自动控制系统：第六章 交流异步电动机变压变频调速系统

1、6.1 引言 6.2 SPWM变频器 6.3 电压频率协调控制方式及其稳态特性 6.4 转速开环恒压频比控制的变频调速系统 6.5 转速闭环转差频率控制的变频调速系统,第六章 交流异步电动机变压变频调速系统,学习要点 了解变频调速系统的应用领域和基本类型 理解变频调速的基本要求 重点掌握SPWM变频的工作原理,6.1 引言,6.1.1 交流调速的应用 6.1.2 交流调速的分类 6.1.3 变频调速的基本要求,6.1.1 交流调速的应用,一般性能的节能调速风机水泵类负载 高性能的交流调速系统和伺服系统 矢量控制、直接转矩控制、解耦控制 直流电机容量转速积不超过106 kW r /min,二十世

2、纪后期，交流调速80%,直流调速20%,在20世纪上半叶，鉴于直流调速优越的性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而占总容量80%以上的不变速拖动则采用交流电机。,特大容量、极高转速的交流调速,6.1.2 交流调速的分类,异步电动机的转速 n 表示为,定子频率,转差率,极对数,6.1.2 交流调速的分类,异步电动机的转速 n 表示为,6.1.2 交流调速的分类,异步电动机的转速 n 表示为,调定子电压 调转子电压 串级调速,交流调速,变转差率调速 变极调速 变频调速,转差功率消耗型,转差功率回馈型,转差功率不变型,效率最高,6.1.3 变频调速的基本要求,为保证调速时电动机的最大转矩不变，希望

3、保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。,Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（VT） f1 定子频率（Hz） Ns 定子每相绕组串联匝数 kNs 基波绕组系数 m 每极气隙磁通量（Wb）,磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费； 过分增大磁通，又会使铁心饱和，导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。,6.1.3 变频调速的基本要求,基频以下： 基频以上：电压恒定而频率增加,U1 Eg,为保证调速时电动机的最大转矩不变，希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。,6.1.3 变频调速的基本要求,直流电机双域调速的控制特性,相对于直流调速，变频调速控制复杂。 但变频调速

4、可以获得和直流调速相仿的控制性能。,6.2 SPWM变频器,6.2.1 间接变频装置简介 6.2.2 SPWM变频器工作原理 6.2.3 电流跟踪性PWM变频器,6. 2.1 间接变频装置简介,变频装置,控制电路,异步电动机,负载,变频调速系统的构成,变频装置分为直接变频和间接变频，常用的是间接变频,间接变频装置的构成,交-直-交（间接）变压变频器,变压变频 (VTVTVTF),中间直流环节,恒压恒频 (CVTCF),6. 2.1 间接变频装置简介,两种类型逆变器结构,电压型逆变器: 直流环节并联大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，相当于恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波,电流型逆变器:

5、直流环节串联大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波,电压源和电流源交-直-交变频器特点比较,6. 2.1 间接变频装置简介,6.2.1 间接变频装置简介,间接变频装置的结构形式,用于电压变化范围不太大的场合,增加了中间电能变换环节,6.2.1 间接变频装置简介,主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构 使用了不可控整流器，电网功率因数接近于1 调频调压的实现与直流环节参数无关，加快了动态响应 负载电机在近似正弦波的电压下运行，转矩脉动小,SPWM变频器特点,AC,SPWM变频器结构简单、性能优良，成为当前应用最广的一种结构形式。,等幅不等宽,等宽不等幅

6、,正弦波,6.2.2 SPWM变频器工作原理,SPWM波的等效,面积等效,面积等效原理： 面积相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果（输出响应）基本相同。,d)单位脉冲函数,a)矩形脉冲,b)三角形脉冲,c)正弦半波脉冲,6.2.2 SPWM变频器工作原理,等幅不等宽,等宽不等幅,正弦波,6.2.2 SPWM变频器工作原理,SPWM波的等效,正弦波 脉宽调制,面积等效,SPWM波 (Sinusoidal Pulse Width Modulation),6.2.2 SPWM变频器工作原理,SPWM调制方式-单极性调制,以正弦波作为逆变器的期望波形，以高频等腰三角波作为载波uc，并用

7、频率和期望波相同的正弦波作为调制波ur，由ur与uc的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得一系列等幅不等宽的SPWM波。,6.3.2 SPWM变频器工作原理,SPWM调制方式-单极性调制,ur正半周, 使VT1通,VT2断 当uruc , 使VT4通,VT3断,uo=Ud 。 当uruc, 使VT4通,VT3断,uo=0 当uruc,使VT4断,VT3通,uo=-Ud,6.3.2 SPWM变频器工作原理,单极性控制方式 在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，SPWM波也只处于一个极性的范围内.,SPWM调制方法-单极性调制,6.3.2 SPWM变频器工作原理,

8、SPWM调制方式-单极性调制,ur正半周, 使VT1通,VT2断 当uruc , 使VT4通,VT3断,uo=Ud 。 当uruc, 使VT4通,VT3断,uo=0 当uruc,使VT4断,VT3通,uo=-Ud,6.3.2 SPWM变频器工作原理,双极性控制方式 在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，SPWM波也是在正负之间变化,SPWM调制方法-双极性调制,6.3.2 SPWM变频器工作原理,双极性控制方式 当uruc时，VT1和VT4通，VT2和VT3关断。uo=Ud 。 当uruc时，VT2和VT3导通，VT1和VT4关断。 uo=-Ud 。,SPWM调制方法-双极性

9、调制,6.2.3 SPWM变频器工作原理,由于载波信号不同，单极性调制和双极性调制对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。 但双极性调制实现更容易。,SPWM调制方法比较,6.2.2 SPWM变频器工作原理,三相PWM逆变器主电路及输出波形,6.2.2 SPWM变频器工作原理,三相PWM逆变器输出波形,6.2.3 SPWM变频器工作原理,SPWM调制的制约条件,开关频率 器件的开关频率限制了载波频率，影响输出电压的谐波含量。 晶闸管很少使用，由IGBT等全控型器件实现逆变 调制度,为限制脉冲波的最小脉宽和最小间隙，保证器件的安全通断，调制度m=0.80.9,6.2.3 SP

10、WM变频器工作原理,SPWM驱动信号的产生方法,模拟控制方法 数字控制方法,微处理机通过软件生成SPWM波 使用专用集成电路产生SPWM波形 采用微处理机和专用集成电路相结合完成控制功能 目前，SPWM控制大多使用后两种方法。,6.2.3 SPWM变频器工作原理,载波比N 载波频率 fc与调制波频率 fr 之比,N = fc / fr,根据载波和信号波是否同步（载波比的变化情况），PWM调制方式分为同步调制和异步调制,异步调制 N变化，载波信号和调制信号不同步,同步调制 N 等于常数，载波和调制信号保持同步,异步调制和同步调制,6.2.3 SPWM变频器工作原理,异步调制 保持 fc 固定不变

11、，当 fr 变化时，载波比 N 变化,优点 载波频率确定，开关切换频率确定，谐波频率基本确定。,缺点 脉冲不对称 fr 很低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响较小； fr 很高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。,异步调制和同步调制,6.2.3 SPWM变频器工作原理,同步调制 N 等于常数，信号波一周期内输出脉冲数固定。,优点 三相电路中公用一个三角载波，且取 N 为3的整数倍，使三相输出对称。 N取奇数，使一相的PWM波正负半周镜对称,缺点 fr 很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除 fr 很高时，fc会过高，使开关器件难以承受

12、,异步调制和同步调制,6.2.2 SPWM变频器工作原理,同步调制时三相逆变器输出波形,异步调制和同步调制,6.2.2 SPWM变频器工作原理,分段同步调制,异步调制和同步调制,把 fr 范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同 在 fr 高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高 在 fr 低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低,分段同步调制时fc与fr的关系曲线,为了使逆变器的输出尽量接近正弦波，应尽可能增大载波比，但若从逆变器本身看，载波比又不能太大。,6.2.2 SPWM变频器工作原理,混合调制,异步调制和同步调制,可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近，但实现方便。,6.2.3 电流跟踪性PWM变频器,电流跟踪性SPWM变频器,应用PWM控制技术的变压变频器一般都是电压型的，以输出电压近似正弦波为目标的。 但是，交流电机实际需要保证的应该是正弦波电流。 电流跟踪控制的SPWM变频器由通常的PWM电压源型变频器和电流控制环组成，使变频器输出可控的正弦波电流。最常用的是电流滞环跟踪控制。,输出电流波形和相应的相电压波形在半个周期内围绕正弦波作脉动变化，不论在上升段还是下降段，它都是指数曲线中的一小部分，