交流变频调速系统

第五章交流变频调速系统

第一节变频调速的基本控制方式和机械特性简介第二节变频调速系统无逆变电路第三节晶闸管变频调速系统第四节正弦波脉宽调制的变频调速系统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。

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。

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”。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）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）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交-直-交变偏频器疯的主昂要构军成环瓦节如维图（a）所竿示。羞它先纷把交英流电羽转换横为直罗流电醒，经深中间琴直流竖环节叮后再饼把直树流电饺逆变津成变永频变含压的谋交流经电，蚂又称魂为间波接变引频器高。按惭不同辅的控轰制方树式，初间接拴变频医器有灾图5-沿7中b、c、d三种今情况渣。二、存静止猎型常忆规变拉频器比及特炒点（一牺）间饮接（生交-直-交）谜变压呜变频谨装置图5-7间接变压变频装置的不同结构形式交-交变腥频器祖的主娇要构沙成环苗节如嫩图5-桌8所示处。交-交变可频器授没有设明显怨的中嗓间滤酒波环陷节，轰交流椒电被皇直接体变成撕频率围和电押压可网调的爱交流读电，瓜故又樱称为僚直接孙变频扩器。（二瓦）直捷接（撑交-交）盼变压扭变频舒装置主电路如图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。控制秀角由刮小变关大再烂变小呈，如π/舞2→捷π→兽π/情2如右路图（b）所破示。（1）输科出正临弦波事形的析获得嘱方法常用懒的方万法是止余弦吹交点花法，沟该方望法的丸原则虽是：扛触发顷角的醉变化用和切涂换应腿使得昨整流搜输出蕉电压减的瞬耍时值达与理斤想正史弦电隙压的坏瞬时俊值误军差最咬小。正弦闸波型慕交-交变煮频器在适合肚于低稼频大暗功率温的电挎气传眨动系粱统，颈最高画输出坚频率亩是输充入频备率的1/原3或1/版2。（2）输浅出电狡压有即效值圈和频彼率的秀调节交-交变翠频电碌路的着输出偿电压扯是由暖若干甜段电眼源电哪压拼徒接而浅成的享。在催输出称电压旷的一慈个周英期内叉，所神包含惑的电助源电杏压段取数越狱多，闪其波泊形就血越接尸近正愿弦波特。使控坦制角健从真，改芝变α0，就改铃变了挖输出污电压厅的峰剥值，悬也就夹改变熔了输减出电牵压的博有效蚂值；疑改变α变化馅的速舟率，帝也就精改变刷了输屈出电绞压的备频率伏。（二杰）三相--耕--单相牢交-交变膛频电吗路将两阶组三爬相可蚁逆整纱流器侄反并腊联即叛可构济成单墓相变悠频电趣路。三相伶半波-单相艰交-交变更频电羽路三相剑桥式-单相晨交-交变凝频电将路（三衬）三相随交-交变页频电甜路交-交变灶频器至主要掩用于柱交流爪调速异系统花中，吵因此察实际弓使用将的主昂要是拾三相筒交-交变磨频器阁。三笑相交-交变结频器丽电路牌是由滚三组峰输出困电压豪相位梁互差裂的单敲相交-交变兰频电箩路组限成的翻。1、电贷路的和接线息方式三相浴交-交变霸频电输路主狼要有柳两种服接线向方式稍，即驶公共尺交流佳母线滔进线逆方式井和输菌出星全形联碑结方约式。（1）公其共交午流母感线进箭线方油式它由筛三组劳彼此隐独立序、输肯出电线压相掠位互腔差12愁0度的岔单相巴交-交变脸频电恭路组热成，菌其电僚源进吓线通有过电脸抗器肤接在捕公共婆的交谣流母骡线上魄。由暮于电梳源进商线端财公用恼，所毒以三盈组单挠相变肯频电醒路的厕输出拣端必蚂须隔违离。杰为此达，交跳流电阿机的腥三个屿绕组优必须毫拆开钟，共骗引出创六根淡线。（2）输红出星摩形连劲接方施式由于继变频披器输贫出端美中点累不和地负载感中点矿相连乎接，匀所以摊在构轰成三逐相变僵频器喘的六戴组桥驶式电让路中效，至疫少要轮有不刚同相本的两散组桥金中的顽四个余晶闸把管同灾时导常通才恩能构该成回纠路，流形成尚电流松。2、具目体电尖路结饺构三相盟桥式视整流璃器组版成的朋三相--领--三相伴交-交变决频电传路，蜓采用灾公共甜交流米母线芝进线垫方式三相烟桥式慨整流秤器组主成的陷三相-三相董交-交变仿频电克路，岔给电丸动机筝负载迁供电费，采受用输斜出星散形联绵结方五式（躺负载乞未画合出）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

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。电流源型变频器由电土流型吊变频骨器构学成的合调速吵系统完易实私现回戴馈制劣动。道图5-欢19绘出帮了变较频调裙速系傍统的蛋电动亡和回改馈制砌动两坚种运鼻行状锻态。①电动卖状态穷如图眉（a）所狱示。扯整流眉电压泪极性颠为上凯正下你负，坝电流条由Ud的正劈燕端流越入逆应变器翼，电嫌能由雅交流膨电网屯经变构频器裤传送乏给电添机，撤电机凯处于晃电动膊状态贸。（3）电砖压型拢和电产流源凉型变顺频器领的回舟馈制辰动比错较②回馈太制动泛状态升如图5-削19说b示。钓降低婚变频尺器的包输出万频率迈，使痕转速茧降低某，同是时使娇整流深器UR的α>9今0°，则漏整流拍电压Ud立即乓反向诞，而共电流Id方向伐不变电。于喇是，位逆变景器CS筒I变成友整流讯器，木而整沉流器UR转入纱有源搭逆变槽状态哑，电陈能由夜电机滴回馈爬给交江流电脊网。1、主乏电路昌组成（二吸）18斩0°导电碑型的蜘交-直-交电嫂压型光变频主器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。（三听）12恼0°导电饿型的栏交-直-交电固流型民变频乐器1、主汉电路值的组炭成与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。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

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°

（a）功饺放与叠输出助级功释能原果理图（b）功痛放器游的输妻出波渐形图5-唱33脉冲义功放无与输置出级柄的功能柏原理雨图及烫输出丸波形（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。6、函宾数发轰生器作用绝：①朋在f1m马in~f1n的范务围内阻，将澡频率纹给定邪信号石正比前例转敌换为丧电压介给定嘴信号柏，确脸保恒持转矩粒调速蛙，并肯在低础频段尊将电锤压适占当提等升，敌实现极低频课电压窗补偿舌，保搂证Eg/f1=常数梳；②热在f1n以上导，频蹲率给贪定信基号变伏化，始电压紧给定气信号思保持扇不变斧，使馒输出今电压U1=U1n不变碧。其暖输入预、输恼出关棍系如兔右图爪所示情。7、逻削辑开垮关作用猜是根着据给级定信购号为己正、伯负或巾零来等控制搅电动窜机的陪正转店、反奖转或童停车匠。如躲给定丝式信号孙为正肚，则朋控制贪脉冲某输出殿级按柄正相冶序触覆发，发如给盘定信疮号为淘负，跪则控好制脉晃冲输苍出级尊按负创相序浪触发业，相辽应控验制调浑速电匠动机检的正桌、反浑转。拿如给治定信株号为蛇零，默则逻条辑开靠关将活脉冲优输出害级的忘正负焰脉冲婆都封央锁，云使电吊动机判停车识。二、里转速仍开环衔的电达压型伏晶闸王管变筑频调甲速系泰统该系属统是劈燕没有钱测速霞反馈剧的转露速开橡环变驴频调万速。叹适用折于调艳速要求哲不高遵的场永合。对变朵频器票的要逆求：①在f1n以下罗，进席行恒令转矩披调速骨，即饥要求走在改添变频萝率的脚同时爬，改变煮供电工电压国，保躲证变弄频器迁以恒耍压频酿比Eg/f1=常数胃来控泡制电顾机。②在额蝴定频两率f1n以上音，进冈行近稻似恒西功率携调速炒，即晓要求吐变频似器保持隐输出肆电压旬不变创，只驻改变跳频率窜调速湾。系统煌组成怜说明谁：1）控逮制部傍分分攀上、怖下两宵路，伟上路警实现枯对晶泉闸管畏整流手桥的显变压控对制，嚼下路申实现详对晶每闸管赔逆变呀桥的考变频买控制呼；2）主铺电路该采用南晶闸介管交-直-交电怖压型领变频斯器；3）有柄两个栋控制丙通道节：上蔬为电梁压控乡丰制通舍道，至采用验电压雁闭环佩控制整借流器壳的输瞎出电浪压；啦下为旱频率菠控制赞通道筹，控模制逆溪变器粗的输出频扇率。炎电压窝和频府率控献制采阶用同催一控愈制信嫌号（交来自毕绝对博值运算器扔），挖保证妹二者定之间板的协末调。4）因苏转速黄开环考控制谜，不扔能让省阶跃鞋给定倡信号浪直接翻加到伞系统膝上，为此么设置程了给壤定积师分器但将阶瓣跃信润号转详变成喝合适涛的斜软坡信臭号，辫从而使群电压本和转肃速都煌能平炕缓地稠升高眼或降弓低。5）实卫现系蓝统可监逆只析需改弃变变亭频电什压的杀相序晕，并让不需耗要在舒电压和频透率的棋控制混信号冒上反闹映极布性，陶因此粮，设蜂置了心绝对驳值运断算器贤将给定篇积分窃器的网输出凝变换待成只驴输出饱其绝倘对值倘的信长号。电压镜控制罗采用疲电压熟、电即流双淋闭环定结构棚。内差环设益电流趟调节意器，限制赶动态竞电流预；外眼环设狐电压渣调节全器，践以控秩制变俩频器帖输出秃电压财。电压-频率瓶控制鞠信号俭加到喉电压诱环以府前，雪应补走偿定寇子阻缴抗压槽降，以改蛛善低齿速时谦的机令械特淹性，弟提高该带负骄载能戏力。频率血控制获环节未主要占由压-频变宅换器企、环朽分器沟和脉陕冲放渡大器泊三部分押组成器。2.转速优开环唱的电令流型刚晶闸学管变袍频调莫速系城统主电睡路采钢用了传大电魔感滤企波的绘电流轻源型斤逆变蓄器，仿控制生系统暗采用妖电压-频率企协调归控制资。只惊是电猾压反杂馈环足节有自所不离同。威电压崇源型茅变频牢器直享流电昌压的脊极性策是不稻变的数，而纺电流涂源型旬变频时器在冈回馈灿制动连时直曲流电跑压要受反向阳，因误此后洲者的烫电压品反馈考不能撕从直拨流电税压侧毛引出窗，而抹改从谈逆变奇器的译输出届端引嫩出。系统共中控材制环诊节采道用了轧电压拼、电牌流双寒闭环比的控爷制结腥构。攀内环朽设电汽流调肢节器肾，以觉限制垃动态鹿电流贸；外摆环设转电压岂调节迟器，辱以控浪制变哑频器歼输出共电压甩。第四默节姻正有弦波况脉宽丈调制扇的异歇步电誓动机异变频由调速楚系统一、古电压恒正弦概脉宽签调制摔的变径频调糖速系诸统（一导）电绿压正条弦脉针宽调些制原竞理1、正拒弦脉财宽调递制（SP治WM）波龟形所谓斜正弦宽脉宽泉调制辟（SP会WM）波臂形，抱就是陶与正侵弦波兆等效罢的一垄系列灭等幅烛不等吧宽的绸矩形盼脉冲述波形惊，如壤图所瞒示。图5-液41与正浴弦波钉等效绑的等乏幅不轨等宽驾的矩东形脉挂冲波瓶形（a）正昆弦波嫂形（b）等序效的SP盯WM波形图5-德42是SP赤WM变频之器主垂电路盐的原洒理图惊。电佣机绕雹组上仿所获断得的柿相电健压为Us/2。图5-屠42SP枝WM变压错变频衬器主沾电路钟原理弦图2、SP悄WM变频枪器主案电路置原理蹲图3、脉善宽调惭制方郑法图5-雀44单极搁式脉虽宽调坡制波琴的形晓成a）正沈弦调钳制波隆与三等角载堆波b）输旬出的SP比WM波形图5-番45三相召双极榆式SP缴WM波形（a）三过相调滚制波讯与双串极性恰三角甩载波（b）UU0=f（t）（c）UV0=f（t）剃（d）UW0=f（t）舒（e）UUV=f（t）逆变拴器的订载波惭比N定义为载念波频遍率ft与调基制波捐频率fr之比忠。即N=（二零）SP掩WM逆变盯器的为同步缺调制令和异慎步调处制视载乒波比稼的变权化与典否，润有同睛步调筋制与疲异步抛调制体之分帐。1、同哗步调鹿制：吩在