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1、第第1111章章 交流电动机调速控制交流电动机调速控制 1 1、交流、交流电动机的基本结构及工作原理电动机的基本结构及工作原理2 2、交流、交流电动机的机械特性电动机的机械特性3 3、交流交流电动机的电动机的调速调速特性特性4 4、交流电动机的各种调速控制系统交流电动机的各种调速控制系统第一节第一节 交流电动机的工作原理和机械特性交流电动机的工作原理和机械特性一、三相异步电动机的基本结构一、三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成 定子由定子铁心、绕组以及机座组成。定子由定子铁心、绕组以及机座组成。 定子铁心是磁路的一部分，
2、定子铁心是磁路的一部分，它由它由0.5mm的硅钢片叠压而成，的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。定子铁心的硅钢片的内流损耗。定子铁心的硅钢片的内圆冲有定子槽，槽中安放线圈，圆冲有定子槽，槽中安放线圈，如图所示。硅钢片铁心在叠压后如图所示。硅钢片铁心在叠压后成为一个整体，固定于机座上。成为一个整体，固定于机座上。 定子绕组是电动机的电定子绕组是电动机的电路部分。三相电动机的定子绕路部分。三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分布在组分为三个部分对称地分布在定子铁心上，称为三相绕组，定子铁心上，称为三相绕组，分别用分别用AX、BY、CZ表示，其表示，其
3、中，中，A、B、C称为称为首端首端，而，而X、Y、Z称为称为末端末端。 机座主要用于固定与支撑定子铁心。中小型异步电动机一般采用铸铁机座主要用于固定与支撑定子铁心。中小型异步电动机一般采用铸铁 机座。根据不同的冷却方式采用不同的机座型式。机座。根据不同的冷却方式采用不同的机座型式。 三相绕组接入三相交流电源，定子铁心中产生三相绕组接入三相交流电源，定子铁心中产生旋转磁场旋转磁场。 转子铁心也是电动机磁路转子铁心也是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠压而成。的一部分，由硅钢片叠压而成。转子铁心装在转轴上。硅钢片转子铁心装在转轴上。硅钢片冲片如图所示。冲片如图所示。 转子由铁心与绕组组成转子由铁心与绕
4、组组成 线绕式和鼠笼式两种电动机的转子构造虽然不同，但工作原理是一致线绕式和鼠笼式两种电动机的转子构造虽然不同，但工作原理是一致的。转子的作用是的。转子的作用是产生转子电流，即产生电磁转矩产生转子电流，即产生电磁转矩。 鼠笼式鼠笼式异步电动机转子绕组异步电动机转子绕组是在转子铁心槽里插入是在转子铁心槽里插入铜条铜条，再，再将全部铜条两端焊在两个铜端环将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成。上而组成。 线绕式线绕式异步电动机转子绕组异步电动机转子绕组是由线圈绕组放入转子铁心槽内，是由线圈绕组放入转子铁心槽内，并分为三并分为三相对称绕组相对称绕组，与定子产，与定子产生的磁极数相同。线绕式转子通生的磁
5、极数相同。线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善启动中接入外加电阻，用以改善启动性能与调节转速。性能与调节转速。 二、三相异步电动机的工作原理二、三相异步电动机的工作原理 1 1、定子旋转磁场定子旋转磁场 假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且A A相绕组的电相绕组的电流作为参考正弦量，即流作为参考正弦量，即 i iA A的初相位为零，则三相绕组的初相位为零，则三相绕组A A、B B、C C的电流（相序的电流（相序为为ABCABC）的波形如图，按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成
6、磁场，如图）的波形如图，按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场，如图箭头所示。合成磁场从箭头所示。合成磁场从 t t=0 =0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了瞬间所在位置顺时针方向旋转了 。 如果将定子绕组接至电源的三根导线中的如果将定子绕组接至电源的三根导线中的任意两根线对调任意两根线对调，例如将，例如将B B、C C 两根线对调，使两根线对调，使B B相与相与C C相绕组中电流的相位对调，如图所示。相绕组中电流的相位对调，如图所示。 由此可见，由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组接到电源的三根导线中要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组接到电源的三根导线中 的任意两根对调即
7、可。的任意两根对调即可。 2、工作原理、工作原理 三相异步电动机的工作原理是三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。作用。 假设定子只有一对磁极，转子只假设定子只有一对磁极，转子只有一匝绕组。有一匝绕组。 在旋转磁场的作用下，转子导体在旋转磁场的作用下，转子导体切割磁力线（其方向与旋转磁场的旋切割磁力线（其方向与旋转磁场的旋转方向相反），因而在导体内产生感转方向相反），因而在导体内产生感应电动势应电动势e从而产生感应电流从而产生感应电流i。根据。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互
8、作用产生电磁力F（其方向用（其方向用左手定则决定），这力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩作用方向与旋左手定则决定），这力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转起来。转起来。 旋转磁场是三相异步电动机赖以工作的基础，其转速（同步转速）为旋转磁场是三相异步电动机赖以工作的基础，其转速（同步转速）为n0 ,转子的旋转速度称为电动机的转速，用转子的旋转速度称为电动机的转速，用n表示。表示。3、转转差率差率 S 由工作原理可知：转子的转速由工作原理可知：转子的转速n（电
9、动机的转速）恒比旋转磁场的旋转（电动机的转速）恒比旋转磁场的旋转速度速度n0（同步速度）要小。因为如果两种速度相等时，转子和旋转磁场没有（同步速度）要小。因为如果两种速度相等时，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁力线，因此不能产生电磁转矩，转子将不能继相对运动，转子导体不切割磁力线，因此不能产生电磁转矩，转子将不能继续旋转。续旋转。转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，也是异，也是异步电动机的由来。步电动机的由来。00nnnS 转差率转差率S是分析异步电动机运行特性的主要参数。是分析异步电动机运行特性的主要参数。 pfn
10、600 转差率：用表示转差率：用表示S，即转速差与同步转速，即转速差与同步转速n0的比值。的比值。1、三相异步电动机的定子电路、三相异步电动机的定子电路 三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕 组，转子绕组相当于副绕组。组，转子绕组相当于副绕组。 定子绕组接上三相电源电压（相电压为定子绕组接上三相电源电压（相电压为u1）时，则有三相电流通过（相）时，则有三相电流通过（相电流为电流为i1），定子三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而），定子三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，
11、这磁场不仅在闭合，这磁场不仅在转子每相绕组中要感应出电动势转子每相绕组中要感应出电动势e2，而且在，而且在定子每相绕定子每相绕组中也要感应出电动势组中也要感应出电动势e1。三、三、 三相异步电动机的定子电路与转子电路三相异步电动机的定子电路与转子电路 如图所示电路图是三相异步电动机的一相电路图。如图所示电路图是三相异步电动机的一相电路图。 加在定子每相绕组上的电压分成三个分量，即加在定子每相绕组上的电压分成三个分量，即)(dd)()(11L11111111etiLRieeRiuL 如用复数表示，则为如用复数表示，则为 )(j)()(1111111111EXIRIEERIUL 式中：式中： 和和
12、 ( )为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。1R1XL11 21LfX 由于由于R1和和X1较小，其上电压降与电动势较小，其上电压降与电动势E1比较起来，常可忽略，于是比较起来，常可忽略，于是 EU111EU tNedd11 111144. 444. 4fNNfE当外加电源电压不变时，定子绕组中的磁通基本不变。当外加电源电压不变时，定子绕组中的磁通基本不变。 旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为tNedd22 其有效值为其有效值为 2222444444SfN.Nf.E 式中，式中，f2为转子电动势为转子电动势e2或转子电流
13、或转子电流i2相对于旋转磁场的频率相对于旋转磁场的频率. 因为旋转磁场和转子间的相对转速为因为旋转磁场和转子间的相对转速为 n0-n1000026060Sfpnnnn)nn(pf 在在 n=0 ，即，即S=1时，转子电动势为时，转子电动势为 2120444Nf.E 为转子最大电动势为转子最大电动势202SEE 可见可见转子电动势转子电动势E2与转差率与转差率S有关。有关。2、三相异步电动机的转子电路、三相异步电动机的转子电路 对于转子每相电路，有对于转子每相电路，有 tiLRieRiedd)(2L222L2222 如用复数表示，则为如用复数表示，则为 22222222j)(XIRIERIEL
14、式中，式中，R2和和X2转子每相绕组的电阻和漏磁感抗转子每相绕组的电阻和漏磁感抗 L21L22222LSfLfX L21202LfX 202SXX 在在 n=0 ，即，即 S=1 时，转子感抗为时，转子感抗为为转子最大感抗为转子最大感抗 可见可见转子感抗转子感抗E2与转差率与转差率S有关。有关。 转子每相电路的电流为转子每相电路的电流为 2202220222222)SX(RSEXREI 可见可见转子电流转子电流I2也与转差率也与转差率S有关有关。当。当S增大，即转速增大，即转速n降低时，转子与降低时，转子与旋转磁场间的相对转速增加，转子导体被磁力线切割的速度提高，于是旋转磁场间的相对转速增加，
15、转子导体被磁力线切割的速度提高，于是E2增加，增加，I2也增加。也增加。220222222222cosSXRRXRR转子电路功率因数为转子电路功率因数为(I2滞后滞后E2) 对一台异步电动机而言，对一台异步电动机而言， R2和和X20 基本上不变，所以基本上不变，所以I2、cos2均随均随S的的变化而变化。变化而变化。1、转矩特性、转矩特性 电磁转矩（以下简称转矩）是三相异步电动机最重要的物理量之一。电磁转矩（以下简称转矩）是三相异步电动机最重要的物理量之一。 机械特性是它的主要特性。机械特性是它的主要特性。22mcos IKT 22022212444)SX(RNf.SI 所以所以220222
16、222022212)SX(RUSRK)SX(RUSRKT 因为因为转矩特性转矩特性 式中，式中，K与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数；与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数； U1 、U定子绕组电压，电源电压；定子绕组电压，电源电压； R2转子每相绕组的电阻；转子每相绕组的电阻； X20 电动机不动（电动机不动（S=1）时转子每相绕组的感抗。）时转子每相绕组的感抗。四、三相异步电动机的转矩特性和机械特性四、三相异步电动机的转矩特性和机械特性 2、机械特性、机械特性 在异步电动机中，转速在异步电动机中，转速 n=(1-S)n0，为了符合习惯画法，可将曲线换成，为了符合习惯画法，可将曲线换
17、成转速与转矩之间的关系曲线，即称为异步电动机的机械特性。转速与转矩之间的关系曲线，即称为异步电动机的机械特性。 （1）固有机械特性）固有机械特性 异步电动机在异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子 电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有（自然）机械特性。称为固有（自然）机械特性。 根据根据 00nnnS 三相异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。三相异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。220222222022212)SX(RUSRK)SX(RUSRKT 从特性曲线上可以看出
18、，其上有从特性曲线上可以看出，其上有四个特殊点可以决定特性曲线的基本形四个特殊点可以决定特性曲线的基本形状和异步电动机的运行性能，这四个特状和异步电动机的运行性能，这四个特殊点是：殊点是： 0010 S,nn,T 电动机处于理想空载工作点，此时电动机的转速为电动机处于理想空载工作点，此时电动机的转速为理想空载转速理想空载转速。TssmTmax00nn01 NNN,2SSnnTT 电动机电动机额定工作点额定工作点。此时额定转矩和额。此时额定转矩和额定转差率为定转差率为 NnPTNN55. 9 0N0NnnnS 式中式中: PN电动机的额定功率；电动机的额定功率； nN电动机的额定转速，一般电动机
19、的额定转速，一般 SN电动机的额定转差率，一般电动机的额定转差率，一般 TN电动机的额定转矩。电动机的额定转矩。0N)985. 094. 0(nn 015. 006. 0N S 1, 0,3st SnTT电动机的电动机的启动工作点。启动工作点。 2202222stXRURKT 当施加在定子每相绕组上的电压降低时，启动转矩会明显减小；当施加在定子每相绕组上的电压降低时，启动转矩会明显减小； 而若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。而若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。 通常把在固有机械特性上启动转矩通常把在固有机械特性上启动转矩Tst与额定转矩与额定转矩TN之比之比 st=Tst/TN 作为衡
20、作为衡 量异步电动机启动能力的一个重要数据。一般量异步电动机启动能力的一个重要数据。一般 2 . 10 . 1st mmmax,4SSnnTT 电动机的电动机的临界工作点临界工作点。临界转差率临界转差率 202m/ XRS 202max2XUKT 最大转矩最大转矩电动机的电动机的过载能力系数：过载能力系数：固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比Nmaxm/TT 它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小，是电动机的又一个重要运它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小，是电动机的又一个重要运 行参数。行参数。 鼠笼式异步电动机鼠笼式异步电动机 2 . 28
21、 . 1m 线绕式异步电动机线绕式异步电动机8 . 25 . 2m （2）人为机械特性）人为机械特性 异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，也与外加电源电压、电异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以改变而获得的特性称为异步电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以改变而获得的特性称为异步电动机的动机的人为机械特性人为机械特性。 定子电压定子电压U定子电源频率定子电源频率f定子电路串入电阻或电抗定子电路串入电阻或电抗转子电路串入电阻或电抗转子电路串入电阻或电抗人为机械特性人为机械特性改变改变 由于异步电动机对电网电压的波动非常敏感，运行
22、时，如电压降低由于异步电动机对电网电压的波动非常敏感，运行时，如电压降低太多，会大大降低它的过载能力与启动转矩，甚至使电动机发生带不动太多，会大大降低它的过载能力与启动转矩，甚至使电动机发生带不动负载或者根本不能启动的现象。负载或者根本不能启动的现象。220222222022212)SX(RUSRK)SX(RUSRKT )S(pf)S(nn16010 即改变转差率即改变转差率S； 改变极对数改变极对数p； 改变频率改变频率f。定子电压、转子电阻、转子电压定子电压、转子电阻、转子电压 第二节第二节 三相异步电动机的调速特性三相异步电动机的调速特性220222222022212)SX(RUSRK)
23、SX(RUSRKT 一、调压调速一、调压调速 改变电源电压改变电源电压时的人为机械特性如图所示，时的人为机械特性如图所示， 特点：特点： 1. 高速工作时，调速范围不大（恒转矩负载），特性变软。（改进方高速工作时，调速范围不大（恒转矩负载），特性变软。（改进方 法：法：提高转子电阻、带速度负反馈）提高转子电阻、带速度负反馈） 2. 低速工作时（泵类负载），调速范围宽，转子电路电流大，容易烧坏低速工作时（泵类负载），调速范围宽，转子电路电流大，容易烧坏 电动机电动机 。适用鼠笼式适用鼠笼式异步电动机。异步电动机。 3、无级调速、无级调速 Nmax2202222st202max0m0202m026
24、0TTXRURKTXUKTnnnXRSpfn 二、二、 转子电路串电阻调速转子电路串电阻调速 这种调速方法这种调速方法只适用于线绕式异步电动机只适用于线绕式异步电动机，其启动电阻可兼作调速电阻用，其启动电阻可兼作调速电阻用 Nmax2202222st202max0m0202m0260TTXRURKTXUKTnnnXRSpfn 1、调速、调速简单可靠简单可靠，是，是有级调速有级调速。 2、随转速降低，、随转速降低，特性变软特性变软。 3、转子电路电阻损耗与转差率成正比，低速时、转子电路电阻损耗与转差率成正比，低速时损耗大损耗大。 所以，这种调速方法大多用在重复短期运转的生产机械中，如在起重运输设
25、备中所以，这种调速方法大多用在重复短期运转的生产机械中，如在起重运输设备中 应用非常广泛。应用非常广泛。 特点：特点： 4、空载和轻载时、空载和轻载时调速范围窄调速范围窄。改进：改进：串级调速串级调速四、变频调速四、变频调速 三、三、 改变磁极对数调速改变磁极对数调速 略略 fKfXTTXRURKTXUKTnnnXRSpfn1,26020Nmax2202222st202max0m0202m0注意到：注意到： fn 0fS/1m fT/1st 不不变变maxT 一般变频调速采用恒转矩调速一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最，即希望最大转矩保持为恒值，为此在改变频率的同时，大转矩保持为恒值，为此在
26、改变频率的同时，电源电压也要作相应的变化，使电源电压也要作相应的变化，使 U/f =C ，这，这在实质上是使电动机气隙磁通保持不变。在实质上是使电动机气隙磁通保持不变。 1、无级调速、无级调速 2、调速范围大、调速范围大 3、特性硬度不变、特性硬度不变 4、需要专门的变频电源、需要专门的变频电源 变频调速用于一般鼠笼式异步电动机变频调速用于一般鼠笼式异步电动机，采用一个频率可以变化的电源，采用一个频率可以变化的电源向异步电动机定子绕组供电，这种变频电源多为晶闸管变频装置。向异步电动机定子绕组供电，这种变频电源多为晶闸管变频装置。特点：特点： 第三节第三节 三相异步电动机的调速系统三相异步电动机
27、的调速系统调压调速调压调速变频调速变频调速串级调速串级调速鼠笼式异步电动机鼠笼式异步电动机线绕式异步电动机线绕式异步电动机 当电源电压为正半当电源电压为正半周时，触发周时，触发VS1使之导通，使之导通，电压过零时，电压过零时，VS1自行关自行关断；断； 当电源电压为负半当电源电压为负半周时，触发周时，触发VS2使之导通，使之导通，电压过零时，电压过零时，VS2自行关自行关断；断； 如此不断重复，负载上便得到正负对称的交流电压。改变晶闸管控制角如此不断重复，负载上便得到正负对称的交流电压。改变晶闸管控制角 的大小，就可以改变负载上交流电压的大小。的大小，就可以改变负载上交流电压的大小。1. 单相
28、交流调压电路原理单相交流调压电路原理 一、采用晶闸管的交流调压电路一、采用晶闸管的交流调压电路 2. 三相交流调压电路原理三相交流调压电路原理 将三对反并联的晶闸管（即单将三对反并联的晶闸管（即单相调压电路）分别接至三相负载就相调压电路）分别接至三相负载就构成了一个典型的三相交流调压电构成了一个典型的三相交流调压电路。路。 负载可以是星形连接，也可以负载可以是星形连接，也可以是三角形连接。是三角形连接。 三相负载三相负载Y形连接形连接 单相调压电路单相调压电路 三相交流电压三相交流电压 3、调压调速系统调压调速系统v 轻载时，外加电压变化很大，转速变化很小。即电动机的转速变化范围不大；轻载时，
29、外加电压变化很大，转速变化很小。即电动机的转速变化范围不大；v 重载时，降低供电电压，转速下降快，甚至停转，引起电动机过热甚至烧坏；重载时，降低供电电压，转速下降快，甚至停转，引起电动机过热甚至烧坏；v 如果要使电动机能在低速段运行，一方面传动系统运行不稳定，另外，随着电动如果要使电动机能在低速段运行，一方面传动系统运行不稳定，另外，随着电动 机转速的降低会引起转子电流相应增大，可能引起过热而损坏电动机机转速的降低会引起转子电流相应增大，可能引起过热而损坏电动机。 实际使用此方法时，实际使用此方法时，一般可将电动机转子的鼠笼材料由铸铝改为电阻率较大的黄一般可将电动机转子的鼠笼材料由铸铝改为电阻
30、率较大的黄铜条，机械特性得到改善；另一方面采用转速负反馈构成闭环系统。铜条，机械特性得到改善；另一方面采用转速负反馈构成闭环系统。 为了既能保证低速时的机械特性硬度，又能保证一定的负载能力，一般为了既能保证低速时的机械特性硬度，又能保证一定的负载能力，一般 在调压调速系统里采用转速负反馈构成闭环系统。在调压调速系统里采用转速负反馈构成闭环系统。 调压调速方法不太适合于长期工作在低速的工作机械，如要用于这种机调压调速方法不太适合于长期工作在低速的工作机械，如要用于这种机 械，电动机容量就要适当选择大一些，如电梯、卷扬机等。械，电动机容量就要适当选择大一些，如电梯、卷扬机等。电源电压电源电压给定电
31、压给定电压适用于通风机、泵类机械。适用于通风机、泵类机械。二、晶闸管变频调速系统二、晶闸管变频调速系统1、变频调速的原理、变频调速的原理 若外加电压不变，则磁通随频率改变而改变。若外加电压不变，则磁通随频率改变而改变。频率降低，则磁通增加频率降低，则磁通增加；频率增加，磁通降低。频率增加，磁通降低。 前者有可能造成电动机的磁路过饱和，从而导致励磁电流的增加而引起前者有可能造成电动机的磁路过饱和，从而导致励磁电流的增加而引起铁心过热；后者会影响过载能力，严重时会使电动机堵转。铁心过热；后者会影响过载能力，严重时会使电动机堵转。 因此因此在变频调速系统中，变频的同时也变压在变频调速系统中，变频的同
32、时也变压，即频率与电压能协调控制，即频率与电压能协调控制，使磁通恒定。所以一般使用的变频器都兼有调频和调压两种功能，即使磁通恒定。所以一般使用的变频器都兼有调频和调压两种功能，即VVVF(Variable Voltage and Variable Frequency）变频器。）变频器。11EU 111144. 444. 4fNNfE基频以下的基频以下的恒磁通恒磁通变频调速属于变频调速属于恒转矩调速（常用）恒转矩调速（常用）基频以上的基频以上的弱磁通弱磁通变频调速属于变频调速属于恒功率调速恒功率调速在变频调速系统中，主要装置就是变频器。在变频调速系统中，主要装置就是变频器。 2、交、交-直直-交
33、变频调速系统交变频调速系统交流电交流电幅值可调的直流电幅值可调的直流电幅值、频率均可调的交流电幅值、频率均可调的交流电可控整流电路可控整流电路逆变电路逆变电路晶闸管变频器晶闸管变频器交交交变频器交变频器交交直直交变频器交变频器（1）单相交）单相交直直交变频原理交变频原理整流整流装置装置逆变逆变装置装置DCACAC变频变频变压变压恒压恒压恒频恒频50Hz中间直流环节中间直流环节工作原理：工作原理：整流与逆变装置电路整流与逆变装置电路特点：特点：* Uo 电压幅值由电压幅值由Ud 定定* Uo 电压频率由逆变器开关频率定电压频率由逆变器开关频率定* Uo 电压频率不受电源频率限制电压频率不受电源频
34、率限制整流整流-逆变，按要求导通逆变，按要求导通;要求：尽可能接近正弦波要求：尽可能接近正弦波（2）三相交）三相交直直交变频器原理交变频器原理变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4 4个部分组成。个部分组成。整流部分：整流（可控或不可控）整流部分：整流（可控或不可控）逆变部分：通过控制电路的控制，输出电压、频率可调的交流电压。逆变部分：通过控制电路的控制，输出电压、频率可调的交流电压。中间直流环节：为滤波、直流储能和缓冲无功功率。中间直流环节：为滤波、直流储能和缓冲无功功率。电容：电容：电压型变频器电压型变频器电感：电感：电流型变频器
35、电流型变频器变频器分类变频器分类 交交-直直-交变频器交变频器1-采用可控整流器变压，采用可控整流器变压，采用逆变器变频；采用逆变器变频； 交交-直直-交变频器交变频器2-采用不控整流器整采用不控整流器整流，斩波器变压，逆变流，斩波器变压，逆变器变频；器变频； 交交-直直-交变频器交变频器3-采用不控整流器整流，采用不控整流器整流，PWMPWM逆变器同时变频变压；逆变器同时变频变压；可控可控整流整流逆变逆变DCACAC50Hz调压调压逆变逆变不控不控整流整流逆变逆变DCAC50Hz调压调压逆变逆变斩斩波波器器DC不控不控整流整流PWM逆变器逆变器DCAC50Hz调压逆变调压逆变调压调频可分开进
36、行，也可同时进行。调压调频可分开进行，也可同时进行。 目前一般工业领域的目前一般工业领域的通用型变频器多属于电压型，采用的是正弦脉宽通用型变频器多属于电压型，采用的是正弦脉宽调制控制调制控制(SPWM），），它的调压调频均由逆变电路实现。它的调压调频均由逆变电路实现。整流电路：整流电路：将工频交流将工频交流电整流为脉电整流为脉动直流电。动直流电。滤波电路滤波电路：将脉动直：将脉动直流电变为较平滑的直流电变为较平滑的直流电。流电。逆变电路：逆变电路：将直流电变为频率将直流电变为频率和电压可调的三相交流电。和电压可调的三相交流电。逆变原理：逆变原理：IGBT（绝缘栅双极（绝缘栅双极晶体管）可控开关
37、、晶体管）可控开关、SPWM原原理。理。SPWM控制的目的控制的目的: 通过对逆变电路输出脉冲的宽度进行调制，使之与正弦波等效，从而驱通过对逆变电路输出脉冲的宽度进行调制，使之与正弦波等效，从而驱动相应的负载工作。动相应的负载工作。将一个正弦波电压分为将一个正弦波电压分为N份，并把正弦份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的面积相等的等幅矩形脉冲等幅矩形脉冲来代替，来代替，脉冲的脉冲的宽度与正弦波的大小成正比，宽度与正弦波的大小成正比，这样得到的这样得到的脉冲列，就是脉冲列，就是SPWM波。波。 调制方法调制方法: 利用载波和调制波相比较的
38、方式来利用载波和调制波相比较的方式来 确定脉宽和间隔确定脉宽和间隔 调制波调制波: 所希望生成的正弦波所希望生成的正弦波 载载 波波：等腰三角波或锯齿波：等腰三角波或锯齿波单极性控制单极性控制: 任一时刻载波与调制波的极性相同，在任意半个周期任一时刻载波与调制波的极性相同，在任意半个周期SPWM波单方向变波单方向变化化 ；ur uT时，有脉冲；时，有脉冲； ur uT时，无脉冲时，无脉冲双极性控制：双极性控制： 载波双方向变化，在任意半个周期载波双方向变化，在任意半个周期SPWM波双方向变化；波双方向变化； ur uT 用等幅值的（大小为直流电用等幅值的（大小为直流电压）、宽度按正弦规律变化的
39、矩压）、宽度按正弦规律变化的矩形脉冲作为逆变器各开关元件的形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号，则在逆变器输出端可控制信号，则在逆变器输出端可获得一组类似的矩形脉冲，可用获得一组类似的矩形脉冲，可用正弦波信号来等效。正弦波信号来等效。 输出电压的大小和频率均由正弦电压来控制输出电压的大小和频率均由正弦电压来控制，当改变正弦电压幅值时，脉宽随，当改变正弦电压幅值时，脉宽随之改变，从而可改变输出电压的大小；当改变正弦电压频率时，输出电压的频率随之改变，从而可改变输出电压的大小；当改变正弦电压频率时，输出电压的频率随之改变。以此来实现调压调频的目的。之改变。以此来实现调压调频的目的。图示为图示为三相
40、三相SPWM逆变器工逆变器工作在双极性控制方式时的输出电作在双极性控制方式时的输出电压波形，三相控制方式相同，只压波形，三相控制方式相同，只是相位上相差是相位上相差120。实现方法：实现方法：硬件方式硬件方式-模拟电子电路、数模拟电子电路、数 字电子电路、专用字电子电路、专用 集成电路芯片；集成电路芯片；软件方式软件方式-用计算机通过软件用计算机通过软件 生成生成SPWM波形；波形；三、晶闸管串级调速系统三、晶闸管串级调速系统该调速方法该调速方法适用于线绕式异步电动机。适用于线绕式异步电动机。1、串级调速的原理、串级调速的原理绕线式异步电动机的串级调速，就是在转子回路中串入一个可控的转绕线式异
41、步电动机的串级调速，就是在转子回路中串入一个可控的转子外加电压子外加电压 ，其频率与转子频率相同，其相位与转子电势反相或同相。，其频率与转子频率相同，其相位与转子电势反相或同相。2202220222222)SX(RSEXREI 以串入反相的附加电势为例说明调速过程以串入反相的附加电势为例说明调速过程的附加电势的附加电势的附加电势的附加电势2、串级调速的机械特性、串级调速的机械特性 该图为应用广泛的串级调速系统。该图为应用广泛的串级调速系统。 转子绕组端接进一个不可控的整流器，转子绕组端接进一个不可控的整流器，这样串入的附加电势可采用可调直流电源。这样串入的附加电势可采用可调直流电源。当当Ead
42、=0时，电动机在接近于额定转速下时，电动机在接近于额定转速下运转，若改变运转，若改变Ead的大小就可改变电动机的大小就可改变电动机转速。转速。 该图为转速低于同步转速时的一组机械该图为转速低于同步转速时的一组机械特性。特性。 可见串级调速时异步电动机的机械特性可见串级调速时异步电动机的机械特性与与直流电动机的特性相似，机械特性较硬直流电动机的特性相似，机械特性较硬。3、串级调速的控制、串级调速的控制 由于机械特性较硬，在调速精度要求不高的场合，可以直接采用开环由于机械特性较硬，在调速精度要求不高的场合，可以直接采用开环控制。但要得到更高精度的调速，还要采用带速度负反馈的闭环控制系统。控制。但要
43、得到更高精度的调速，还要采用带速度负反馈的闭环控制系统。整流整流逆变器逆变器 转子电压经不可控整流转换为直流电压，经电抗器，再由晶闸管逆变器将该直转子电压经不可控整流转换为直流电压，经电抗器，再由晶闸管逆变器将该直流电压逆变为交流，经变压器或直接反馈给电网。逆变器直流侧的电压即为加到电流电压逆变为交流，经变压器或直接反馈给电网。逆变器直流侧的电压即为加到电动机转子中的附加电势。动机转子中的附加电势。改变逆变器中晶闸管的逆变角改变逆变器中晶闸管的逆变角 ，就可改变附加电势的大小，就可改变附加电势的大小，从而实现了异步电动机的串级调速。从而实现了异步电动机的串级调速。 由于转差功率经逆变器反馈给了电网，所以由于转差功率经逆变器反馈给了电网，所以串级调速效率高，便于向大容量发展串级调速效率高，便于向大容量发展。晶闸管串级调速原理图晶闸管串级调速原理图