恒压频比变频调速系统方案

一、设计目的：

通过对一个使用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。

二、设计要求：

设计控制系统，根据控制磁通不变的方法，对恒压频比的系统设计方案进行论证。画出系统原理图，进行元器件的选择和相关参数的计算。

三、总体设计：

异步电动机变频调速系统

在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每级的磁通量m Φ为额定值不变，磁通太弱没有充分利用电机的铁心，是一种浪费，若要增大磁通，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。对于直流电机。励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持磁通m Φ不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通是定子和转子磁势合成产生的。

我们知道，三相异步电机定子每相电动势的有效值是：

1114.44g N m E f N k =Φ （1）

式中g E ——气隙磁通和定子每相中感应电动势有效值，单位为V ；

1f ——定子频率，单位为Hz ；

1N ——定子每相绕组联匝数；

1N k ——基波绕组系数；

m Φ——每极气隙磁通量，单位为Wb ；

由式（1-1）可知，只要控制好g E 和1f ，便可达到控制磁通m Φ的目的，对此，需要考虑额定频率以下和额定频率以上两种情况。

1.1额定频率以下调速

由式（1-1）可知，要保持m φ不变，当频率1f 从额定值1n f 向下调节时，必须同时降低g E ，使1g

E f =常值，即采用恒定的电动势频率比的控制方式。

然而，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，而认定定子相电压 1g U E ≈ 则得：

11

U f =常值，这是恒压频比的控制方式。

低频时，1U 和g E 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，可以人为地把电压1U 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见图1。

图1 恒压频比控制特性

a ——不带定子压降补偿

b ——带定子压降补偿

1.2基频以上调速

在基频以上调速时，频率可以从1n f 往上增高，但电压1U 却不能增加得比额定电压1n U 还要大，最多只能保持11n U U 。由式（1-1）可知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合起来，可得图所示的异步电动机变频调速控制特性。如果电动机在不同转速下具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化，按照电机拖动原理，在基频以下，属于“恒转矩调速”的性质，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”。

图2 异步电动机变频调速控制特性

2.1 静止式变频装置

上节讨论的控制方式表明，必须同时改变电源的电压和频率。才能满足变频调速的要求。现有的交流供电电源都是恒压恒频的，必须通过变频装置，以获得变压变频的电源。这样的装置通称变压变频（VVVF)装置，其中VVVF是英文Variable Voltage Variable Frequency的缩写。最早的VVVF装置是旋转变流机组，现在已经几乎无例外地让位给应用电力电子技术的静止式变频装置。

从结构上看，静止变频装置可分为间接变频和直接变频两类。间接变频装置先将工频交流电源通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换为可控频率的交流，因此又称有中间直流环节的变频装置。直接变频装置则将工频交流—次变换成可控频率的交流，没有中间直流环节。目前应用较多的还是间接变频装置。

2.1.1间接变频装置(交—直—交变频装置)

图2绘出了间接变频装置的主要构成环节。

图3 间接变频装置（交——直——交变频装置）

按照不同的控制方式，又可分为以下三种。

1.用可控整流器变压，用逆变器变频的交-直-交变频装置。

调压和调频分别在两个环节上进行，两者要在控制回路上协调配合。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，当电压和频率调得较低时，电网端的功率因数较小；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。这就是这类变频装置的主要缺点。

2.用不控整流器整流，斩波器变压，逆变器变频的交-直-交变频装置。

整流环节采用二极管不控整流器，再增设斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了—个环节。但输入功率因数高。克服了用可控整流器变压，用逆变器变频的交-直-交变频装置的第一个缺点。输出逆变环节不变，仍有谐波较大的问题。

3.用不控整流器整流，SPWM逆变器同时变压变频的交-直-交变频装置。

用不控整流，则功率因数高；用SPWM逆变，则谐波可以减少。这样，用可控整流器变压.用逆变器变频的交-直-交变频装置的两个缺点都解决了。谐波能够减少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。如果仍采用普通晶闸管，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

式器件以后，开关频率才得以大大提高，输出波形几乎可以得到非常逼真的正弦波，因而又称正弦波脉宽调制(SPWM)逆变器。成为当前最有发展前途的一种结构形式。

2.1.2直接变频装置(交-交-变频装置)

直接变频装置只用一个变换环节就可以把恒压恒频(CVCF)的交流电源变换成VVVF电源，因此又称交交变频装置或周波变换器。

2.1.3电压源和电流源变频器

从变频电源性质来看，无论是交—交变频，还是交—直—交变频，都可分为电压源变频器器和电流源变频器两大类，它们的主要区别在于用什么储能元件来缓冲无功能量。

1. 电压源变频器：对于交—直—交变频器，当中间直流环节主要采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这叫做电压源变频器。

2. 电流源变频器：对于交—直—交变频器，当中间直流环节主要采用大电感滤波时，直流回路中电流波形比较平直，对负载来说基本是一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这叫做电流源变频器。

2.2 正弦波脉宽调制(SPWM)逆变器

在一般的交—直—交变频器供电的变压变频调速系统中，为了获得变频调速所要求的电压频率协调控制，整流器必须是可控的，调速时须同时控制整流器UR和逆变器UI，这样就带来了一系列的问题。主要是：(1)主电路有两个可控的功率环节。相对来说比较复杂；(2)由于中间直流环节有滤波电容或电抗器等大惯性元件存在，使系统的动态响应缓慢；(3)由于整流器是可控的，使供电电源的功率因数随变频装置输出频率的降低而变差，并产生高次谐波电流；(4)逆变器输出为六拍阶梯波交变电压(电流)。在拖动电动机小形成较多的各次谐波，从而产生较大的脉动转矩。影响电机的稳定工作，低速时尤为严重。因此，由第一代电力电子器件所组成的变频器已不能令人满意地适应近代交流调速系统对变频电源的需要。随着第二代电力电子器件(如GTO，GTR，P—MOSFET)的出现以及微电子技米的发展，出现了解决这个问题的良好条件。

图4 常规交—直—交变频器原理图