变频调速的基本控制方式和机械特性1(3-4)

1、1.3 1.3 交交- -直直- -交变频器的分类及特点交变频器的分类及特点一、交交- -直直- -交变频器的结构形式交变频器的结构形式 AC-DC-AC变频器又称间接变频器,属于静止式变频器(Stationary Converter）。滤波环节可采用支撑电容或大电感。 Rectifier Filter InverterACDCACVVVFDC link 50Hz CVCF为实现VVVF,分为四种结构:可控整流调压可控整流调压, ,逆变器变频。逆变器变频。 为保持恒压频比,VV-VF前后应协调控制。可控可控整流的缺点整流的缺点: :当输出频率、电压较低时,电网侧pf很低,对电网有谐波污染。不控

2、整流不控整流, ,斩波调压斩波调压, ,逆变器变频。逆变器变频。 可控整流 INVACDCACVVVF调压调频由于不可控整流(用二极管)，pf较高,斩波器脉宽调压,多用了一个环节。实际应用较少。不控整流INVChopACDCDCACVFVV不可控整流不可控整流,PWM,PWM逆变器变压变频。逆变器变压变频。 PWMPulse Width Modulation pf较高,PWM逆变谐波可以做得比较小,前面的缺点得到解决。一般不用SCR,而是采用快速全控器件,VV-VF都由INV完成，Ud基本不变。它是当前应用最为广泛的一种结构形式，后面重点讲。PWMPWM可逆整流，可逆整流，PWMPWM逆变器变

3、压变频。逆变器变压变频。通常称作双双PWMPWM变频器变频器。不控整流PWMINVACDCACVVVFPWM可逆整流PWMINVACDCACVVVFVVVFPWM可逆整流器有三种职能:使Ud按给定值恒压；交流侧电流近正弦且pf=1；有源逆变，pf=-1,当电机再生发电制动时,将DC侧电能反馈到电网。二、电压型变频器和电流型变频器电压型变频器和电流型变频器 交-直-交变频器分为两大类:VSI和CSI。主要区别在于中间DC环节采用什么样的滤波器。 VSI:VSI:采用大支撑电容,直流电压平缓。C起电压平波作用,脉动很小,理想情况下内阻抗为零,近似恒压源。输出给电机阶梯波电压或矩形波电压。实用中,两

4、电解电容串联,以提高耐压,需加均压电阻。C除滤波作用外,还起着能量缓冲作用,比如在电机再生发电时,机械能反送(整流)到直流侧,C的贮能作用可防止Ud过高损坏器件。也可用LC滤波。INVLdUd+-INVUdIdLd+- CSI:CSI:直流环节采用大电感滤波,对DC侧电流起平波作用,内阻抗很大,对负载来说基本上是一个恒流源Id,输出给电机电流是矩形波或阶梯波。随负载轻重不同,Id的大小也不同,并非绝对恒流。惯性大，短时间内近似恒流。 性能比较性能比较: : 从主电路上看只是中间DC环节滤波器形式不同,但却造成两类变频器性能上有相当大的差异。无功能量的缓冲无功能量的缓冲 变压变频调速系统的负载是

5、感性的,DC环节与电机之间除有功功率传送外,还存在无功交换,电力电子器件无法储能,无功能量只能靠DC环节作为滤波器来缓冲能量,使它不致影响交流电网。主要区别就在于以何储能元件,以何形式来来缓冲无功能量,电压型以Ud电压形式,电流型以Id电流形式。回馈制动回馈制动 采用交-直-交电压型逆变器，通常在二极管整流或SCR可控整流情况下,无法实现回馈制动,而电流型可以实现。因为电流型变频器前面的可控整流由于用Ld,便于实现有源逆变,将直流侧能量馈入电网,而电压型无法实现之。调速时的动态响应调速时的动态响应 电流型变压变频调速,其直流电压可以迅速改变,m变化快,从而调速系统动态响应比较快。可控整流变压的

6、电压型动态响应慢得多,Ud惯性大。但在PWM变压变频时则响应快，它不需要Ud变化，靠PWM控制实现变压变频。过流及短路保护过流及短路保护 电压型不如电流型易实现。输出波形输出波形 电压型输出电流近正弦(电压方波)；电流型输出电压近正弦(电流方波)。1.31.3节要点：节要点：交直交变频器的结构类型及特点,各如何实现VVVF。VSI和CSI的性能比较。1.4 1.4 交交- -直直- -交变频器的回馈制动交变频器的回馈制动异步电机再生制动的产生条件异步电机再生制动的产生条件(nn0)：1) 位能性负载；2) 变频器减频快而转子惯性大。逆变器的两种工作状态逆变器的两种工作状态: : 通常逆变器处于

7、逆变状态,交流侧为电机提供VVVF电源,设其电压为Vk(k=1,2,3)，即电机定子绕组上所加电源电压(三相之一)。电机每相等效电路中L1为定子绕组漏感,ek为旋转反电势。 在等效回路中,两个交流电源总是一个供出功率,另一个吸收功率,取决于ik与各电源的相位关系。如同直流回路情况下,取决于I的方向。在逆变器处于逆变状态下,Vk供出功率 P=VkIkcos1,当1=090O，P0,vk确实为供出功率,ek吸收功率，即电机将输入功率(电动状态)转换为机械能；当电机进入发电反馈制动工作状态时(nn0)，Ik比Vk滞后190O ,cos10, P0,从而Vk供出功率为负,即吸收功率,ek发出功率(发电

8、),此时逆变器实际上能INV +-UdDCek+-+-ikjL1vk电机量的传递方向是ACDC,即整流状态,电机发电经过三相桥整流到DC侧。电流型逆变器宜于实现再生制动电流型逆变器宜于实现再生制动 对于CSI在电动状态下,各环节如图示,整流环节90O,故Ud上正下负,Id从Ud的正端流出，故P为正向传输,逆变器吸收功率,处于正常的逆变状态,电动机处于真正的电动状态,转矩T与n同向，nn0，转子拖动负载转动,对应于机械特性中的第一象限（a点），T=TL平衡。 IRVE+-UdP+-M3Id整流 900逆变n0若突然将f1减小, n0减小后,n惯性保持原速,对应于b点,再生制动状态，制动减速,n减

9、小,b-c段对应T0,在第象限,回馈制动阶段。继续减速是因为T900 (否则可能会顺向串联，产生较大的直流环流,大小应适当),Ud变为上负下正,将DC电能有源逆变为交流回送到电网(Id方向未变),再生能量有效回收利用。_+UdP+_M3Id逆变 900整流nn0发电nT0 在第象限倒发电状态,原来的CSI变成了整流器作用,整流输出的电压平均值自然是上负下正。 第第、象限运行象限运行: : 电机反转电动状态(),再生制动时进入象限，这便是所谓的电机四象限运行。 可见电流型变频器实现回馈制动时, Id方向不变(整流元件单导性),利用有源逆变来改变Ud方向,从而将再生能量回馈到电网。两种变流器的关系

10、两种变流器的关系 从上述分析可见，电流型逆变器和三相全桥可控整流器的工作状态，在一定条件下会发生彼此对调。这两种变流器存在着很大的类似性。以下从三相全桥可控整流电路的有源逆变到三相电流型无源逆变的转换过程，看两种电路的相互关系。 在有源逆变电路中，三相交流电源供出的功率为 900）即吸收功率。 本质上，该三相交流电源可以视作三相反电势负载，考虑将电流ia的参考方向取反，如相量图中虚线所示，则该“负载”电流比电压超前，相当于容性负载，这正是有源逆变电路的SCR不需要强迫换流的根本原因，实质上是利用了容性负载换流。cosIU3Paaia+uaAId+-UdVT1VT3VT5VT4VT6VT2BCE

11、M+uaubucia+=uaia 在无源逆变电路中，三相负载通常是感性负载，无法实现负载换流，必须另加辅助换流电路来强迫换流。串联二极管式晶闸管逆变器正是利用串联二极管和接的换流电容作为附加电路来完成强迫换流的。 在电机进入倒发电状态时，逆变器的工作状态又一次发生逆转。电机发出三相交流电势，由于CSI的6只晶闸管触发方式与三相全桥可控整流完全相同，从而形成对三相交流电压的整流作用，使直流侧Ud上负下正，Id从Ud的正端流出，供出能量,为Ld充磁。电机发出的能量,通过P-N间电压的改变方向,实现电机向直流侧的能量回馈。 AId_+UdVT1VT3VT5VT4VT6VT2BC_+电机侧与直流侧的无

12、功能量交换：电机侧与直流侧的无功能量交换： 电流型逆变器并不能通过反并联二极管改变直流环节电流的方向,来实现无功能量的回馈,因为Id不易改变方向,正象VSI的Ud不易改变极性一样。不过可以通过改变P-N之间电压极性,使它为上负下正,变为回馈状态,馈入Ld缓存，为Ld充磁。实际上电流型逆变器正象三相全桥可控整流一样，无论是处在整流还是逆变状态，直流侧的电压ud波形往往存在正负面积，只是平均面积Ud的极性不同。ud波形正负面积意味着电机与DC侧的能量吞吐作用，通过P-N间电压极性的改变,实现电机与直流侧Ld能量的交换,即无功能量回馈。而平均面积Ud的极性，决定了电机总体上是吸收还是供出能量，从而也

13、反映了逆变器的实际工作状态。电压型逆变器如何实现再生制动电压型逆变器如何实现再生制动与电流型逆变器相比，电压型逆变器通常难以将电机的倒发电能量馈入电网,DC环节的支撑电容钳制着Ud不可能迅速改变方向,而Ud上负下正是实现有源逆变的必要条件。当然若Ud不反向,Id反向亦可,但整流器是单导的。可见由于Cd的存在,使整流桥无法迅速转为逆变。 电压型逆变器一般都带有反馈二极管,使桥臂功率开关为电流双向开关（逆导开关），将发出的三相电势整流，为大电容充电(电流方向改变),实现了能量的缓存。不控整流PWMINVACDCACVVVF+-Ud但回馈不到电网，只能使Ud升高,甚至可能Ud过高到器件不允许的数值,故对电压型变频器,有时减频过快时,变频器会发生过压保护,报警。 利用利用PWMPWM可逆整流器实现电压型变频器的可逆整流器实现电压型变频器的再生制动再生制动: : 对倒发电制动能量的处理方式,最理想的方向是将整流器改为PWM可逆整流,既可以整流,又可以有源逆变,将DC侧能量逆变到电网,但结构复杂。还可以与原整流器反并联另一组三相逆变桥,令其工作于有源逆变状