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动车组传动与控制 -交流电动机变频调速 主讲：宋雷鸣 第6章、交流电动机调速 一、交流电动机调速的优越性 交流调速的应用主要有三个方面： （1）一般性能的节能调速 （2）高性能的交流调速系统和伺服系统 （3）特大容量、极高转速的交流调速 第一节 概述 二、交流电动机原理及结构 第6章、交流电动机调速 第二节 交流电动机控制基础 、 、 第6章、交流电动机调速 图中， 为气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势 ； 为定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 ； 为转子全磁通在转子绕组中的感应电动势 折合到定子边。 、 为定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻； 、 为定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感； 为定子每相绕组产 生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感； 、 为定子相电压和供电角频率； 为转差率。 第6章、交流电动机调速 三、三相异步电动机的机械特性 第6章、交流电动机调速 第四节 三相异步电动机的调速 第6章、交流电动机调速 一、变压变频调速控制基础 （一）变压变频的基本控制方式 1基频以下调速 常值 恒压频比的控制方式 第6章、交流电动机调速 但是，在低频时 和 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 抬高一些，以近 似地补偿定子压降。 第6章、交流电动机调速 2基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从向上升高，但定子电 压却不可能超过额定电压，最多只能保持，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 第6章、交流电动机调速 图2-8 恒压恒频时异步电动机的机械特性 第6章、交流电动机调速 图2-10 恒Eg /控制时变频调速的机械特性 第6章、交流电动机调速 图2-11 不同电压频率协调控制方式时的机械特性 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。 恒压频比（ 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 低速带载能力有限，须对定子压降实行补偿。 恒 控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以 在稳态时达到为恒值，从而改善了低速性能。线性调节范围比恒 压频比宽，为恒值时，恒定不变，稳态性能优于恒 ，但机械 特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。 恒 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，比 较理想。按照转子全磁通恒定进行控制，即得恒值，在动态中 也尽可能保持恒定是矢量控制系统要实现的目标，当然实现起来 是比较复杂的。 第6章、交流电动机调速 第6章、交流电动机调速 图2-12 基频以上恒压变频调速时的机械特性 3基频以上恒压变频时的机械特性 第6章、交流电动机调速 二、转速开环恒压频比交流调速系统通用变频器 通用变频器是根据异步电动机稳态模型来涉及其控制系统 ，为了实现电压频率协调控制，它采用转速开环恒压频 比带低频电压补偿的控制方案。主要可以应用在和通用的 笼型异步电机配套使用，同时具有多种可供选择的功能， 适用于各种不同性质的负载。近年来自动控制功能的变频 器质量不断提高。 第6章、交流电动机调速 三、转差频率控制的交流调速系统 第6章、交流电动机调速 四、矢量控制的交流调速系统 第6章、交流电动机调速 图2-18 矢量控制系统原理结构图 第6章、交流电动机调速 图2-19 电流和转速闭环的矢量控制系统 第7章、交流技术基础 变流器就是将一种直流或交流电变为另一 种直流或交流电的供电设备。可以说变流器是 各种变流装置的总称。在电力电子变换装置中 ，通常意义上的变流器包括从电源侧至电力变 换装置输出侧的所有环节，例如对一个交一直 一交电力传动系统，变流器将包括从整流器， 中间直流环节，到逆变器及其控制系统。值得 特别说明的是，在许多场合下，同一个电力变 换电路既可以作整流电路，又能作逆变电路， 所以我们也称这样的电力变换装置为变流器。 换言之，整流和逆变，交流和直流在变流器中 是互相联系的，并在一定条件下可互相转化。 第7章、交流技术基础 根据变流系统中直流环节性质的不同可分为 两种类型 . 图3-1 电流型异步电机传动系统 图3-2 电压型异步电机传动系统 第7章、交流技术基础 电力半导体器件在应用中一般均要设计吸收电 路，以控制开关过程中电压及电流的轨迹，抑制电 压、电流的变化率，降低开关损耗。 设计吸收电路一般依据下述原则： 1减少开关过程中电压、电流的大小及变化率； 2保证器件工作在安全区内； 3减少器件开关损耗和系统总损耗； 4改善器件的过载和短路能力。 对于新型器件，诸如IGBT，IPM，由于对di/dt， du/dt耐受能力增强，通过合理地设计驱动电路可以 简化吸收回路，甚至可以取消吸收回路。 第7章、交流技术基础 第1节 电力电子器件基础 一 晶闸管 表3-1、可控硅导导通和关断条件 状态条件说明 从关断 到导通 1、阳极电位高于是阴极电位。2 、控制极有足够的正向电压和电 流。 两者缺一 不可 维持 导通 1、阳极电位高于阴极电位。2、 阳极电流大于维持电流 两者缺一 不可 从导通 到关断 1、阳极电位低于阴极电位。2、 阳极电流小于维持电流 任一条件 即可 第7章、交流技术基础 第7章、交流技术基础 二、门极可关断晶闸管（GTO） 门极关断晶闸管也具有单向导电特性，即当其阳 极A、阴极K两端为正向电压，在门极G上加正的触发 电压时，晶闸管将导通，导通方向AK。在门极关 断晶闸管导通状态，若在其门极G上加一个适当有负 电压，则能使导通的晶闸管关断 第7章、交流技术基础 近年来，GTO元件的性能不断提高，可关断电流达 4000A，阻断电压达6000V以上，开关速度也有所提高 。一个由ABB公司生产的三相逆变器GTO模块，采用6 个GTO元件，容量可达4000kVA，单位重量容量可以达 10kVA/kg，目前，最大的4轴交流传动电力机车，功率 超过7000kW。 GTO元件在应用中也存在不足，由于它增益比较小 ，关断2000A3000A电流，需要高达700-800A的门极 电流，这对门极驱动装置的要求很高。另外，GTO元件 在高电压下导通，大电流下关断，电流、电压变化率及 应力很大，需要设置性能良好的吸收电路，这就增加了 开关损耗，降低了效率，并对冷却系统提出更高要求 第7章、交流技术基础 三、绝缘栅双极晶体管（IGBT/IPM） 绝缘栅双极型晶体管IGBT是双极型晶体管（BJT） 和MOSFET的复合器件，其将BJT的电导调制效应引入 到VDMOS的高阻漂移区，大大改善了器件的导通性， 同时它还具有MOSFET的栅极高输入阻抗，为电压驱动 器件。开通和关断时均具有较宽的安全工作区，IGBT 所能应用的范围基本上替代了传统的晶闸管（SCR）、 可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）等器件,与其他 电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、 保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点。 IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给 PNP 晶体管提供基极电流，使 IGBT 导通。反之，加反向门 极电压消除沟道，流过反向基极电流，使 IGBT 关断。 IGBT 的驱动方法和 MOSFET 基本相同，只需控制输入 极N一沟道 MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。 第7章、交流技术基础 表3-2 GTO与IGBT/IPM基本性能较 GTO元件 IGBT/IPM元件 电压4500V(6000V)3300V(4000V) 电流3000A-4000A(可 关断电流) 1200A 开关频率ca.500Hz5kHz 开关损耗大小 通态损 耗小大 吸收回路损耗大小 驱动 功率大(电流控制型)小(电压 控制型) di/dt,du/dt限制严格(需加阳极电 抗器) 不严(无需阳极电 抗器) 保护功能外设完善的自我保护 第7章、交流技术基础 需要指出的是，IGBT开关频率的提 高，带来了很多好处，例如，PWM调制 频率提高，在电机侧，可使得电机电流 的高次谐波减少，使电机的损耗，噪声 下降；在电网侧，可降低电网电流的谐 波，减小等效干扰电流，减少变压器的 损耗和噪声。 第7章、交流技术基础 IGBT模块的使用应特别注意以下几方面的问题 。 1.防静电对策 IGBT的VGE保证值为20V，在IGBT模块 上加上超出保证值的电压有损坏的危险，因而在 栅极发射极之间接一只10kQ左右的电阻器为宜 。 2.驱动电路设计 严格地说，能否充分利用IGBT器件的性能 ，关键取决于驱动电路的设计。IGBT驱动电路 必须能提供适当的正向栅压、足够的反向栅压、 足够的输入输出电隔离能力,以及具有栅压限幅电 路等。 第7章、交流技术基础 3.保护电路的设计 IGBT模块因过电流、过电压等异常现象有可能损坏。因此，必 须在对器件的特性充分了解的情况下，设计出与器件特性相匹配的过 电压、过电流、过热等保护电路。 4.散热设计 取决于IGBT模块所允许的最高结温（Tj）,在该温度下，首先要计 算出器件产生的损耗，该损耗使结温升至允许值以下来选择散热片。 在散热设计不充分的场合，实际运行在中等水平时，也有可能超过器 件允许温度而导致器件损坏。 5.栅极串联电阻（Rc） 对IGBT来说，增大栅极电阻能够减少IGBT开通时续流二极管的 反向恢复过电压，减少通态下出现短路的冲击电流值；与此同时，增 大栅极电阻的结果将使开通关断损耗增加，延长开通和关断时间。因 此最好的办法是配置两个串联电阻器，即RG（on）和RG（off），在 实际设计时应考虑具体的应用要求。如在高压二极管的情况下，恢复 时间趋长，RG（on）应比产品目录的推荐值大2倍4倍。 第7章、交流技术基础 IPM(Intelligent Power Module智能功 率模块)元件是在IGBT模块中集成了驱动和 保护电路而派生出来的，其结构如图3-18所 示。IPM的触发信号可和TTL电平兼容，它 本身具有短路、过流、过热及电流实时控制 等完善的保护功能，更有利于应用。目前， 日本新干线E2系高速动车的牵引变流器即采 用IPM元件。 第7章、交流技术基础 第2节、整流技术基础 一、典型整流电路 （一）半波不可控整流电路 图3-26半波整流电路 第7章、交流技术基础 图3-27 半波整流波形 第7章、交流技术基础 （二）单相半波可控整流电路 图3-28 单相半波可控整流 第7章、交流技术基础 3、单相半波可控整流 （1）电阻性负载（见图3-30） 电阻性负载，id波形与ud波形相似。可控 硅T承受的正向电压随控制角而变化，但 它承受的反向电压总是负半波电压，负半 波电压的最大值为U2。线路简单，多用 在要求不高的电阻负载的场合。 第7章、交流技术基础 （2）感性负载（不带续流二极管，见图3-30）： 第7章、交流技术基础 （3）感性负载（带续流二极管，见图3-31） 图3-31、电感性负载有续流 第7章、交流技术基础 (三)、全波整流电路 图3-32全波整流电路 图3-33 半波整流波形 第7章、交流技术基础 (四)、单相桥式半控整流电路 图3-34、单相桥式半控整流 第7章、交流技术基础 PWM整流器的基础是电力电子器件，其与 普通整流器和相控整流器的不同之处是其 中用到了全控型器件，器件性能的好坏决 定了PWM整流器的性能。优质的电力电子 器件必须具有如下特点：(1)能够控制通断 ，确保在必要时可靠导通或截止；（2）能 够承受一定的电压和电流，阻断状态时能 承受一定电压，导通时匀许通过一定的电 流；（3）具有较高的开关频率，在开关状 态转换时具有足够短的导通时间和关断时 间，并能承受高的di/dt和dv/dt。 (五) PWM整流电路 第7章、交流技术基础 图3.36 PWM整流器主电路 图3-36(a)和(b)即为单相和三相电压型PWM整流电路 ，通过对它的适当控制，可使输入电流非常接近正弦 波，且电流和电压同相位，功率因数近似为1。图中 交流侧电感L用以滤波和传递能量，直流侧电容Cdc 起着滤除直流电压上开关纹波和平衡直流输入与输出 能量的作用。 第7章、交流技术基础 单相半桥 单相全桥 图3.37单相PWM整流电路 第7章、交流技术基础 图3.38 PWM整流器交流侧等效电路和相量图 第7章、交流技术基础 2. 三相多开关PWM整流电路 六开关Boost型：也可称为两电平电压型整流器或三相桥 式可逆PWM整流器。电路如图3-42所示，每个桥臂上的 可关断开关管都带有反并联二极管，可以实现能量的双向 流动，每只开关管的导通作用，一般都是使交流侧滤波电 感L蓄积磁能，而在开关管关断时，迫使电感产生较高的 电压Ldi/dt，通过另一桥臂的续流二极管向直流侧释放磁 能。因此，从广义上讲，这种桥式PWM可逆整流器拓扑 ，仍属于升压式结构。六开关Boost型PWM整流器的特点 是结构简单且宜于实现有源逆变，因而是目前应用和研究 最为活跃的一种类型，也是多开关PWM整流电路中应用 最为广泛的一种 第7章、交流技术基础 图3-42三相多开关Boost型 第7章、交流技术基础 六开关Buck型：也可称为两电平电流型整 流器，电路如图3-43所示，直流侧电抗器一 般要求很大。由于电流型变换器的特点，交 流侧输入LC滤波器通常是必不可少的，以 改善电流波形和功率因数。这种电路拓朴较 适合于空间矢量调制，且有降压作用。其缺 点是由于直流侧大电感内阻较大，消耗功率 较大导致其效率略低于六开关Boost型。 第7章、交流技术基础 图3-43三相多开关Buck型 第7章、交流技术基础 3三电平PWM整流电路 在大功率PWM变流装置中，常采用拓朴结 构如图3-44所示的三点式电路，这种电路也称为 中点钳位型(Neutral Point Clamped) 电路。与两点 式P