交流变频调速系统

交流变频调速系统第1页，共55页，2023年，2月20日，星期日由电机学知如果忽略定子上的电阻压降，则有

第一节变频调速的基本控制方式和机械特性简介一、变频调速的基本控制方式第2页，共55页，2023年，2月20日，星期日1、基频以下的变频控制方式即：气隙磁通感应电势与频率之比为常数基频以下常采用恒磁通变频控制方式。（1）若要保持Φm不变，则当频率f1从额定值f1e向下调节时，须同时降低Eg，使Eg/f1=常数。（2）因感应电势难以直接控制，忽略定子压降，认为定子相电压U1≈Eg，则U1/f1=常数。这就是恒压频比的变频控制方式。恒压频比控制在低频时，由于U1和Eg都较小，定子阻抗压降所占的份量比较显著，不能忽略。这时，可人为地把电压U1抬高一些，以便近似地补偿定子压降。第3页，共55页，2023年，2月20日，星期日

2、基频以上的变频控制方式在基频以上时，频率可从f1N往上增高，但电压U1却不能增加得比额定电压U1N大，一般保持U1=U1N，使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。

第4页，共55页，2023年，2月20日，星期日下图是异步电机变频调速控制特性。在基频以下，属于“恒转矩调速”；而在基频以上，基本属于“恒功率调速”。第5页，共55页，2023年，2月20日，星期日当Eg/ω1为恒值时，Temax恒定不变，随着频率的降低，恒Eg/ω1控制的机械特性是一组形状与恒压恒频机械特性相同，且平行下移的特性。见右图所示。二、变频调速的机械特性简介1.恒Eg/ω1控制（Eg/ω1=恒值）第6页，共55页，2023年，2月20日，星期日因Eg是电机内部参数，恒Eg/ω1控制难以实现，工程上常用恒压频比控制（U1/ω1=恒值）。其机械特性见下图所示。在恒压频比条件下变频时，机械特性基本上平行移动，而Temax随ω1降低而减小。低频时，Temax将限制调速系统的带负载能力。需采用定子阻抗电压补偿以增强带负载能力。右图中虚线特性就是采用提高定子电压后的特性。2、恒压频比控制（U1/ω1=恒值）第7页，共55页，2023年，2月20日，星期日3.基频以上变频调速时的机械特性

可见，当频率ω1提高时，同步转速n0随之提高，最大转矩减小，机械特性上移；转速降落随频率的提高而增大，特性斜率稍变大，其它形状基本相似。如右图所示。

在基频f1e以上变频时，电压U1=U1e不变。其机械特性见下图所示。第8页，共55页，2023年，2月20日，星期日第二节变频调速系统中的无源逆变电路对交流电机实现变频调速的变频电源装置叫变频器，其功能是将电网提供的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电，变频伴随变压。

变频器的基本分类如下：一、变频器的分类变频器交-交变频器按相数分单相三相按输出波形分正弦波方波脉冲宽度调制型(PWM)交-直-交变频器电流型电压型第9页，共55页，2023年，2月20日，星期日交-直-交变频器的主要构成环节如图（a）所示。它先把交流电转换为直流电，经中间直流环节后再把直流电逆变成变频变压的交流电，又称为间接变频器。按不同的控制方式，间接变频器有图5-7中b、c、d三种情况。二、静止型常规变频器及特点（一）间接（交-直-交）变压变频装置第10页，共55页，2023年，2月20日，星期日图5-7间接变压变频装置的不同结构形式第11页，共55页，2023年，2月20日，星期日交-交变频器的主要构成环节如图5-8所示。交-交变频器没有明显的中间滤波环节，交流电被直接变成频率和电压可调的交流电，故又称为直接变频器。（二）直接（交-交）变压变频装置

第12页，共55页，2023年，2月20日，星期日主电路如图5-9（a）所示，图中负载由正组与反组晶闸管整流电路轮流供电，α角不变时，输出为矩形交流电压，如图5-9（b）所示。改变正反组切换频率可以调节输出交流电的频率，而改变α的大小即可调节矩形波的幅度。1、方波型交-交变频器三、交-交变频电路（一）单相交-交变频电路第13页，共55页，2023年，2月20日，星期日2、正弦波交-交变频器正弦波型交-交变频器的主电路与方波型的主电路相同，但可以输出平均值按正弦规律变化的电压。控制角α由大到小再变大，如π/2→0→π/2如右图（a）所示。控制角由小变大再变小，如π/2→π→π/2如右图（b）所示。第14页，共55页，2023年，2月20日，星期日

（1）输出正弦波形的获得方法常用的方法是余弦交点法，该方法的原则是：触发角的变化和切换应使得整流输出电压的瞬时值与理想正弦电压的瞬时值误差最小。正弦波型交-交变频器适合于低频大功率的电气传动系统，最高输出频率是输入频率的1/3或1/2。

（2）输出电压有效值和频率的调节交-交变频电路的输出电压是由若干段电源电压拼接而成的。在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。使控制角从，改变α0，就改变了输出电压的峰值，也就改变了输出电压的有效值；改变α变化的速率，也就改变了输出电压的频率。第15页，共55页，2023年，2月20日，星期日（二）三相----单相交-交变频电路将两组三相可逆整流器反并联即可构成单相变频电路。三相半波-单相交-交变频电路三相桥式-单相交-交变频电路第16页，共55页，2023年，2月20日，星期日（三）

三相交-交变频电路交-交变频器主要用于交流调速系统中，因此实际使用的主要是三相交-交变频器。三相交-交变频器电路是由三组输出电压相位互差的单相交-交变频电路组成的。1、电路的接线方式三相交-交变频电路主要有两种接线方式，即公共交流母线进线方式和输出星形联结方式。第17页，共55页，2023年，2月20日，星期日

（1）公共交流母线进线方式它由三组彼此独立、输出电压相位互差120度的单相交-交变频电路组成，其电源进线通过电抗器接在公共的交流母线上。由于电源进线端公用，所以三组单相变频电路的输出端必须隔离。为此，交流电机的三个绕组必须拆开，共引出六根线。

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（2）输出星形连接方式由于变频器输出端中点不和负载中点相连接，所以在构成三相变频器的六组桥式电路中，至少要有不同相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。

第19页，共55页，2023年，2月20日，星期日2、具体电路结构三相桥式整流器组成的三相----三相交-交变频电路，采用公共交流母线进线方式

第20页，共55页，2023年，2月20日，星期日三相桥式整流器组成的三相-三相交-交变频电路，给电动机负载供电，采用输出星形联结方式（负载未画出）

第21页，共55页，2023年，2月20日，星期日四、交-直-交变频电路（一）交-直-交电压源型、电流源型变频器及其比较根据交-直-交变频器的中间滤波环节是采用电容性元件或是电感性元件，可将其分为电压源型变频器和电流源型变频器。

1、电压源型变频器采用大电容滤波，输出直流电压恒定，类似于恒压源。这类变频器叫电压源型变频器，见图（a）所示。电压源型变频器第22页，共55页，2023年，2月20日，星期日

2、电流源型变频器采用大电感滤波，输出直流电流恒定，类似于恒流源。这类变频装置叫电流源型变频器，见图（b）所示。电流源型变频器第23页，共55页，2023年，2月20日，星期日由电流型变频器构成的调速系统易实现回馈制动。图5-19绘出了变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状态。

①电动状态如图（a）所示。整流电压极性为上正下负，电流由Ud的正端流入逆变器，电能由交流电网经变频器传送给电机，电机处于电动状态。（3）电压型和电流源型变频器的回馈制动比较第24页，共55页，2023年，2月20日，星期日

②回馈制动状态如图5-19b示。降低变频器的输出频率，使转速降低，同时使整流器UR的α>90°，则整流电压Ud立即反向，而电流Id方向不变。于是，逆变器CSI变成整流器，而整流器UR转入有源逆变状态，电能由电机回馈给交流电网。第25页，共55页，2023年，2月20日，星期日1、主电路组成（二）180°导电型的交-直-交电压型变频器第26页，共55页，2023年，2月20日，星期日第27页，共55页，2023年，2月20日，星期日第28页，共55页，2023年，2月20日，星期日5）相电压和线电压的关系为180°导电型逆变器工作规律：1）每个脉冲触发间隔60°区间内有3个晶闸管元件导通，它们分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。2）在3个导通元件中，若属于同一组的有2个元件，则元件所对应相的相电压为。另1个元件所对应相的相电压为。3）共阳极组元件所对应相的相电压为正，共阴极组元件所对应相的相电压为负。4）每个脉冲触发间隔60°内的相电压之和为0。第29页，共55页，2023年，2月20日，星期日（三）120°导电型的交-直-交电流型变频器1、主电路的组成第30页，共55页，2023年，2月20日，星期日第31页，共55页，2023年，2月20日，星期日与180°导电型类似，120°导电型导电规律如下：1）每个脉冲触发间隔60°有2个晶闸管元件导通，它们分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。第32页，共55页，2023年，2月20日，星期日2）在2个导通元件中，每个元件所对应相的相电流为Id。而不导通元件所对应相的电流为0。3）共阳极组中元件所通过的相电流为正，共阴极组元件所通过的相电流为负。4）每个脉冲间隔60°内的相电流之和为0。第33页，共55页，2023年，2月20日，星期日第三节、晶闸管变频调速系统给定积分器（软启动器）是用来减缓突加阶跃给定信号造成的系统内部电流、电压的冲击。其输入输出信号对比如图5-29所示。

图5-29给定积分器输入输出波形1、给定积分器一、晶闸管变频调速系统中的主要控制环节第34页，共55页，2023年，2月20日，星期日绝对值运算器是把给定积分器送来的输入信号（正值或负值）均转换为正值。其输入输出关系为2、绝对值运算器其输入输出信号关系如图5-30所示。图5-30绝对值运算器的输入输出波形第35页，共55页，2023年，2月20日，星期日电压-频率（U/F）变换器就是用来将电压给定信号转换成脉冲信号的装置，输入电压越高，脉冲频率越高；输入电压越低，则脉冲频率越低。输入输出信号关系如图5-31所示。

3、电压-频率变换器图5-31压-频变换器输入输出关系第36页，共55页，2023年，2月20日，星期日4、环形分配器环形分配器又称6分频器，它将U/F变换器送来的压控振荡脉冲，每6个为一组分6路输出，依次送给逆变桥的6个晶闸管元件。其输入输出信号波形如图5-32（a）、（b）所示。

图5-32环分器的功能与波形（a）环分器功能（b）环分器输出波形

第37页，共55页，2023年，2月20日，星期日5、脉冲功率放大与脉冲输出级（1）脉冲功率放大的作用是：①根据逻辑开关发出的指令，使功率放大管按照T1→T2→……→T6→T1……或T6→T5→……T1→T6……的顺序导通；②将宽度为60°的脉冲拓宽为120°的宽脉冲；③将环形分配器送来的脉冲进行功率放大。环形分配器输出脉冲的特征：①各路脉冲发出的时间间隔为60°电角度；②各路脉冲的宽度为60°

第38页，共55页，2023年，2月20日，星期日（a）功放与输出级功能原理图（b）功放器的输出波形图5-33脉冲功放与输出级的功能原理图及输出波形第39页，共55页，2023年，2月20日，星期日（2）脉冲输出级的作用：①将脉冲功率放大器送来的宽脉冲调制成触发晶闸管所需的脉冲列（用方波发生器产生的脉冲进行脉冲列调制）；②用脉冲变压器隔离输出级与晶闸管的门极。脉冲输出级的输出波形见下图。脉冲输出级包括方波发生器、功放与解调两个部分。当T1、T2管的基极均为高电平，在TB的原边得到调制后的信号，解调后得到原信号，然后供VT触发用。第40页，共55页，2023年，2月20日，星期日6、函数发生器作用：①在f1min~f1n的范围内，将频率给定信号正比例转换为电压给定信号，确保恒转矩调速，并在低频段将电压适当提升，实现低频电压补偿，保证Eg/f1=常数；②在f1n以上，频率给定信号变化，电压给定信号保持不变，使输出电压U1=U1n不变。其输入、输出关系如右图所示。第41页，共55页，2023年，2月20日，星期日

7、逻辑开关作用是根据给定信号为正、负或零来控制电动机的正转、反转或停车。如给定信号为正，则控制脉冲输出级按正相序触发，如给定信号为负，则控制脉冲输出级按负相序触发，相应控制调速电动机的正、反转。如给定信号为零，则逻辑开关将脉冲输出级的正负脉冲都封锁，使电动机停车。第42页，共55页，2023年，2月20日，星期日

二、转速开环的电压型晶闸管变频调速系统该系统是没有测速反馈的转速开环变频调速。适用于调速要求不高的场合。第43页，共55页，2023年，2月20日，星期日对变频器的要求：①在f1n以下，进行恒转矩调速，即要求在改变频率的同时，改变供电电压，保证变频器以恒压频比Eg/f1=常数来控制电机。②在额定频率f1n以上，进行近似恒功率调速，即要求变频器保持输出电压不变，只改变频率调速。系统组成说明：1）控制部分分上、下两路，上路实现对晶闸管整流桥的变压控制，下路实现对晶闸管逆变桥的变频控制；2）主电路采用晶闸管交-直-交电压型变频器；3）有两个控制通道：上为电压控制通道，采用电压闭环控制整流器的输出电压；下为频率控制通道，控制逆变器的输出频率。电压和频率控制采用同一控制信号（来自绝对值运算器），保证二者之间的协调。

第44页，共55页，2023年，2月20日，星期日4）因转速开环控制，不能让阶跃给定信号直接加到系统上，为此设置了给定积分器将阶跃信号转变成合适的斜坡信号，从而使电压和转速都能平缓地升高或降低。5）实现系统可逆只需改变变频电压的相序，并不需要在电压和频率的控制信号上反映极性，因此，设置了绝对值运算器将给定积分器的输出变换成只输出其绝对值的信号。电压控制采用电压、电流双闭环结构。内环设电流调节器，限制动态电流；外环设电压调节器，以控制变频器输出电压。电压-频率控制信号加到电压环以前，应补偿定子阻抗压降，以改善低速时的机械特性，提高带负载能力。频率控制环节主要由压-频变换器、环分器和脉冲放大器三部分组成。第45页，共55页，2023年，2月20日，星期日2.转速开环的电流型晶闸管变频调速系统

第46页，共55页，2023年，2月20日，星期日主电路采用了大电感滤波的电流源型逆变器，控制系统采用电压-频率协调控制。只是电压反馈环节有所不同。电压源型变频器直流电压的极性是不变的，而电流源型变频器在回馈制动时直流电压要反向，因此后者的电压反馈不能从直流电压侧引出，而改从逆变器的输出端引出。系统中控制环节采用了电压、电流双闭环的控制结构。内环设电流调节器，以限制动态电流；外环设电压调节器，以控制变频器输出电压。第47页，共55页，2023年，2月20日，星期日第四节正弦波脉宽调制的异步电动机变频调速系统

一、电压正弦脉宽调制的变频调速系统（一）电压正弦脉宽调制原理1、正弦脉宽调制（SPWM）波形所谓正弦脉宽调制（SPWM）波形，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，如图所示。图5-41与正弦波等效的等幅不等宽的矩形脉冲波形（a）正弦波形（b）等效的SPWM波形第48页，共55页，2023年，2月20日，星期日图5-42是SPWM变频器主电路的原理图。电机绕组上所获得的相电压为Us/2。图5-42SPWM变压变频器主电路原理图2、SPWM变频器主电路原理图第49页，共55页，2023年，2月20日，星期日3、脉宽调制方法图5-44单极式脉宽调制波的形成a）正弦调制波与三角载波b）输出的SPWM波形第50页，共55页，2023年，2月20日，星期日图5-45三相双极式SPWM波形（a）三相调制波与双极性三角载波（b）U