交流调速系统-1

1、机床电气控制技术扬州大学机械工程学院机电工程系朱兴龙交流调速控制系统u交流电机的优点n不存在换向器，转速可以更高；n直流电机电枢电压受换向器限制，单机功率可以很大；n换向器复杂，成本高，交流电机成本低；n高速时输出功率较低，交流电机高速时可以以额定功率运行；n适用于恶劣环境；n交流调速设备简单；n变频调速节能。交流调速控制系统u交流调速的基本原理n交流电动机的机械特性l同步角速度与速度1111112602,6060ffnnpf 定子频率交流调速控制系统u交流调速的基本原理n交流电动机的机械特性l转差率l电机角速度111nnSnnn同步转速，电机转速260n 交流调速控制系统u交流调速的基本原理

2、n机械特性讨论lS=0 对应同步转速n1;lS=01 电动状态曲线；lS=1 制动状态曲线；lS0 发电状态曲线。交流调速控制系统u交流调速的基本原理n生产机械的转矩特性l恒转矩负载摩擦类负载 传送带、搅拌机、挤压机、采煤机、运输机、机床进给运动。交流调速控制系统u交流调速的基本原理n生产机械的转矩特性l恒转矩负载位能恒转矩负载 提升机、起重机、电梯。交流调速控制系统u交流调速的基本原理n生产机械的转矩特性l恒功率负载 切削负载、轧钢、造纸机等。交流调速控制系统u交流调速的基本原理n生产机械的转矩特性l风机类负载 风机、水泵、油泵等。交流调速控制系统u交流调速的基本原理n常见的调速方式l变极调

3、速-异步电机l转子串电阻调速-绕线式电机l串级调速-绕线式电机l调压调速-特殊电机l电磁调速-异步电机l变频调速-异步电机交流调速控制系统u变频器原理 交流调速就是以交流电动机作为电能一机械能的转换装置，通过对电能的控制来调节交流电动机的转矩和转速。 目前，交流调速的主要方法之一是变频调速，变频调速需要为交流电动机提供频率和电压均可改变的交流电源，这种电源称为变频器。 交流调速控制系统u变频器原理 交流电动机的旋转磁场转速（即同步转速）表达式为： 根据异步电动机转差率的定义： 可知异步电动机的转速为 1160fnp1111nnnsnn 1160(1)(1)fnnssp交流调速控制系统u变频器原

4、理 变频调速被人们公认为具有高效率、宽调速范围和高精度的调速性能，因此变频调速是交流电动机的一种比较理想的调速方法。 为了使交流电动机得到可变的频率，自然需要一套变频电源。交流调速控制系统u变频器原理 在过去是采用一套旋转变频机组或离子变频器来得到可变的电源频率，直到晶闸管以及功率晶体管等半导体电力开关问后，由于它们具有接近理想开关元件的性能，促使各种静止变频器获得了迅速的发展，从而研制出各种类型的变频调速装置，并在工业上得到了推广。交流调速控制系统u变频器组成n整流器：将三相（单相）交流整成直流n中间直流环节：将整流器输出的交流成分滤除，获得纯直流供逆变器交流调速控制系统u变频器组成n逆变器

5、：将直流电重新逆变为新的三相（单相）交流电n控制电路由检测电路、信号输入、信号输出、功率管驱动、各种控制信号的计算等组成。交流调速控制系统u交-直-交变频器分类n电流型：采用电感元件滤波l电机处于再生发电状态，可方便把电能回馈交流电网，但对交流成分的滤除受负载影响较大，主要应用在频繁加减速的大容量传动中。交流调速控制系统u交-直-交变频器分类n电压型：采用电容元件滤波l对交流成分的滤除受负载影响较小，空载和满载均能获得良好的性能，但电机处于再生发电状态，电能难以回馈交流电网，目前广泛使用。交流调速控制系统u单相交-直-交变频器 先用晶闸管整流器将交流电压整流为幅值可变的直流电压Ud，直流电压通

6、过电容C滤波，减小Ud 的波动。交流调速控制系统u单相交-直-交变频器 然后令晶闸管开关元件V1、V3和 V2 、V4 轮流切换导通，交流调速控制系统u单相交-直-交变频器 在电阻负载R上得到交流输出电压U0 。 交流调速控制系统u单相交-直-交变频器 输出电压的频率由逆变器开关元件切换的频率所决定。开关元件切换得快，U0的频率高，反之U0的频率低，同时U0的频率不受电源频率的限制。 交流调速控制系统uPAM方式晶闸管V1-V6组成全桥式整流电流，得到直流电Ud，C起滤波作用，控制V1-V6的导通角，可以获得不同幅值的Ud。交流调速控制系统uPAM方式可关断晶闸管VT1-VT6与二极管VD1-

7、VD6组成逆变器， VD1-VD6称续流二极管。交流调速控制系统uPAM方式R1和R2是等值的，目的是取得Ud的中间电位点。交流调速控制系统uPAM方式n工作过程lU桥 VT1导通120后截止，隔60后，VT4导通120后截止，隔60后， VT1再导通120后截止，。交流调速控制系统uPAM方式n工作过程lU桥 VT1导通120后截止，隔60后，VT4导通120后截止，隔60后， VT1再导通120后截止，。交流调速控制系统uPAM方式n工作过程lV桥 VT6导通120后截止，隔60后，VT3导通120后截止，隔60后， VT6再导通120后截止，。交流调速控制系统uPAM方式n工作过程lV桥

8、 VT6导通120后截止，隔60后，VT3导通120后截止，隔60后， VT6再导通120后截止，。交流调速控制系统uPAM方式n工作过程lW桥 VT2导通120后截止，隔60后，VT5导通120后截止，隔60后， VT2再导通120后截止，。交流调速控制系统uPAM方式n工作过程lW桥 VT2导通120后截止，隔60后，VT5导通120后截止，隔60后， VT2再导通120后截止，。交流调速控制系统uPAM方式0-6060-120120-180180-240240-300300-3600-60VT1+-+VT2-+-VT3-+-VT4-+-VT5-+-VT6+-+交流调速控制系统uPAM方式

9、n工作过程lUV交流调速控制系统uPAM方式n工作过程lVW交流调速控制系统uPAM方式n工作过程lWU交流调速控制系统uPAM方式n工作过程l以上波形电压加到交流电机后，由于电机电感的作用和二极管的续流作用，可以获得变化的电流，形成旋转磁场，取得电机旋转。l通过GTO的导通频率可以获得不同同步转速的旋转磁场，达到变频调速的目的。l控制整流晶闸管的导通角，可以获得不同的电压，进而控制输出三相交流电压的幅值。交流调速控制系统uPAM方式n优缺点l广泛应用于大容量的调速；l电路相对简单，对功率器件要求不高；l输出电压谐波成分较高；l低频时，由于电流的续流，不能形成平滑的磁场，电机有蠕动步进现象。交

10、流调速控制系统uPWM方式n交-直-交变频器特点l输出电压频率可变和输出电压幅值可变（VVVF）方式。lPAM方式中，逆变器完成VF作用；整流器完成VV作用。l将每个半周的矩形分成许多小脉冲，通过脉冲宽度的大小，即可起动VV的作用，即所谓的PWM方式。交流调速控制系统uPWM方式nPWM可分为l等脉宽PWMl正弦波PWMl磁链追踪型PWMl电流追踪型PWMl谐波消去PWMl优化PWMl最佳PWM交流调速控制系统uPWM方式 目前常用的为SPWM方法，这种方法输出的电压经滤波后，可获得等效的三相正弦交流电压输出。交流调速控制系统uPWM变频器组成l采用电压型逆变器，它由二极管整流桥、滤波电容和逆

11、变器组成。l逆变器的输入为恒定不变的直流电压，逆变器通常用功率晶体管（GTR)作开关元件，通过逆变器调节输出电压的脉冲宽度和输出交流电压的频率，既实现调压又实现调频，变频变压都由逆变器承担。l由于这种PWM型变频器输出交流电压的幅值和频率直接由逆变器决定，所以调节速度快，系统的动态性能好。 交流调速控制系统uPWM变频器组成交流调速控制系统u简单的PWM逆变器的工作原理交流调速控制系统u简单的PWM逆变器的工作原理n四个二极管与功率晶体管反并联，为负载的无功能量反馈到直流电源提供了通路。n当功率晶体管V1和V4饱和导通， V1和V4截止时，R点对直流电压负极N点的电压URN=Ud， R点对N点

12、的电压URN0。所以负载两端的电压URR=Ud。n反之URR=-Ud 。交流调速控制系统u简单的PWM逆变器的工作原理n在晶体管V1和V1或V4和V4同时导通时，负载两端对N点的电压相等，改变晶体管V1和V4落后于V1和V4导通的相位角，就可以改变负载电压的脉冲宽度，从而改变负载交流电压的基波幅值，这就是简单PWM逆变器的工作原理。n当角在0-180范围内变化时，逆变器输出的基波电压可以从零升高到最大值。交流调速控制系统u 高频脉宽调制逆变器的工作原理n通常采用的交-直-交电压型晶闸管变频电路其输出电压波形与正弦电压波相差甚远，由此带来了一系列问题。n例如，由矩形电压波供电的电动机，其效率将下

13、降5-7左右，功率因数下降8左右，而电流却要增大10左右。n因此，人们为改善逆变器的输出电压波形，并使之尽量接近正弦波进行了大量的研究工作，脉宽调制逆变器是目前公认较为理想的解决办法之一。交流调速控制系统u 高频脉宽调制逆变器的工作原理 脉宽调制逆变器利用逆变器具有的开关元件，由控制线路按一定的规律控制开关元件的通断，从而在逆变器的输出端获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形来近似等效于正弦电压波。交流调速控制系统u 高频脉宽调制逆变器的工作原理希望得到的理想负载电压正弦波的正半周，并将其划分为K等分 。这样，由K个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形与正弦波的正半周等效。交流调速控制系统u 高频脉

14、宽调制逆变器的工作原理n从理论上讲，可以严格地计算出各分段矩形脉冲的宽度，作为控制逆变器开关元件通断的依据。n这只能靠数字电路或微型计算机才能实现。如果计算出了各分段矩形脉冲的宽度，就可以用图示的具有纯电阻负载的单相桥式逆变器 。交流调速控制系统u 高频脉宽调制逆变器的工作原理n由微机产生的基极控制信号Ub1、Ub3和Ub2、Ub4 分别控制功率晶体管V1、V3和V2、V4的通断，就可以在负载R上得到与正弦波形电压等效的矩形脉冲波形。n例如，在电角度1至2期间，基极控制信号Ub1、Ub3为高电平， Ub2、Ub4为低电平，因此晶体管V1、V3导通， V2、V4截止，负载R上得到左正右负的正电压

15、UR=Ud。交流调速控制系统u 高频脉宽调制逆变器的工作原理nUR=Ud。在电角度2至3期间， Ub1、Ub3和Ub2、Ub4都为低电平，所以四个晶体管全部截止，负载R与电压Ud断开，UR0。n在电角度3至4期间又重复1至2期间的情况。n依此类推，便可得到正负两个半周的UR波形。负载R上的矩形脉冲的幅值为逆变器直流侧电压Ud。 交流调速控制系统u SPWM逆变器的工作原理 另一种确定矩形脉冲宽度的方法是采用模拟电路来实现。 图中的四个晶体管的基极控制信号采用载频信号Uc与参考信号Ur相比较的方法产生，如图所示。 交流调速控制系统u SPWM逆变器的工作原理nUc采用不变的单极性等腰三角波形电压

16、nUr采用可变幅值、可变频率的正弦波电压n由Uc与Ur波形的交点可以确定各矩形脉冲的宽度n参考信号正弦波的脉宽调制称为正弦波脉宽调制（SPWM）n由正弦波脉宽调制产生的调制波是等幅而不等宽的脉冲列。交流调速控制系统u SPWM逆变器的工作原理n正弦波脉宽调制的基极控制信号的获取 在倒相信号为正电压的半个周期中，基极控制信号Ub2、Ub4始终为低电平，晶体管V2、V4截止，而Ub1、Ub3的电平高低由截频信号Uc与参考信号Ur相比较确定。交流调速控制系统u SPWM逆变器的工作原理n正弦波脉宽调制的基极控制信号的获取 当UcUr时，Ub1、Ub3为低电平，例如，在电角度0至1和2至3等期间；反之

17、，当UrUc时，Ub1、Ub3为高电平。例如，电角度1至2和3至4等期间。交流调速控制系统u SPWM逆变器的工作原理n正弦波脉宽调制的基极控制信号的获取 与此相反，在倒相信号为负电压的半个周期中， Ub1、Ub3始终为低电平， V1、V3截止。n当UcUr时， Ub2、Ub4为低电平，反之， UrUc时，Ub2、Ub4为高电平。n由上述的原则便可得到正弦波脉宽调制的基极控制信号波形。交流调速控制系统u SPWM逆变器的工作原理正弦波脉宽调制逆变器输出基波电压的大小和频率均由参考电压Ur来控制。当改变Ur的幅值和频率改变时，输出电压的大小和频率也随之改变。正弦波最大幅值必须小于三角波幅值，否则

18、输出电压的大小与参考电压的幅值之间将失去所要求的比例关系。在这种正弦波脉宽调制方法中，载频信号Uc 是只有正值的电压波形，所以这种调制称为单极性调制。交流调速控制系统u SPWM逆变器的工作原理脉宽调制除了单极性调制之外，还有双极性调制这两种调制方法的区别在于双极性调制的载频信号是有正有负的双极性等腰三角波形电压。上述单极性调制必须有倒向信号，而双极性调制就不要倒向信号了。交流调速控制系统u SPWM逆变器的工作原理双极性调制用于电感量较大的电感性负载。由于电感的存在，每个功率晶体管均有一个二极管与其反并联，作为负载无功能量反馈回直流电源的通路。交流调速控制系统u SPWM逆变器的工作原理交流

19、调速控制系统交流调速控制系统u 工作过程由两个功率晶体管组成的单相半桥逆变器交流调速控制系统u 工作过程晶体管的基极控制信号ub1和ub2仍然由载频信号Uc与参考信号Ur的交点确定。 交流调速控制系统u 工作过程当 UrUc 时，ub1为高电平，ub2为低电平。交流调速控制系统u 工作过程当 UrUc 时，ub2为高电平，ub1为低电平。交流调速控制系统u 工作过程两个晶体管工作在两个晶体管工作在互补的开关工作状态，即晶体管V1导通时V2截止，反之，V2导通时V1截止。在电角度0至1期间，ub1为高电平，ub2为低电平，因此V1导通，V2截止，负载电压的极性为左负右正，U0为+Ud/2。交流调

20、速控制系统u 工作过程与此其反，在电角度1至2期间，ub2为高电平，ub1为低电平，所以V2导通，V1截止，负载电压的极性为左正右负， U0为-Ud/2。在电角度2至3期间，V1和V2的工作情况与在电角度0至1期间相似。以此类推，便可得到如图所示的负载电压的波形。交流调速控制系统u 工作过程交流调速控制系统u返流二极管的作用当晶体管V1导通，V2截止时，设负载中的电流方向为由右向左流动在V1由导通变为截止时，由于负载电感中的电流不能突变，电流只能逐渐减小。根据楞次定律，当电感中的电流减小时，会产生与电流方向一致的感应电动势e。交流调速控制系统u返流二极管的作用此电动势比电源电压Ud/2大，所以

21、返流二极管V4承受正向电压而导通，负载电流给电容充电，将电感中的磁场能量变成电容器上的电场能量，即将负载的能量返回直流电源。在返流二极管导通期间，虽然vb2为高电平，但因V2集射极承受反向电压而不能导通。由此可见，在逆变器的负载为大电感时，返流二极管是必不可少的。因此，逆变器中的功率晶体管通常均反并联一个二极管。交流调速控制系统u双极性脉宽调制的输出电压波形的特点在双极性调制的输出电压波形中，在基波电压的正半周有负值电压出现，反之，在输出基波电压的负半周，输出电压中有正值电压出现。这是双极性脉宽调制的输出电压波形的特点。正弦波脉宽调制中的双极性调制与单极性调制一样，逆变器输出基波电压的大小和频

22、率的改变，也是通过改变正弦参考信号的幅值和频率实现的。在应用脉宽调制于电动机变频调速时要保持之比基本恒定。 交流调速控制系统u三相SPWM调速n整流器由不可控的D1-D6组成全桥式整流电流，得到直流电Us，C起滤波作用。 交流调速控制系统u三相SPWM调速n逆变器由6个可控功率器件（GTR）VT1-VT6与二极管VD1-VD6组成。交流调速控制系统u三相SPWM调速n参考信号振荡器产生三相对称的三个正弦参考电压。交流调速控制系统u三相SPWM调速n参考信号的频率决定逆变输出电压的频率，其幅值满足逆变器输出电压幅度的要求，即可发出VVVF信号。交流调速控制系统u三相SPWM调速n三角波振荡器发出

23、频率比正弦波高出许多的三角波信号。这两种信号经电路作用后，产生PWM功率输出电压。交流调速控制系统u三相SPWM调速n对于三相逆变器，必须产生互差120的三相正弦波脉宽调制的调制波。为了得到这些三相调制波，三角形载频信号可以共用，交流调速控制系统u三相SPWM调速n但是必须有一个可变频率和幅值的三相正弦波发生器产生可变频、可变幅的互差120的三相正弦波参考信号，并与三角波相比较产生三相脉宽调制的调制波。交流调速控制系统u三相SPWM调速交流调速控制系统u三相SPWM调速交流调速控制系统u调制比l载波频率fe与调制频率fr之比称为调制比Nl可分为：同步调制：取N为3的整数倍的奇数。输出波形三相对

24、称最高频率与最低频率输出脉冲数是相同的低频时，N值过小，转矩波动大交流调速控制系统同步调制：取N为3的整数倍的奇数。交流调速控制系统同步调制：取N为3的整数倍的奇数。交流调速控制系统同步调制特点输出波形三相对称交流调速控制系统同步调制特点输出波形三相对称交流调速控制系统同步调制特点最高频率与最低频率输出脉冲数是相同的交流调速控制系统同步调制特点低频时，N值过小，转矩波动大交流调速控制系统u调制比异步调制：改变正弦波信号fr的频率同时，fe的频率不变。低频时N值将加大，克服了频率不良现象三相波形不对称，使谐波分量加大采用较高的工作频率fe ，上述缺点会克服交流调速控制系统异步调制特点低频时将N值加大，克服了频率不良现象交流调速控制系统异步调制特点三相波形不对称，使谐波分量加大交流调速控制系统异步调制特点三相波形不对称，使谐波分量加大交流调速控制系统异步调制采用较高的工作频率fe ，上述缺点会克服交流调速控制系统u调制比分段同步调制：将调制过程分成几个同步带调制。克服了同步调制低频时N值会太小，造成的频率不良现象三相波形对称N值切换处会出现电压突变和振荡交流调速控制系统u调制比分段同步调制交流调速控制系统uU/F的控制原理n恒磁通变频调速 从电工学课程中我们已经知道了异步电动机的定子绕组每相感