交流电动机变频调速基础概要.ppt

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 7 1概述1 交流电动机的调速方法1 同步电动机的调速 通过改变供电电压的频率来改变其同步转速 6交流传动控制系统 2 异步电动机的调速 利用晶闸管控制技术 l调压调速 控制加于电动机定子绕组的电压 l串级调速 控制附加在转子回路的电势 l变频调速 控制定子的供电电压与频率 l异步电动机矢量变换控制系统 l无换向器电机调速系统 l电磁转差离合器调速系统等 2 交流调速技术的优点 半导体变流技术 1 优良的调速性能 2 节约能源 3 减少维护费用 4 节约占地面积 5 用于大容量或恶劣环境场合 由上式可知 异步电动机的调速方法分为三种 l改变转差率S 调节定子电压 转子电阻 转子电压 定转子供电频率等 l改变极对数l改变频率 3 主要公式 4 电磁转差离合器调速系统 通过改变电磁离合器的励磁电流来实现调速 异步电动机本身并不调速 1 优点 l线路简单 价格便宜 l速度负反馈后调速相当精确 平滑调速 2 缺点 l低速运行时损耗较大 增加了滑差离合器 l调速效率较低 12 2交流调压调速系统 改变异步电动机的定子电压 即改变电动机的转矩 T U2 及机械特性 从而实现调速 12 2 1采用晶闸管的交流调速电路1 单相交流调压电路 应用最广的是反并联电路1 电阻性负载 l电源电压正半周 VS1导通 负半周 VS2导通 l波形与波形同相 注 在同一控制角下 负载上得到正负对称的交流电压 l波形滞后于波形 延迟角 l延迟角与 负载功率因数角 有关 2 电感性负载 2 要求 l触发信号应与交流电源有一致的相序和相位差 l在感性负载或小导通角情况下 如三相全控桥式电路 采用 脉宽 的双脉冲或宽脉冲触发电路 2 三相交流调压电路 常用1 Y形接法的电阻性负载A B C AA C B A 12 2 2异步电动机的调压特性 1 改变定子电压 调速范围不大 如a b c三点 2 低速时运行稳定性不好 如d点 转子电流相应增大 为了既低速运行稳定又不致过热 要求电动机转子绕组有较高的电阻 3 采用转速负反馈闭环调速系统 既保证低速时机械特性硬度 又保证一定负载能力 注 电源电压 控制电压 可变电压 输出电压 给定信号 反馈信号 1 与平衡 注 机械特性基本上是一簇平行的特性 2 特点 l平滑改变定子电压 就平滑调速 l低速的特性较硬 l调速范围较宽 12 2 3调压调速时的损耗及容量限制1 转差功率为 电磁功率 机械功率 低速时 损耗 2 不适合于长期工作在低速的工作机械 3 特别适合于通风机及泵类等机械 TL Kn2 12 3线绕式异步电动机调速系统由异步电动机和交流装置组成串级调速系统 转子电路串接电阻 能耗大或串接电势 12 3 1串级调速的一般原理 在异步电动机转子电路内引入附加电势 以调节异步电动机的转速 1 附加电势的方向 或相位 l与转子电势E2相同 超同步转速调速l与转子电势E2相反 低于同步转速调速2 的频率 与E2的频率相同 12 3 2串级调速时的机械特性 1 与直流电动机的特性很相似 2 转速低于 或超 同步转速 或 12 3 3串级调速的优缺点1 调速范围宽 2 效率高 转差功率可反馈电网 3 容量大 4 应用范围广 通风机或恒T型负载 5 功率因素较差 电容补偿 作业 P 34812 6 7 12 4晶闸管变频调速系统12 4 1变频调速原理1 变频调速 改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速 l具有高效率 宽范围和高精度的调速性能 l变频调速是异步电动机调速的主要发展方向 1 变频调速原理1 实质 电压与频率成比例变化 2 恒T变频调速中 定值 保证过载能力不变 磁通基本不变 3 恒P变频调速中 l 定值 不变 变 l 定值 变 基本不变 12 4 2变频调速系统的分类1 交 直 交变频调速 带直流环节的间接变频调速2 交 交变频调速 不带直流环节的直接变频调速 12 4 3交 直 交变频调速系统l电压型变频调速系统 1 主电路 整流器 逆变器 逆变电路和换流电路 和电容 中间环节 滤波 2 逆变器的换流原理工作方式 180o 120o通电型 以单相为例 C预充电 稳态导通阶段 开始换流阶段 振荡换流阶段 振荡衰减阶段 反馈阶段 换流结束阶段 1 VS1 VS2 主晶闸管 VS1 VS2 辅助换流晶闸管 作为LC振荡电路的充放电开关 2 通过触发VS1 VS2 反向关断VS1 VS2 3 通过LC串联谐振电路中的电流反向 关断VS1 VS2 l电流型变频调速系统 1 主电路 整流器 逆变器和直流滤波电抗器 中间环节 l常用串联二极管式逆变电路 l电抗器滤波 输出电流较平直 为矩形波 2 强迫换向电路1 C为换向电容 V为隔离二极管 与主晶闸管串联 2 换流电路为120o导电型 同一相两只SCR同时导通 脉冲间隔 相位差 为180o 3 两只相邻SCR 脉冲间隔为60o 正转时触发VS1 2 3 4 5 6 1 反转时触发VS6 5 4 3 2 1 6 4 两相轮流导通 脉冲间隔为120o 1 3 5或2 4 6 注 l电压型变频调速系统 采用电容滤波 电源阻抗很小 类似电压源 l电流型变频调速系统 采用电抗器滤波 电源阻抗很大 类似电流源 l差别 1 电流型直流侧采用大电感L滤波 而形成直流源 2 三相整流桥 逆变器的交流侧输入电流都为120o方波交流电流 3 L有保护性能 抑制故障电流上升 4 逆变桥内无电感 简化主回路 5 整流桥和逆变桥方向不变 反馈二极管桥不与逆变桥反并联 6 整流桥和逆变桥的直流电压同时反号 能量返送交流电网 系统可再生 7 适用于频繁加减速和变动负载的场合 12 4 4脉宽调制型变频调速系统 PWM 一般采用电压型逆变器 1 种类1 变幅PWM型变频器 直流电压可变 l整流器 晶闸管整流器 用来调压 l逆变器 用来调频 输出频率 2 恒幅PWM型变频器 直流电压恒定 l整流器 二极管整流桥 l逆变器 输入恒定的直流电压 调节输出电压的脉冲宽度和频率 实现调压和调频 3 特点 l电路简单 l调节速度快 l动态响应好 注 a 改变调制周期 改变输出频率 b 调制方法 单极性调制和双极性调制 c 按载波信号和参考信号频率之间的关系分为 同步式调制和非同步式调制 2 单极性正弦波脉宽调制法 1 正弦波与三角波相交 得到一组幅值 宽度按正弦规律变化的矩形脉冲 2 矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号 这一组矩形脉冲可用正弦波 虚线 等效 3 输出电压的大小和频率由 正弦参考电压 控制 改变幅值 就改变脉宽 从而改变输出电压大小 改变频率 就改变输出电压频率 4 正弦波最大幅值必须小于三角波幅值 基本恒定 5 三角波和正弦波的频率成正比例地改变 称为同步式调制 注 图12 20所示的是单相脉宽调制波 对于三相逆变器 载频三角波可共用 必须有一个三相可变频变幅的正弦波发生器 两者相比较 产生三相脉冲调制波 3 准正弦波脉宽调制变频调速控制系统 SPWM 输入脉冲列 载波信号 阶梯波 脉宽调制波形 监相波形 最后调制波形 逆变器输出波形 4 适用场合 特点 1 实现平滑启动 停车 2 高效率 宽范围调速 3 作为异步电动机变频调速的供电电源 注 采用高速开关元件 逆变器输出脉冲增多 在输出低频时 输出波形较好 12 4 5交 交变频调速1 用途l交流电动机调速 l变频交流电源 注 单相交流电 三相 或两相 交流电 高频电源 低频电源 2 单相 单相 直接变频电路 的交 交变频原理 1 共阴极法主电路 VS1 VS3 则得到上正下负的输出电压 2 共阳极法主电路 VS2 VS4 则得到上负下正的输出电压 3 两组反并联的可控整流电路 则得到如图12 24所示的交变电压 其值由SCR控制角来控制 3 输出电压波形 方波型 正弦波型1 三相方波型交 交变频器 主电路 l每相由两组反并联的三相零式整流电路组成 为正组 为反组 l各组导通角为T 3 T为周期 每组依次相隔T 6导通 l同一时刻有一个正组和一个反组同时导通 2 正弦型交 交变频器 用于异步电动机调速l由两组反并联的可控整流器组成 l不断调制角 使输出平均电压为正弦波 与直流可逆系统不同之处 4 与交 直 交变频调速相比1 优点 l节省中间换流环节 效率高 l低频波形较好 谐波损耗和转矩脉动大大减小 2 缺点 l主回路元件较多 l最高频率受电网频率限制 3 适用场合 低速 大容量的场合 如球磨机 矿井提升机等 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 可控硅导通和关断条件 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A K 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2000A 3000A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 2GTO与IGBT IPM基本性能较 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 IntelligentPowerModule 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 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 36PWM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 第7章 交流技术基础 图3 38PWM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Boo