交流电机变频调速课件

2.3 交流电机变频调速 概概 述述 异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广，是本篇的重点。一、调速系统的主要技术指标静态指标静差度：电机运行于某一条机械特性上时，在额定负载下的转速降与理想空载转速之比，即：不同的设备对静差度有不同的要求。调速范围：式中：nMAX：额定负载时最高转速 nMIN：额定负载时最低转速 调速的平滑性K越接近1，表明平滑性越好 动态指标 最大超调量%表明系统相对稳定性好，即动态响应平稳。过度过程时间：系统从阶跃作用开始，到达系统的新的稳定转速的5%所需的时间，称为过度过程时间ts。振荡次数：在过度过程时间内，被调量在其稳定值上下波动的次数。二、三相异步电机的开环调速方法改变磁极 对数p的调速 改变转差率s调速在绕线转子异步电动机中，改变转子电路的电阻，则在到达最大转矩时的转差率也相应改变。因而在同一负载下，转差率s随之改变。当电阻增加时，转差率s上升，转速下降。该调节方法设备简单、耗能。改变电机端电压调速感应电机控制策略综述 感应电机控制策略综述(续)基于电机稳态模型的控制策略基于电机稳态模型的控制策略 转速开环恒压频比控制转速开环恒压频比控制转速开环恒压频比控制转速开环恒压频比控制 基于稳态模型的转速闭环转差频率控制基于稳态模型的转速闭环转差频率控制基于稳态模型的转速闭环转差频率控制基于稳态模型的转速闭环转差频率控制 基于转差频率估测的恒压频比控制基于转差频率估测的恒压频比控制基于转差频率估测的恒压频比控制基于转差频率估测的恒压频比控制基于动态模型感应电机控制策略基于动态模型感应电机控制策略 基于转子磁场定向矢量控制基于转子磁场定向矢量控制基于转子磁场定向矢量控制基于转子磁场定向矢量控制 基于定子磁场定向矢量控制基于定子磁场定向矢量控制基于定子磁场定向矢量控制基于定子磁场定向矢量控制 其它感应电机控制策略其它感应电机控制策略 基于直接转矩控制基于直接转矩控制基于直接转矩控制基于直接转矩控制 感应电机非线性控制和智能控制感应电机非线性控制和智能控制感应电机非线性控制和智能控制感应电机非线性控制和智能控制 高性能变频调速装置定义 不同不同不同不同评评价价价价标标准准准准高性能高性能高性能高性能变频调变频调速器的性能指速器的性能指速器的性能指速器的性能指标标控制特性控制特性控制特性控制特性 电电机与机与机与机与负载负载参数自参数自参数自参数自动动整定。整定。整定。整定。控制器参数自控制器参数自控制器参数自控制器参数自动调动调整。整。整。整。无速度无速度无速度无速度传传感器矢量控制，感器矢量控制，感器矢量控制，感器矢量控制，调调速范速范速范速范围围至少至少至少至少100:1100:1、有速度、有速度、有速度、有速度传传感感感感器矢量控制，控速比至少器矢量控制，控速比至少器矢量控制，控速比至少器矢量控制，控速比至少1000:11000:1。V/FV/F、无速度无速度无速度无速度传传感器向量控制、有速度感器向量控制、有速度感器向量控制、有速度感器向量控制、有速度传传感器矢量控制三合感器矢量控制三合感器矢量控制三合感器矢量控制三合为为一。一。一。一。低速低速低速低速0.5Hz0.5Hz出力出力出力出力150%150%以上。以上。以上。以上。矢量控制可矢量控制可矢量控制可矢量控制可执执行高精度位置控制。行高精度位置控制。行高精度位置控制。行高精度位置控制。负载负载响响响响应应快，由快，由快，由快，由0%0%变变化到化到化到化到200%200%在在在在100ms100ms以下。以下。以下。以下。零速静止零速静止零速静止零速静止转转矩矩矩矩150%150%以上。以上。以上。以上。网网网网络络通通通通讯讯 具具具具备备多种工多种工多种工多种工业业网网网网络络通通通通讯讯功能。功能。功能。功能。环环境保境保境保境保护护 低低低低电电网网网网污污染染染染(电电网网网网谐谐波与波与波与波与EMIEMI的抑制的抑制的抑制的抑制)。低噪音。低噪音。低噪音。低噪音。低切低切低切低切换损换损耗、高运耗、高运耗、高运耗、高运转转效率。效率。效率。效率。高功率因数高功率因数高功率因数高功率因数输输出。出。出。出。变频器基础知识控制算法项目通用变频器高性能变频器控制算法V/F控制转矩提升同步机异步机控制算法基本相同开环矢量控制（无速度传感器矢量控制）闭环矢量控制（有速度传感器矢量控制）异步机和同步机需要不同的控制算法调速范围1:401:100（开环矢量),1:1000(闭环矢量)启动转矩无要求180%0.5Hz（开环矢量)，200%0速(闭环矢量)稳速精度与转差有关（2-3%)0.5%(开环矢量)，0.05%(闭环矢量)转矩控制无有控制算法简单复杂电机参数不依赖电机参数，支持同时驱动不同类型不同功率的电机电机参数对控制性能的影响较大，一般只能驱动一台电机变频器基础知识变频器关键技术指标输入侧输入侧 额定工作电压：给变频器供电的额定工作电压，各国家不完全一样。中国是220V/单相/50HZ或380V/3相/50HZ电压允许波动：限制变频器的最高和最低工作电压，避免损坏变频器 当电压超过最高值时变频器并没有保护能力频率波动范围：50/60Hz5输出侧输出侧 额定输出电压：变频器的最大输出电压，由额定工作电压决定额定电流：变频器能够长期输出的最大电流过载能力：变频器的输出电流允许超过额定电流的倍数和时间，由逆变 模块决定最大输出频率：变频器能够输出的最大工作频率频率精度：输出频率的准确度（相对于设定频率）频率分辩率：指给定运行频率的最小改变量防护等级防护等级 IP20(不防水）变频器的构成用户接口主回路接口控制回路接口模拟量输入模拟量输出通讯接口控制回路接口开关量输入开关量输出编码器接口变频器的构成主回路接口 工频电网输入380V 3PH/220V 3PH220V 1PH制动电阻直流电抗器三相交流电机变频器的构成变频器的构成控制回路接口控制回路接口接口类型主要特点主要功能开关量输入无源输入，一般由变频器内部24V供电，启/停变频器，接收编码器信号、多段速、外部故障等信号或指令开关量输出集电极开路输出、继电器输出变频器故障、就绪、达速等，参与外部控制模拟量输入0-10V/4-20mA频率给定/PID给定、反馈，接收来自外部的给定或控制模拟量输出0-10V/4-20mA运行频率、运行电流的输出，用于外界显示仪表和外部设备控制脉冲输出PWM波输出功能同模拟量输出（只有个别变频器提供）通讯口RS485/RS232组网控制以上端子均可自由编程变频器保护功能 由于变频器大量的使用了各种半导体器件，如整流桥、IGBT、电解电容等，要想保证变频器长期稳定工作，则必须保证各器件工作在其允许条件下。超出条件则必须立刻或延时停止变频器工作，待异常条件消失后才能重 新开始工作，如保护失效或动作延迟将导致变频器出现不可恢复性损害。保护类型原因缺相输入缺相输入电压值相差超过允许值输出缺相输出电流三相不平衡过流加速/减速/恒速超过变频器允许的最大电流（2倍额定）过载超过变频器允许的过载范围过压加速/减速/恒速直流母线电压超过允许值过热散热器温度超过允许值欠压电网电压过低EMERSON 公司产品情况产品系列MDI经济型通用TD900TD1000/TD2000TD3000TD2100供水TD3100电梯TD3200门机TD3300张力TD3400注塑机低高EV3100电梯多EV1000EV2000经济实用型V/F控制多功能V/F控制电流矢量多功能，矢量控制功能：少全面支持MODBUS/PROFIBUS性能EMERSON 公司产品情况产品系列TD900少多低高调速、通讯操作简便宽电压范围元件化设计功能丰富高稳态性能适用面广行业专用动态性能好总线设计精确控制网络化应用高动态性能行业专用EV1000EV2000TD3000TD3100TD3300成本功能完整的功率段TD2100供水供水专专用用TD32000.4-315KW0.4-5.5KW2.2-75KW门机门机EMERSON 公司产品情况系列命名规则EMERSON 公司产品情况主回路关键器件IGBT驱动电路过流保护过热保护欠压保护IPM（智能功率模块）PIM（功率集成模块）目前以IGBT 和PIM使用较多EMERSON 公司产品情况控制回路关键器件 DSP 电机控制专用CPU TI公司产品 实时控制，快速处理数据 同一机器周期同时处理多条指令 CPLD 大规模可编程逻辑振列，XILINX产品 系统逻辑构成和保护电路 简化数字逻辑 MCU 单片机 ATMEL公司产品 显示与键盘 机器时钟MCUDSP指令1指令2指令3指令4指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令8变频器选型选型原则考虑变频器运行的经济性和安全性，变频器选型保留适当的余量是必要的。要准确选型，必须要把握以下几个原则：l充分了解控制对象性能要求。一般来讲如对启动转矩、调速精度、调速范围要 求较高的场合则需考虑选用矢量变频器，否则选用通用变频器即可l了解负载特性，如是通用场合，则需确定变频器是G型还是P型l了解所用电机主要铭牌参数：额定电压、额定电流。l确定负载可能出现的最大电流，以此电流作为待选变频器的额定电流。如果该 电流小于适配电机额定电流，则按适配电机选择对应变频器，考虑成本因素，如 选用的是通用变频器，则可以选择P型机l以下情况要考虑容量放大一档：1、长期高温大负荷 2、异常或故障停机会出现灾难性后果的现场 3、目标负载波动大 4、现场电网长期偏低而负载接近额定 5、绕线电机、同步电机或多极电机（6极以上）变频器选型选型原则充分了解各变频器支持的选配件是正确选配的基础。对于变频器的选配件选配，必须要把握以下几个原则：l以下情况要选用交流输入电抗器、直流电抗器民用场合，如：宾馆中央空调、电机功率大于55KW以上电网品质恶劣或容量偏小的场合如不选用可能会造成干扰、三相电流偏差大，变频器频繁炸机l以下情况要选用交流输出电抗器变频器到电机线路超过100米（一般原则）l以下情况一般要选用制动单元和制动电阻提升负载频繁快速加减速大惯量（自由停车需要1min以上，恒速运行电流小于加速电流的设备）变频器选型选型原则使用通用变频器的行业和设备使用矢量变频器的行业和设备纺织绝大多数设备纺织有张力控制场合需使用冶金辅助风机水泵、辊道、高炉卷扬冶金各种主轧线、飞剪石化用风机、泵、空压机电梯门机、起重行走电梯、起重提升供水油田用风机、水泵、抽油机、空压机电厂风机水泵、传送带市政锅炉、污水处理部分拉丝机牵引拉丝机的收放卷凹版印刷水泥、陶瓷、玻璃生产线全线传送带矿山风机泵矿山提升机卷烟制丝卷烟成型包装低速造纸及配套风机水泵、制浆高速造纸、切纸机、复卷机中国市场竞争情况市场需求l剔除690V以上高电压等级产品l剔除设备成套进口l剔除交直交以外型式变频器（如：交交、电流型）l高防护等级（如：IP65/防爆）总容量（亿元）有效容量（亿元）中国市场竞争情况重点行业需求重点行业情况（单位：亿元）总计：31.6亿中国市场竞争情况竞争品牌欧美品牌欧美品牌西门子西门子、科比科比、伦茨、施耐德施耐德、ABBABB 丹佛斯丹佛斯、ROCKWELLROCKWELL、VACONVACON、ABAB、西威西威 日本品牌日本品牌富士富士、三菱三菱、安川安川、三垦三垦、日立日立、欧姆龙欧姆龙 松下电器、松下电工、东芝、明电舍明电舍国产品牌国产品牌安邦信、佳灵、森兰森兰、英威腾、康沃、科姆龙、惠丰港台品牌港台品牌台达台达、普传、台安台安、东元、美高韩国品牌韩国品牌LG、现代、三星、收获2.3.1 2.3.1 转速开环恒压频比控制转速开环恒压频比控制 变压变频调速的基本控制方式异步电动机电压频率协调控制时的机械特性变压变频调速的基本控制方式变压变频调速的基本控制方式 在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，m 保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。定子每相电动势（1）式中 Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的 有效值（V）；定子频率（Hz）；定子每相绕组串联匝数；基波绕组系数；每极气隙磁通量（Wb）。f1NskNsm 由式（1）可知，只要控制好 Eg 和 f1，便可达到控制磁通m 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。1.基频以下调速 由式（1）可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg，使 常值 （2）即采用恒值电动势频率比的控制方式采用恒值电动势频率比的控制方式。恒压频比的控制方式 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得（3）这是恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式。但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。OUsf 1图1 恒压频比控制特性 带压降补偿的恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 2.基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us=UsN，这将迫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。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。f1N 变压变频控制特性图2 异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。2.3.3 异步电动机电压频率协调控制异步电动机电压频率协调控制时的机械特性时的机械特性恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性特性基频以下电压基频以下电压-频率协调控制时的机械特性频率协调控制时的机械特性基频以上恒压变频时的机械特性基频以上恒压变频时的机械特性恒流正弦波供电时的机械特性恒流正弦波供电时的机械特性1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的恒压恒频正弦波供电时异步电动机的 机械特性机械特性异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式 Te=f(s)。当定子电压 Us 和电源角频率 1 恒定时，可以改写成如下形式：（4）特性分析当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则（5）也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性 Te=f（s）是一段直线，见图3。特性分析（续）当 s 接近于1时，可忽略式（4）分母中的Rr，则（6）即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te=f（s）是对称于原点的一段双曲线。机械特性 当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示。smnn0sTe100TeTemaxTemax图3 恒压恒频时异步电机的机械特性2 基频以下电压基频以下电压-频率协调控制时的频率协调控制时的 机械特性机械特性 由式（4）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩 Te 和转速 n（或转差率s）的要求，电压 Us 和频率 1 可以有多种配合。在 Us 和 1 的不同配合下机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压频率协调控制。1.恒压频比控制（Us/1）在前面已经指出，为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化。（7）在式（5）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出（9）带负载时的转速降落为（8）由此可见，当 Us/1 为恒值时，对于同一转矩 Te，s1 是基本不变的，因而 n 也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率 1 时，机械特性基本上是平行下移，如图4所示。它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小，（10）可见最大转矩 Temax 是随着的 1 降低而减小的。频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增强带载能力，见图4。机械特性曲线On图4 恒压频比控制时变频调速的机械特性补偿定子压降后的特性2.恒 Eg/1 控制 下图再次绘出异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下：Eg 气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中 的感应电动势；Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电 动势；Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势 （折合到定子边）。图5 异步电动机稳态等效电路和感应电动势 Us1RsLlsLlrLmRr/sIsI0Ir 异步电动机等效电路EgEsEr 特性分析 如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压 Us 的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持 Eg/1 为恒值（基频以下），则由式（1）可知，无论频率高低，每极磁通 m 均为常值。特性分析（续）由等效电路可以看出（11）代入电磁转矩关系式，得（12）特性分析（续）利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（12）分母中含 s 项，则（13）这表明机械特性的这一段近似为一条直线。特性分析（续）当 s 接近于1时，可忽略式（12）分母中的 Rr2 项，则（14）s 值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频比特性相似。性能比较 但是，对比式（4）和式（12）可以看出，恒 Eg/1 特性分母中含 s 项的参数要小于恒 Us/1 特性中的同类项，也就是说，s 值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒 Eg/1 特性的线性段范围更宽。性能比较（续）将式（12）对 s 求导，并令 dTe/ds=0，可得恒Eg/1控制特性在最大转矩时的转差率（15）和最大转矩（16）性能比较（续）值得注意的是，在式（16）中，当Eg/1 为恒值时，Temax 恒定不变，如下图所示，其稳态性能优于恒 Us/1 控制的性能。这正是恒 Eg/1 控制中补偿定子压降所追求的目标。机械特性曲线OnTemax恒 Eg/1 控制时变频调速的机械特性3.恒 Er/1 控制 如果把电压频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒 Er/1 控制，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出（17）代入电磁转矩基本关系式，得（18）现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线，见图6。0s10Te 几种电压频率协调控制方式的特性比较图6 不同电压频率协调控制方式时的机械特性恒 Er/1 控制恒 Eg/1 控制恒 Us/1 控制ab c 显然，恒 Er/1 控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。现在的问题是，怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的 Er/1 呢？按照式（1）电动势和磁通的关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在式（1）中，气隙磁通的感应电动势 Eg 对应于气隙磁通幅值 m，那么，转子全磁通的感应电动势 Er 就应该对应于转子全磁通幅值 rm：（19）由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值 rm=恒值 进 行控制，就可以获得恒 Er/1 了。这正是矢量控制系统所遵循的原则。4几种协调控制方式的比较 综上所述，在正弦波供电时，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。1）恒压频比（Us/1=恒值）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。2）恒Eg/1 控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到rm=恒值，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。3）恒 Er/1 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通 rm 恒定进行控制，即得 Er/1=恒值 而且，在动态中也尽可能保持 rm 恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。3 基频以上恒压变频时的机械特性基频以上恒压变频时的机械特性 性能分析性能分析 在基频以上变频调速时，由于定子电压 Us=UsN 不变，式（4）的机械特性方程式可写成（20）性能分析（续）而式（10）的最大转矩表达式可改写成（21）同步转速的表达式仍和式（7）一样。机械特性曲线恒功率调速恒功率调速O由此可见，当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图所示。图7 基频以上恒压变频调速的机械特性 由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。最后，应该指出，以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗。因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。4 恒流正弦波供电时的机械特性恒流正弦波供电时的机械特性 在变频调速时，保持异步电机定子电流的幅值恒定，叫作恒流控制，电流幅值恒定是通过带PI调节器的电流闭环控制实现的，这种系统不仅安全可靠而且具有良好的动静态性能。恒流供电时的机械特性与上面分析的恒压机械特性不同，现进行分析。转子电流计算设电流波形为正弦波，即忽略电流谐波，由异步电动机等效电路图所示的等效电路在恒流供电情况下可得转子电流计算（续）电流幅值为（22）电磁转矩公式将式（22）代入电磁转矩表达式得（23）最大转矩及其转差率 取dTe/dt=0，可求出恒流机械特性的最大转矩值（24）产生最大转矩时的转差率为（25）机械特性曲线 按上式绘出不同电流、不同频率下的恒流机械特性示于图8。图8 恒流供电时异步电动机的机械特性TeOn 性能比较恒压机械特性的最大转差率和最大转矩，如下：（26）（27）性能比较（续）比较恒流机械特性与恒压机械特性，由上述表达式和特性曲线可得以下的结论：1）恒流机械特性与恒压机械特性的形状相似，都有理想空载转速点（s=0，Te=0）和最大转矩点（sm，Temax）。性能比较（续）3）恒流机械特性的最大转矩值与频率无关，恒流变频时最大转矩不变，但改变定子电流时，最大转矩与电流的平方成正比。2）两类特性的特征有所不同，比较式（25）和式（26）可知，由于 Lls Lm，所以sm|sm|，因此恒流机械特性的线性段比较平，而最大转矩处形状很尖。Is=const.Us=const.4）由于恒流控制限制了电流 Is，而恒压供电时随着转速的降低Is会不断增大，所以在额定电流时 Temax|的要比额定电压时的Temax|小得多，用同一台电机的参数代入式（24）和式（28）可以证明这个结论。但这并不影响恒流控制的系统承担短时过载的能力，因为过载时可以短时加大定子电流，以产生更大的转矩，见图8。Is=const.Us=const.性能比较（续）小小 结结电压Us与频率1是变频器异步电动机调速系统的两个独立的控制变量，在变频调速时需要对这两个控制变量进行协调控制。在基频以下，有三种协调控制方式。采用不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同，其中恒Er/1控制的性能最好。在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。2.4 电力电子变压变频器的主要类型电力电子变压变频器的主要类型交交-直直-交和交交和交-交变压变频器交变压变频器电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器180导通型和导通型和120导通型逆变器导通型逆变器引引 言言 如前所述，对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。最早的VVVF装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发电机，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压和频率。自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组已经无例外地让位给静止式的变压变频器了。交交-直直-交和交交和交-交变压变频器交变压变频器 从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。1.交交-直直-交变压变频器交变压变频器 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。交-直-交变压变频器基本结构图9 交-直-交（间接）变压变频器 变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC 50Hz整流整流 由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如下图所示。交-直-交PWM变压变频器基本结构图10 交-直-交PWM变压变频器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC 50Hz调压调频调压调频C PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（SCR），并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器，见下图。普通交-直-交变压变频器的基本结构SCR可控可控整流器整流器六六 拍拍逆变器逆变器DCACAC 50Hz调频调频调压调压图11 可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器2.交-交变压变频器 交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。交-交变压变频器的基本结构图12 交-交（直接）变压变频器交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF 常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路（下图a）。交-交变压变频器的基本电路结构VRVFId-Id+-+a)电路结构负负载载 50Hz 50Hzu0图13a 交-交变压变频器每一相的可逆线路单相交交变频电路输出电压和电流波形 三相交交变频电路 三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图所示。如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。三相交交变频器的基本结构输出星形联结方式三相交交变频电路三相桥式交交变频电路 因此，这样的交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。这类交-交变频器的其他缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的 1/3 1/2，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，类似于 PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行，但当输出电压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.866。目前这类变压变频器尚处于开发阶段，其发展前景是很好的。电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器 在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电电压压源源型型和电电流流源源型型两类，两种类型的实实际际区区别别在在于于直直流流环环节节采采用用怎怎样样的的滤滤波波器器。下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。两种类型逆变器结构LdIdCdUdUd+-a)电压源逆变器b)电流源逆变器图15 电压源型和电流源型逆变器示意图电压源型逆变器电压源型逆变器（Voltage Source InverterVSI），直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。电流源型逆变器电流源型逆变器（Current Source Inverter CSI），直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。性能比较 两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现如下：（1）无功能量的缓冲）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。（2）能量的回馈）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSI构成的交-直-交变压变频调速系统（如下图所示）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。图16 电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI 电动Te 逆变UCRa）电动运行 电动运行状态P 当电动运行时，UCR的控制角 ，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图a所示。图16 电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI 90o有源逆变1 发电Te整流UCRb）逆变运行逆变运行状态P如果降低变压变频器的输出频率 1，或从机械上抬高电机转速 ，使 1 90，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压Ud 立即反向，而电流 Id 方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图b）。与此相反，采用电压源型的交-直-交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与UCR反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这样做，设备要复杂多了。电压型和电流型变频器的特点 中间电路中间电路比较内容比较内容电流型电流型电压型电压型直流回路滤波环节直流回路滤波环节电抗器电抗器电容器电容器输出电压波形（三相六拍）输出电压波形（三相六拍）当负载为异步电动机时近似当负载为异步电动机时近似为正弦波为正弦波矩形矩形输出电流波形输出电流波形（三相六拍）（三相六拍）矩形矩形当负载为异步电动机时当负载为异步电动机时近似为正弦波近似为正弦波。输出阻抗输出阻抗大大小小再生制动再生制动易于再生制动，不需主回路易于再生制动，不需主回路附加设备。附加设备。再生制动困难，需要在电源再生制动困难，需要在电源侧设置反并联有源逆变器侧设置反并联有源逆变器过流及短路保护过流及短路保护容易容易困难困难动态特性动态特性较慢较慢与电流型相比较快与电流型相比较快对晶闸管要求对晶闸管要求耐压高，对关断时间无严格耐压高，对关断时间无严格要求要求耐压一般较低，关断时间要耐压一般较低，关断时间要求短求短线路结构线路结构较简单较简单较复杂较复杂适用范围适用范围单机、多机拖动单机、多机拖动多机拖动，稳频稳压电源或多机拖动，稳频稳压电源或不停电电源。不停电电源。性能比较（续）（3）动动态态响响应应 正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。（4）输输出出波波形形 电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流波形为方波（见下表）。性能比较（续）表1 两种逆变器输出波形比较性能比较（续）（4）应用场合）应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。180导通型和导通型和120导通型逆变器导通型逆变器 交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源，下图为6个电力电子开关器件VT1 VT6 组成的三相逆变器主电路，图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。三相桥式逆变器主电路结构VT1VT3VT5VT4VT6VT2Ud图17 三相桥式逆变器主电路M3控制方式 控制各开关器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压。在某一瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。在三相桥式逆变器中，有180导通型和120导通型两种换流方式。（1）180导通型控制方式 同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器称作180导通型逆变器。例如，当VT1关断后，使VT4导通，而当VT4关断后，又使VT1导通。这时，每个开关器件在一个周期内导通的区间是180，其他各相亦均如此。由于每隔60有一个器件开关，在180导通型逆变器中，除换流期间外，每一时刻总有3个开关器件同时导通。但须注意，必须防止同一桥臂的上、下两管同时导通，否则将造成直流电源短路，谓之“直通”。为此，在换流时，必须采取“先断后通”的方法，即先给应关断的器件发出关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，叫做“死区时间”，再给应导通的器件发出开通信号。死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快时，所留的死区时间可以越短。为了安全起见，设置死区时间是非常必要的，但它会造成输出电压波形的畸变。输出波形 tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uAOuAOuABiAiduBOuCOuOOUdUd2Ud3Ud62 Ud3电压型逆变电路的波形（2）120导通型控制方式 120导通型逆变器的换流是在不同桥臂中同一排左、右两管之间进行的。例如，VT1关断后使VT3导通，VT3关断后使VT5导通，VT4关断后使VT6导通等等。这时，每个开关器件一次连续导通120，在同一时刻只有两个器件导通，如果负载电机绕组是Y联结，则只有两相导电，另一相悬空。电流型三相桥式逆变电路的输出波形 tOtOtOtOIdiViWuUViU转速闭环转差频率控制的变压变频转速闭环转差频率控制的变压变频 调速系统调速系统0.问题的提出问题的提出 前节所述的转速开环变频调速系统可以满足平滑调速的要求，但静、动态性能都有限，要提高静、动态性能，首先要用转速反馈闭环控制。转速闭环系统的静特性比开环系统强，这是很明显的，但是，是否能够提高系统的动态性能呢？还得进一步探讨一下。电力传动的基本控制规律 我们知道，任何电力拖动自动控制系统都服从于基本运动方程式 提高调速系统动态性能主要依靠控制转速的变化率 d/dt，根据基本运动方程式，控制电磁转矩就能控制 d/dt，因此，归根结底，调速系统调速系统的动态性能就是控制转矩的能力的动态性能就是控制转矩的能力。在异步电机变压变频调速系统中，需要控制的是电压（或电流）和频率，怎样能够通过控制电压（电流）和频率来控制电磁转矩，这是寻求提高动态性能时需要解决的问题。1.转差频率控制的基本概念 直流电机的转矩与电枢电流成正比，控制电流就能控制转矩，因此，把直流双闭环调速系统转速调节器的输出信号当作电流给定信号，也就是转矩给定信号。在交流异步电机中，影响转矩的因素较多，控制异步电机转矩的问题也比较复杂。将 按照恒 Eg/1 控制（即恒 m 控制）时的电磁转矩公式）重写为 代入上式，得 令 s=s1，并定义为转差角频率；，是电机的结构常数。则 当电机稳态运行时，s 值很小，因而 s也很小，只有1的百分之几，可以认 为 s Llr Rr，则转矩可近似表示为 式表明，在s 值很小的稳态运行范围内，如果能够保持气隙磁通m不变，异步电机的转矩就近似与转差角频率s 成正比。这就是说，在异步电机中控制s，就和直流电机中控制电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。控制转差频率就代表控制转矩，这就控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。是转差频率控制的基本概念。2.基于异步电机稳态模型的转差频率控制规律 上面分析所得的转差频率控制概念是在转矩近似公式上得到的，当s 较大时，就得采用精确转矩公式，把这个转矩特性（即机械特性）画在下图可以看出：在s 较小的稳态运行段上，转矩 Te基本上与s 成正比，当Te 达到其最大值Temax 时，s 达到smax值。smaxsmTemaxTemsTeO图 按恒m值控制的 Te=f(s)特性 取 dTe/ds=0 可得 在转差频率控制系统中，只要给s 限幅，使其限幅值为 就可以基本保持 Te与s 的正比关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。这这是转差频率控制的基本规律之一。是转差频率控制的基本规律之一。上述规律是在保持m恒定的前提下才成立的，于是问题又转化为，如何能保持m 恒定？我们知道，按恒 Eg/1 控制时可保持m恒定。在上图的等效电路中可得：由此可见，要实现恒 Eg/1控制，须在Us/1=恒值的基础上再提高电压 Us 以补偿定子电流压降。如果忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时恒 Eg/1 控制所需的电压-频率特性 Us=f(1,Is)如下图所示。图 不同定子电流时恒Eg/控制所需的电压-频率特性OUs/1=Const.Eg/1=Const.定子电流增大的趋势 上述关系表明，只要 Us 和1及 Is 的关系符合上图所示特性，就能保持 Eg/1 恒定，也就是保持 m 恒定。这是转差频率控制这是转差频率控制的基本规律之二。的基本规律之二。总结起来，转差频率控制的规律是：（1）在 s sm 的范围内，转矩 Te 基本上与 s 成正比，条件是气隙磁通不变。（2）在不同的定子电流值时，按上图的函数关系 Us=f(1,Is)控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通m恒定。3.转差频率控制的变压变频调速系统系统组成控制原理性能评价系统组成图 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图FBS电压型逆变器PWMM3 ASR 控制原理 实现上述转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速系统结构原理图如图所示。频率控制频率控制转速调节器ASR的输出信号是转差频率给定 s*，与实测转速信号 相加，即得定子频率给定信号 1*，即 电压控制电压控制由 1和定子电流反馈信号 Is 从微机存储的 Us=f(1,Is)函数中查得定子电压给定信号 Us*，用 Us*和 1*控制PWM电压型逆变器，即得异步电机调速所需的变压变频电源。性能评价 上式所示的转差角频率 s*与实测转速信号 相加后得到定子频率输入信号 1*这一关系是转差频率控制系统突出的特点或优点。它表明，在调速过程中，实际频率1随着实际转速 同步地上升或下降，有如水涨而船高，因此加、减速平滑而且稳定。性能评价（续）同时，由于在动态过程中转速调节器ASR饱和，系统能用对应于 sm 的限幅转矩Tem 进行控制，保证了在允许条件下的快速性。性能评价（续）由此可见，转速闭环转差频率控制的交流变压变频调速系统能够象直流电机双闭环控制系统那样具有较好的静、动态性能，是一个比较优越的控制策略，结构也不算复杂。然而，它的静、动态性能还不能完全达到直流双闭环系统的水平，存在差距的原因有以下几个方面：性能评价（续）（1）在分析转差频率控制规律时，是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发的，所谓的“保持磁通 m恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。在动态中 m如何变化还没有深入研究，但肯定不会恒定，这不得不影响系统的实际动态性能。性能评价（续）（2）Us=f(1,Is)函数关系中只抓住了定子电流的幅值，没有控制到电流的相位，而在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素。性能评价（续）（3）在频率控制环节中，取 1=s+，使频率得以与转速同步升降，这本是转差频率控制的优点。然而，如果转速检测信号不准确或存在干扰，也就会直接给频率造成误差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。