异步电动机变频调速系统

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4、脉宽调制型变压 在脉宽调制型“交—直—交”变频器中，整流器不可控，整流后直流 电压恒定；逆变器可控，逆变器自身既可改变电压又可改变频率，并 通过控制逆变器本身的开关元件，满足恒磁通调速U / f = C 的控制条件。 例如通过改变PWM波形的占空比来控制逆变器输出交流电压的大小 、 而通过改变逆变桥的工作周期来控制输出频率，详细内容将在后续内
VT1 VT3
Ud VT2 VT4
该单相变频器由整流器、中间环节、和逆变器组成。其中：

整流器的作用是把频率恒定的交流电变成直流电； 中间环节起滤波作用，得到更加稳定的直流电； 逆变器把直流电变成频率可调的交流电。
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1、调频的实现
就逆变器来说，在一个周期中，上半周让VT1、VT4导通，下半周让 VT3、VT2导通，在输出端可得到以下波形：
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一路送逆变控制器，控制逆变器的输出频率；
3、斩波器调压
换流器—L—C
斩波器：调压 逆变器：调频
L 晶闸管 VT 开 关 逆变器
斩波器调压原理图如下：
换流电路
VD
二极管 整流器
斩波器 C
M 3~

整流器采用三相二极管整流桥，把交流电变换成直流电； 逆变器采用三相全控桥，实现变频； 斩波器采用脉频调制或脉宽调制，输出大小可调的直流电压。

Edc E 0
δ δ
t T
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T

脉宽调制（PWM）原理
开关周期T一定，改变导通时间 的长短，来改变输出平均电压值。 显然，导通时间越长，直流平均电压越高。
Edc E 0
δ δ
t T
T
脉频调制和脉宽调制方式用来控制斩波器的开关元件，就能实现直
流电压的调节，常用于中小功率的交——直——交变频器中。
AC ~ UR 整流器 DC 中间直 流环节 UI 逆变器 AC ~
2、直接变频：把工频交流电（即50Hz交流电）直接变成频率可调的交
流电，称为直接变频。所用变频器称为“交—交”变频器。
AC ~ 变压变频电路 AC ~
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3、电压型变频器：整流器和逆变器的中间环节采用电容器滤波时，
电源阻抗很小，类似于电压源，称为电压型变频器。
U
VT1
VT3
0
ωt
VT2
VT4
若在半个周期内，晶闸管反复通断多次，并使输出矩形脉冲波下的面积 接近于对应正弦波下的面积，则逆变器的输出电压就接近基波电压。
U 0
π
π 2
ωt
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通常，变频器为三相供电。三相桥式逆变器分为1800导电型和1200导 电型，其主要差别是控制晶闸管持续导通的时间不同。三相逆变器的 输出为三相交流电，各相互差1200，周期为T。 由于交流频率 f ，控制并改变周期 T 就能改变频率 f ，所以可以 T 得到所要求的频率。在变频调速系统中，变频与变压需要配合进行， 即在变频的同时，按比例改变电压；反之亦然。 2、调压的实现
容中讨论。
脉宽调制既能改善输出波形的品质、消减高次谐波，又可提高功率因
数值，具有节能降耗的特点，是交——直——交变频器的发展方向。
与前三种方式不同，脉宽调制型变压与变频同时在逆变器中实现。
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四、概念解释 1、间接变频：先通过整流器把交流电变成直流电，再通过逆变器把直 流电转变成频率可调的交流电，这种方式称为间接变频，所用变频器称 为“交—直—交”变频器。
电压的调节方式多种多样、在变频器中的调压位置也各不相同。
AC ~ 整流器 中间直 流环节 逆变器 AC ~
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相位控 制调压
斩波控 制调压
脉宽调 制调压
自耦变 压调压
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三、变频器的变压方式
在实现恒转矩变频调速时，变频器在变频的同时，需要按比例改变电压。 以下介绍几种变压方法。 ① 输出电压不变、 ⑤ 电机带动变压器抽 频率可调交流电 1、自耦变压器变压 头触点滑动、调压
②
积分器 函数发生器
电压控制
电压调节器 触发器
① GT1
G
GF
+ -
AVR
整流器
③
电压反馈
UFB
压频变换器 环形分配器 脉冲输出
GVF
DRC
GT2 GHF
逆变器
频率控制
M 3~
主回路
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主回路：整流桥为三相全控桥，逆变器为1800导电型，中间环节采用 电容器滤波，所以为电压型变频调速系统。 电压控制回路：包括积分器G、函数发生器GF、电压调节器AVR、 触发器GT1。改变转速给定值，就可以改变晶闸管的控制角，从而改 变整流器输出直流电压的大小；同时，电压闭环可以保证实际电压与 给定电压大小一致。
AC ~ 相控 UR VSI
IGBT
~
PWM
滤波电容缓冲无功能量 而且无法实现回馈制动 可以在空载情况下运行
应 用 多
4、电流型变频器：整流器和逆变器的中间环节采用电抗器滤波时， 电源阻抗很大，类似于电流源，称为电流型变频器。
AC ~ 相控
PWM
UR
Ld
CSI
SGCT
~
滤波电感缓冲无功能量 而且容易实现回馈制动 不能在空载情况下运行
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实际应用的异步电动机变压—变频调速系统主要有四种控制方式：

电压—频率协调控制方式 转差频率控制方式
依据异步电动机的稳态数学模型 仅对交流电量的幅值进行控制 属于标量控制方式

矢量控制方式 直接转矩控制方式
依据异步电动机的动态数学模型 控制交流电量的幅值、相位 属于矢量控制方式
思路：掌握控制规律（方法）、系统的基本组成、机械特性、系统分析。
第七章 异步电动机变频调速系统 主要内容：

变频调速的一般基础 电压型变频调速系统 电流型变频调速系统 转差频率控制的变频调速系统 脉宽调制（PWM）变频调速系统
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异步电动机转速的计算公式为：
60 f1 n n0 (1 s) (1 s) np
在极对数np不变的情况下，转速跟电源频率f1成正比。如果连续地改 变供电电源频率，就可以平滑地调节电动机的转速，这种调速方法称 为变频调速。 交流调速有很多方法，例如调压调速、转子串电阻调速、转差离合器 调速、变极对数调速等，这些方法技术落后、调速性能差、效率低， 使用越来越少，取而代之的是变频调速系统。 目前，变频调速系统使用较为普遍，例如工农业生产、家用电器等领 域，且具有节能、调速效率较高等特点。变频调速系统正向着高性能、 高精度、大容量、微型化、数字化和智能化方向发展。
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7.1 变频调速的一般基础
一、变频调速的控制方式
实现异步电动机变频调速，要求变频与调压合理配合。

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在基频（额定频率fN）以下调速时，为了防止磁路饱和，应该保持 气隙磁通 m不变，这一点是通过恒压频比控制实现的。
U1 C （ U1 E1 4.44 f1 N1K w1 f1
，属于恒转矩调速）

在基频以上调速时，电压的调节受到限制（不能超过额定电压）， 于是在保持电压不变的情况下，通过调磁（减弱磁通）来配合调频 率，实现变频调速。
U 1 C （属于恒功率调速）

不难看出，实现变频调速需要完成：频率与电压的配合控制、以及 频率与磁通的配合控制。
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二、变频器的工作原理 在变频调速过程中，电源频率的改变依靠变频器实现。变频器的任务 就是把电压和频率恒定的交流电变成电压和频率可调的交流电。以下 以“交—直—交”变频器主回路为例，说明其原理（只画出一相）。
特点：斩波器调压的特点是输入功率因数高，动态响应快。 ——上述三种变压方法把电压和频率分别进行控制
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在整流后，获得直流电压。通过斩波器，可进行电压大小的调整。斩波 器的核心是作为开关元件的晶闸管。依据开关元件的工作方式不同，可
分为脉频调制和脉宽调制控制方式。（还有一种方法称为跨频调制）。
脉频调制（PFM）原理 开关导通时间 一定，改变相临两次导通的时间间隔，来改变平均输 出电压值。换句话说，脉冲宽度一定，改变周期T，来改变平均输出电 压值。周期越小（频率越高），输出的直流平均电压越高。


频率控制回路：包括压频变换器GVF、环形分配器DRC、脉冲输出 GT2。改变转速给定值，可改变积分器的输出值，经过压频变换器， 改变频率给定值，从而控制逆变器输出频率的大小。
电压与频率的协调：两个控制回路（电压、频率）由一个转速给定环 节控制。电压和频率的协调通过函数发生器GF和压频变换器GVF实 现。这种协调作用保证：在工频以下，U/f=C的恒磁通调速；在工频 以上，U=C（UN）的恒功率调速；轻载时实现节能控制。
二极管整流器 逆变器 M 3~ 控制频率
控制电路
控制电压
伺服电机
② 按要求控制 频率的大小
频率发生器
f/U
f/U变换器
+
-
③ 频率变成对应的控制电压
④ 给定值与反馈值比较、 差值驱动伺服电动机
优点：系统简单、输入功率因数高；缺点：动态响应差、体积大。
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2、相位控制变压 相位控制变压原理图如下（采用三相全控桥或半控桥整流电路）：
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7.3 交—直—交电流型变频调速系统
一、交—直—交电流型变频调速系统是一种转速开环的变频调速系统。 结构简单、容易实现可逆运转、再生制动和能耗制动；但由于开环，调 速性能不够高，常用于离心式风机、压缩机等传动系统。 控压 量频 变 流中 一 给 绝 作 保 制 信 逻 锁 电压控制 制 变 频 双 极 定 对 用 持 号 ， 辑 率 ， 。 BC ， 换瞬 器 闭当 性 值 值 是 ， 开 从 电而 函数发生器 * Id 电压调节器 * 按 ，时 ： 环电 的 可 运 将 决 关 而 U1 Id 流在 GF AVR ACR GT1 电校 恒 ，压 包 信 正 算 正 定 ： 实 稳 + + 型 电流调节器 触发器 恒 频率瞬态 压 控 号 、括 器 、流 系 发 正 现 态 逻 逆 BV 校正器 压 频 型 制 三 ， 可 ： 负 统 生 器 异 时 辑 变 频 GFC 比 整 但 负部 极； 本 ② 正 变 ： 步 不 开 器 比 + 控 流 大 。分 性电 变 向 化 电 起 关 其 易 的 脉冲输出 制 器 压 ： 小 的 封频 时 动设 作 的 作 * 于 + ω 1 变 频 控器 主 和 绝 输 锁 机， 用 作 用 GI GAB GVF DRC GT2 实 * + 频 率 出来 制是 回 绝对值 原 对 入 能 、 正 。 用 ω1 压频变 环形分配器 现 积分器 控 运算器 换器 、 电产 ，在 路 信 值 信 可 还 转 因 是 可 GHF ③ 制 超 压 ， 电 号 运 号 逆 是 生 和 此 根 动 DLS 逆 条 前 ；补 压态 实 相 算 变 运 反 反 能 据 逻辑开关 运 件 频 率 控 制 补 、过 现 频偿 同 器 成 行 向 转 始 给 行 。 偿 能 率电 。 的程 单 ， 封 控 定 。终
整流器 逆变器 M 3~
相控电路
逆变控制 1、控制频率 GVF
频率/电压 变换器实现
U C f
2、控制电压
f/U变换器
频率发生器
频率发生器 一路通过频率/电压变换器变换成电压，与电压反馈值比较后， 产生 频率信号 用差值信号调节整流器的控制角，改变整流输出电压。 优点：系统简单、电压和频率分开控制；缺点：功率因数低。
应 用 少
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7.2
交—直—交电压型变频调速系统
交—直—交电压型变频调速系统是一种转速开环的变频调速系统，结构 简单、但调速性能不高，常用于水泵、风机等传动系统中。 频 现 变 当器 配 出 逆 工变 率 脉 号 压 环 函 脉 置变 功 升 击 积 电 器 率 降、 合 脉 变 作换 元 冲 变 形 数 冲 率频 或 ， ， 分 路 一 控 低触 脉 冲 器 时， 件 信 换 变 分 发 输 如器 放 下 使 消 见 般 制 电发 冲 信 功 保电 。 号 成 换 配 生 出 不： 大 降 电 除 书 采 ， 压器 输 号 率 证压 图 ， 周 器 ： 同包 。 压 阶 将 中 用 按 进， 出 的 主 电型 中 即 期 ： 将 负括 确 、 跃 阶 图 六 恒 行控 电 频 回 压； ， 在 性 环 载三 保 把 将 为 电 给 跃 分 压 节 路 率 路 为电 一 的 形 下部 可 电 压 实 7 制 流 定 给 频 能整 正 与 的 额压 定 循 靠分 压 频 现 、 对 定 计 比 控流 常 输 半 定控 的 环 配 频： 触 信 变 恒 频 系 10 为 数 条 制器 工 入 导 值 频 器 制 的主 发 号 换 压 率 统 。 方脉 件 的 。 等的 作 电 体 、 率 冲 变 器 频 调回 逆 和 产 波， 调 。输 压 器 轻 范 信 整路 变 成 输 比 转 生 换 方通 节出 成 件 载 围 号 相 出 控 、， 器 速 的 为 生过 频电 正 。 工 内 ， 信 高实 中 应 的 制 稳 过 斜 器电 率压 比 三 作 ， 去 号 频 脉 方 于现 的 步 大 坡 ，压 。值 。 相 时 使 触 进 基能 主 率 冲 式 上 冲 信 以调 实 逆 ； 适节 输 发 行 的 信 设 频量 功 GHF —