diào)速1變頻與調(diào)壓配合(1)基頻 (額定頻率fN) 以下調(diào)速電動機(jī)正常運(yùn)行時，定子阻抗壓降很小， f1如果U1 不變 Fm 電動機(jī)磁路飽和，勵磁電流急劇增加， U1 / f1 = const Fm = const表明：在基頻以下變頻調(diào)速時，要實現(xiàn)恒磁通調(diào)速，應(yīng)使 電壓和頻率按比例調(diào)節(jié) 恒轉(zhuǎn)矩特性(2)基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時，也按比例升高電壓是很困難的。 只好保持電壓不變 U1 = UN1 f1 Fm 恒功率特性2. 機(jī)械特性1）磁場同步轉(zhuǎn)速(與頻率成正比)2) 最大轉(zhuǎn)矩 當(dāng)頻率較高時在變頻調(diào)速時，臨界轉(zhuǎn)差率 sm與 f1 成反比變化。 按U1/f1 常數(shù)的規(guī)律

3、調(diào)速時，最大轉(zhuǎn)矩Tmax 基本上保持不變。 只有當(dāng) f1 很低時，r1 的影響不能忽略，Tmax 才逐漸減小。從基頻以上調(diào)速時，電壓U1不變， Tmax將隨fl的升高而減小。 3）啟動轉(zhuǎn)矩 當(dāng)頻率較高時 可見：基頻以下按U1 / f1 常數(shù)的規(guī)律調(diào)速時，啟動轉(zhuǎn)矩Tst 與 fl 近似成反比但f1很低時，r1+ r2不能忽略，隨著f1的繼續(xù)降低，則Tst反而減小。從基頻以上調(diào)速時，fl升高而Ul不變，Tst將隨fl 的升高而減小。異步電動機(jī)變頻調(diào)速的控制特性7.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的一般基礎(chǔ)一、變頻器的工作原理 組成類型：類型：電壓型電流型AC-AC （直接變頻器）AC-DC-AC（間接變頻器）電壓

4、型 電流型 AC-DC-AC（間接變頻器） 儲能元件： 電容器 電抗器晶閘管交-直-交電壓型變頻器功率晶體管交-直-交電壓型變頻器逆變器工作方式： 180導(dǎo)電型 120導(dǎo)電型180導(dǎo)電型 180導(dǎo)電型 180導(dǎo)電型 180導(dǎo)電型工作特點： 電動機(jī)正轉(zhuǎn)時，逆變器中晶閘管的導(dǎo)通順序：VTlVT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VTl各觸發(fā)信號間相隔60電角度；在任意瞬間有3只晶閘管同時導(dǎo)通；每只晶閘管的導(dǎo)通為180電角度；兩只管子之間的換流是在同一橋臂內(nèi)上下兩只管子之間進(jìn)行,即在VTl VT4、VT3VT6、VT5 VT2之間進(jìn)行相互換流。 180導(dǎo)電型工作特點： 電壓波形：相電壓是幅值為2Ud

5、/3階梯波線電壓是幅值為Ud為矩形波。輸出為三相交流，各相之間互差120；三相是對稱的；周期為T，改變 T 即可改變頻率的大小。 線電壓的有效值：相電壓的有效值：120導(dǎo)電型 120導(dǎo)電型 120導(dǎo)電型 120導(dǎo)電型工作特點： 電動機(jī)正轉(zhuǎn)時，逆變器中晶閘管的導(dǎo)通順序：VTlVT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VTl各觸發(fā)信號間相隔60電角度；在任意瞬間有2只晶閘管同時導(dǎo)通；每只晶閘管的導(dǎo)通為120電角度；兩只管子之間的換流是在同極的相鄰橋臂兩只管子間進(jìn)行,如在VTl VT3、VT3VT5之間進(jìn)行相互換流。同一橋臂上兩個晶閘管導(dǎo)通之間相隔60電角度，不易造成短路 120導(dǎo)電型工作特點： 電壓

6、波形：相電壓是幅值為Ud/2的矩形波；線電壓是幅值為Ud的梯形波。線電壓有效值相電壓有效值由于導(dǎo)通時間比180導(dǎo)電型短，所以有效值相應(yīng)較低。二、變頻器的變壓方式為了保持恒轉(zhuǎn)矩(恒磁通)變頻調(diào)速原則，在變頻的同時，必須按比例地改變電壓，即變壓變頻(VVVF) 。在交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻是由逆變器來完成的，而變壓則有下述 4 種方式：自耦變壓器方式相位控制方式斬波器方式脈寬調(diào)制(PWM)方式 自耦變壓器方式采用二極管三相橋整流電路，直流電壓Ud為恒值，不可控；逆變器的控制電路,使逆變器輸出電壓大小不變，而頻率可調(diào)的交流電壓；再通過自耦變壓器改變它的變比來改變交流電壓的大小。自耦變壓器變比的

7、改變至是通過驅(qū)動伺服電機(jī)自動完成。特點：系統(tǒng)簡單，輸入功率因數(shù)高，啟動沖擊電流小等；缺點是伺服電機(jī)是慣性環(huán)節(jié)使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)變差，自耦變壓器按低頻設(shè)計，體積大。整流器采用三相全控橋或半控橋整流電路；電壓控制回路調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖控制角a來改變整流電壓Ud；逆變器采用三相全控橋電路。由逆變器控制回路進(jìn)行控制，使逆變器改變輸出頻率。 相位控制方式優(yōu)點：系統(tǒng)簡單，電壓和頻率分別控制；缺點：低電壓時輸入功率因數(shù)降低。相位控制變壓常用于晶閘管電壓型或電流型變頻器，以及脈沖幅值可調(diào)的脈寬調(diào)制型變頻器。 斬波器方式整流器采用三相二極管整流橋，直流電壓為恒定的。逆變器采用三相全控橋;，直流側(cè)中間加入一個斬波器電路，其

8、輸出為大小可調(diào)的直流電壓。開關(guān)元件VT的工作方式：脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制方式:開關(guān)導(dǎo)通時間d 一定，改變開關(guān)的通、斷頻率或周期T來改變直流電壓的平均值。 斬波器方式脈寬調(diào)制(PWM)控制方式:開關(guān)頻率或周期 T 一定，改變開關(guān)導(dǎo)通時間 d 的長短進(jìn)行調(diào)壓特點: 輸入功率因數(shù)高，動態(tài)響應(yīng)快，常用于中小功率的交-直-交變頻器中 脈寬調(diào)制(PWM)方式整流器不可控，直流電壓恒定；逆變器可控逆變器既可改變電壓又能改變頻率。既可改善輸出波形，削減高次諧波影響；又可提高輸人功率因數(shù)，是交-直-交變頻器的重要發(fā)展方向。脈寬調(diào)制(PWM)方式正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)7.2 交-直-交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)

9、特點: 轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單.應(yīng)用：用于對調(diào)速性能要求不高的場合。 例如風(fēng)機(jī)、水泵、軋鋼機(jī)生產(chǎn)線上的輥道傳動系統(tǒng)等。 整流器逆變器給定積分器函數(shù)發(fā)生器電壓調(diào)節(jié)器觸發(fā)器電壓頻率變換器環(huán)形分配器脈沖輸出電壓反饋脈沖發(fā)生器頻率給定頻率控制電壓控制7.2 交-直-交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)特點: 轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用：用于對調(diào)速性能要求不高的場合。 例如風(fēng)機(jī)、水泵、軋鋼機(jī)生產(chǎn)線上的輥道傳動系統(tǒng)等。 整流器逆變器給定積分器函數(shù)發(fā)生器電壓調(diào)節(jié)器觸發(fā)器電壓頻率變換器環(huán)形分配器觸發(fā)器電壓反饋脈沖發(fā)生器頻率給定電壓控制7.2 交-直-交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)特點: 轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)

10、構(gòu)簡單，應(yīng)用：用于對調(diào)速性能要求不高的場合。 例如風(fēng)機(jī)、水泵、軋鋼機(jī)生產(chǎn)線上的輥道傳動系統(tǒng)等。 整流器逆變器給定積分器函數(shù)發(fā)生器電壓調(diào)節(jié)器觸發(fā)器電壓頻率變換器環(huán)形分配器觸發(fā)器電壓反饋脈沖發(fā)生器頻率給定頻率控制電壓控制7.2 交-直-交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)特點: 轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用：用于對調(diào)速性能要求不高的場合。 例如風(fēng)機(jī)、水泵、軋鋼機(jī)生產(chǎn)線上的輥道傳動系統(tǒng)等。 整流器逆變器給定積分器函數(shù)發(fā)生器電壓調(diào)節(jié)器觸發(fā)器電壓頻率變換器環(huán)形分配器觸發(fā)器電壓反饋脈沖發(fā)生器頻率給定電壓控制V/F轉(zhuǎn)換器LM331 7.2 交-直-交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)特點: 轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用

11、：用于對調(diào)速性能要求不高的場合。 例如風(fēng)機(jī)、水泵、軋鋼機(jī)生產(chǎn)線上的輥道傳動系統(tǒng)等。 整流器逆變器給定積分器函數(shù)發(fā)生器電壓調(diào)節(jié)器觸發(fā)器電壓頻率變換器環(huán)形分配器觸發(fā)器電壓反饋脈沖發(fā)生器頻率給定電壓控制7.2 交-直-交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)特點: 轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用：用于對調(diào)速性能要求不高的場合。 例如風(fēng)機(jī)、水泵、軋鋼機(jī)生產(chǎn)線上的輥道傳動系統(tǒng)等。 整流器逆變器給定積分器函數(shù)發(fā)生器電壓調(diào)節(jié)器觸發(fā)器電壓頻率變換器環(huán)形分配器脈沖輸出電壓反饋方波發(fā)生器頻率給定電壓控制7.2 交-直-交電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)特點:一種轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，控制電路簡單，可較容易實現(xiàn)可逆運(yùn)轉(zhuǎn)，再生制動和能耗制動

12、；但轉(zhuǎn)速開環(huán)，其靜態(tài)和動態(tài)性能不是很高。應(yīng)用：適合對轉(zhuǎn)速要求不高的場臺，例如離心式風(fēng)機(jī)、泵類壓縮機(jī)、擠壓機(jī)等。 恒定的交-直-交電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)環(huán)形分配器觸發(fā)器方波發(fā)生器邏輯開關(guān)電壓頻率變換器絕對值運(yùn)算器頻率瞬態(tài)校正電流反饋電壓反饋轉(zhuǎn)差頻率控制的交-直-交電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)；通過對電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制；對Us/fs= C 控制方式的一種改進(jìn)。有助于改善異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能1. 基本控制原理轉(zhuǎn)差頻率電磁轉(zhuǎn)矩：電磁功率： 當(dāng)ws很小時則令dTe/dws，可求出可見，當(dāng)Fm 一定時，則電磁轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)差角頻率ws成正比。這與直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)

13、矩特性 Te= CmF Ia 相似即:對于異步電動機(jī)在wswsm 范圍內(nèi)，如果保持Fm一定，就可以通過控制ws來控制電磁轉(zhuǎn)矩。 且Fm= 常數(shù)2. Fm恒定的實現(xiàn)方法異步電動機(jī)的磁通Fm是由勵磁電流Io決定的， Io = C Fm= C根據(jù)異步電動機(jī)的磁勢平衡方程式 可知，Io不是一個獨(dú)立的變量，它可通過定子電流I1來間接地控制Fm ，由等效電路推導(dǎo)：可得： 根據(jù)這個曲線可以構(gòu)成函數(shù)發(fā)生器。當(dāng)該函數(shù)發(fā)生器的輸入為轉(zhuǎn)差頻率給定信號ws時，在其輸出端就可以得到保持氣隙磁通。恒定所需要的定子電流給定值I1(1)在下列條件下： 1）在wsw*, Dw = w *-w 0，略有超調(diào)時，ASR退飽和，w*

14、s 最后使電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于c點， Te=Tl1(2) 負(fù)載變化調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理分析：設(shè)原來負(fù)載轉(zhuǎn)矩為Te=Tl1,運(yùn)行于 d點。Tl Te=Tl2 w Dw = （w *-w ） 速度調(diào)節(jié)器ASR 輸出w *s Tew ,一方面: w*s函數(shù)發(fā)生器 I1* 保證恒磁通恒定。另一方面：w*0=（w +w*s） w1 w 最后使 w = w*, 電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于e點， Te=Tl2(3) 回饋制動系統(tǒng)的工作原理分析：a點 給定信號w*突然減小 Dw =（w *-w ） 0 速度調(diào)節(jié)器ASR 輸出w *s w *s = -w*sm Te = -Temax w ,一方面: w*s函數(shù)發(fā)生器| I1*

15、 |保證恒磁通恒定。另一方面：w*0=（w +w*s） b 點w1 w 最后使 w = w*, 電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于c點， Te=Tl如果 w* = 0， 電動機(jī)減速，直至停車。(4)反轉(zhuǎn)過程 反轉(zhuǎn)過程是回饋制動加反向啟動過程， 給定信號w* 07.4 PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)電力電子器件的飛速進(jìn)步和單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用促進(jìn)了脈寬調(diào)制(pulse width modulation，簡寫為PWM)控制技術(shù)的發(fā)展。PWM技術(shù)是通過半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，控制脈沖序列的調(diào)制周期和脈沖寬度來實現(xiàn)輸出頻率和電壓的調(diào)節(jié)的一種技術(shù)。脈寬調(diào)制方式的不同，對PWM逆變器輸出電壓波形的質(zhì)量和變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能的影響也不同。PW

16、M逆變器可以分為變幅和恒幅兩種調(diào)制方式。目前，工業(yè)上廣泛采用恒幅PWM逆變器，優(yōu)點是主回路簡單，逆變器可以直接地控制本身輸出電壓的大小頻率，使其調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)的動態(tài)性能好。一、脈寬調(diào)制方式1簡單的多脈沖調(diào)制法2正弦波脈沖調(diào)制法（SPWM )3準(zhǔn)正弦波脈沖調(diào)制法4單元調(diào)制PWM法5諧波消除法6電流跟蹤控制PWM1簡單的多脈沖調(diào)制法三相橋式逆變器主電路原理圖1簡單的多脈沖調(diào)制法各晶體管基極驅(qū)動信號采用峰值恒定的單極性三角波 uc (載波)與大小可變的直流電壓 ur (參考波)進(jìn)行比較在 uc 和 ur 的交點處發(fā)出調(diào)制信號；根據(jù)180導(dǎo)電型的特點，分配給VTlVT6基極驅(qū)動信號，得到逆變器三相輸

17、出電壓的調(diào)制波形。1簡單的多脈沖調(diào)制法改變參考電壓ur的大小，輸出脈沖的寬度隨之改變，從而可以改變輸出基波電壓的大小。實際控制時，可同時改變ur的大小和頻率，滿足變頻調(diào)速系統(tǒng)恒磁通(uf = 常數(shù))控制方式的要求。1簡單的多脈沖調(diào)制法逆變器輸出電壓中，除基波以外，還含有諧波分量。分析表明：逆變器輸出電壓每個周波中的脈沖數(shù)較少時，諧波分量較大。特點：在半個周期內(nèi)，各脈沖等幅、等寬，控制電路筒單，易于實時實現(xiàn)。2正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)在控制回路中，采用三角形載波信號uc 和正弦波的參考信號ur相比較;在uc和ur交點處發(fā)出調(diào)制信號，去驅(qū)動逆變器主回路的各晶體管的基極。2正弦波脈寬調(diào)制法(SP

18、WM)當(dāng)改變參考信號ur的幅值，相電位脈沖的脈寬隨之改變，從而改變了主回路基波相電壓的大小。當(dāng)改變參考信號ur 的頻率時輸出電壓的頻率隨之改變。單極性 SPWM波2正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)同時改變參考電壓ur 的幅值和頻率，就可以實現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)u/f = 常數(shù)的要求。特點: 在半個周期內(nèi)，脈沖間中心線等距，脈沖等幅、調(diào)寬，各脈沖面積之和與正弦波下的面積成比例。單極性 SPWM波三相 雙極性 SPWM波2正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)2正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)異步調(diào)制 ： N常數(shù)。即：一般fc 不變，通過fr 改變。來改變主回路輸出電壓的頻率當(dāng)主回路輸出電壓頻率不同時，輸出電壓在一個周期內(nèi)的脈沖個數(shù)發(fā)生變化，且正負(fù)半周的脈沖數(shù)和相位發(fā)生不對稱。載波比2正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)載波比同步調(diào)制：N=常數(shù)即：fc與fr同時改變。在逆變器輸出電壓一個周期中正負(fù)半周的脈沖數(shù)和相位對稱；但低頻時一個周期中脈沖數(shù)較少，諧波分量較大2正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)一般Ucm 不變，通過調(diào)節(jié)Urm 來改變脈沖寬度，從而改變主回路輸出電壓的大小?；蛘哒f調(diào)節(jié)M可以改變輸出電壓的大小。調(diào)制系數(shù)（調(diào)幅深度）2正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)采用同步調(diào)制時如圖所示逆變器輸出