交流控制技术

1、12 近代交流调速是近代交流调速是80年代新兴的一门边缘学科。狭年代新兴的一门边缘学科。狭义上：如何控制电机；广义上：是以电机为控制义上：如何控制电机；广义上：是以电机为控制对象，研究如何将对象，研究如何将电力电子电力电子、信息控制信息控制等最新技等最新技术成果应用于实际系统的设计。术成果应用于实际系统的设计。 本课特点：理论与实际相结合。本课特点：理论与实际相结合。 学习方法：理解学习方法：理解 消化原理、理解过程、掌握分析方法消化原理、理解过程、掌握分析方法 教材：教材：近代交流调速近代交流调速佟纯厚主编佟纯厚主编3 本课总学时：本课总学时：42学时学时 其中：实验其中：实验6 学时，每次

2、学时，每次3学时学时 去年成绩评定：试卷去年成绩评定：试卷80分；平时成绩分；平时成绩20分分 平时成绩包括：作业、测验、出勤率共平时成绩包括：作业、测验、出勤率共15分；实验分；实验5分。分。4 1.交流调速的一般基础交流调速的一般基础 1234节节 2.交直交电压型变频调速系统交直交电压型变频调速系统 1234节节 3.交直交电流型变频调速系统交直交电流型变频调速系统 1234节，节，56节为自节为自学内容学内容 5.PWM逆变器逆变器 123节节 6.交交变频器交交变频器 12节节 7.异步电机矢量控制异步电机矢量控制 16节节 8.直接转矩控制、模糊控制在交流调速中的应用直接转矩控制、

3、模糊控制在交流调速中的应用5 在过去的学习中我们知道直流电机具有良好在过去的学习中我们知道直流电机具有良好的调速性能，在过去相当长的时间内，直流的调速性能，在过去相当长的时间内，直流拖动一直占据调速领域的统治地位。直流调拖动一直占据调速领域的统治地位。直流调 速的有许多优点如：调速范围宽、静差小、速的有许多优点如：调速范围宽、静差小、 稳定性好、有良好的动态特性等。稳定性好、有良好的动态特性等。 （机械特性）（机械特性）问题：直流电机由于其本身的结构特点（机械换问题：直流电机由于其本身的结构特点（机械换 向）使其向）使其 难于有更进一步的发展空间。难于有更进一步的发展空间。61.转速受限：换向

4、器表面线速度不允许转速过高转速受限：换向器表面线速度不允许转速过高;2.容量受限：机械换向器限制直流电机最高电压；容量受限：机械换向器限制直流电机最高电压； 3.动态特性受限：为了换向器可靠，要增大电枢和换动态特性受限：为了换向器可靠，要增大电枢和换向器的直径（转动惯量增加），影响快速响应；向器的直径（转动惯量增加），影响快速响应；4.检修困难：机械换向结构复杂，更换电刷费用高检修困难：机械换向结构复杂，更换电刷费用高;5.使用环境受限：机械换向产生电火花、电刷腐蚀使用环境受限：机械换向产生电火花、电刷腐蚀6.造价高，同一级别、同一容量的直流电机要比交流造价高，同一级别、同一容量的直流电机要比

5、交流电机造价高出许多。电机造价高出许多。71.容量大、转速高、耐高压。容量大、转速高、耐高压。2.对环境适应性强。对环境适应性强。3.结构简单、造价低。结构简单、造价低。4. 调速系统性能不断提高。调速系统性能不断提高。 （机械特性（机械特性 控制复杂）控制复杂）891、有需求：、有需求： 交流电动机结构简单，造价低，耐用，事故率低，交流电动机结构简单，造价低，耐用，事故率低，容易维护，所以应用广泛，国民经济的各个方面电容易维护，所以应用广泛，国民经济的各个方面电动机负荷占总发电量的动机负荷占总发电量的6070。2、问题：调速困难，性能指标不佳。、问题：调速困难，性能指标不佳。3、问题的原因：

6、交流调速理论需要突破和电子器件、问题的原因：交流调速理论需要突破和电子器件不能满足交流调速理论的应用。不能满足交流调速理论的应用。104、技术的发展：、技术的发展： 电力电子技术的发展电力电子技术的发展（功率半导体器件制造技术（功率半导体器件制造技术和电力变换技术的发展）和电力变换技术的发展）为交流调速的发展提供为交流调速的发展提供了技术条件和物质基础。（各种大功率半导体器了技术条件和物质基础。（各种大功率半导体器件的出现为交流调速系统的实现提供了物质基础；件的出现为交流调速系统的实现提供了物质基础；各种半导体功率变换器各种半导体功率变换器AC/DC、DC/DC、DC/AC、AC/AC实现了变

7、压、变流、变频使交流调速的理实现了变压、变流、变频使交流调速的理论得以成为现实。）论得以成为现实。） 交流电机控制技术（包括变频调速理论）的发展交流电机控制技术（包括变频调速理论）的发展 全数字化控制技术。全数字化控制技术。115、交流调速技术的发展主要依赖以下几个方面：、交流调速技术的发展主要依赖以下几个方面： 开关元件的自关断化开关元件的自关断化( (从半控从半控 全控）全控） 变频装置的高性能化（矢量控制技术的应用）变频装置的高性能化（矢量控制技术的应用） PWM技术的应用（改善波型、提高响应能力）技术的应用（改善波型、提高响应能力） 全数字控制技术全数字控制技术(引入计算机，实现复杂控

8、制引入计算机，实现复杂控制) 电力变换技术电力变换技术12 晶闸管晶闸管 SCR （silicon controlled rectifier）：半控器件，可控制导通不能自）：半控器件，可控制导通不能自行关断。行关断。镙栓型镙栓型平板型平板型13 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO（gate turn-off thyristor）：全控器件，用在大容量高压）：全控器件，用在大容量高压变频系统中。门极加正信号导通、加负信变频系统中。门极加正信号导通、加负信号关断。号关断。 14 功率晶体管功率晶体管GTR（giant transistor）日日本产品；本产品； 双极型功率晶体管双极型功率晶体管

9、BJT（bipolar junction transistor）欧美产品，全控器件。欧美产品，全控器件。 正向基极电流使其导通，反向关断。正向基极电流使其导通，反向关断。 GTR是一种是一种电流控制电流控制的双极双结电力电子器件，的双极双结电力电子器件，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，但其驱动电流较大，正小、开关时间短，但其驱动电流较大，正逐步被逐步被IGBT取代。取代。15 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）：全控器件。）：全控器件。IGBT模块模块16 I

10、GCT（integrated gatecommutated thyristors）集成门极换向晶闸管）集成门极换向晶闸管 17 MOS场效应晶体管场效应晶体管MOSFET（metal oxide semiconductor field effect transistor）（中文：金属氧化物半导体场）（中文：金属氧化物半导体场效应管效应管 ），全控器件。），全控器件。 比比GTR的开关速度快、损耗低、驱动电流的开关速度快、损耗低、驱动电流小。门极信号为电压，分为小。门极信号为电压，分为N型和型和P型。型。18 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT ：全控器件。综合了：全控器件。综合了晶闸管耐高压、大

11、电流和晶闸管耐高压、大电流和MOSFET快速关快速关断的特点，负电压脉冲导通，导通压降低，断的特点，负电压脉冲导通，导通压降低，通态压降是通态压降是IGBT或或GTR的的1/3，而开关速度，而开关速度则超过则超过GTR。触发功率小，是很有发展前。触发功率小，是很有发展前途的器件。途的器件。 19 功率集成电路功率集成电路 PIC 主要开关元件是主要开关元件是IGBT（1-1000kw）和）和GTO（1000-10000kw） PIC是电力电子器件技术与微电子技术相结是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是机电一体化的关键接口元件。合的产物，是机电一体化的关键接口元件。将功率器件及其驱动电

12、路、保护电路、接将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，就制成了上，就制成了PIC。20 智能功率模块智能功率模块IPM （intelligent power module）：是以）：是以IGBT为开关元件的一种为开关元件的一种集成电路，除了驱动电路、保护电路、接集成电路，除了驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路外，还集成了过压、过口电路等外围电路外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至号传送至CPU。它真正实现了功率器件与。它真正实现了功率器件与电路的集成；强

13、电与弱电的集合；信息与电路的集成；强电与弱电的集合；信息与动力的统一，是建立在高新技术进步基础动力的统一，是建立在高新技术进步基础之上的。之上的。21 第一代：分立换流关断器件第一代：分立换流关断器件SCR； 第二代：自关断器件第二代：自关断器件GTO、BJT、IGBT； 第三代：功率集成电路第三代：功率集成电路PIC、IPM。 IPM电力电子器件驱动电路保护电路电力电子器件驱动电路保护电路故障检测电路微机接口电路故障检测电路微机接口电路第一章第一章22风量风量Q Q消耗功率消耗功率100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 节电量节电量用变频用变频器控制器控制用挡

14、板控制用挡板控制例例23)1 (601spfn变极调速：改变极对数，有级、不连续；变极调速：改变极对数，有级、不连续；变转差率：电机效率下降；变转差率：电机效率下降；变频调速：效果好。变频调速：效果好。24 改变磁极对数改变磁极对数p实际上就是改变定子旋转磁实际上就是改变定子旋转磁场的转速。所以，磁极对数的改变是通过场的转速。所以，磁极对数的改变是通过改变定子绕组的接法来实现的，机械特性改变定子绕组的接法来实现的，机械特性如图如图 251、转子串电阻、转子串电阻 改变转差率是通过在转子电路中串联电阻来实现改变转差率是通过在转子电路中串联电阻来实现的。所以，这种方法只适用于绕线转子异步电动的。所

15、以，这种方法只适用于绕线转子异步电动机，如图机，如图 262、调解定子电压、调解定子电压 利用双向晶闸管来调节异步电动机的输入电压，利用双向晶闸管来调节异步电动机的输入电压，可以在一定范围内实现无级调速，如图可以在一定范围内实现无级调速，如图 273、串级调速 所谓串级调速，就是向转子绕组里加入与转子电所谓串级调速，就是向转子绕组里加入与转子电流频率相同的电动势，来影响转子电流。这种方流频率相同的电动势，来影响转子电流。这种方法也只能应用于绕线转子异步电动机，如图法也只能应用于绕线转子异步电动机，如图 284、电磁离合器（、电磁离合器（电磁调速电动机 ） 电磁调速电动机的基本结构如图所示，它相

16、当于电磁调速电动机的基本结构如图所示，它相当于两级异步电动机：两级异步电动机： 29 变频可以调速，而且可以无级调速改变了变频可以调速，而且可以无级调速改变了频率，就改变了同步转速，也就改变了转频率，就改变了同步转速，也就改变了转子转速。子转速。 pfn116030分类：分类： 恒磁通或近似恒磁通恒磁通或近似恒磁通 （恒转矩性质）（恒转矩性质） 恒流恒流 （恒转矩性质）（恒转矩性质） 恒功率恒功率 （弱磁调速）（弱磁调速） （恒功率性质）（恒功率性质）31 在上述交流调速方法中最传统的是变转差率调速，在上述交流调速方法中最传统的是变转差率调速，但在低速区转差率但在低速区转差率s s大，因此转差

17、功率大，因此转差功率 也也大，所以电机效率较低。变频调速与变转差率调大，所以电机效率较低。变频调速与变转差率调速有很大区别，从计算公式上看速有很大区别，从计算公式上看 ，随着频率的降，随着频率的降低同步转速也降低，从高速到低速转差率是固定低同步转速也降低，从高速到低速转差率是固定的，也就是说即使在较低的转速下，转差功率也的，也就是说即使在较低的转速下，转差功率也不会增加。因此变频调速具有高效率、宽范围、不会增加。因此变频调速具有高效率、宽范围、高精度的调速特性。高精度的调速特性。MssPp 32 为使交流电机获得变频调速电源就需要有为使交流电机获得变频调速电源就需要有一套变频装置，按电路形式划

18、分变频器可一套变频装置，按电路形式划分变频器可以分为以分为交直交变频器（间接）交直交变频器（间接）和和交交交变频器（直接）交变频器（直接）。 （教材（教材P8）33 调压方式调压方式 直流电源直流电源 换流电路换流电路 导通时间导通时间电压型电流型180导电型120导电型自耦变压器相位控制崭波PWM调压方式串联电感串联二极管辅助晶闸管34 相数相数 连接方式连接方式 环流环流有环流无环流单相三相反并联交叉开口三角环型35第一章第一章变频调速变频调速36 根据控制方式，变频调速原则有：根据控制方式，变频调速原则有： 1.恒磁通变频调速恒磁通变频调速 const 2.恒功率变频调速恒功率变频调速

19、Pconst 3.恒流变频调速（略）恒流变频调速（略） I1const37 如果简单从公式表面看：如果简单从公式表面看： 似乎只要改变频率似乎只要改变频率f就能够实现平滑改变同步转速就能够实现平滑改变同步转速的目的，从而实现无级调速。其实不然。由电机的目的，从而实现无级调速。其实不然。由电机原理的理论我们知道异步电动机电势方程原理的理论我们知道异步电动机电势方程 如果忽略定子压降如果忽略定子压降pfn1160mwkNfE111144. 4mEfkEU11138 由上式可知，在电压一定时频率的变化对磁通由上式可知，在电压一定时频率的变化对磁通是有影响的。即：是有影响的。即： 而从磁化曲线上看，电

20、机设计的工作点在膝点，而从磁化曲线上看，电机设计的工作点在膝点，也就是图中的也就是图中的C点。因此频率下降会引起磁通点。因此频率下降会引起磁通的增加，造成磁路过饱和，励磁电流的增加，造成磁路过饱和，励磁电流If增加很快，增加很快，铁损增大，电机过热，使电机负载能力下降、铁损增大，电机过热，使电机负载能力下降、效率降低。效率降低。11fkUEm3940 反之，频率增加将导致磁通下降，由下式可知：反之，频率增加将导致磁通下降，由下式可知： f1 m为维持恒定转矩为维持恒定转矩I2 有过流的危有过流的危险。险。 不论不论f f上升还是下降均应保持上升还是下降均应保持m常数。常数。 磁通恒定是变频调速

21、的原则之一磁通恒定是变频调速的原则之一 因此得知：定子电压必须随频率成比例变化。因此得知：定子电压必须随频率成比例变化。22cosICTmTconstfUfU111141 由电机的机械特性参数表达式由电机的机械特性参数表达式 可得到最大转矩可得到最大转矩)(2221121122kexsrrfsrUpmT(422111211maxkxrrfUpmT42 当频率较高时当频率较高时 可以忽略可以忽略r1，最大转矩为常数，最大转矩为常数 当频率较低时当频率较低时 可以忽略可以忽略xk，最大转矩减小，最大转矩减小1rxkkxr 1(422111211maxkxrrfUpmT43 即，在低频时定子电阻即，

22、在低频时定子电阻r1上的压降，对最大上的压降，对最大转矩有较大影响。为保持理想的恒磁通变频转矩有较大影响。为保持理想的恒磁通变频调速应满足：调速应满足： E1/f1=const 上式为恒磁通、恒最大转矩变频调速的协调上式为恒磁通、恒最大转矩变频调速的协调控制原则控制原则。 但电机的感应电势但电机的感应电势E1难以测量和控制，所以难以测量和控制，所以在实际中，在低频段采用一种近似方法：在实际中，在低频段采用一种近似方法： 控制回路中加入一个函数发生器，以补偿低控制回路中加入一个函数发生器，以补偿低频段定子电阻引起的压降。频段定子电阻引起的压降。44 补偿特性如图：补偿特性如图：蓝色无补偿有补偿f

23、1U145 有了低频段的电压补偿，可以得出恒磁通的变有了低频段的电压补偿，可以得出恒磁通的变频调速原则：频调速原则： 属恒转矩调速性质。属恒转矩调速性质。 补偿后的机械特性如图。补偿后的机械特性如图。11ECf46 电动机在正常运行时，是在额定电压下，此时的电动机在正常运行时，是在额定电压下，此时的频率为工频。频率为工频。 当频率当频率f高于高于50Hz时，如果还按压频比等于常数的时，如果还按压频比等于常数的原则，电压就要高于额定电压，这显然是不允许原则，电压就要高于额定电压，这显然是不允许的。应换另一种调速原则。的。应换另一种调速原则。 如果：如果： 电压不变电压不变mwkNfU111144

24、. 4constPTfM122cosICTmTe95501nTPeMmf1属恒功率变频调速属恒功率变频调速47 可作以下证明：可作以下证明：(422111211maxkxrrfUpmT1211211112121N2121N2121max fUfUfTfTfUTfUTTTfUTNNm 所以有因为恒功率变频后则有而高频时： 48 因此得到恒功率变频调速原则：因此得到恒功率变频调速原则：1111fUfU恒功率变频调速适用于负载随转速升高而减轻的情况，如恒功率变频调速适用于负载随转速升高而减轻的情况，如车床刀具等。通常为扩大调速范围，在基频以上采用恒功车床刀具等。通常为扩大调速范围，在基频以上采用恒功

25、率调速；在基频以下采用恒转矩调速。率调速；在基频以下采用恒转矩调速。（1-27）49)281 ( 9550nTWet备注50)291 ( 3752eTnGDt备注51 异步电动机变频调速可以实现四象限运行。异步电动机变频调速可以实现四象限运行。如果按照一定的规律控制，异步电动机的如果按照一定的规律控制，异步电动机的起动、制动、翻转和调速过程时间都可以起动、制动、翻转和调速过程时间都可以缩至很短。因此在变频调速时缩至很短。因此在变频调速时异步电动机异步电动机也可以具有良好的动态特性。也可以具有良好的动态特性。52 变频器是利用电力半导体器件的通断作用变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源

26、变换为另一频率的电能控制装将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。与电机的主电路连接置。与电机的主电路连接53电源电源继电器继电器滤波滤波电机电机开关开关电抗器电抗器变频器变频器54变频器由四部分组成：变频器由四部分组成：整流器中间电路逆变器控制电路M未画控制电路的变频器主电路图如下（未画控制电路的变频器主电路图如下（P14)：55整流器整流器逆变器逆变器中间电路中间电路56 1.整流器整流器 连接交流电源，输出脉动的直流电压，其开关元连接交流电源，输出脉动的直流电压，其开关元件可以是可控或不可控器件；件可以是可控或不可控器件； 2.中间电路中间电路 （1）一个大的电抗器）一个大的电抗器Ld将

27、整流电压将整流电压直流电流，直流电流，对于逆变器来说，中间电路相当于一个电流源；对于逆变器来说，中间电路相当于一个电流源； （2）一个大的电容）一个大的电容Cd将脉动的直流电压将脉动的直流电压平稳平稳的直流电压，对于逆变器来说，中间电路相当于的直流电压，对于逆变器来说，中间电路相当于一个电压源；一个电压源； （3）通过崭波器将固定直流电压）通过崭波器将固定直流电压可变的直流可变的直流电压。电压。 （要求掌握（要求掌握1、2两种中间电路）两种中间电路）57 3.逆变器逆变器 是是变频器的核心变频器的核心部分，作为异步电动机的部分，作为异步电动机的变频电源，将中间直流电压变频电源，将中间直流电压交

28、流电压；交流电压； 4.控制电路控制电路 与上述三个部分有信号连接，变频器中的与上述三个部分有信号连接，变频器中的所有开关元件均由控制电路信号控制。所有开关元件均由控制电路信号控制。58 主电路图（主电路图（p14 fig1-7） 中间直流源并了一个大电容中间直流源并了一个大电容Cd，使直流输，使直流输出具有电压源性质，逆变器的交流输出电出具有电压源性质，逆变器的交流输出电压因此被嵌位一个矩形波，而与负载的性压因此被嵌位一个矩形波，而与负载的性质无关。但交流输出的电流波形和相位却质无关。但交流输出的电流波形和相位却是由负载的功率因数所决定。是由负载的功率因数所决定。 这个大电容同时又是缓冲负载

29、无功功率的这个大电容同时又是缓冲负载无功功率的储能元件。而线路上的储能元件。而线路上的Ld较小，只起限流较小，只起限流作用。作用。59 根据脉冲信号波形不同，三相桥式逆变电路的开根据脉冲信号波形不同，三相桥式逆变电路的开关元件的导通时间不同，根据元件导通时间分为关元件的导通时间不同，根据元件导通时间分为180 、 120 、 150 导电型导电型1. 180 导电型 在一个正弦波周期内，主开关导通时间为在一个正弦波周期内，主开关导通时间为180 电角度。电角度。 电机运转时每电机运转时每60 控制电路发出一个触发控制电路发出一个触发信号，依次送给信号，依次送给VT1VT6号晶闸管。号晶闸管。备

30、注逆变器的工作方式逆变器的工作方式60VT1VT2VT3VT4VT5VT6备注 区间区间1 1 区间区间2 区间区间3 3 区间区间4 4 区间区间5 5 区间区间6 661 区间区间1 1 区间区间2 区间区间3 3 区间区间4 4 区间区间5 5 区间区间6 6导通：导通： 561 612 123 234 345 456561 612 123 234 345 456uao1/3ud2/3ud波形622/3ud1/3udud6364 每只开关元件的导通时间是每只开关元件的导通时间是180电角度，在电角度，在任意时刻有三只管子同时导通，换流在同任意时刻有三只管子同时导通，换流在同一桥臂进行。一

31、桥臂进行。 开关：开关：561612123234345456 注意到：注意到：VT1截止截止VT4导通，而两个管子导通，而两个管子处在同一桥臂。处在同一桥臂。 换流：将某只导通的晶闸管中的电流转移换流：将某只导通的晶闸管中的电流转移到另一只中去，后者导通时前者必须可靠到另一只中去，后者导通时前者必须可靠关断，这个过程称为关断，这个过程称为“换流过程换流过程”65线电压有效值线电压有效值UdtdudtuTUABTABAB3221120202UdtdudtuTUAoTAoAo3221120202相电压线电压3相电压有效值相电压有效值由由输出电压波形输出电压波形求出电压有效值求出电压有效值66谐波分

32、析：进行付氏分解谐波分析：进行付氏分解）ttttUduAB11sin1117sin715sin51(sin32）ttttUduA11sin1117sin715sin51(sin2o其中不含有其中不含有3的的n次倍数的谐波。次倍数的谐波。67120变频器导通规则变频器导通规则VT1VT2VT3VT4VT5VT6备注 区间区间1 1 区间区间2 区间区间3 3 区间区间4 4 区间区间5 5 区间区间6 668 区间区间1 1 区间区间2 区间区间3 3 区间区间4 4 区间区间5 5 区间区间6 6导通：导通： 61 12 23 34 45 5661 12 23 34 45 561/2ud691

33、/2ud1/2udud7071 每只开关元件的导通时间是每只开关元件的导通时间是120电角度，在电角度，在任意时刻有二只管子同时导通，换流在相任意时刻有二只管子同时导通，换流在相邻桥臂进行。邻桥臂进行。 开关：开关：611223344556 注意到：注意到：VT1截止截止VT3导通，而两个管子导通，而两个管子处在相邻桥臂（与处在相邻桥臂（与180不同）。不同）。 从安全角度看，从安全角度看，120比比180要安全，因为要安全，因为120导电型同一桥臂的两只管子之间隔了导电型同一桥臂的两只管子之间隔了60电角度才导通，所以换流比较安全。电角度才导通，所以换流比较安全。72线电压有效值线电压有效值

34、UdtdudtuTUAoTAoAo6121120202相电压有效值相电压有效值由由输出电压波形输出电压波形求出电压有效值求出电压有效值 无论是线电压还是相电压均低于无论是线电压还是相电压均低于180180导电型，很自导电型，很自然因为导通时间短。然因为导通时间短。2220011122TABABABdUudtud tUT737475备注一、电网电压换流一、电网电压换流在这一区间内在这一区间内电电压压uBuAuBuAVT3VT3承受的是正承受的是正向电压，给一个向电压，给一个触发信号触发信号VT3VT3，VT1VT1承受的是反向承受的是反向电压电压就会关断。就会关断。不必另加换流电不必另加换流电路

35、。路。76备注换流前换流前关关VT1换流后换流后条件：条件：同步电同步电动机动机7778备注79备注80 以上两种换流方式不需要额外的换流电路，所以以上两种换流方式不需要额外的换流电路，所以称为称为自然换流自然换流。 强迫换流：利用专门的换流电路使晶闸管关断。强迫换流：利用专门的换流电路使晶闸管关断。主要针对使用半控器件的交直交变频器主要针对使用半控器件的交直交变频器来说的，来说的，由于在逆变器前的直流电路极性是不变的，不能由于在逆变器前的直流电路极性是不变的，不能用电网电压过零的自然换流；在大多数情况下供用电网电压过零的自然换流；在大多数情况下供电负载是三相异步电动机，也不能用反电势自然电负

36、载是三相异步电动机，也不能用反电势自然换流法（要求负载是同步电动机）。只能采用强换流法（要求负载是同步电动机）。只能采用强迫换流法。迫换流法。备注81 一、自耦变压器一、自耦变压器备注82 频率发生器输出频率给定信号送到逆变器频率发生器输出频率给定信号送到逆变器控制电路，逆变器输出为恒压变频电源，控制电路，逆变器输出为恒压变频电源，再通过自耦变压器来调压达到变压变频，再通过自耦变压器来调压达到变压变频，变压控制是通过变压控制是通过f/U变换器得到对应于变换器得到对应于f的的U值，与反馈电压比较得到差值信号，经伺值，与反馈电压比较得到差值信号，经伺服放大机构去滑动电刷在自耦变压器上的服放大机构去

37、滑动电刷在自耦变压器上的抽头。抽头。 这种系统简单这种系统简单U/f误差小，启动冲击电流小。误差小，启动冲击电流小。缺点：体积大，伺服动态响应差缺点：体积大，伺服动态响应差 83备注84 1 1、脉冲频率调制、脉冲频率调制PFMPFM：导通时间一定，改变开关：导通时间一定，改变开关的通、断频率或周期来调压；的通、断频率或周期来调压； 2 2、脉冲宽度调制、脉冲宽度调制PWMPWM：开关频率或周期一定，改：开关频率或周期一定，改变导通时间来调输出电压平均值变导通时间来调输出电压平均值备注85 将将U、f的控制和协调都放在逆变器控制电的控制和协调都放在逆变器控制电路中，整个系统只有一套控制电路。既

38、可路中，整个系统只有一套控制电路。既可以提高功率因数又可以改善波形削减高次以提高功率因数又可以改善波形削减高次谐波。有关内容将在第五章讲述。谐波。有关内容将在第五章讲述。思考题 10. 逆变器开关为150导电型，负载Y接，分析输出电压波形。步骤：1.画出6只管子导通时序； 2.各区间三相负载等值电路； 3.画出相电压和线电压波形。86一、概述一、概述简单的交直交电压型变频调速主电路如图简单的交直交电压型变频调速主电路如图注87 仅可用于小容量的能耗制动系统仅可用于小容量的能耗制动系统 当有再生能量反馈时可通过在当有再生能量反馈时可通过在Cd两端并联两端并联一条能耗电路，当一条能耗电路，当Ud上

39、升到一定高度时触上升到一定高度时触发发VT0，再生能量消耗在电阻，再生能量消耗在电阻R上。上。注88 再生能量较大时，可在整流侧反向并联一再生能量较大时，可在整流侧反向并联一组晶闸管三相桥，将能量反馈给电网。组晶闸管三相桥，将能量反馈给电网。注89 对于不具备自关断功能的半控器件，需要有强迫对于不具备自关断功能的半控器件，需要有强迫换流电路，利用电路中的储能元件，在适当时机换流电路，利用电路中的储能元件，在适当时机释放能量，对开关施加反压使其关断。释放能量，对开关施加反压使其关断。注主电路见主电路见P25.Fig2-290 每个周期中六个开关元件导通规律如书每个周期中六个开关元件导通规律如书P

40、25表表2-1所示。所示。L1和和L4串联在二个互补换流的串联在二个互补换流的晶闸管晶闸管VT1和和VT4之间。按晶闸管导通规律之间。按晶闸管导通规律换流是在换流是在1.4 2.5 3.6管子之间进行：管子之间进行： 123234345456561612注91 1.换流时间换流时间逆变周期，换流过程中负载逆变周期，换流过程中负载不变：不变：iLIL； 2.每个桥臂上电感紧耦合，且每个桥臂上电感紧耦合，且 L1L61/2L 3.不计电容器漏电流，且不计电容器漏电流，且C1=C6=C 4.晶闸管瞬间导通（不计开通时间）晶闸管瞬间导通（不计开通时间）注92 VT1稳定导通，稳定导通，uc4Ud ，V

41、T4 承受正压承受正压注93注94注95注96 1、晶闸管利用率高于、晶闸管利用率高于120导电型导电型 2、有衰减电阻，对效率影响较大、有衰减电阻，对效率影响较大 3、负载重时换流困难，容量、负载重时换流困难，容量tq 则则VT1可靠关断。这时可靠关断。这时CA被反向充电，被反向充电，VT1恢复正向阻恢复正向阻断能力，为下次换流作准备。断能力，为下次换流作准备。104 D、谐振电流逐渐降为零，、谐振电流逐渐降为零，uCA达到最大，由于达到最大，由于IL不不变迫使变迫使VD4导通负载电流从导通负载电流从CA中移到中移到VD4，在，在iVT0时时VT自动关断，自动关断，uCAUco105 E、电

42、机漏感释放能量，维持、电机漏感释放能量，维持IL 原来方向，漏感能原来方向，漏感能量释放完量释放完IL过零，触发过零，触发VT4导通，导通，IL反向达到新稳反向达到新稳定状态。定状态。注106四、电压型变频调速系统四、电压型变频调速系统相位控制频率控制107108 环型分配器环型分配器来自压来自压频振荡频振荡109第三章第三章 交直交电流型晶闸管变频调速系统交直交电流型晶闸管变频调速系统 电流型逆变器是在电压型逆变器之后发展起来的，它的电路简单，而且可以向电网回馈能量（如果用电压型就必须附加电路才可用于再生制动），可用于四象限运行的异步电动机调速，可使用普通SCR成本低。 本章以串联二极管式电

43、流型逆变器为例，介绍电流型逆变器的工作原理、换流过程。110第一节第一节 串联二极管式电流逆变器系统串联二极管式电流逆变器系统VT：主晶闸管C：换流电容VD：隔离二极管防止C经由负载放电Ld：平波电抗器（大）111一、一、ASCI逆变器输出电流波形逆变器输出电流波形（自动、顺序、换流、逆变）（自动、顺序、换流、逆变）将VT视为理想开关112一、一、ASCI逆变器输出电流波形逆变器输出电流波形113二、异步电动机由电流型逆变器供二、异步电动机由电流型逆变器供电时的电压波形电时的电压波形114三、电流型逆变器换流三、电流型逆变器换流1.换流前换流前VT1稳定导通，稳定导通，C电压为电压为Uco11

44、52、恒流充电，、恒流充电，VT3导通导通C上电压反上电压反向加到向加到VT1上，使上，使VT1关断，关断，C被反被反向恒流充电在向恒流充电在C上电压变为零时，上电压变为零时，VT1反压结束，反压时间反压结束，反压时间t0116当当C上电压被反向恒流充电到上电压被反向恒流充电到uba时，时，VD3上电压为零，上电压为零，VD3导通，恒流充导通，恒流充电结束，时间为电结束，时间为t11173、二极管换流，流过、二极管换流，流过VD1的电流向的电流向VD3中转移，在中转移，在a相和相和b相中引起尖峰电压，在相中引起尖峰电压，在此换流期间此换流期间a相电流为相电流为 在在ia0时，换流结束。换流时间

45、为时，换流结束。换流时间为t2costIicda1184、换流结束达到新的稳定，、换流结束达到新的稳定，C上电上电压被充电至最大。压被充电至最大。c11sin6tIEUdco119从从VT1-VT3换流过程中二极管换流阶段管换流过程中二极管换流阶段管子承受的电压最高。子承受的电压最高。120换流时间计算换流时间计算3LC2)sin6(233LC2220cos)sin6(2323011212111100EUICttttttIiEUICtttuuIUCtttucodccccdacodbaBAdcoBA换流时间二极管换流时间：，换流结束，当，时，恒流充电：当，时，反压时间：当121说明：说明：1、负

46、载连接方式，星接负载和角接负载、负载连接方式，星接负载和角接负载电路谐振角频率不同。电路谐振角频率不同。2、电容器三个电容极性分别为、电容器三个电容极性分别为Uco、Uco、01223、负载功率因数由负载的运行状态决定：、负载功率因数由负载的运行状态决定：触发电路的控制信号决定了电路波形；电机的触发电路的控制信号决定了电路波形；电机的运行状态决定了电压与电流的相对位置。运行状态决定了电压与电流的相对位置。1 90 理想空载理想空载1 90 制动状态制动状态4、开关元件承受最高电压是在二极管换流期、开关元件承受最高电压是在二极管换流期间。间。5、在电机起动时反压时间、在电机起动时反压时间t0最小

47、（最小（t0tq）6、电机空载时充电时间最长（、电机空载时充电时间最长（t cmax）123 1、换流电容、换流电容 P49 2、开关器件、开关器件 （额定电流、额定电压）（额定电流、额定电压） 3、隔离二极管、隔离二极管 （额定电流、额定电压）（额定电流、额定电压） 4、滤波电抗器、滤波电抗器 （电流脉动）（电流脉动）124 1、吸收电路、吸收电路 2、换流电容预充电、换流电容预充电 3、输出补偿电抗器、输出补偿电抗器125一、电流型逆变器的特点一、电流型逆变器的特点1、适合低漏感电机。由于逆变器与负载相互影响较大，负载适合低漏感电机。由于逆变器与负载相互影响较大，负载的大漏感将延长换流时间

48、，使系统不稳定。的大漏感将延长换流时间，使系统不稳定。2、轻载时逆变器最高频率受限制。轻载时电流小，换流延长轻载时逆变器最高频率受限制。轻载时电流小，换流延长如果超过如果超过1/6周期，引起换流失败。周期，引起换流失败。3、允许瞬间短路和晶闸管误触发。可靠性比电压型逆变器要允许瞬间短路和晶闸管误触发。可靠性比电压型逆变器要高。高。4、适合在较低频率下使用。因为电机电流是、适合在较低频率下使用。因为电机电流是120方波电流，方波电流，所以电磁转矩受高次谐波影响产生脉动。所以电磁转矩受高次谐波影响产生脉动。5、稳定性不如电压型，不能开环运行。、稳定性不如电压型，不能开环运行。第四节第四节 电流型逆

49、变器的特点及应用电流型逆变器的特点及应用1266、可以采用普通晶闸管作开关器件，但由于尖峰电压存在要、可以采用普通晶闸管作开关器件，但由于尖峰电压存在要求器件的额定电压较高。求器件的额定电压较高。7、不适合多机并联运行，由于电机功率因数不同，会产生环、不适合多机并联运行，由于电机功率因数不同，会产生环流。电压型则不会出现这种问题。流。电压型则不会出现这种问题。8、具有四象限运行能量，如、具有四象限运行能量，如图图：图图3-14127 中间电路中间电路比较内容比较内容电流型电流型电压型电压型直流回路滤波环节直流回路滤波环节电抗器电抗器电容器电容器输出电压波形（三相六拍）输出电压波形（三相六拍）当

50、负载为异步电动机时近似当负载为异步电动机时近似为正弦波为正弦波矩形矩形输出电流波形输出电流波形（三相六拍）（三相六拍）矩形矩形当负载为异步电动机时当负载为异步电动机时近似为正弦波近似为正弦波。输出阻抗输出阻抗大大小小再生制动再生制动易于再生制动，不需主回路易于再生制动，不需主回路附加设备。附加设备。再生制动困难，需要在电源再生制动困难，需要在电源侧设置反并联有源逆变器侧设置反并联有源逆变器过流及短路保护过流及短路保护容易容易困难困难动态特性动态特性较慢较慢与电流型相比较快与电流型相比较快对晶闸管要求对晶闸管要求耐压高，对关断时间无严格耐压高，对关断时间无严格要求要求耐压一般较低，关断时间要耐压

51、一般较低，关断时间要求短求短线路结构线路结构较简单较简单较复杂较复杂适用范围适用范围单机、多机拖动单机、多机拖动多机拖动，稳频稳压电源或多机拖动，稳频稳压电源或不停电电源。不停电电源。128电动机在第二电动机在第二象限运行时整象限运行时整流器逆变；逆流器逆变；逆变器整流。变器整流。电动机在第电动机在第一象限运行一象限运行时整流器整时整流器整流；逆变器流；逆变器逆变逆变电动机电动机逆变器逆变器整流器整流器电动机在第电动机在第三象限运行三象限运行时整流器整时整流器整流；逆变器流；逆变器逆变逆变电动机在第电动机在第四象限运行四象限运行时整流器逆时整流器逆变；逆变器变；逆变器整流整流129电压极性电压

52、极性不变不变大电容大电容因为直流侧的大电因为直流侧的大电容，电压极性不能容，电压极性不能突变，异步电动机突变，异步电动机的再生反馈能量将的再生反馈能量将经与晶闸管反并联经与晶闸管反并联的反馈二极管向电的反馈二极管向电容器容器C C充电而不能反充电而不能反馈给电网。馈给电网。必须增加一组与整必须增加一组与整流器反并联的三相流器反并联的三相桥式有源逆变器才桥式有源逆变器才能实现再生能量的能实现再生能量的反馈。反馈。教材教材P55图图3-151301、用于异步电动机调速，特别是需要改变流量的风机、水泵系统。1312、用于大功率电机起动，减小对电网的冲击，、用于大功率电机起动，减小对电网的冲击，保护用

53、电设备。保护用电设备。3、由于电流型逆变器具有四象限运行能力，、由于电流型逆变器具有四象限运行能力，因此可用于要求快速制动的场合。因此可用于要求快速制动的场合。132第五章第五章 PWM逆变器逆变器 电压型和电流型逆变器各有其优点也有其局限电压型和电流型逆变器各有其优点也有其局限性。性。 目前目前PWM控制方式已成为交流变频调速控制方式已成为交流变频调速广泛应用的技术，不论是采用晶闸管交流调速广泛应用的技术，不论是采用晶闸管交流调速的较大容量系统，还是直流伺服系统，都越来的较大容量系统，还是直流伺服系统，都越来越多地采用越多地采用PWM工作方式。所谓脉宽调制工作方式。所谓脉宽调制PWM（Pul

54、seWidthModulation）技术是）技术是指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列实现变压、流电压变成一定形状的电压脉冲序列实现变压、变频控制，并且消除谐波的技术，简称变频控制，并且消除谐波的技术，简称PWM。133 PWM 控制是交流调速系统的控制核心，任何控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控控制方式完成的。目前实际工程中主要采用的制方式完成的。目前实际工程中主要采用的PWM技术是正弦技术是正弦SPWM，其方案归纳为电压，其方案归纳为电压型正弦

55、型正弦PWM；电流正弦；电流正弦PWM；磁通正弦；磁通正弦PWM（也称电压空间矢量正弦，是从电机角（也称电压空间矢量正弦，是从电机角度出发的度出发的SPWM） 134 载波调制法载波调制法（采用模拟电路的硬件调制（采用模拟电路的硬件调制 ） 软件生成法软件生成法 （自然采样法（自然采样法 、规则采样法，利、规则采样法，利用软件计算开关角）用软件计算开关角） 谐波消去法谐波消去法 （输出电压波形按傅氏级数展开（输出电压波形按傅氏级数展开 ，令谐波表达式为零）令谐波表达式为零） 马鞍形波与三角波比较法马鞍形波与三角波比较法 （注入（注入3 3倍频于正弦倍频于正弦波信号的谐波波信号的谐波 ，合成后线

56、电压无三次谐波），合成后线电压无三次谐波） 滞环比较法滞环比较法 （使实际电流跟踪给定电流的变（使实际电流跟踪给定电流的变化）化） 磁场轨迹法磁场轨迹法 （以逼近电机气隙的理想圆形旋（以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的转磁场轨迹为目的 ）135 方法：采用三角波调制方法：采用三角波调制方法。利用三角波电压方法。利用三角波电压和给定电压相比较来确和给定电压相比较来确定脉冲宽度。如电压比定脉冲宽度。如电压比较器：较器：uruc 时时 输出高电平输出高电平ur1162 2、规则采样法、规则采样法 在正峰值处采样并保持，在正峰值处采样并保持，脉冲对称于波谷（用绿线与脉冲对称于波谷（用绿线与Vc

57、的交点代替的交点代替红线与红线与Vc的交点）。的交点）。163规则采样法规则采样法 开关角计算开关角计算t1=t3Tt=t1+t2+t3cctAtMATt2sin22122sin112tMTtt164规则采样法规则采样法 开关角计算开关角计算2sin112tMTtt)sin1 (4131tMTttt因为采样频率因为采样频率Tt是固定是固定的，所以的，所以a1、a2可求可求。165 二、谐波消除法二、谐波消除法 适当的安排开关角适当的安排开关角（令谐波表达式（令谐波表达式0）消除谐波求解开关角的方程组表达式：消除谐波求解开关角的方程组表达式：5 . 0cos) 1(41111iiKidMUU.1

58、1,7,55.0)cos()1(0111nniiKi基波：谐波：166要消除要消除5次谐波：解下列方程次谐波：解下列方程基波：5次谐波：1124(coscos0.5)dMUU120cos 5cos 50.5要消除要消除K个谐波，要列个谐波，要列K+1个方程个方程167三、电流跟踪法三、电流跟踪法 采用滞环比较的电流自动跟踪采用滞环比较的电流自动跟踪PWM技技术。用给定基准正弦电流与实际反馈瞬时术。用给定基准正弦电流与实际反馈瞬时电流比较，产生控制输出电压的电流比较，产生控制输出电压的PWM波形，波形，通过改变电压来控制电流。通过改变电压来控制电流。168三、电流跟踪法三、电流跟踪法169 四、

59、磁场轨迹法170171 172第六章第六章 交交变频器交交变频器交交变频器是指中间无直流环节，直接将较高固定频率交交变频器是指中间无直流环节，直接将较高固定频率电压转换成较低频率、输出电压可变的循环变流器。电压转换成较低频率、输出电压可变的循环变流器。交交变频器的特点：交交变频器的特点：1、效率较高（因为是直接变换）；、效率较高（因为是直接变换）；2、输出电压、输出电压fo比输入电压比输入电压fi小的越多波形越好（因为输小的越多波形越好（因为输出电压是输入电压的包络线构成的）；出电压是输入电压的包络线构成的）；3、按电网电压过零自然换相，所以可使用普通晶闸管；、按电网电压过零自然换相，所以可使

60、用普通晶闸管；4、开关元件多；、开关元件多；5、适合大容量低速传递。、适合大容量低速传递。173第一节第一节 交交变频器的工作原理交交变频器的工作原理一个三相输入、单相输出的交交变频器，由二个三相零一个三相输入、单相输出的交交变频器，由二个三相零式整流器为负载供电。整流器式整流器为负载供电。整流器P组提供正电流组提供正电流ip；N组提组提供负电流供负电流iN。人为控制人为控制P、N组工作，负载可得到交变电流，组工作，负载可得到交变电流，改变改变P、N组的切换频率，可以改变负载电流的交变频率。组的切换频率，可以改变负载电流的交变频率。174电压控制：电压控制：如果每只管子的导通角如果每只管子的导