变频技术和交流电动机调速

第六章交流电动机调速与变频技术本章要求重点掌握各种类型的交流调速系统的基本原理，熟悉系统的基本组成、文流电动机调速的特性、特点以及适用场合。

交流调速系统可分为异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。

三相异步电动机是使用最广泛的一类电动机，其控制技术也是整个机电传动控制技术中一个最活跃的分支，内容十分广泛。

由异步电动机工作原理可知，从定子传入转子的电磁功率P e可分为两部分：一部分是电动机轴上的功率P m＝(1-S) P e；另一部分是转差功率P s＝S P e，与转差率S成正比。

转差功率如何处理，是消耗掉还是回馈给电网，均可衡量异步电动机调速系统的效率高低。

因此按转差功率处理方式的不同可以把现代异步电动机调速系统分为以下三类：（1）转差功率消耗型调速系统。

全部转差功率都转换成热能的形式而消耗掉。

晶闸管调压调速属于这一类。

在异步电动机调速系统中，这类系统的效率最低，它以增加转差功率的消耗为代价来换取转速的降低。

但是，由于这类系统结构最简单，所以在要求不高的小容量场合还有一些应用。

（2）转差功率回馈型调速系统。

转差功率一小部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网，转速越低，回馈的功率越多。

绕线式异步电动机串极调速和双馈调速属于这一类。

显然这类调速系统效率较高。

（3）转差功率不变型调速系统。

转差功率中转子铜耗部分的消耗是不可避免的，但在这类系统中，无论转速高低，转差功率的消耗基本不变，因此效率很高。

变频调速属于此类。

由同步电动机转速公式p fn 600=。

可知，同步电动机唯一依靠变频调速。

由于nn=，故没有转差功率，其变频调速自然也属于转差功率不变型的调速系统。

随着异步电动机变频调速的发展，同步电动机的变频调速也已日趋成熟。

根据频率控制方式的不同，同步电动机调速系统可分为两类，即他控式变频调速系统和自控式变频调速系统。

前者和异步电动机的变频原理相同，后者主要是永磁同步电动机调速系统。

长期以来，在电动机调速领域中，直流调速方案一直占主要地位。

20世纪60年代以后，电力电子技术的发展和应用，现代控制理论的发展和应用．微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件。

图6.1 现代交流调速系统组成示意图20世纪90年代以来，机电传动领域面貌焕然一新。

各种类型的鼠笼式异步电动机压频比恒定的变压变频调速系统、同步电动机变频调速系统，交流电动机矢量控制系统、鼠笼式异步电动机直接转矩控制系统等，在工业生产的各个领域中都得到广泛应用，覆盖了机电传动调速控制的各个方面。

电压等级从110 V到10 000V、容量从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的特大功率传动系统，从一般要求的调速传动到高精度、快响应的高性能的调速传动，从单机调速传动到多机协调调速传动，几乎无所不有。

交流调速技术的应用为工农业生产及节省电能方面带来了巨大的经济和社会效益。

现在，交流调速系统已在逐步地全面取代直流调速系统。

目前在交流调速系统中，变频调速应用最多、最广泛，变频调速技术及其装置仍是21世纪的主流技术和主流产品。

现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和电量检测器等四大部分组成，如图6．1所示。

电力电子功率变换器与控制器及电量检测器集于一体，称为变频器(变额调运装置)，如图6．1内框虚线所包括的部分。

从系统方面定义，图6．1外框虚线所包括的部分称为交流调速系统。

6．1 鼠笼式异步电动机变压变频调速系统对于鼠笼式异步电动机的变压变领调速，必须同时改变供电电源的电压和频率。

现有的交流供电电源都是恒压恒频的，必须通过变频装置，才能获得变压变频的电源。

这样的装置通称为变压变频(Variable Voltage Variable Frequency，简称VVVF)装置。

现在的变压变频装置几乎无一例外地都使用静止式电力电子变压变频装置(以下简称为变频器)。

6．1．1 变频器的基本构成与分类从结构上看，变频器分为交-交和交-直-交两种形式。

交-交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压均可控制的交流，它又称直接式变频器，如图6．2所示。

而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，其中设有中间直流环节，它又称为间接式变频器。

目前应用较多的是交-直-交变频器。

图6．2 交-交变频器图6．3 交-直-交变频器的基本构成1．变频器的基本构成交频器的基本构成如图6．3所示，它由主电路(包括整流器、中间直流环节、逆变器)和控制电路组成。

（1）整流器。

整流器的作用是把三相或单相交流电变成直流电。

（2)逆变器。

最常用的逆变器是三相桥式逆变电路。

有规律地控制逆变器中主开关元器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。

（3）中间直流环节。

由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，其功率因数总不会为1，因此，在中间直流环节和电动机之间总含有无功功率的交换。

这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲。

（4）控制电路。

控制电路通常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成．其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。

控制方法可以采用模拟控制或数字控制。

高性能的变频器目前已经采用微机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。

由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能，按照不同的控制方式，交-直-交变频器又可分成图6．4(a)、(b)、(c)所示的三种。

（1）用可控整流器变压，用逆变器变频〔见图(a))。

这种装置的调压和调频分别在两个环节上进行，二者要在控制电路上协调配合。

其优点是结构简单，控制方便，器件要求低；缺点是功率因数小，谐波较大，器件开关频率低。

（2）用不控整流器整流，用斩波器变压，用逆变器变频(见图(b))。

这种装置的整流环节采用二极管不控整流器，再增设斩被器，用脉宽调压。

其优点是功率固数高，整流和逆变干扰小，缺点是构成环节多，谐波较大，调速范围不宽。

图6．4 交-直-交变频器的不同结构形式(a)用可控整流器变压．用逆变器变频 (b)用不控整流器整流，用斩波器变压．用逆变器变频(c)用不控整流器整流，用PWM逆变器同时变压变频（3）用不控整流器整流，用PWM逆变器同时变压变频(见图(c))。

用不控整流器整流，则功率因数高；用PWM逆变，则谐波可以减小。

这样，前两种装置的缺点都解决了。

谐波能够减小的程度取决于开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。

在采用可控关断的全控式器件以后，开关频率得以大大提高，输出波形几乎可以得到非常逼真的正弦波。

若采用SPWM逆变器构成交压变领器，则可进一步改善调速系统的性能。

SPWM变压变频器具有如下的主要特点：①主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构；②采用了不控整流器，使电网功率因数接近于1，且与输出电压大小无关；③逆变器同时实现调频与调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响；④可获得比常规六拍阶波更接近正弦波的输出电压波形，因而转矩脉冲小，大大扩展了传动系统的调速范围，提高了系统的性能。

交-直-交SPWM变压变频装置已成为当前应用最多的一种结构形式。

2．变频器的分类变频器的分类方法很多，下面仅按直流电源的性质分类。

在变领调速系统中，变额器的负载通常是异步电动机，而异步电动机属于感性负载，其电流落后于电压，功率因数是滞后的，负载需要向电源吸取无功能量，在间接变频器的直流环节和负载之间将有无功功率的传输。

由于逆变器中的电力电子开关器件无法储存，所以为了缓冲无功能量，在直流环节和负载之间必须设置储能元件。

根据储能元件的不同，变频器可以分为电压型和电流型。

1)电压型变频器电压型变频器的特点是在交-直-交变压变频装置的直流侧并联一个滤波电容，如图6．5(a)所示，用来储存能量以缓冲直流回路与电动机之间的无功功率传输。

从直流输出端看，因并联大电容，电源的电压得到稳定，其等效阻抗很小，因此具有恒电压源的特性，逆变器输出的电压为比较乎直的矩形波。

对负载电动机而言，电压型变频器是一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行，具有不选择负载的通用性。

这种线路结构简单，使用比较广泛；缺点是电动机处于再生发电状态，回馈到直流侧的无功能量难以回馈给交流电网。

要实现这部分能量向电网的回馈，必须采用可逆变流器。

同时因存在较大的滤波电容，动态响应较慢。

2）电流型变频器电流型变频器的特点是在交-直-交变压变频装置的直流回路中串入大电感，如图6．5（b)所示，利用大电感来限制电流的变化，用以吸收无功功率。

因串入了大电感，故电源的内阻很大，类似于恒电流源，逆变器输出的电流为比较平直的矩形波。

电流型变频器的一个较突出的优点是：当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可以方便地回馈到交流电网，不需在主电路内附加任何设备。

这种电流型变频器可用于频繁急加减速的大容量电动机的传动，在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。

近年来，电流型变频器拖动受到了广泛的重视，但电流型变频器仅适用于中、大型单机拖动，拖动多电动机尚在研究中。

此外，它的逆变范围稍窄，不能在空载状态下工作。

图6．5 电压型和电流型间接变压变频装置(a)电压型 (b)电流型6.1.2 模拟式IGBT-SPWM-VVVF 交流调运系统图6．6为采用模拟电路的IGBT-SPWM-VVVF 交流调速系统原理图。

1．主电路系统主电路为由三相二极管整流器-IGBT 逆变器组成的交-直-交电压型变频电路。

控制对象为三相异步电动机。

IGBT 采用专用驱动模块驱动。

SPWM 生成电路的主要作用是将由正弦波发生器产生的正弦信号波与三角波发生器产生的载波．通过比较器比较后，产生正弦脉宽调制波(SPWM 波)。

2．给定环节在图6．6中，S l 为正、反向运转选择开关。

电位器RP l 调节正向转速速。

S 2为启动、停止开关，停车时，将输入端接地，防止干扰信号侵入。

3．给定积分电路给定积分电路的主体是一个具有限幅的积分环节，它将正、负阶跃信号转换成（上升和下降的，斜串均可调的，具有限幅的）正、负斜坡信号。

正斜坡信号特使启动过程变得平稳，实现软启动，同时也减小了启动时的过大的冲击电流，负斜坡信号将使停车过程变得平稳。

4．11/f U 函数发生器变压变频调速适合于基频(额定频率为N f 1)以下调速。

在基频以下调速时，需要调节电源电压，否则电动机将不能正常运行。

按照电机学的理论，由于三相异步电动机每相定子绕组的电压方程(相量式)为1111111111111)(∙∙∙∙∙∙∙∙∙+--=++-=++-=Z I E jX R I E X I j R I E U式中 ∙1U --定子电压；∙1E --定子绕组中产生的感应电动势；∙1I --定子电流；1R --定子绕组电阻；1X --定子绕组感抗；1∙Z --定子绕组阻抗； 11∙∙Z I 为定子电流在绕组阻抗上产生的电压降。