（电气工程专业论文）变频技术在恒压供水系统中的应用研究.pdf

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5 0 。 假设供水系统管路中的阀门开度不变，水泵在某一转速下扬程h 与流量q 之间的 关系曲线为h = 厂( q ) ，如图卜l 所示。流量q 越大，扬程h 越小。由于在阀门开度和 水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特 性所反映的是扬程h 与用水流量q 之间的关系。而管阻特性反映了水泵的能量用来克 服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律，是以水泵的转速不 变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程h 与流量q 之间的关系。 在供水系统中，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通 过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变；转速控制法是通过改变水泵 电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。前 者其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改 变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一 段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。而后者，扬程特性将随水 泵转速的改变而改变，但管阻特性不变n 】。 2 1 3 。移到1 3 。，扬程特性曲线不变。而扬程则从h 。升n h ：，运行工况点从e 点移到f 点 当采用变频调速时，采用恒压h 。，管阻特性曲线为b ：，工作点从e 点移动到d 点。由 于流量q 与转速n 是正比关系而转矩与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成 正比，转速降低，电机功耗将以三次方下降，因此变频调速的节电效果非常显著。 如果流量由1 0 0 降到7 0 ，则转速降到7 0 ，压头降到4 9 ，而电机的功耗降到3 4 3 ， 理论上节能6 5 7 。根据统计，转速控制流量比风门、阀门类调节节能6 0 左右。 1 3 异步电动机常用调速方式 风机泵类负载主要靠交流异步电动机来驱动，因而异步电动机的调速方式对风 机泵类负载的节能效果与稳定运行有十分重要的作用。 异步电动机转速表达式为： 万：6 0 f ( 1 一j ) ( 卜1 ) p t l i 一万 j = 一 刀l ( 1 - 2 ) 从式( 1 1 ) 可以看出，要改变异步电动机的转速，可以通过改变电源频率f 、电 机极对数p 以及转差率s 三个方面来实现，各种异步电动机的调速方法无非都是围 3u 华北电力大学工程硕士学位论文 图1 - 3 异步电动机主要调速方式 把异步电动机调速分为高效调速和低效调速，见图卜3 所 增加转差损耗的调速方式，或将转差功率以电能形式回馈 机轴；低效调速则存在附加转差损失，在相同调速工况下 差损耗的调速方式。 和变频调速都属于高效调速方式，而低效调速方式主要有 速和定子调压调速。其中，液力耦合器调速和液粘离合器 均属于电气调速。在高效调速方式中，串级调速仅适用于 频调速既适用于笼型，也适用于绕线型异步电动机【5 1 。 电源频率不变条件下，改变电动机的极对数，电动机的同 从而改变电动机的转速。如果极对数减少一半，同步转速 转差损耗的高效调速方式。通常用改变定子绕组的接法来 改变极对数。这种电动机称为多极电动机，其转子均采用笼型转子，其转子感应的 极对数能自动与定子相适应。由于极对数p 是整数，它不能实现平滑调速，仅能实 现有级调速。在供电频率厂为5 0 h z 的电网，当p 分别等于1 、2 、3 、4 时，相应的 同步转速，l l 蔓j 3 0 0 0 、1 5 0 0 、1 0 0 0 、7 5 0 r m i n 。 多极电动机的优点是设备简单、体积小、重量轻、运行可靠、运行效率高、控 制线路简单、容易维护，对电网无干扰、初始投资低，主要用于各种机床及其他设 备上。缺点是有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围，仅适合于按 2 3 档固定调速变化的场合。 ( 2 ) 串极调速：串级调速是在绕线型感应电动机的转子电路中串入一个与转 4 华北电力大学工程硕士学位论文 子电动势相反的附加电动势，用以减少转子电流，降低转子的转矩，从而达到调速 的目的。这时，转子电路内不再串入外接附加电阻产生转差损耗，而是将转子的转 差功率回馈电网或机轴，是一种高效调速方式。串级调速的主要优点是调速效率高， 可实现无级调速，初始投资不大。但是由于受该种调速方式的附加电动势获得较难、 对电网干扰大、调速范围比较窄、功率因数较低等因素影响，特别是仅适用于绕线 式转子，使这种调速方式的推广受到一定的限制。 ( 3 ) 变频调速：变频调速属于无附加转差损耗的高效调速方式，它主要通过 改变电动机定子供电频率来改变同步转速进行调速。变频调速具有平滑调速、调速 范围广、效率高、启动能耗低、动态响应速度快、调速精度高、操作简便等优点， 且易于实现生产过程控制自动化等特点。此外，在变频装置发生故障时可采取措施 投入工频运行，不会影响生产作业。由于其调速性能优于其他调速方式，安装场地 条件又比较灵活，应用范围广泛，是市场需求增长最快的调速方式。 ( 4 ) 电磁离合器调速：电磁滑差离合器调速主动适用于笼型异步电动机，主 要依靠在异步电机的基础上加装电磁滑差离合器以及相应的控制装置完成。从原理 上看，电磁滑差离合器也是一台异步电机，它主要由电枢和磁极两个旋转部分组成。 主要通过调节磁极的励磁电流的大小改变气隙磁感应强度，从而改变磁极从动轴的 电磁转矩来实现调速。该种调速方式调速范围很小，且非线性严重，励磁电流损失 都转化为热耗，属于低效调速方式，一般用于低压电机且功率不大的场合。 ( 5 ) 液力耦合器调速：液力耦合器调速是一种传统的调速方式，主要应用在 高压电机领域。由于液压油内摩擦并且输出轴和输入轴存在转差，使这种调速方式 出现严重的耦合损失和转差损失。因而，这种调速方式具有能耗大、效率低、运行 不可靠等缺点，并且由于该方法需要一整套供油系统，维护工作量很大。 在众多调速方式中，变频调速优于以往任何一种交流调速方式，已使世界范围 内的电气传动控制领域发生了根本性的变革，是当今国际上一项效益最高、性能最 好、应用最广的高新技术，是异步电动机最理想的调速方法。 将变频技术应用到恒压供水系统中来，通过安装在系统中的压力传感器将系统 压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转 速，使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。因此以变频技术为核 心的恒压供水系统可以极大的提高供水效率，降低能耗。 1 4 本文所要解决的问题 ( 1 ) 对三相异步电动机的控制策略进行分析，结合变频器的基本原理，对变 频器的工程应用提出相应的依据。 5 华北电力大学工程硕士学位论文 前，生产变频器的厂家很多，市场上比较流行的变频器多达几十种，比如欧 包括：西门子、a b b 、施奈德、欧陆等；日本品牌主要有：三菱、富士、日 而国产品牌包括：华为、西普、佳灵等。本文从三相异步电动机的控制策略 讨论了目前比较先进的直接转矩控制技术；重点分析目前应用最为广泛的变 原理与性能，从而对变频器的工程应用提供依据。 2 ) 结合恒压供水系统的设计工作，提出带p i d 调节的专用变频器在恒压供 中的一般设计原则。 文将结合恒压供水系统中泵类调速的特点，完成对某市第一地表水厂恒压供 项目的设计。并结合恒压供水系统的设计过程，从变频器负载特性入手，参 器的主要参数，对变频器的选型问题进行分析。力争帮助企业在变频器的选 ，起到一定的指导作用。 3 ) 对变频调速在恒压供水系统中的节能效果进行分析。 目前，变频调速作为在效益和性能方面比较突出的一种交流调速方式，在工业 生产中应用越来越广泛。本文将结合某市第一地表水厂恒压供水系统的工况，对变 频调速在节能减排方面的效果进行理论分析与验证，并进一步分析变频调速技术的 应用对企业提高生产效率，改善工作环境，提高系统工作的安全可靠性，延长系统 使用寿命等方面的作用。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章异步电动机的控制策略与交流变频技术 2 1 异步电动机常用控制策略 2 1 1 异步电动机的机械特性 ，l = 厂( 乙) 。因为异步电动机的转速与转差率之间存在着一定的关系，所以异步电动 机的机械特性通常也用乙= ( s ) 的形式表达6 1 。 乙= 鲁= c r 。c o 泓 ( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中， g ：妥竺m ，烈露。，为转矩常数，对于已经制成的电动机，该参 z 万 数一般为常数。物理表达式表明，异步电动机的电磁转矩是由主磁通。和转子电 流的有功分量tc o s q ，：相互作用产生，是电磁力定律在异步电机中的具体体现。 ( 2 ) 参数表达式 扰。p u ? 鱼 。不而司 娌吃 式( 2 2 ) 中，定子相数，l l 、磁极对数p 、定子相电压、电源频率石、定子每相 绕组电阻局和漏抗五、折算到定子侧的转子电阻砭和漏抗z 都是不随转差率变化 的常量。当电机的转差率或者转速变化时，可计算出相应的电磁转矩，因而可以得 到如图2 - 1 所示的机械特性曲线。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 n s 。 0恪。 l t 。 图2 一l 异步电机机械特性曲线 在第一象限时，0 刀 n 1 , 0 j n is 0 ，n 为正值，乙为负值，电机处于发电机运行状态；在第 四象限时，以 1 ，以为负值，乙为正值，电机处于电磁制动运行状态。 在机械特性曲线上，转矩有两个最大值，一个出现在电动状态，另一个出现在 发电状态，最大转矩乙和对应的转差率s 。与各个参数的关系为：l 与u ? 成正比， 而s 。与u 无关；与砭成正比，而乙与砭无关；l 和s 。都近似地与( x i + z ) 成 反比【 。 ( 3 ) 实用表达式 机械特性的参数表达式清楚地表示了转矩与转差率和各个参数之间的关系，利 用它可以很方便的分析各种参数对机械特性的影响。但是，针对电力拖动系统中的 具体电动机而言，其参数是未知的，若想求得机械特性的参数表达式比较困难。因 此，我们一般利用实用表达式来求得电机的机械特性，见式( 2 - 3 ) 。 乙2 五2 t ( 2 3 ) s 崩 s 式( 2 3 ) 中的乙和s 。数值可以很方便的利用电机的铭牌数据求出。 异步电动机机械特性三种表达式的应用场合各有不同，工程计算一般采用实用 表达式计算异步电动机的机械特性。 8 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 三相异步电动机改变定子频率时的机械特性曲线 根据电机学的相关知识，三相异步电机定子每相电动势的有效值为： e l = 4 4 4 f t n l k 。l 中脚 ( 2 4 ) 如果定子每相电动势的有效值不变，改变定子频率时就会出现下面两种情况： 如果彳大于电机的额定频率，那么气隙磁通量。就会小于额定气隙磁通量， 使得铁心没有得到充分利用，但是在机械条件允许的情况下，长期使用不会对电机 造成损坏； 如果石小于电机的额定频率，那么气隙磁通量中。就会大于额定气隙磁通量。 使得电机的铁心过饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会对电机造成损坏。 要实现变频调速，就要注意在不损坏电机的条件下充分利用电机铁心，发挥电 机转矩的能力。在基频以下工作时，可以要求变频时保持每极磁通量为额定值不变。 而保证磁通量不变的方法可以在降频时同时降低u ，而u 。的值和e 。近似，可以用e 。 代替【，。但是，随着频率的降低，定子阻抗压降占u 的比例越来越大，使争实际 j 1 值下降，磁通减小，如图2 - 2 ( a ) 所示。为了避免这一现象出现，可以在频率较低 p 时，引入低频补偿，也就是通过控制环节，适当提高变频电源输出电压，维持粤为 ，l 常数，如图2 2 ( b ) 所示。 n ( a )( b )( c ) 图2 - 2 异步电机不同控制方式下的机械特性曲线 此外，在基频以上工作时，异步电机的转矩特性如图2 2 ( c ) 所示。此时，由 于电机的电压不能超过额定电压，因而主磁通随频率的升高有所降低，并且定子绕 9 少。因 围内为 恒定， 了基于 以逼 采用这 第三阶段：直接转矩控制。直接转矩控制最早由德国鲁尔工业大学的学者于 1 9 8 5 年提出。这种控制方式把转矩直接作为被控量来控制。这种控制方式本质上不 需要转速信息，控制上除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定 子磁链观测器能很容易的估算出同步速度信息。1 9 9 5 年a b b 公司首先推出基于直接 转矩控制的a c s 6 0 0 系列变频器，其转矩响应速度小于2 m s 。随后该公司又推出了同 样基于直接转矩控制技术的a c s 8 0 0 系列以及a c s l 0 0 0 系列，并在市场上得到极大 的推广。 2 1 3 直接转矩控制技术 直接转矩控制( d t c ) 是继矢量控制变频调速技术之后的一种新型的交流变频 调速技术，它用空间电压矢量的分析方法，采用定子磁场定向，省掉了复杂的坐标 变换，实现对电动机数学模型的简化处理，直接在定子坐标系下计算与控制转矩。 直接转矩控制借助于离散的两点式调节产生p w m 信号，把转矩的检测值和转矩给定 值相比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，直接对逆变器的开关状态进行最 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 佳控制，以获得转矩的高动态性能。该系统的转矩响应迅速， 且无超调，是一种具有高静态和动态性能的交流调速方法。 ( 1 ) p w m 逆变器输出电压的矢量表示 三相交流电压是正弦波，则空间电压矢量u 定义为： ( 厂5 + 朋矿+ ，2 1 2 l 2 一般在一拍以内，而 ( 2 - 5 ) ui ( o ，o 1 图2 - 3 三相逆变器主电路图2 - 4 逆变器的电压矢量 式中，= p 。r 。对于如图2 - 3 所示的逆变器主电路，品、品和品为逆变器的 三个开关元件，s = 0 表示开关元件断开，墨= 1 表示开关元件闭合。在不考虑三相 负载的情况下，以u 相为例，若品为1 且品为0 ，电流经品流入相，若忽略开 关元件的正向导通压降，则为；1e 出：若品为。且万为l ，则为一昙。逆变 器的输入和输出关系可以用开关函数来表示。 逆变器输出电压为： 驻 式中，s c ，、品和昂分别为、品和品相反的状态，且有： 直流输入电流为： ( 2 - 6 ) ( 2 - ? ) 勋函跏 。l = 1，j 缈咖帅 艮 品昂品 一 一 一 u r 旷鼬函跏 _。l = 1，j w 胛 附 ” ” “ r。l 华北电力大学工程硕士学位论文 屯= p 。s y s 矽 芝 ( 2 - 8 ) 在图2 - 3 中，若加入三相负载，由于直流电源中性点0 与负载中性点n 并不一 定是等电位，所以三相负载的相电压分别为： 211 n u n2 i 一4 u v o i “胁 1 “妇：昙“砌一三b 一一1 “胁 ( 2 9 ) “瞻2 j “砌一j “踟一了“肋 l z 一了 2 1 1 u w n 2 i u w o 一- - 4 u u o 一- 4 u v o jjj 开关变量品、品和品的不同组合决定了该种逆变器只能输出八个电压矢量， 其中有六个运动矢量u 一乩和两个零矢量u o 、u ，。将式2 9 带入带入空间电压矢 量表达式中，可以得到相应的电压矢量图，如图2 - 4 所示。六个运动矢量在空间上 相位相差6 0 ， 3 6 0 。分为6 个等份，它们的摸都等于2 e 如。 ( 2 ) 磁通轨迹控制：电压矢量的积分是磁通矢量，使磁通的轨迹在圆周上， 就得到了磁通轨迹控制。逆变器每一次开关动作都将产生磁通的微小变化。依然设 逆变器的开关状态为u i ，开关的持续时间为缸。经过a t 时间，由电压矢量所产生 的磁链增量为： = u f ( 2 1 0 ) 第n + 1 次控制周期结束时磁通的关系为： 川= 。+ a o ( 2 1 1 ) 如果阢为零矢量，则磁通的增量为零，磁通的轨迹未发生移动。在逆变器的基 波频率一周期内，分为k 个控制周期，每个控制周期的时间间隔为t = 2 z k e o 。将空 间平面按电压矢量分为六个扇区，在每个扇区的边沿各有一个电压矢量，。记为u 和 。在每个控制周期选择三种开关状态，由此实现p w m 控制。 如果在6 0 。对应的时间间隔内只改变逆变器的一支桥臂上下开关器件的通断状 态，则磁通轨迹为六边形，如图2 5 所示。选择电压矢量u i ，经过时间，磁通轨 1 2 迹 达 距 在逆变器的k 个控制周期内，选择为主矢量，持续时间为t 。；为辅助矢量， 持续时间为f ：；砜为零矢量，持续时间为t 。主矢量可选择图2 4 中的砜一u 6 ，零 矢量可选择和【，。控制周期为： t = t o + t l + t 2 ( 2 1 2 ) 根据积分近似公式有：u t = u l t l + t 2 ，u 丁为在第k 个控制周期的磁通设定值 的增量，u f 。和f 分别为电压矢量u 和电压矢量u 2 在持续时间内所产生的磁通增量。 可推算出： 角。 ：口坚r 1 s i n 6 0 。 f ，：口s i n ( 6 0 。- y ) ( 2 1 3 ) s i n 5 0 、 t o = t 一 一乞 式中，口：孚为调制比，u 为正弦电压设定值，厂为电压参考矢量u 与u 的夹 乜如 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 基于异步电动机直接转矩控制的变频调速系统n 们 、 直接转矩控制系统具有转速控制和磁链控制两个子系统。转速调节器产生转矩 指令，用来和电磁转矩数学模型取得的实际转矩信号进行比较，产生转矩滞环比较 器的三种状态输出；磁链控制器产生磁链指令，用来和定子磁链观测模型取得的实 际磁链信号进行比较，产生磁链滞环比较器的两种状态输出；磁链观测模型获得的 定子磁链方向信号则输入到扇区比较器中，产生六种不同的扇区标志。用磁链观测 模型和电磁转矩模型获得磁链和转矩数据，与给定值比较产生磁环比较状态信号， 再经过逻辑控制进行开关状态切换，实现恒定磁通控制和电磁转矩控制，这就是直 接转矩控制的基本原理。 直接转矩控制调速结构方案示意图如图2 - 7 所示。 奎鎏。谈庸 手 转速 1 ip u l t 耵l 一一 开关 逆 一l ”j 、 i 。传感器 - 国。，、一仨、夥 n j ) ， 一 调节 7 函 一椰”i 仪俯i 一一状态 - 变 7 一y ， 器 控制 器 扇区比较器卜一 磁链 矽 k p 磁链3 2 控制 矽j 变换 j c ra l 观测 坐标 器 ，口 变换 ， u p 矿j i 矿口i b u ， 电磁 _ | 3 2 转矩 j 坐标1 = r 模型变换 j 口 jr jr 图2 - 7 直接转矩控制调速方案 图2 - 7 中的磁链观测模型内有电压模型和电流模型两种模型，根据输出频率或 者转速进行切换，因此其输入参数既有电流电压信号又有实际转速信号。另外，转 矩滞环比较器实际上还需要能够判别到底在o 、1 状态之间切换还是在0 、一1 状态 之间切换的逻辑输入。与矢量控制比较，直接转矩控制的控制结构相对简单，其控 制作用直接施加到逆变器开关状态控制上，控制响应迅速1 。 2 2 变频器的发展与主要种类 2 2 1 变频器的发展历程 变频器最早于二十世纪八十年代诞生，到目前为止已经经历了五次明显的更新 换代。第一代变频器为诞生之初的模拟式变频器；进入上个世纪八十年代中期，出 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 现了数字式变频器；二十世纪九十年代，变频器向智能化发展，出现了智能型变频 器；进入九十年代中期开始向多功能方向发展；进入二十一世纪，第五代集中型变 频器开始得到推广和应用。 ( 1 ) 最新技术动向：随着变频器的应用领域不断扩大，其所采用的技术也不断 拓宽。电力电子器件作为变频器的核心元件，它的发展对变频技术的更新换代起到 了决定性的作用。针对变频器的主电路发热量过高等问题，同时为了追求变频器的 小型化，采用新型的i g b t 、i p m 等电力电子元件使低功耗和高效率成为可能。同时 又满足了人们对变频器经济化的需要n 列。 随着电力电子元件向自关断化、模块化迈进，以及可编程控制器和单片机技术 的应用，变频器的体积也越来越小，功能也随之增多。现在，容量在6 0 0 k v h 以下 的中小型的变频器已经实现了通用化，可以实现对通用型交流电机的驱动，而不一 定使用专用变频电动机。 ( 2 ) 高压、大功率变频器：目前，应用最为广泛的还属中、小容量的通用变 频器，但是高压、大容量的变频器往往在节能方面更为显著。高压、大容量变频器 主要有两种结构，一种是采用升降压变压器的“高低高”式变频器：另一种是无输 出变压器的“高高 式变频器，这种变频器去掉了输出变压器，结构更为简单，安 装空间更小，损耗更低，已经成为大容量电机调速驱动的发展方向。 为了减少高压、大功率变频器由于谐波问题对电网和电动机的影响，在主电路 上下功夫，研究如何减少谐波成为当前研究的重点。另外，如何提高逆变器件的耐 压能力及串并联技术都是今后高压、大容量变频器研究的主要方向。 ( 3 ) 控制量的数字化：变频器参与的供电系统往往属于快速系统，在使用数字 控制时要求的采样频率较高，通常高于l k h z ，需要完成比较复杂的操作控制和数学 运算，这就对控制核心的存储容量和实时处理能力提出了更高的要求。全数字的控 制方式可以使处理信息的能力大幅度增强。以往采用模拟控制方式无法实现的复杂 控制都可以由数字控制方式完成，并且全数字控制还具有控制精度高、稳定性好、 适应能力强等特点。 2 2 2 变频器的主要种类 变频器的种类很多，由于其涉及到的专业技术门类较广，因而根据不同的分类 方法，变频器的种类也比较复杂。 ( 1 ) 按照主电路结构的不同可以分为交一直一交变频器和交一交变频器。 交一直一交变频器先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流 电变成可控制频率的交流电。而交一交变频器主电路没有中间的直流环节。两种变 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 频器的性能比较见表2 一l 所示1 射。 表2 1 交一交变频器和交一直一交变频器的性能比较 项目 类别 交一直一交变频器 交一交变频器 - 换能方式两次换能，效率略低次换能，效率较高 装置元件数量较少较多 最高频率为电网频率的 调频范围 较宽 1 3 1 2 适用范围 电力拖动系统、各种电源低速大功率拖动 功率因数较高( p 删调压)较低 目前，市场上绝大部分的通用变频器都是交一直一交变频器。交一直一交变频器可 以根据其输出频率和电压的控制方式不同分成三种，见图2 - 8 所示。 a cd ca c 割嚣曰敝鲁 十调压t 调频 ( a ) a c d c d ca c 叫曰整流卜一一卜一一叫卜- o a c ( b ) ( c ) 图2 - 8 交一直一交变频器的主要结构 由可控整流器调压、用逆变器调频的交一直一交变频器。见图2 8 ( a ) 所示， 通过控制电路协调配合调压与调频环节，一方面使调压与调频分别在两个环节上进 1 6 盘 华北电力大学工程硕士学位论文 行，另一方面还要保证调节过程中压频比恒定不变。这种结构的变频器结构简单， 控制方式也比较方便，但是当电压和频率比较低时，功率因数会较低。 用二极管整流器整流、斩波器调压、逆变器调频的交一直一交变频器。见图 2 8 ( b ) 所示，整流电路采用二级管不控整流，在直流环节加斩波器，用脉宽调压、 逆变环节进行调频。恒压恒频的交流电经过整流环节转变为恒定的直流电压，再经 过直流斩波器变为可调的直流电压，最后经过逆变环节逆变为电压和频率都可调并 且压频比恒定的交流电源。由于输入侧采用不控整流控制方式，使输入功率因数提 高，但是仍然存在谐波较大的问题。 用二极管整流、p w m 逆变器同时调压调频的交一直一交变频器。见图2 - 8 ( c ) 所示，整流电路同样采用二级管不控整流，逆变器采用可控关断的全控式元件，电 网的正弦交流电通过不控整流环节转变为恒定的直流，再经过逆变器转换为电压和 频率均可调的正弦交流电。这种变频器功率因数高，动态响应特性较好并且输出的 谐波分量小，是当今最有发展前途的一种变频器。 ( 2 ) 按主电路的工作方式不同可以分为电压型变频器和电流型变频器n 钔。 电压型变频器的特点是通过由整流电路产生逆变器所需要的电压，并通过滞留 中间电路的电容进行滤波输出，来把直流电源转换为交流电源完成。整流电路和直 流中间电路起到直流电压源的作用，而电压源输出的直流电压在逆变器中转换为交 流电压。因为电压型变频器中能量回馈通路是中间直流电路的电容器，并使直流电 压上升，为了方便能量的回馈和防止换流器件因为电压过高而被损坏，需要设置专 门的直流单元控制电路，还需要在电源侧设置交流电抗器来抑制输入谐波电流的影 响。通用变频器主回路结构一般由二极管整流器、直流中间电路以及p w m 逆变器三 部分组成。 电流型变频器的特点是把直流电流源转换为交流电源。整流电路给出的直流电 源，通过中间直流电路的电抗器对电流滤波后输出。整流电路和中间直流电路起电 流源的作用，电流源输出的直流电流在逆变器中被转换为相应的交流电源，并分配 给各输出相后提供给电动机。 2 3 变频器的基本原理 通用变频器一般由主电路和控制电路组成，主电路由整流器、滤波器以及逆变 器三个主要部分组成；而控制回路则由单片机、驱动电路和光电隔 离电路构成。 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 2 3 1 整流器 整流器位于电网侧，主要作用是把交流电源转换为直流电源，可分为可控整流 和不可控整流。整流装置在运行过程中会导致电网电压波形发生畸变，干扰同一电 网上其他设备的正常运行；同理，电网的扰动超过一定极限时，也会导致整流装置 性能的下降。十二脉波二极管整流是一种比较典型的整流装置，因其纹波系数较小， 谐波对电网的干扰较小，得到了广泛的应用，见图2 9 所示。图2 - 1 0 为其带电阻 性负载时的整流输出波形n 钉。 zzz 1 d | | 羚 i zz 负r 一 一载【 zz _-_- z zzj d 1 u o o 图2 - 9 十二脉波二极管整流图2 一1 0 带电阻性负载时的整流输出波形 2 3 2 逆变器 逆变器位于负载侧，它的作用将直流功率变换为相应的交流功率。大多数逆变 器都采用三相桥式逆变电路的形式，主要由六个半导体开关器件组成。它通过有规 律地控制逆变器中主开关的导通和关断，得到任意频率的三相交流输出波形。 在逆变环节中，目前应用比较广泛的控制方式主要是正弦脉宽调制( s p w m ) 技 术。s p w m 是在p w m 的基础上发展起来的。p w m 技术是利用半导体器件的开通和关断 把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，并以此来实现对频率和电压的控制以及 消除谐波【1 6 i 。而s p w m 技术改变了调制脉冲方式，占空比按正弦规率排列，这样输出 波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。s p w m 技术是目前最为成熟也是使用比较 广泛的p w m 技术。 1 8 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 1 ) s p 硼基本原理：s p w m 的波形是 正弦波等效的一系列不等宽的矩形脉冲。 u 如图2 1 l 所示。等效的原则是每一区间的 面积相等。如果把一个正弦波分作几等分， 一 然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围 n 的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲 来代替。这样几个等幅不等宽的矩形脉冲 u 所组成的波形就与正弦波等效，称为s p w m 波形。 ( b ) ( 2 ) 单极式s p w m ：传统的脉宽调制 方式是把正弦信号作为基准，在s p w m 中一 0 般将三角波作为载波。当调制波和载波相 交时由其交点确定逆变器开关的通断时 图2 - 1 1s p w m 波原理 t 间。一般正弦波频率较低，而载波为高频信号。当载波频率升高，两种波形的交点 自然增多，也就是一个周期内的脉冲数增加，使电动机输出波形更接近正弦。单极 式s p w m 波在半周内的脉冲电压只在正和零电平之间变化，主电路每相只有一个开 关器件反复通断，因此，元件的利用率不高，且正负信号交替的控制有一定复杂性 i t s o ( 3 ) 双极式s p w m ：该种方式是目前三相逆变器中采用最多的一种方式。双极式 s p w m 的两种信号波均有正负极性，它输出的脉冲列可让同一桥臂上、下两个开关交 替导通和关断，输出脉冲只有正、负电平而无零电平。其调制方法和单极式类似， 只是输出脉冲电压的极性不同，即在一个周波内同时存在正极性和负极性的信号n 鲥。 2 4 本章小结 本章主要分析了三相异步电动机的直接转矩控制技术，比较了几种典型的异步 电动机控制策略的性能差异，讨论了变频器的基本原理，并着重分析了十二脉波二 极管整