交流变频调速系统

U1 U 1N
b a
0 图 5 -0 恒 压 频 2、基频以上的变频控制方式 比 控 制 特 性
f1 N
f1
在基频以上时，频率可从f1N往上增高，但电压U1却不能 增加得比额定电压U1N大，一般保持U1=U1N，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。
m
U 1N 4 . 44 f 1 N 1 K N 1
f1 f1 N
下图是异步电机变频调速控制特性。在基频以下，属于 “恒转矩调速”；而在基频以上，基本属于“恒功率调 速”。
U1 Φm
恒转矩调速 恒功率调速制
U 1N
Φ mn U1
Φm
0
f1N
f1
图 5 -1
鼠笼式异步电动机
二、变频调速的机械特性简介
1.恒Eg/ω1控制（Eg/ω1=恒值） 当 Eg/ω1 为 恒 值 时 ， Temax 恒 定 不 变 ， 随 着
AC ~ 50H z 恒压恒频 （ CVCF） 整流
DC 逆变 中间直流环节
AC
变压变频 （ V V V F）
(a)
AC 可控 ~ 50 H z 整流
DC 逆变
AC
（ V V V F） 调压 (b)
AC 不控 ~50H z 整流 DC 斩波器 DC 逆变 AC
调频
VVVF 调压 (c ) 调频
AC ~50H z 不控 整流
VD5
C5
RC
Ud
+
Cd
VD 4
RB
VT4
VD 6
VD 2
L5 C L2 VT2 C2
ZA
0
ZB
ZC
00
600
1200
1800
2400
300 0
3600
VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6
AZ C W
Z
u U dU0 u V0
W U ZU
A
Ud ZW
U
ZU ZV
U V A ZV ZU
B
V
单相 按相数分 三相 按输出波形分 变频器 脉冲宽度调制型 (PWM) 电流型 交-直-交变频器 电压型 正弦波 方波
交-交变频器
二、静止型常规变频器及特点
（一）间接（交-直-交）变压变频装臵
交-直-交变频器的主要构成环节如图（a）所示。它先把交
流电转换为直流电，经中间直流环节后再把直流电逆变成 变频变压的交流电，又称为间接变频器。按不同的控制方 式，间接变频器有图5-7中b、c、d三种情况。
Ld
UR
Id Ud
CSI

M 3~
Te
~
p
+ 900 有源逆变 (b)
整流
1 发电
图5-19 电流源型变压变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状态
（二）180°导电型的交-直-交电压型变频器
1、主电路组成
VT5
VD1
VT1
RA
C1 L1 A L4 C4
VD3
VT3
C3 L3 B L6 VT6 C6
三相桥式整流器组成的三相-三相交-交变频电路，给电动
机负载供电，采用输出星形联结方式（负载未画出）
四、交-直-交变频电路
（一）交-直-交电压源型、电流源型变频器及其比较 根据交-直-交变频器的中间滤波环节是采用电容性元件或是电
感性元件，可将其分为电压源型变频器和电流源型变频器。
1、电压源型变频器
变化和切换应使得整流输出电压的瞬时值与理想正弦电 压的瞬时值误差最小。
正弦波型交-交变频器适合于低频大功率的电气传动系统，
最高输出频率是输入频率的1/3或1/2。
（2）输出电压有效值和频率的调节
交-交变频电路的输出电压是由若干段电源电压拼接而成
的。在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数 越多，其波形就越接近正弦波。
DC
AC PW M 逆变 （ VVVF） 调压调频
(d )
图5-7
间接变压变频装置的不同结构形式
（二）直接（交-交）变压变频装臵
交-交变频器的主要构成环节如图5-8所示。交-交变频器没 有明显的中间滤波环节，交流电被直接变成频率和电压可 调的交流电，故又称为直接变频器。
AC ~50Hz CVCF 交-交变压变频
AC
VVVF
图5-8 交交变频器的主要构成环节
三、交-交变频电路
（一）单相交-交变频电路
1、方波型交-交变频器
主电路如图5-9（a）所示，图中负载由正组与反组晶闸管整 流电路轮流供电，α角不变时，输出为矩形交流电压，如图 5-9（b）所示。改变正反组切换频率可以调节输出交流电的 频率，而改变α的大小即可调节矩形波的幅度。
diA dt diB dt diC dt
e1 A
VD1
VD 3
VD 5
L1A
L1B iA e1A
e1 B e1 C
A B C
VD 4
VD 6
L1C
iB
iC
e1B
e1C
0
C62
VD 2
C46
VT4
VT6
C24
VT2
图4-25 串级二极管电流型逆变器典型主电路结构图
使控制角从 / 2 0 / 2，改变α0，就改变了输出电压
的峰值，也就改变了输出电压的有效值；改变α变化的速 率，也就改变了输出电压的频率。
（二）三相----单相交-交变频电路
将两组三相可逆整流器反并联即可构成单相变
频电路。
三相桥式-单 相交-交变频 电路
三相半波-单相 交-交变频电路
控制角α由大到小再变 大，如π/2→0→π/2如 右图（a）所示。
（a）整流状态波形
t
t
控制角由小变大再 变小，如 π/2→π→π/2如右图 （b）所示。
（b）逆变状态波形
图5-10 正弦型交-交变频器的输出电压波形
பைடு நூலகம்
（1）输出正弦波形的获得方法
常用的方法是余弦交点法，该方法的原则是：触发角的
Ld
+
Ud Id
逆 变 器
(b)
（3）电压型和电流源型变频器的回馈制动比较
由电流型变频器构成的调速系统易实现回馈制动。图5-19 绘出了变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状态。
①电动状态如图（a） 所示。整流电压极性为 上正下负 ，电流由 Ud 的 正端流入逆变器，电能 由交流电网经变频器传 送给电机，电机处于电 动状态。
Ud ZV
V
Ud / 3
Z
Ud
WV
Z
ZW
Ud
0
W
Ud ZU ZW Z U W
ZV
B
V W CZ B ZV W
Ud
W
Ud ZW Z Z ZV UU V
C
Ud
0
0
Ud
0
Ud
Z U
ZU
Ud
0
0
2U d / 3
0
t
B
0
u W0 0 u UV
B
C
C
C
A
A
A
B
t
图4-21 每个600 区间内的负载等效电路
t
Ld
CSI + UR
Id Ud
p
e
M 3~
T
~ -
900 整流
(a)
逆变
1 电动
图5-11 电流源型变压变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状
②回馈制动状态如图5-19b示。降低变频器的输出频率，使
转速降低，同时使整流器UR的α>90°，则整流电压Ud立即反 向，而电流Id方向不变。于是，逆变器CSI变成整流器，而整 流器UR转入有源逆变状态，电能由电机回馈给交流电网。
三相变频器的六组桥式电路中，至少要有不同相的两组桥 中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。
2、具体电路结构
三相桥式整流器组成的三相----三相交-交变频电路，采用
公共交流母线进线方式
T 3~ A B C
P
P
P
L1
L2
L3
L4
L5
L6
N III II
N I
N
M ~
图4-15 三相桥式整流器组成的三相-三相交-交变频电路（公共交流母线进线方式）
n
n0 N n01 n02 n03
1N 11 12 13
1 N 11 12 13
补偿定子压降后的特性
0 图 5-3 恒 压 频 比 控 制 变 频 调速时的机械特性
Te
3.基频以上变频调速时的机械特性
在基频f1e以上变频时，电压U1=U1e不变。其机械特 性见下图所示。 可见，当频率ω1 提高 时，同步转速n0 随之提 高，最大转矩减小，机 械特性上移；转速降落 随频率的提高而增大， 特性斜率稍变大，其它 形状基本相似。如右图 所示。
d
d
3）共阳极组元件所对应相的相电压为正，共阴极组元件 所对应相的相电压为负。
4）每个脉冲触发间隔60°内的相电压之和为0。 5）相电压和线电压的关系为
Ul 3U
p
（三）120°导电型的交-直-交电流型变频器
1、主电路的组成
Ld
VT1
C13
VT3
C35 C51
VT5
u A L lA u B L lB u C L lC
（三） 三相交-交变频电路
交-交变频器主要用于交流调速系统中，因此实际使
用的主要是三相交-交变频器。三相交-交变频器电路 是由三组输出电压相位互差的单相交-交变频电路组 成的。
1、电路的接线方式
三相交-交变频电路主要有两种接线方式，即公共交
流母线进线方式和输出星形联结方式。
（1）公共交流母线进线方式
它由三组彼此独立、输出电压相位互差120度的单相交-交变 频电路组成，其电源进线通过电抗器接在公共的交流母线 上。由于电源进线端公用，所以三组单相变频电路的输出 端必须隔离。为此，交流电机的三个绕组必须拆开，共引 出六根线。
（2）输出星形连接方式
由于变频器输出端中点不和负载中点相连接，所以在构成
0 图5-4 基频以上变频调速
Te
n
n0c n0b n0a
1c 1b 1a
1N 1a 1b 1c
恒功率调速
n0N
1N
第二节 变频调速系统中的无源逆变电路
一、变频器的分类 对交流电机实现变频调速的变频电源装臵叫变频器，其功能 是将电网提供的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电，变 频伴随变压。 变频器的基本分类如下：
采用大电容滤波，输 出直流电压恒定，类 似于恒压源。这类变 频器叫电压源型变频 器，见图（a）所示。
+
Ud Cd
逆 变 器
电压源型 变频器
（ a）
2、电流源型变频器
采用大电感滤波，输出直流电流恒定，类似于恒流源。 这类变频装臵叫电流源型变频器，见图（b）所示。
逆 变 Cd 电流源型 器 变频器 （ a）
U A0
0
U B0
t
0
U C0
t
0
U AB
Ud 0 U d U BC 0
U CA 0
t
t t t
图4-22
1800导电型逆变器输出的相电压、线电流波形
180°导电型逆变器工作规律：
1）每个脉冲触发间隔60°区间内有3个晶闸管元件导通， 它们分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。 2）在3个导通元件中，若属于同一组的有2个元件，则元件 1 所对应相的相电压为 3 U 。另1个元件所对应相的相电压为 2 U 。 3
正组 + 负 载
U0
-
反组
U0
正组通 ~50Hz 反组通 （b）方波形平均输出电压波形
~50Hz
（a）电路原理图
t
+
图5-9 单相交-交变频器的主电路及输出电压波形
2、正弦波交-交变频器 正弦波型交-交变频器的主电路与方波型的主电路相 同，但可以输出平均值按正弦规律变化的电压。
输出电压 输出电压平均值
基频以下常采用恒磁通变频控制方式。 （1）若要保持Φm不变，则当频率f1从额定值f1e向下调 节时，须同时降低Eg，使Eg/f1=常数。 即：气隙磁通感应电势与频率之比为常数 （2）因感应电势难以直接控制，忽略定子压降，认为定 子相电压U1≈Eg， 则U1/f1=常数。这就是恒压频比的变频控 制方式。 恒压频比控制在低频时，由于U1和Eg都较小，定子阻抗 压降所占的份量比较显著，不能忽略。这时，可人为地把 电压U1抬高一些，以便近似地补偿定子压降。
Te C m m I 2 cos 2
/
如果忽略定子上的电阻压降，则有
U 1 R 1 I 1 E g E g 4 . 44 f 1 N 1 K N 1 m
m
Eg 4 . 44 f 1 N 1 K N 1 U1 4 . 44 f 1 N 1 K N 1
1、基频以下的变频控制方式
频 率 的 降 低 ， 恒 Eg/ω1 控制的机械特性是一组 形状与恒压恒频机械特 性相同，且平行下移的 特性。见右图所示。
2、恒压频比控制（U1/ω1=恒值）
因Eg是电机内部参数，恒Eg/ω1控制难以实现，工程上常用 恒压频比控制（U1/ω1=恒值）。其机械特性见下图所示。
在恒压频比条件下变频时， 机械特性基本上平行移动， 而 Temax 随 ω1 降 低 而 减 小 。 低 频 时 ， Temax 将 限 制 调 速 系统的带负载能力。需采用 定子阻抗电压补偿以增强带 负载能力。右图中虚线特性 就是采用提高定子电压后的 特性。
第五章
交流变频调速系统
第一节 变频调速的基本控制方式和机械特性简介 第二节 变频调速系统无逆变电路 第三节 晶闸管变频调速系统 第四节 正弦波脉宽调制的变频调速系统
第一节 变频调速的基本控制方式和机械特性简介 一、变频调速的基本控制方式
由电机学知
E g 4.44 f 1 N 1 K N 1 m