《电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt6复习课程.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt6复习课程.ppt（262页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统1电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt6电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统2l学习要点：学习要点：1 1、变频调速的基本控制方式：、变频调速的基本控制方式：基频以下，恒压频比控制，实现恒转矩调速；基频以下，恒压频比控制，实现恒转矩调速；基基频频以以上上，恒恒压压升升频频控控制制，实实现现恒恒功功率率调调速速；2 2异异步步电电动动机机电电压压频频率率协协调调控控制制的的稳稳态态机机械械特特性性：CVCFCVCF时时的的机机械械特特性性，电电压压频频率率协协调调控控制制下下的的机机械械特性：特性：（1
2、1）U Us s/1 1=恒值控制，恒值控制，（2 2）恒）恒Eg/Eg/1 1控制，控制，（3 3）恒）恒Er/Er/1 1控制。控制。重点、难点重点、难点:异步电动机改变电压时机械特性的变化规律异步电动机改变电压时机械特性的变化规律 2电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统36.1 6.1 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，希望保持电机在进行电机调速时，希望保持电机中每极磁通量中每极磁通量 m m 为额定值不变。为额定值不变。-如果磁通太弱，没有充分利用电如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；机的铁心，是一种浪费；
3、-如果过分增大磁通，又会使铁心如果过分增大磁通，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。时会因绕组过热而损坏电机。3电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统4异步电动机等效电路异步电动机等效电路UsLmI0EgEsEr4电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统5 定子每相电动势定子每相电动势 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有气隙磁通在定子每相中感应电动势的有 效值效值(V)；定子频率(Hz)；定子每相绕组串联匝数；定子基波绕组系数；每极气隙磁通量(Wb)。5电力拖动自动控制系统电力
4、拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统6 1.基频以下调速基频以下调速 要保持要保持 m 不变，当频率不变，当频率 f1 从额定从额定值值 f1N 向下调节时，必须同时降低向下调节时，必须同时降低 Eg ，使，使 常值常值-即即采用电动势频率比为恒值的控制方采用电动势频率比为恒值的控制方式式。6电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统7 恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 感应电动势是难以直接控制的，当电动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，而认为定子相电压压降，而认为定子相电压 ，则，
5、则 这是恒压频比的控制方式这是恒压频比的控制方式。7电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统8 注：注：电压补偿电压补偿(转矩补偿转矩补偿)在低频时在低频时 Us 和和 Eg 都较小，定子阻都较小，定子阻抗压降所占的份量比较显著，不能忽抗压降所占的份量比较显著，不能忽略。略。这时，需要人为地把电压这时，需要人为地把电压 Us 抬高抬高一些，以便近似地补偿定子压降。一些，以便近似地补偿定子压降。8电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统9 带电压补偿的恒压频比控制特性带电压补偿的恒压频比控制特性0UsUsNf 1f 1Na 无补偿无补偿 b 带定子
6、压降补偿带定子压降补偿 9电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统10 2.2.基频以上调速基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压向上升高，但定子电压Us 却不可却不可能超过额定电压能超过额定电压UsN，最多只能保持，最多只能保持Us=UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地，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降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。况。10电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统11 变压变频控制特性变压变频控制特性f1N图6-2 异步电机变压变频调速
7、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mUsf1O11电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统126.2 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l恒压恒频正弦波供电时的机械特性恒压恒频正弦波供电时的机械特性l基频以下电压频率协调控制的机械特性基频以下电压频率协调控制的机械特性l基频以上恒压变频控制的机械特性基频以上恒压变频控制的机械特性12电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统131.恒压恒频正弦波供电时的机械特性恒压恒频正弦波供电时的机械特性 最大转矩13电力拖动自动控制系
8、统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统14 机械特性机械特性nn0smsTemaxTe010TeTemax14电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统152.基频以下电压频率协调控制时的特性基频以下电压频率协调控制时的特性 由机械特性方程式（由机械特性方程式（6-46-4）可以看出，）可以看出，对于同一组转矩对于同一组转矩 Te 和转速和转速 n（或转差率或转差率s）的要求，的要求，电压电压 （Us）和和频率频率 1 可以可以有多种配合，因此可以有不同方式的电有多种配合，因此可以有不同方式的电压频率协调控制。压频率协调控制。15电力拖动自动控制系统电力拖动自动控
9、制系统运动控制系统运动控制系统16 （1）恒压频比控制恒压频比控制（Us/1）在恒压频比的条件下改变频率在恒压频比的条件下改变频率 1 1 时，机时，机械特性基本上是平行下移，它们和直流他励械特性基本上是平行下移，它们和直流他励电动机变压调速时的情况基本相似。电动机变压调速时的情况基本相似。最大转矩最大转矩 Temax 随着随着 1 的降低而减小，的降低而减小，频率很低时，频率很低时，Temax 太小将限制电机的带载能太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，可以增强带载能力。力，采用定子压降补偿，可以增强带载能力。16电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统17 恒
10、压频比机械特性恒压频比机械特性0n补补偿偿定定子子压压降后的特性降后的特性17电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统18（2）恒恒 Eg/1 控制控制 如果在电压频率协调控制中，恰如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压当地提高电压 Us，使它在克服定子阻，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持抗压降以后，能维持 Eg/1 为恒值，为恒值，则无论频率高低，每极磁通则无论频率高低，每极磁通 mm 均为常均为常值。值。18电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统19异步电动机等效电路异步电动机等效电路UsLmI0EgEsEr19电力拖动自动控制系统电力
11、拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统20恒恒 Eg/1机械特性机械特性最大转矩当Eg/1 为恒值时，Temax 恒定不变。20电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统21 机械特性曲线机械特性曲线0nTemax恒恒 Eg/1控制的控制的稳态性能优于稳态性能优于恒恒 Us/1控制，它控制，它正是正是恒恒 Us/1控控制中补偿定子压制中补偿定子压降所追求的目标降所追求的目标21电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统22（3）恒恒 Er/1 控制控制 这时的机械特性是一条这时的机械特性是一条直线，和直流他励电动机直线，和直流他励电动机机械特性相同
12、。机械特性相同。0s1ab c恒恒 Er/1 控制控制恒恒 Eg/1 控制控制恒恒 Us/1 控制控制0Te22电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统23 转子全磁通的感应电动势转子全磁通的感应电动势 Er 对应于对应于转子全磁通幅值转子全磁通幅值 rm ：按照转子全磁通为恒值进行控制，按照转子全磁通为恒值进行控制，就可以获得就可以获得 E Er r/1 1恒定，这正是恒定，这正是矢量控矢量控制系统制系统所遵循的原则。所遵循的原则。23电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统24小结l恒压频比（Us/1=恒值）控制最容易实现，变频机械特性基本上
13、是平行下移，硬度也较好，能满足一般的调速要求，但低速带载能力有限，须对定子压降实行补偿。l恒Eg/1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿，可以在稳态时达到m 恒定，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。l恒Er/1控制可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性，按照rm恒定进行控制即得Er/1=恒值，在动态中也尽可能保持恒定是矢量控制系统所追求的目标，当然实现起来是比较复杂的。24电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统253.3.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 最大转矩最大转矩25电力拖动自动控制系统电力拖动自
14、动控制系统运动控制系统运动控制系统26基频以上恒压变频机械特性基频以上恒压变频机械特性0恒功率调速恒功率调速 当电源频率当电源频率 提高时，同提高时，同步转速随之提步转速随之提高，最大转矩高，最大转矩减小，机械特减小，机械特性上移，而形性上移，而形状基本不变。状基本不变。26电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统27 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
15、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。27电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统286.2.4 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。28电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统29 转子电流计算转子电流计算l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29电力拖动自
16、动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统30转子电流计算（续）转子电流计算（续）l电流幅值为（6-22）30电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统31 电磁转矩公式电磁转矩公式l将式（6-22）代入电磁转矩表达式得（6-23）31电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统32 最大转矩及其转差率最大转矩及其转差率 取dTe/ds=0，可求出恒流机械特性的最大转矩值（6-24）产生最大转矩时的转差率为（6-25）32电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统33 机械特性曲线机械特性曲线 按上式绘出不同电流、不同
17、频率下的恒流机械特性示于图6-8。图6-8 恒流供电时异步电动机的机械特性TeOn33电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统34 性能比较性能比较 第5章式（5-4）和（5-5）给出了恒压机械特性的最大转差率和最大转矩，现再录如下：（5-4）（5-5）34电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统35性能比较（续）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）。35电力拖动自动控制系统电力拖动自动
18、控制系统运动控制系统运动控制系统36性能比较（续）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（6-25）和式（5-4）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.36电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统37性能比较（续）性能比较（续）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
19、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（6-24）和式（5-5）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，参看图6-8。37电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统38l作业：作业：6-1、6-2 38电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统396.3 6.3 电力电子变压变频器电力电子变压变频器的主要类型的主要类型本节提要本节提要交交-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39电力
20、拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统40l学习要点：学习要点：1.1.静止式变频装置；静止式变频装置；间接变频间接变频交直交变频装置交直交变频装置 直接变频直接变频交交变频装置交交变频装置 电压源和电流源变频器；电压源和电流源变频器；2.2.正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWMSPWM）逆变器工作原理。）逆变器工作原理。重点、难点重点、难点:1.1.正弦波脉宽调制（正弦波脉宽调制（SPWMSPWM）逆变器的控制方式。）逆变器的控制方式。40电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统41 引引 言言 如前所述，对于异步电机的变压变如前所述，对于异步电
21、机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压频调速，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，因此应该配置的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称变压变频器，又称VVVFVVVF（Variable Variable Voltage Variable FrequencyVoltage Variable Frequency）装置。）装置。41电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统426.3.1 交交-直直-交和交交和交-交变压变频交变压变频器器 从从整整体体结结构构上上看看，电电力力电电子子变变压压变
22、频器可分为交变频器可分为交-直直-交和交交和交-交两大类。交两大类。1.1.交交-直直-交变压变频器交变压变频器 交交-直直-交变压变频器先将工频交流电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，变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。如下图所示。42电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统43 交交-直直-交变压变频器基本结构交变压变频器基本结构变压变频变压变频(VVVF)中间直中间直流环节流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC50Hz整流整流43电力拖动自动控制系统电力
23、拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统44 由于这类变压变频器在恒频交流电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源和变频交流输出之间有一个“中间中间直流环节直流环节”，所以又称间接式的变压，所以又称间接式的变压变频器。变频器。具体的整流和逆变电路种类很多，当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组成的脉宽调流器和由功率开关器件组成的脉宽调制（制（PWMPWM）逆变器，简称）逆变器，简称PWMPWM变压变压变频器，如下图所示。变频器，如下图所示。44电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系
24、统运动控制系统45 交交-直直-交交PWM变压变频器基本结构变压变频器基本结构变压变频变压变频(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DCACAC50Hz调压调频调压调频C45电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统46 PWMPWM变压变频器的应用广泛，具有如下的优点：变压变频器的应用广泛，具有如下的优点：（1 1）只只有有逆逆变变单单元元可可控控，它它同同时时调调节节电电压压和和频率，结构简单。频率，结构简单。（2 2）采用）采用PWMPWM控制技术，正弦基波的比重较控制技术，正弦基波的比重较大，因而转矩脉动小，提高了系统的
25、调速范大，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。围和稳态性能。（3 3）逆逆变变器器同同时时实实现现调调压压和和调调频频，动动态态响响应应不受中间直流环节滤波器参数的影响。不受中间直流环节滤波器参数的影响。（4 4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变器输出电压大小的率因素较高，且不受逆变器输出电压大小的影响。影响。46电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统47 PWMPWM变压变频器常用的功率开关变压变频器常用的功率开关器件有：器件有：P-MOSFETP-MOSFET，IGBTIGBT，GTOGTO和
26、和替代替代GTOGTO的电压控制器件如的电压控制器件如IGCTIGCT、IEGTIEGT等。等。受到开关器件额定电压和电流的限制，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只好采用半控型的晶闸管(SCR(SCR），并），并用可控整流器调压、六拍逆变器调频用可控整流器调压、六拍逆变器调频的交的交-直直-交变压变频器，见下图。交变压变频器，见下图。47电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统48 普通交普通交-直直-交变压变频器的基本结构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
27、变器逆变器DCACAC50Hz调频调频调压调压48电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统492.交交-交变压变频器交变压变频器 交交-交变压变频器的基本结构如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，下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（把恒压恒频（CVCFCVCF）的交流电源直）的交流电源直接变换成接变换成VVVFVVVF输出，因此又称直接输出，因此又称直接式变压变频器。式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（周波变换器（CycloconveterCycloconveter）。）。49电力拖动自动控制系统
28、电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统50 交交-交变压变频器的基本结构交变压变频器的基本结构交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF 常用的交常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一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个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速也就是说，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（下图系统的反并联可逆线路（下图a a）。）。50电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统51交交-交变压变频器的基本电路结交变压变频器的基本电路结
29、构构VRVFId-Id+-+a)每相电路结构负负载载50Hz50Hzu051电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统52交交-交变压变频器的控制方式交变压变频器的控制方式l整半周控制方式整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，在负载上正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压就获得交变的输出电压 u u0 0 ，u u0 0 的幅值决定的幅值决定于各组可控整流装置的控制角于各组可控整流装置的控制角 ，u u0 0 的频率的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，果控制角
30、一直不变，则输出平均电压是方波，如下图如下图 b b 所示。所示。52电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统53方波型平均输出电压波形方波型平均输出电压波形tu0正组通正组通反组通反组通正组通正组通反组通反组通输出电压波形输出电压波形53电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统54 控制方式（控制方式（2）l 调制控制方式调制控制方式 要获得正弦波输出，就必须在每一组整流要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。装置导通期间不断改变其控制角。例如例如：在正向组导通的半个周期中，使控制在正向组导通的半个周期中，使控制角角
31、由由/2/2（对应于平均电压（对应于平均电压 u u0 0=0=0）逐）逐渐减小到渐减小到 0 0（对应于（对应于 u u0 0 最大），然后再逐最大），然后再逐渐增加到渐增加到 /2/2（u u0 0 再变为再变为0 0），如下图所），如下图所示。示。54电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统552AO t=0 2=BCDEFu0交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形输出电压波形输出电压波形55电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统56 当当 角角按按正正弦弦规规律律变变化化时时，半半周周中中的的平平均均输输出出电电压压即即为为图图中中虚
32、虚线线所所示示的的正正弦弦波波。对对反反向向组组负负半半周周的的控制也是这样。控制也是这样。56电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统57 单相交交变频电路输出电压和电单相交交变频电路输出电压和电流波形流波形57电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统58 三相交交变频电路三相交交变频电路 三相交交变频电路可以由三相交交变频电路可以由3 3个单相个单相交交-交变频电路组成，其基本结构如下交变频电路组成，其基本结构如下图所示。图所示。如果每组可控整流装置都用桥式如果每组可控整流装置都用桥式电路，含电路，含6 6个晶闸管（当每一桥臂都是个晶闸管（当
33、每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需单管时），则三相可逆线路共需3636个个晶闸管，即使采用零式电路也须晶闸管，即使采用零式电路也须1818个个晶闸管。晶闸管。58电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统59 三相交交变频器的基本结构三相交交变频器的基本结构59电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统60 输出星形联结方式三相交交变频电路输出星形联结方式三相交交变频电路60电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统61三相桥式交交变频电路61电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统62 因此，这样
34、的交因此，这样的交-交变压变频器虽然在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。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上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。的产品。62电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统63 这类交-交变频器的其他缺点是：输入功率因数较低，谐波电
35、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。63电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统64 近年来又出现了一种采用全控型开关近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交器件的矩阵式交-交变压变频器，类似于交变压变频器，类似于 PWMPWM控制方式，输出电压和输入电流的低次控制方式，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，能量可双谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以
36、获得四象限运行，但当输出电压向流动，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必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.8660.866。目前这类变压变频器尚处于开发阶。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。段，其发展前景是很好的。64电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统656.3.2 电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器 在在交交-直直-交交变变压压变变频频器器中中，按按照照中中间间直直流流环环节节直直流流电电源源性性质质的的不不同同，逆逆变变器器可可以以分分成成电电压压源源型型和和电电流流源源型型两两类类，两
37、两种种类类型型的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。下下图图绘绘出出了了电电压压源源型型和和电电流流源源型型逆逆变器的示意图。变器的示意图。65电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统66 两种类型逆变器结构两种类型逆变器结构LdIdCdUdUd+-a)电压源逆变器电压源逆变器b)电流源逆变器电流源逆变器电压源型和电流源型逆变器示意图电压源型和电流源型逆变器示意图66电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统67l电压源型逆变器电压源型逆变器（Voltage Source Voltage Source Inv
38、erter-VSI Inverter-VSI），），直流环节采用大电容直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在滤波，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，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，有时输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。简称电压型逆变器。67电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统68l电流源型逆变器电流源型逆变器（Current Source Current Source Inverter-CSIInverter-CSI），），直流环节采用大电感直流环节采用大电感滤波，直流电流波
39、形比较平直，相当于滤波，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。阶梯波，或简称电流型逆变器。68电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统69 性能比较性能比较 两两类类逆逆变变器器在在主主电电路路上上虽虽然然只只是是滤滤波波环环节节的的不不同同，在在性性能能上上却却带带来来了了明明显显的的差差异异，主要表现如下：主要表现如下：（1 1）无功能量的缓冲无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负
40、载电机之间，除了有功功率的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。不致影响到交流电网。69电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统70 因此，两类逆变器的区别还表现在采用因此，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）来缓冲无什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。功能量。（2 2）能量的回馈能量的回馈 用电流源型逆变器给异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
41、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，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。和经常正、反转的生产机械。70电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统71 下面以由晶闸管可控整流器下面以由晶闸管可控整流器UCRUCR和电和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSICSI构构成的交成的交-直直-交变压变频调速系统（如下图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所示）为例，说明电动运行和回馈制
42、动两种状态。种状态。71电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统72 电动运行状态电动运行状态电流源型交电流源型交-直直-交变压变频调速系统的两种运行状态交变压变频调速系统的两种运行状态72电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统73 当电动运行时，当电动运行时，UCRUCR的控制角的控制角 ，电动机以转速运行，电功率的传，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图送方向如上图a a所示。所示。73电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统74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
43、源逆变1 发电Te整流UCR逆变运行状态逆变运行状态Pb）逆变运行）逆变运行74电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统75l如果降低变压变频器的输出频率如果降低变压变频器的输出频率 1 1，或，或从机械上抬高电机转速从机械上抬高电机转速 ，使，使 1 1 90 90 ，则异步，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，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，此时直而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压流电压U Ud d 立即反向，而电流立即反向，而电流 I Id d 方向不方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图变，电能由电机回馈给交流
44、电网（图b b）。）。75电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统76 与此相反，采用电压源型的交与此相反，采用电压源型的交-直直-交变压变频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，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，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。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必须制动时，只得在直流环节中
45、并联电阻实现能耗制动，或者与能耗制动，或者与UCRUCR反并联一组反向的可控整流器，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，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。实现回馈制动。这样做，设备要复杂多了。76电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统77性能比较（续）性能比较（续）（3 3）动动态态响响应应 正正由由于于交交-直直-交交电电流流源源型型变变压压变变频频调调速速系系统统的的直直流流电电压压可可以以迅迅速速改改变变，所所以以动动态态响响应应比比较较快快，而而电电压压源源型型变变压压变变频频
46、调速系统的动态响应就慢得多。调速系统的动态响应就慢得多。（4 4）输输出出波波形形 电电压压源源型型逆逆变变器器输输出出的的电电压压波波形形为为方方波波，电电流流源源型型逆逆变变器器输输出出的的电电流波形为方波（见下表）。流波形为方波（见下表）。77电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统78性能比较（续）性能比较（续）表6-1 两种逆变器输出波形比较78电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统79性能比较（续）性能比较（续）（5 5）应用场合）应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台压
47、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。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于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求逆运行的要求。79电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统80小小 结结 (1)(1)变压变频调速的基本控制变压变频调速的基本控制方式方式 (2)(2)变压变频调速的控制系统。变压变频调速的控制系统。80电力拖动自动控制系统
48、电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统816.4 变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术81电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统82早期六拍阶梯逆变器存在的主要问题l采用半控式的晶闸管采用半控式的晶闸管l开关频率较低开关频率较低l主电路两个变流器需要协调控制。主电路两个变流器需要协调控制。l电压（直流环节）变化动态响应慢。电压（直流环节）变化动态响应慢。l交流输入侧功率因数差。交流输入侧功率因数差。l逆变器输出谐波分量大。逆变器输出谐波分量大。82电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统83 逆变器一个工作周期中，其开关元件根据目标
49、函数要求按一定规律作多次开工作，称为基于PWM控制技术的逆变器。前提：全控式电力电子开关的出现解决途径l应用应用PWM控制技术。控制技术。83电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统84控制目标控制目标l电压正弦波 SPWM l电流正弦波 CHBPWMl消除指定次数谐波 SHEPWMl圆形旋转磁场 SVPWM84电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统856.4.1 正弦波脉宽调制(SPWM)技术1.PWM调制原理调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波率比期望波高
50、得多的等腰三角波作为载波（Carrier waveCarrier wave），并用频率和期望波相同的），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（正弦波作为调制波（Modulation waveModulation wave），），当当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。不等宽的矩形波。85电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统862.PWM逆变器主电路