第六章 交流异步电动机变压变频调速系统精讲

第六章 交流异步电动机变压变频调速系统本章主要问题：1． 在变频调速中变频时为什么要保持压频比恒定？2． 交-直-交电压源型变频器调压、调频的有哪几种电路结构,并说明各种电压结构的优缺点。

3． SPWM 控制的思想是什么?4． 什么是1800导通型变频器？什么是1200导通型变频器？ 5． 电压、频率协调控制有几种控制方式，各有哪些特点？6． 在转速开环恒压频比控制系统中，绝对值单元GAB 的作用？函数发生器GFC 的作用？如何控制转速正反转。

7． 总结恒11ωU 、恒1ωg E 、恒1ωr E 三种控制方式的特点。

————————————————————————————————————————§6-1 交流调速的基本类型要求：掌握交流调速哪几种基本类型有以及各种调速方法的特点。

目的：能根据不同应用场合选择出相应的调速方式。

重点、难点：变频调速时基频以下和基频以上调速的特点 主要内容（交流调速的基本类型、变频调速的基本要求）思考： 1. 交流异步电动机调速的方式有哪几种？并写出各方式的优缺点？2. 在变频调速中变频时为什么要保持压频比恒定？教学设计：交流调速的基本类型采用多媒体课件讲授，用大量的实例，说明几种类型的应用场合。

复习感应电动机转速表达式：)1(60)1(10s n f s n n p-=-=异步电动机调速方法：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧型变频调速：绕线式、笼：绕线式串级调速（转差电压）电磁转差离合器调转子电阻：绕线式、调压（定子电压）变转差率调速变极调速：笼型异步机异步电动机§6-2 变频调速的构成及基本要求目的、教学要求：掌握变频调速时基频以下和基频以上调速的特点 重点、难点：变频调速时基频以下和基频以上调速的特点 主要内容（变频调速的基本要求）思考：在变频调速中变频时为什么要保持压频比恒定？教学设计：教师从交流异步电动机的结构、工作原理出发，利用多媒体课件讲解。

一、变频调速的基本要求下面我们首先从磁通的作用与特点出发，分析变频调速的基本原理。

众所周知，三相异步电动机，定子每相电动势的有效值是：m N g k N f E Φ=11144.4则111144.41f E K f E k Ng g N m ==Φ结论：为了保持m Φ不变，在改变电源频率1f 的同时，必须按比例改变感应电动势g E ，才能有效地利用铁心。

1． 基频以下调速由上式可知，要保持m Φ不变，使常值=1f E g.1..1111..1)ω(I Z E I L j R E U g l g +=++=如果频率不是很低的话，定子的阻抗压降是很小的，所以，一般近似认为..1g E U ≈则 常值=11f U 这就是恒压频比控制方式的来由，那么如果频率很低的话，阻抗压降不能忽略的情况下，又会出现什么情况呢？低频时，U 1和g E 都较小，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示于下图的b 线，无补偿的控制特性则为a 线。

2．基频以上调速当外加电源的频率超过电动机的额定频率时，即基频以上，电压不能上升，保持气隙磁通近似恒定，电压恒定而频率增加时，将迫使磁通与频率成反比例减小，为恒功率调速，弱磁升速。

结论：V/F 控制必须是改变频率的同时，改变逆变器的输出电压，才能保证调速电机的效率、功率因数不下降。

应用场合上：V/F 控制比较简单，多用于通用型变频器、风机泵类的节能、生产流水线的工作台传动、空调和家电等。

§6-3 静止式变频装置简介目的、教学要求：了解间接变频装置构成及控制方式，掌握电压源和电流源交-直-交变频器主要特点、交-直-交电压源变频器工作原理重点、难点：交-直-交电压源变频器工作原理、及其输出电压波形分析主要内容：间接变频装置构成及控制方式，掌握电压源和电流源交-直-交变频器主要特点、交-直-交电压源变频器工作原理。

思考及作业：1. SPWM 控制的思想是什么?2. 什么是180°导通型变频器？什么是120°导通型变频器？3. 交-直-交电压源型变频器调压、调频的有哪几种电路结构,并说明各种电压结构的优缺点。

教学设计：间接变频装置构成部分，在电力电子技术课程中讲授过，以复习的方式，由学生讲解，老师总结。

难点部分教师在黑板上详细讲解，如：交-直-交电压源变频器工作原理、及其输出电压波形分析。

120°导通型波形分析由学生自行分析。

静止式变频装置⎩⎨⎧间接变频（应用较多）直接变频一、间接变频装置构成及控制方式 下面首先介绍间接变频装置。

右图给出了间接变频装置的主要构成环节，接着来比较一下三种电路的结构及其优缺点二、电压源和电流源变频器从变频电源的性质上看，变频器又可分为电压源变频器和电流源变频器两大类。

本部分用表格的形式重点讲解电压源与电流源的特点，其主要区别在于它们采用了不同的贮能元件来缓冲无功能量。

不同的贮能元件的应用，导致了它们具有不同的特点：输出电压波形、输出电流波形、输出阻抗、能否实现回馈制动、动态过程的快慢以及对晶闸管的要求等。

最后根据这些特点说明各自的适用范围。

三、交-直-交电压源变频器工作原理 1．主电路结构电压源型三相六拍式交-直-交变频器主电路原理如下图电路特点：①由相控整流电路、滤波电容和有源逆变电路构成，逆变器开关用全控型器件GTR ② 变器由主晶体管VT 1~VT 6和续流二极管VD 1~VD 6（也称反馈二极管）组成。

（如VT 1关断时由VD 4 接续A 相负载电流。

）③ 续流二极管的作用是当主开关元件关断时，接续感性负载电流,具有续流二极管是电压源变频器的又一特征。

2．输出电压波形分析三相逆变器有两种工作方式，分别称之为0180导通型和0120导通型。

以0180导通型为例讲解其工作原理。

（120°的由学生自学）在0180导电型工作方式下，逆变器每只晶体管的导通角均为0180(为输出周期的1/2)。

工作原理：设逆变器输出波形周期为T ，仍每隔T /6按VT 1~VT 6的次序依次开通六个主开关元件，并按惯例，一个周期用0360来表示。

六只晶体管的导通表如下表。

从表中可以看出，此时每一瞬间均有三只晶体管处于导通状态，它们分别处于不同的桥臂上，换流则按规定的顺序在同一桥臂的上、下两晶体管之间进行，一个周期中的工作情况及输出电压波形如下图所示。

从图中可以看出，当逆变器采用0180导电方式时，变频器输出相电压为阶梯波，线电压为间断式矩形波，波形的幅值取决于相控整流器输出直流平均电压值d U 的大小。

频率则取决于VT 1~VT 6换流频率，。

显然两者均可人为控制，因而不难达到VVVF 的要求。

由于在每一个输出电源周期内产生六次切换动作，故称此类变频器为三相六拍式变频器。

交-直-交电压源变频器主电路§6-4 正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器目的、教学要求：掌握正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器的基本工作原理重点、难点：SPWM逆变器工作原理、SPWM脉冲波的获得的方法主要内容：SPWM逆变器工作原理、SPWM脉冲波的获得的方法、全控型三相桥SPWM变频器的主电路、调制方法、电流跟踪式PWM变频器工作原理。

思考及作业：①单极式调制和双极式调制的区别是什么？②获得SPWM控制信号的方法有几种？教学设计：教师首先在黑板上详细讲解SPWM控制思想，然后用动画演示SPWM波形成过程。

以讨论的形式研究电流跟踪式PWM变频器工作原理。

1)变频器的输出环节为SPWM调制波，输出功率因数提高，输出波形正弦度好。

2)逆变器在调频的同时实现调压，与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应；3)可获得比常规六拍阶梯波更好的输出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电机可在近正弦波的交变电压下远行，转矩脉动小，大大扩展了拖动系统调速范围，并提高了系统的性能。

下面介绍SPWM 逆变器工作原理。

一、SPWM 逆变器工作原理所谓正弦波脉宽调制（SPWM ）就是把正弦波等效为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。

等效的原则冲量等效原则：如果把一个正弦半波分作n 等分（图中n =12），然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替。

这样，由n 个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦半周等效，称作SPWM 波形。

上图的一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM 波形，用该信号驱动相应开关器件的信号，则变频器输出就可到与上图形状相似的一系列脉冲波形。

SPWM 脉冲波的获得： ①计算法，②调制法，用等腰三角波作为载波，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数的矩形脉冲，这正是SPWM 所需要的结果。

（一）工作原理SPWM 技术可用等腰三角波电压作为载波信号，正弦波电压作为调制信号，通过正弦波电压 与三角波电压信号相比较的方法，确定各分段矩形脉冲的宽度。

可获得脉宽正比于正弦波等幅等距的矩形脉冲列。

该信号用于逆变器电子开关的开通与关断控制时，逆变器输出就是SPWM 逆变器。

下图是全控型三相桥SPWM 变频器的主电路， 特点：①三相整流电压s U 给逆变器供电。

②控制电路，由号发生器提供正弦调制波rc rb ra u u u 、、，其频率可调，决定逆变器输出的基波频率，其幅值也可调，决定输出电压的大小。

三角波载波信号t u 是公用的，分别与每相参考电压比较后，产生SPWM 脉冲序列波dc db da u u u 、、，作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。

单极式调制和双极式调制：单极式调制：正弦波的半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断，例如A 相VT 1反复通断，下图表示这时的调制情况。

双极性调制：载波正、负两个极性，逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补的工作方式。

经计算表明，这种SPWM 逆变器能够有效地抑制次12-=N k 以下的低次谐波，但存在高次谐波电压，不过其幅值已很小。

PWM 调制方法：异步调制 同步调制 分段同步调制 混合调制说明：调制的实现方法：请同学们分析，引导学生用计算机软件来实现。

§6-5 异步电动机电压、频率协调控制的稳态机械特性目的、教学要求：掌握分析不同的电压-频率协调控制方式的机械特性的方法 重点、难点：11ωU =恒值时、恒1ωr E 控制、恒1ωg E 控制时机械特性推导方法主要内容：11ωU =恒值时机械特性推导、恒1ωr E 控制、恒1ωg E 控制时机械特性推导思考： 1. 电压、频率协调控制有几种控制方式，各有哪些特点？2. 总结恒11ωU 、恒1ωg E 、恒1ωr E 三种控制方式的特点。