第6章異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng).

1、第6章異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻調(diào)速特點變頻調(diào)速是通過改變電動機定子供電頻率來改 變同步轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)交流電動機調(diào)速的一種 方法，變頻調(diào)速調(diào)速范圍寬，平滑性好，具有 優(yōu)良的動、靜態(tài)特性，是一種理想的高效率、 高性能的調(diào)速手段。變頻電源過左多采用旋轉(zhuǎn)變頻發(fā)電機組作為變頻電源，但這些 設(shè)備龐人、可靠性差。隨著GTR、IGBT等人功率電 力電子器件的問世，變頻電源獲得了迅速發(fā)展，它們 具有重量輕、體積小、維護方便、慣性小和效率高等 優(yōu)點，但由其組成的變頻電路較復(fù)雜，造價較高。而 功率集成電路的出現(xiàn)，產(chǎn)品價格隨之降低，它集功率 開關(guān)器件、驅(qū)動電路、保護電路、接口電路于一休， 可靠性高，維護方便。因此，

2、目前變頻調(diào)速已成為交 流調(diào)速的主要發(fā)展方向。變頻技術(shù)新型器件的不斷涌現(xiàn)，使變頻技術(shù)獲得了迅速 發(fā)展。以普通晶閘管構(gòu)成的方波形逆變器被全 控型高頻率開關(guān)組成的PWM逆變器取代后， SPWM逆變器及其專用芯片得到普遍應(yīng)用。電 流跟蹤型、磁通跟蹤型PWM逆變器以其控制 簡單，數(shù)字化方便，而呈現(xiàn)出取代傳統(tǒng)SPWM 逆變器的趨勢。交流電動機控制技術(shù)由于交流電動機是多變量、強耦合的非線性系 統(tǒng)，與直流電動機和比，轉(zhuǎn)矩控制要困難的多。 70年代初提出的矢量控制理論，使交流調(diào)速獲 得了與直流調(diào)速同樣優(yōu)良的靜、動態(tài)性能，開 創(chuàng)了交流調(diào)速與直流調(diào)速相競爭的時代，80年 代中期又提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，其控制結(jié) 構(gòu)

3、簡單，便于實現(xiàn)數(shù)字化。近年來，由于電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計 算機技術(shù)的飛速發(fā)展，為交流調(diào)速控制的進步 提供了技術(shù)保障；而控制理論的發(fā)展則為人們 制定先進的交流電機控制策略提供了理論依據(jù)。n 目前，交流調(diào)速控制技術(shù)已發(fā)展成為多學(xué)科、 多門技術(shù)互相交叉的新學(xué)科。6.1變頻調(diào)速基本原理6.1.1變頻調(diào)速基本原理根據(jù)電機學(xué)原理可知，異步電動機的轉(zhuǎn)速為”=“0（1 $） = （1$） （6.1.1）式中，比。為異步電機同步轉(zhuǎn)速；t為定子供電 頻率；P為電動機的極對數(shù)；S為轉(zhuǎn)差率。由此可見，若能連續(xù)地改變異步電動機的供電 頻率兒就可以平滑地改變電動機的同步速度及 電動機軸上的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)異步電動機的

4、無 級調(diào)速，這就是變頻調(diào)速的基本原理。在電動機進行變頻調(diào)速時，希望保持電動機中的 每極磁通吐婦為額定值不變。如果磁通太弱，則沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；磁通過分增加將引起鐵心飽和，導(dǎo)致勵磁電流 急劇增加，使繞組發(fā)熱而損壞電機。那么在變頻調(diào)速時如何保持磁通恒定呢？三相異步電動機定子每相電動勢的有效值式中，V為定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；匕I為基波繞組系數(shù)；血為每極氣隙磁通。由此可見，只要控制好d和/.,便可達到控 制0”的目的，對此，需考慮基頻（額定頻率） 以下和基頻以上兩種情況。1.基頻以下調(diào)速要保持0”不變，當頻率乞從額定值幾向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低Q使這是恒壓頻比的控制方式。低頻時，6和

5、d都較小，定子漏阻抗壓降所占 的份量就比較顯著，不能再忽略。這時，可人 為地把5抬高一些，以便近似地補償定子壓降, 補償多少，視負載的情況而定。帶定子壓降補 償?shù)暮銐侯l比控制特性見怪61丄中的特性b, 無定子壓降補償?shù)奶匦詾閍。2.基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從幾往上提i；j, 但電壓卻那能在I儲加了，最多只能保持U=UN不變。由式(6.1.2)可知，這 將迫使磁通與頻率成反比地減少，相當于直 流電動機弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況結(jié)合起來，可 得圖6.1.2所示的異步電動機變頻調(diào)速的控制 特性。如果電動機在不同轉(zhuǎn)速下都具有額定電 流，則電機都能在溫升允許的條件下長期運

6、行, 這時轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，按照電力拖動原 理，在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì), 而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速”的 性質(zhì)。6.1.2變頻器分類及主回路結(jié)構(gòu)異步電動機變頻調(diào)速需要電壓與頻率均可調(diào)的 交流電源，常用的交流可調(diào)電源是由電力電子 器件構(gòu)成的靜止式功率變換器，一般稱為變頻 器。1.變頻器的分類及其特點(1)變頻器按裝置的結(jié)構(gòu)形式分類交直交變頻器把某一恒壓恒頻的交流電先經(jīng)整流器整流成直 流電，再經(jīng)逆變器變換成電壓和頻率都可調(diào)的 交流電，如圖6.1.3(a)所示。交直交變頻器又稱間接變頻器。這種變頻器 調(diào)頻范圍寬，功率因數(shù)高，可用于各種電力拖 動系統(tǒng)。交交變頻器把某一恒壓恒

7、頻的交流電直接變換成電壓和頻 率都可調(diào)的交流電，如圖6.1.3(b)所示。交交變頻器乂稱直接變頻器。這種變頻器效 率較高，但控制復(fù)雜，主要用于低速犬容量系 統(tǒng)，本書不作介紹。(2)交直交變頻器按直流環(huán)節(jié)直流電源的性質(zhì)分類電壓源型變頻器中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，直流電壓波形比 較平直，在理想情況下是一個內(nèi)阻為零的恒壓源, 如圖6.1.4(a)所示。這種變頻器適用于多臺電動 機同步運行時的供電電源。電流源型變頻器中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，直流電流波形比 較平直，相當于一個恒流源，如圖6.1.4(b)所示。 這種變頻器動態(tài)響應(yīng)較快，適用于可逆系統(tǒng)。2.變頻器主回路結(jié)構(gòu)常用的交直交PWM變頻器主回

8、路結(jié)構(gòu)如圖 6.5所示,由整流器、濾波環(huán)節(jié)和逆變器組成。 整流器由不可控二極管組成三相整流橋，將三 相電網(wǎng)的交流電整流成電壓恒定的直流電壓。 中間的濾波環(huán)節(jié)是為了減小直流電壓脈動而設(shè) 置的。逆變器是將直流電壓變換為電壓與頻率 均可調(diào)的交流電匡，它是變頻器的核心部分， 其開關(guān)器件主要采用GTO、GTR、MOSFET、 IGBT 等。這種形式的主回路只有一套可控功率級，具有 結(jié)構(gòu)簡單、控制方便得優(yōu)點，采用脈寬調(diào)制的 方法，輸出諧波分量小；缺點是能量不能回饋 至電網(wǎng)，當電動機負載工作在回饋制動狀態(tài)時, 造成直流側(cè)電壓上升,稱為泵升電壓。6.1.3逆變器工作原理 由上述可知，變頻器中逆變電路的作用是把

9、I 直流電“逆變”成頻率任意可調(diào)的三相交流電。I 下面通過單相逆變電路來說明“逆變”的過程O單相逆變電路的構(gòu)成及工作過程如圖6.1.6所示，圖中開關(guān)符號代表任何一種電力電子開關(guān)器件。(1) 前半周期令VT1、VT4導(dǎo)通；VT2、VT3截 止。則負載乙 上所得電壓為a+、b“，設(shè)這 時的電壓為“+。(2) 后半周期令VT1、VT4截止；VT2、VT3導(dǎo) 通。則負載乙 上所得電壓為心、b“+,設(shè)這 時的電壓為“。上述兩種狀態(tài)如能不斷地反復(fù)交替進行，則負 載上所得到的便是交變的電壓了。改變兩種狀 態(tài)的切換速度(即改變電力電子開關(guān)器件的開 關(guān)頻率)，便可改變負載兩端交流電壓的頻率。 這就是由直流電壓變

10、為頻率可調(diào)的交流電壓的“逆變”過程。三相橋式逆變電路如圖6.1.7所示,由六個電力電子開 關(guān)器件組成，其工作過程與單相逆變電路相似，控制 各開關(guān)器件輪流導(dǎo)通和關(guān)斷，可使輸出端得到三相交 流電壓。注意：(1) 三相之間互差120；(2) 同一橋臂上、下兩管之間互相換流，每個開關(guān)器件 在一個周期內(nèi)導(dǎo)通180,稱180。導(dǎo)通型逆變器。(3) 為防止同一橋臂的上、下兩管同時導(dǎo)通，即“直通” 現(xiàn)彖的出現(xiàn)，釆用“先斷后通”的方法?？梢姡孀冸娐肥菍崿F(xiàn)變頻的關(guān)鍵部分，它由六個 開關(guān)器件構(gòu)成。這些電力電子開關(guān)器件必須滿足 以下要求：能承受足夠大的電壓和電流；允許長時間頻繁地接通和關(guān)斷；接通和關(guān)斷的控制十分方便

11、。上述逆變電路雖然將直流電壓變成了交流電壓, 但其交流輸出電壓為方波，該方波與交流電動 機所需要的正弦波和差甚遠，故應(yīng)對逆變電路 的控制方式進行改進，使其能輸出比較好的正 弦波電壓，以滿足交流電動機工作的要求。6.2脈寬調(diào)制(PWM)控制技術(shù)PWM (Pulse width modulation)控制技術(shù)就是對 脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列 脈沖的寬度進行調(diào)制，來有效地獲得所需要的 波形。1.基本原理在采樣控制理論中有一個重要結(jié)論：沖量（窄 脈沖的面積）和等而形狀不同的窄脈沖加在具 有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同（是指環(huán) 節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。該結(jié)論是PWM 控制的重要理論基

12、礎(chǔ)。將圖621 (a)所示的正弦波分成N等份.即把正 弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成。這 些脈沖寬度相等(均為兀/N),但幅值不等， 其幅值是按正弦規(guī)律變化的曲線。將每一等份正弦曲線與橫軸所包圍的面積用一個與此面 積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正眩 脈沖的中點重合，且使各矩形脈沖而積與相應(yīng)各正弦部 分面積相等，得到圖621(b)所示的脈沖序列。根據(jù)沖量 相等、效杲相同的原理，該矩形脈沖序列與正弦半波是 等效的。同樣，正弦波的負半周也可用相同的方法來等 效。由圖6.22口丁見,各矩形脈沖在幅值不變的條件下， 其寬度隨正弦規(guī)律變化。這種寬度按正弦規(guī)律變化并和正弦波等效的矩形脈沖

13、序 列稱為SPWM (Sinusoidal PWM)波形。圖621 (b)的矩形脈沖系列就是所期望的變頻器輸出波 形。通常將輸出SPWM波的變頻器稱為SPWM型變頻 器。顯然，當變頻器各開關(guān)器件工作在理想狀態(tài)下 時，驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)器件的信號也應(yīng)為與圖6.2.1(b)形狀 相似的一系列脈沖波形。由于各脈沖的幅值相等，所 以逆變器可由恒定的直流電源供電，即變頻器中的整 流器采用不可控的二極管整流器就可以了。采用SPWM的顯著優(yōu)點是：由于電動機的繞組具有電 感性，因此，盡管電壓是由一系列的脈沖構(gòu)成的，但 通入電動機的電流卻十分逼近正弦波。根據(jù)PWM調(diào)制原理，SPWM脈沖序列中各脈沖的上 升與下降是山正

14、弦波和三角波的交點來決定的。其控 制方法可以是單極式的，也可以是雙極式的。采用單極式控制時，在正弦波的半個周期內(nèi)，每相只 有一個功率開關(guān)開通或關(guān)斷，女口圖6.2.2所示。采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，可獲得一組等高不等 寬的矩形波脈沖。改變脈沖寬度就是改變輸出電壓；改變調(diào)制周期就是改變輸出頻率。可見變壓變頻可同時在逆變器中完成。正弦波的幅值按控制方式變化，當正弦波 的幅值隨給定頻率變化時，三角波的幅值 則不變。如圖623所示,當5的幅值較大時, 所得到的SPWM如圖(b)所示；當 的慚值較 小時，所得到的SPWM如圖(c)所示； 正眩波的頻率隨給定頻率而變，三角波頻率的 變化規(guī)律則由所采用的控制方式

15、（即同步式、異 步式和分段同步式）來決定。同步式控制時，三角波頻率力 隨正弦波頻率力 的變化而變化，兩者頻率之比為一常數(shù)，即= 2=常數(shù)；異步式控制時，正弦波頻率力變化時，三角 波頻率f始終不變，即N工常數(shù)；分段同步式控制時，把整個變頻范圍劃分為 若干頻段，在每個頻段內(nèi)，保持N =常數(shù)， 不同頻段取不同的N值。這三種控制方式各有其特點，不同品牌的變頻 器采用不同的控制方式。實際變頻器中，更多地使用雙極性調(diào)制方法。 雙極性PWM調(diào)制采用的是正負交變的雙極性 三角載波均與正弦調(diào)制波色，如圖623所 Zps o雙極性控制時，逆變部分同一橋臂上下兩個 開關(guān)元件交替通斷。處于互補的工作狀態(tài)。 例如，A和

16、正半周時VT1與VT4交替反復(fù)導(dǎo) 通，調(diào)制波形見圖623。2. SPWM波的實現(xiàn)根據(jù)上述SPWM控制的基本原理，如果給出了 逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期 內(nèi)的脈沖數(shù)，SPWM波形中個脈沖的寬度和間 隔就可以準確計算出來。按照計算結(jié)果控制逆 變電路中個開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需 要的SPWM波形，這種方法稱之為計算法。當 需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時, 結(jié)果都要變化，可見計算法是非常繁瑣的。 與計算法相對應(yīng)的是調(diào)制法，即把希望輸出的 波形作為調(diào)制波(Modulation Wave) ur ,把 受它調(diào)制的信號作為載波(Carrier Wave)色， 通過信號波的調(diào)制得

17、到所期望的SPWM波形。 通常采用等腰三角形作為載波，當調(diào)制信號為 正弦波時，所得到的就是SPWM波，女口圖6.2.4 所示。SPWM的控制就是根據(jù)三角載波與正弦調(diào)制 波比較后的交點來確定逆變器功率器件的開關(guān) 時刻，這個任務(wù)可以用模擬電子電路、數(shù)字電 路或人規(guī)模集成電路芯片等硬件電路來完成， 也可以用微型計算機通過軟件生成SPWM波形。(2)軟件生成SPWM波的算法如圖625所示,在電壓比較器A的兩個輸入端 分別輸入正弦波的調(diào)制電壓冷和三角波的載 波電壓妁，其輸出端便得到一系列等高不等 I 寬的SPWM調(diào)制電壓脈沖竹，其脈沖的寬度 由冷與均 交點之間的距離決定。 然采樣法在1S玄波和三角波的自

18、然交點時刻控制功率開 關(guān)元件的通斷，這種生成SPWM波的方法稱為 自然采樣法。如圖6.2.6, A點為脈沖發(fā)生時刻，B電為脈沖結(jié)束時刻，在三角波的一個周期/內(nèi)，-為 SPWM波的高電平時間，稱作脈寬時間，匚與 4則為低電平時間，稱為間隙時間。顯然 Tc =t. +t2+t3 o定義調(diào)制波與載波的幅值比為調(diào)制比M=unn/utin設(shè)三角載波幅值Ulm = ,則調(diào)制波ur = Msin 卯式中3了為調(diào)制波角頻率，即輸出角頻率。2TJ21 + M sin/1 + M sin4Tc/2得：M1 d（sin0A + sin0B）I 自然采樣法雖能真實地反映脈沖產(chǎn)生與結(jié)束的 時刻，卻難以在實時控制中在線實現(xiàn)，“因為， 。與4都是未知數(shù)，2工3，工，2，求 時需花費較多的計算時間。即使可先將計算結(jié) 果存入內(nèi)存，控制過程中查表定時，也會因參 數(shù)過多而占用計算機太多內(nèi)存和時間，所以， 此法僅限于調(diào)速范圍有限的場合。規(guī)則采樣法所謂規(guī)則采樣法就是在三角載波每一周期內(nèi) 的固定時刻，找到正弦參考波上的對應(yīng)電壓值, 以此值對三角波進行采樣以決定功率元 件的通、斷時刻。圖6.2.7為規(guī)則采樣法生成的SPWM波。它以 三角波的負峰值時找到正弦波上的對應(yīng)點E, 得到再用匕 對三角波采樣， 得到A、B兩開關(guān)點。(1 + A7 sin在規(guī)則采樣法中，由于每個三角載波周期的開 關(guān)點都是確定的，所生成的SPW