交流电力拖动

现代交流拖动系统大连海事大学自动化与电气工程学院王天序教授研究领域：电力电子与电气传动研究方向：电气传动自动化系统及其可靠性内容提要概述交流调速系统的主要类型电力电子技术及器件交流变频调速系统第一章概述

直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。

直到20世纪60~70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。这时，直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。1-1交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：一般性能的节能调速

高性能的交流调速系统和伺服系统

特大容量、极高转速的交流调速

1.一般性能的节能调速

在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。一般性能的节能调速（续）如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约20%~30%以上的电能，效果是很可观的。但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。2.高性能的交流调速系统和伺服系统许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。高性能的交流调速系统和伺服系统（续）高性能的交流调速系统和伺服系统（续）其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。3.特大容量、极高转速的交流调速直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106kW·r

/min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。1-2交流调速系统的主要类型

交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。

现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。按电动机的调速方法分类常见的交流调速方法有：①降电压调速②转差离合器调速③转子串电阻调速④绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速⑤变极对数调速⑥变压变频调速等在研究开发阶段，人们从多方面探索调速的途径，因而种类繁多是很自然的。现在交流调速的发展已经比较成熟，为了深入掌握其基本原理，就不能满足于这种表面上的罗列，而要进一步探讨其本质，认识交流调速的基本规律。~按电动机的能量转换类型分类

按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。PmechPmPs即Pm=Pmech+Ps

Pmech=(1–s)Pm

Ps=sPm从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类。1.转差功率消耗型调速系统

这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第①、②、③三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。2.转差功率馈送型系调速统在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第④种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。3.转差功率不变型调速系统在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的第⑤、⑥两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。

同步电机的调速

同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于0）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有像异步电机那样的多种调速方法。在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为他控变频调速和自控变频调速两类。自控变频调速利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。

开关磁阻电机是一种特殊形式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电机调速系统中很有发展前途。第二章电力电子技术及器件

一.电力电子技术定义:以电力为对象的电子技术内容:研究利用电力半导体器件,进行电量变换,如:变频，变压，变流等。与其它学科的关系：是电力，电子，控制三大电气工程技术之间的交叉学科。2-1概述二.电力半导体器件1.分类:不可控—整流管,可控—晶闸管,电力晶体管等2.发展槪况:第一代:半控型晶闸管(ThyristororSiliconControlledRectifier)1KA/12KV,3KA/4KV快速晶闸管（FastThyristor)1.5KA/1.2KV20S双向晶闸管（TRIAC）300A/1KAV逆导晶闸管（ReverseConductinghyristor)1KA/4.5KV第二代:全控型电力晶体管GTR(GiantTransistor)。门极可关断晶闸管GTO(GateTurnOffThyristor)电力场效应晶体管MOSFET(PowerMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)用于500HZ以上。

第三代：复合化绝缘柵极双极型晶体管IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor)兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降。

场控晶闸管（MOSControlledThyristor)场效应晶体管与晶闸管复合100A/1KV第四代模块化，集成化驱动，过电压和过电流保护，电流检测，温度控制等集成一体，形成一个片子，便于使用。

3.应用领域静态开关;交流或直流电压控制;交流或直流电机调速;UPS电源等。

2-2可控型电力电子器件

一、晶闸管-半控型器件Thyristor或称可控硅

SiliconControlledRectifier（一）结构及工作原理StructureandPrincipleofthyristor

P1N1P2

N2J1J2J3AKG结构示意图GAK晶闸管的电气符号外形晶闸管的双晶体管模型及工作原理P1N1

P2

N2N1P2AKGPNPIAV1IC1IGIC2V2NPNIKGSEGAKREAV1共基极电流增益V1共基极漏电流导通条件:

导通条件:1.正向阳极电压（A+K－）2.正向门极电压(Ｇ+K－）（可以用正向脉冲电压触发）关断条件：ＵＡＫ０或ia

下降至小于维持电流ih

ia

AGK

ia

（二）晶闸管的特性

1、晶闸管的静态特性（1）阳极伏安特性UDRM--断态重复峰值电压URRM--反向重复峰值电压UDSM--断态不重复峰值电压UGSM--反向不重复峰值电压Ubo--正向转折电压正常工作时，不允许正向阳极电压加到Ubo，否则将失控。应该靠加入IG使晶闸管导通。（2）门极伏安特性OD--极限低阻伏安特性OG--极限高阻伏安特性ADEFGCBA--可靠触发区OABCO--不可靠触发区OHIJO--不触发区IFGM--门极正向峰值电流UFGM--门极正向峰值电压IGT--门极触发电流UGT--门极触发电压PGM--瞬时最大功率PG（av)--平均功率IGD--门极不触发电流UGD--门极不触发电压2、晶闸管的动态特性1.开通时间tgt=td+trtd---延迟时间，0.5-1.5S随门极电流增大而减小。tr---上升时间，0.5-3S阳极电压高，上升时间短。2.关断时间tq=trr+tgrtrr--反向阻断恢复时间；tgr--正向阻断恢复时间。几百微妙影响关断时间的因素1.正向电流大，关断时间长;2.反向电压高,关断时间短;3.正向电压上升率大,关断时间长;4.结温高,关断时间长。动态损耗1.开通损耗2.关断损耗静态损耗1.通态损耗2.断态损耗（三)晶闸管的主要参数1、电压参数（1）断态重复峰值电压UDRM:门极断路,額定结温,允许重复施加的正向峰值电压。（2）反向重复峰值电压URRM:门极断路,額定结温,允许重复施加的反向峰值电压。（3）额定电压:取UDRM和URRM中的较小者标称。*选用时，要留2-3倍的安全余量。（4）通态(峰值)电压UTM:通以倍通态平均电流IT(AV)时的瞬态峰值电压。*UTM小，损耗小，发热小。2、电流参数（1）通态平均电流IT(AV)（额定电流，产品合格证上标称。）：环境温度为+400C和规定的冷却条件下，带电阻性负载的单相工频正弦半波电路中，管子全导通（导通角不小于1700），稳定结温不超过额定值时所允许的最大平均电流。（2）维持电流IH:

使晶闸管维持通态所必需的最小阳极电流。

结温越高，IH越小。（3）擎住电流IL:

晶闸管刚从断态转入通态并移除触发脉冲之后,能维持通态所需的最小主电流。IL=(2-3)IH。（4）浪涌电流ITSM:由于某种异常情况引起的使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流,用峰值表示。

有上下两个级，用来设计保护电路。3、晶闸管的门极定额（1）门极触发电流IGT室温下,阳极电压直流6V时,使晶闸管由断态转入通态所必需的最小门极电流。（2）门极触发电压UGT产生门极触发电流IGT所必需的门极电压。4、动态参数（1）断态电压临界上升率du/dt

额定结温和门极开路的情况下,不导致从断态转换到通态的最大主电压上升率。

使用时，实际的断态电压上升率必需低于此值。（2）通态电流临界上升率di/dt

在规定条件下,晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。

大于此值，会造成晶闸管损坏。

5.额定结温Tjm器件在正常工作时所允许的最高结温。在此温度下，一切有关的额定值和特性都能得到满足。在规定的冷却条件下和其它额定条件下，器件才不会超过额定结温(四）晶闸管的一些派生器件1.快速晶闸管:关断时间短，数十微秒。2.双向晶闸管双向晶闸管额定电流用有效值表示四种触发方式：

①Ⅰ+②Ⅰ-③Ⅲ+④Ⅲ-实际使用中，一般采用Ⅰ-

和Ⅲ-两种触发方式缺点：承受di/dt

能力差；②门极电路灵敏度低；③关断时间长。3.逆导晶闸管额定电流:晶闸管电流/整流管电流。例：300/300；300/150。逆导晶闸管优点正向压降小；关断时间短；高温特性好；额定结温高。使用时，器件的数目少；装置体积小；重量减轻；价格低；配线简单；经济性好。逆导晶闸管缺点换向能力随结温升高而下降。4、光控晶闸管2-3典型全控型器件

一、可关断晶闸管GTO1、GTO的结构和工作原理多元集成(要求强触发脉冲,使开通过程中,各GTO元中动态电流相等)。工作原理①GTO的双晶体管等效电路分析从右图得:IA=1

IA+2IK当IG

=0时:因IA

=IK,所以1

+2=1为GTO的临界导通条件。1

+2<1，GTO关断。1

+2>1，GTO饱和导通。当IG≠0时:GTO在设计时，使1

+2=≈1.05，给门极控制关断提供了有利条件。②GTO的开通过程与普通晶闸管开通原理类似，强烈的正反馈过程。当电流增加到1

+2>1后，撤去IG

，GTO也能维持导通。阴影宽度表示饱和的深度。③GTO的关断过程门极加负脉冲。

Ib2IK，IC2IAIC1当1

+2<1时，不满足导通条件，阳极电流很快奖至零而关断。2、GTO的动态特性开通时间tonton=td+trtd－延迟时间.由发射结的结电容引起。tr－上升时间.-

提高触发脉冲的幅度和上升沿陡度,可缩短td。并使各GTO元间的动态电流分布均匀。关断时间toff=ts+tfts-储存时间。门极负脉冲电流，从P2基区抽出储存的电荷所需要的时间。在此时间内，晶体管饱和深度变浅，IA基本不变。

tf-下降时间。尾部时间tt:残存载流子复合的时间。3、GTO的主要参数（1）最大可关断阳极电流IATO(额定电流)当IA>IATO时,负脉冲不能关断GTO,必须断开阳极电路加以保护。（2）电流关断增益off例如1000A的GTO，需200A的负脉冲电流的幅值。但由于脉冲窄，门极平均功耗仍较小。（3）开通时间tonTurnOnTime:ton=td+trtd－延迟时间,1-2s;tr－上升时间,随IA增大而增大。（4）关断时间toff

TurnOffTime:toff=ts+tfts-储存时间,随IA增大而增大;tf-下降时间,<2s。Cbe二、电力晶体管(GTR)1、GTR的基本特性（1）静态特性电力晶体管的共射极输出特性三个工作区。截止区：Ib

0,Ube0;

Ubc0集电极只有漏电流。放大区：Ib

>0,Ube>0;

Ubc0，IC=Ib

。饱和区：Ib

>ICS/，Ube>0;

Ubc

>

0，ICS

－集电极饱和电流）临界饱和：刚进入饱和区，Ubc≈0过饱和：再增大Ib

，产生过饱和。Ib

越大，饱和深度越深。增加饱和深度，可以降低饱和压降，减少导通期间的损耗。但增加了开关时间。电力晶体管工作在开关状态，即工作在截止区和饱和区，但在开关过程中，要经过放大区。（2）动态特性开关过程①开通过程延迟时间td:t0--t1,由发射结和集电结势垒电容引起,增大Ib

的幅值和dIb

/dt,可缩短td;上升时间tr:t1--t2,增大Ib

的幅值和dIb

/dt,可缩短tr;开通时间ton=td+tr关断时间toff=tS+tf。缩短关断时间的方法：减小饱和程度，使晶体管导通时工作在临界饱和状态。增大关断的反向基极电流Ib2和负偏压。

②关断过程储存时间tS:t3--t4,除去基区储存电荷的时间。导通时，饱和越深，储存电荷越多，tS越长。下降时间tf:t4--t5,

由于电力晶体管开关速度快（几微秒），而晶闸管一般为几十微秒。所以，目前，大多数脉宽调制式（PWM）变频装置，都使用GTR作为开关元件。电力晶体管是电流控制（Ib控制),所以，需要一定功率的控制电路。3、电力晶体管的极限运用参数（1）最高工作电压①Ucb0－e极开路,cb极之间的反向击穿电压;

②BUce0－b极开路,ce极之间的击穿电压;

③BUcer－eb极接R,ce极之间的击穿电压;

④BUces－eb极短路,ce极之间的击穿电压;

⑤BUcex－be极反偏,ce极之间的击穿电压;

它们之间的关系如右图所示

正常工作时,为确保安全,取最高工作电压小于BUce0（2）集电极最大允许电流ICM当直流放大系数下降到规定值的1/2－1/3时，所对应的IC值为ICM。

实际使用时，要留有一倍左右的安全裕量（即只能用到ICM的一半左右）。（3）集电极最大耗散功率PCM

表示管子的容量。取决于集电结工作电压和工作电流的乘积，是最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书给出PCM的同时，亦给出管壳温度TC。三、电力场效应晶体管MOSFETMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor1、结构及特点（1）结构多元结构;N沟道增强型:栅极电压大于零才存在导电沟道；垂直双扩散工艺：提高耐压。（2）符号:见右图。D-漏极；S-源极；G-栅极。（3）特点①场控型元件。G-S极输入阻抗很大，为使其导通，只需加8-10V的电压信号。但G-S间存在很小的输入电容Cin,所以仍需很小的充电电流。

②无储存时间。开关速度快，1A：10ns，10-20A：50-100ns。适用于高频（106HZ）。

③通态电阻具有正的温度系数。有利于并联均流。

④是逆导元件。无反向阻断能力。2、特性（1）静态特性①

转移特性（ID－UGS）见右图a)。UT－开启电压（阀值电压）UT≈3V。ID－UGS间的关系，近似线性。斜率定义为跨导GfZ。②输出特性（漏极伏安特性）（ID－UDS）见右图b)。

有三个工作区：①截止区：UGS≤UT；ID=0。

②饱和区：

UGS>UT；UDS≥UGS－UT。

③非饱和区（用作开关时，工作在此区）：UGS>UT；UDS<UGS－UT。（2）动态特性测试电路RS:信号源内阻;

RＧ:栅极电阻；

RL:负载电阻;RF:检测漏极电流电阻。开通时间：ton=td(on)+tr

tdon)－开通延迟时间，即从up前沿到UGS=UT的时刻。tr

－上升时间，由Cin引起。关断时间：toff

=td(off)+tf

td(off)

－关断延迟时间，tf－下降时间。Cin经RSRＧ（RSRＧ）放电引起td(off)

和tf。设法降低RS

，以减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。3、MOSFET的主要参数（1）漏极电压UDS。标称的额定耐压。（2）漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM。标称的额定电流,受温升限制。（3）栅源电压UGS。UGS>20V，将导致GS间绝缘层击穿。（4）极间电容一般生产厂家提供的是:漏源极短路时的输入电容Ciss(=CGS+CGD)≈Cin（输入电容）共源极输出电容Coss(=CDS+CGD)反向转移电流

Crss(=CGD)安全裕量：在使用时，电压，电流，耗散功率要留较大的安全裕量。4、使用中的注意事项（1）防止静电击穿由于MOSFET有极高的输入阻抗，因此在静电较强的场合难以泄放电荷，容易引起静电击穿。为防止静电击穿，应a）应存放于抗静电包装袋，导电材料袋或金属容器中。取件时，应拿管壳部分。操作人员需通过腕带良好接地。b）工作台和烙铁必须良好接地，焊接时烙铁应断电。c）测试器件时，测量仪器和工作台必须良好接地。器件的三个极未全部接入以前，不许施加电压。改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零。d）注意栅极电压不要过限。

（2）防止偶然性振荡损坏器件测试时，在栅极端子外接10k串联电阻，或在栅源极间外接约0.5F的电容。（3）防止过电压a）栅源间过压的防护栅源极间并接电阻，或并接约20V的齐纳二极管。特别要防止栅源开路b）漏源间过压的防护齐纳二极管箝位或RC抑制电路。（4）防止过电流加过电流保护。四、绝缘栅双极晶体管(IGBT)Insulated-GateBipolarTransistor1、IGBT的电气符号和等效电路CGECEG等效电路电气符号2、IGBT的基本特性（1）静态特性a）转移特性UGEICUGE（th）开启电压UCE（th）=2~6V------使IGBT导通的最低UCE。b）输出特性（伏安特性）UGE（th）UGE增加UFMUCE正向阻断区有源区饱和区反向阻断区URMIC（2）动态特性90%UGEM10%UGEMUGEttUGEM90%ICM10%ICMICtd（on）trtontd（off）ICMtfi1tfi2toffUCEUCEMtfV1tfV2tton=td（on）+

trtoff=td（off）+

tfi1+tfi2MOSFET和GTR同时工作的电压下降过程MOSFET工作的电压下降过程对应MOSFET的关断对应GTR的关断IGBT的特点：

（1）开关速度快。MOSFET>开关速度>GTR；开关损耗小。（2）安全工作区比GTR大。（3）饱和压降低，与GTR相近；栅极电压，饱和压降。（4）输入阻抗高，驱动功率小，电压控制型。3、IGBT的主要参数（1）最大集射极电压UCEM

（2）最大集电极电流：包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP（3）最大集电极功耗PCM：在正常工作温度下允许的最大耗散功率。4、IGBT的擎住效应和安全工作区（1）擎住效应

IGBT的更复杂现象需用下面等效电路说明。CGERbrPNPNPNJ1J2J3Rdr在制造过程中，在NPN的基射极间并有一个体区电阻Rbr，P形体区的横向空穴电流会在Rbr上产生压降加于J3结上。在额定集电极电流范围内，此偏压很小，不足以使J3开通。一旦集电极电流超过额定电流值，使J3开通，IGBT开通并自锁，栅极失去对集电极电流的控制，称为擎住效应。产生擎住效应的原因：集电极电流超过额定电流值；（静态擎住效应）duCE/dt

过大；（动态擎住效应）温度升高

（2）安全工作区tVCE（V）IC（A）DCt=10-4st=10-5s0IC（A）VCE（V）1000V/s2000V/s3000V/s重加dvCE/dtFBSOAForwardBiasedSafeOperatingAreaRBSOAReverseBiasedSafeOperatingArea2-4其他新型电力电子器件一、MOS控制晶闸管（MCT）

MOSControlledThyristor

MOSFET与Thyristor的复合。多元集成结构，一个元件由上万个

MCT构成。工作原理：栅极G加正脉冲N沟道的on-FET导通PNP管通NPN管通，双晶体管形成强烈正反馈MCT通。

栅极G加负脉冲P沟道的off-FET导通，使PNP管基极电流NPN管基极电流PNP管基极电流，双晶体管形成强烈正反馈MCT关断。

MCT输入阻抗高，电压型控制。耐压高.容量大.导通压降低。承受di/dt和du/dt能力强。开关速度>GTR，开关损耗小。二、静电感应晶体管(SIT)StaticInductionTransistor

结型电力场效应晶体管;

耐压,电流容量>MOSFET；正常导通型。栅极无信号导通，加负偏时关断；通态压降大，通态损耗大。三、静电感应晶闸管(SITH)StaticInductionThyristor

一般为正常导通型。特性与GTO类似,但开关速度比GTO高。制造工艺复杂，关断增益小。四、集成门极换流晶闸管（IGCT）IntegratedGate-CommutatedThyristor

具有IGBT和GTO的优点，20世纪90年研制；容量同GTO，开关速度比GTO快10倍；驱动功率较大。五、电力电子器件发展方向1.性能①提高容量。即提高电压.电流等级，提高承受di/dt和du/dt的能力，降低通态压降。②提高工作频率。降低开关损耗。③减小驱动功率。场控器件驱动功率最小，得到很大发展。④智能化。2.结构①集成化。②复合化。取长补短。如：IGBT，MCT等。③模块化。一个模块包含若干个功率器件及必要的辅助元件，使装置结构紧凑，体积减小。各种自关断器件的主要性能1.GTO:容量最大（4.5KA/4.5KV);工作频率1－2KHZ,最低(但仍大于晶闸管);电流型控制;关断时需很大的反向驱动电流。2.GTR:容量中等(单管200A/1KV,100A/1.8KV;模块800A/1.2KV);工作频率10KHZ以下;电流型控制,所需驱动功率较大;目前应用最广。3.电力MOSFET:容量小(38A/1KV);工作频率最高,可达100KHZ以上;电压型控制,所需驱动功率小.4.IGBT:容量与GTR同一等级(800A/1000V);电压型控制,所需驱动功率小于GTR;工作频率高于GTR。予计在中等功率容量范围内，将逐步取代GTR。5.MCT:阻断电压高;通态压降小;驱动功率低;开关速度快。目前容量1000V/100A。但最有发展前途。笼型异步电机变压变频调速系统（VVVF系统）——转差功率不变型调速系统第三章

概述异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广，是本篇的重点。本章提要变压变频调速的基本控制方式异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性*电力电子变压变频器的主要类型变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术基于异步电动机稳态模型的变压变频调速异步电动机的动态数学模型和坐标变换基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统

3.1变压变频调速的基本控制方式

在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；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，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，m保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通m由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。

定子每相电动势（3-1）

式中Eg

—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；—定子频率（Hz）；

—定子每相绕组串联匝数；

—基波绕组系数；

—每极气隙磁通量（Wb）。

f1NskNsm

由式（3-1）可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。

1.基频以下调速

由式（3-1）可知，要保持m不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Eg，使常值

（6-2）

即采用恒值电动势频率比的控制方式。

恒压频比的控制方式

然而，绕组中的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压降，而认为定子相电压Us

≈

Eg，则得（6-3）

这是恒压频比的控制方式。

但是，在低频时Us和Eg

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Us抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的b线，无补偿的控制特性则为a线。

OUsf1图3-1

恒压频比控制特性

带压降补偿的恒压频比控制特性UsNf1Na

—无补偿

b

—带定子压降补偿

2.基频以上调速

在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us

=UsN，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，如下图所示。

f1N

变压变频控制特性图3-2异步电机变压变频调速的控制特性

恒转矩调速UsUsNΦmNΦm恒功率调速ΦmUsf1O如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。返回目录3.2异步电动机电压－频率协调控制时

的机械特性本节提要恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性基频以下电压-频率协调控制时的机械特性基频以上恒压变频时的机械特性恒流正弦波供电时的机械特性3.2.1恒压恒频正弦波供电时异步电动机的

机械特性异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式Te=f(s)。当定子电压Us和电源角频率1恒定时，可以写成如下形式：

（3-4）

特性分析当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则（3-5）

也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性Te=f（s）是一段直线，见图3-3。特性分析（续）当s接近于1时，可忽略式（6-4）分母中的Rr'

，则（3-6）即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te=f（s）是对称于原点的一段双曲线。

机械特性

当s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示。smnn0sTe100TeTemaxTemax图3-3恒压恒频时异步电机的机械特性3.2.2基频以下电压-频率协调控制时的

机械特性

由式（3-4）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩Te

和转速n（或转差率s）的要求，电压Us和频率1

可以有多种配合。在Us

和1的不同配合下机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压－频率协调控制。

异步电动机的稳态等效电路和感应电动势见下图。图中，Eg-气隙（互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势；Es-定子全磁通(包括互感和自感磁通）的感应电动势；Er-转子全磁通的感应电动势（折合到定子边）。在电压-频率协调控制中，通过适当提高定子电压U1，克服定子压降来实现。图7-251.恒压频比控制（Us/1）

在第3.1节中已经指出，为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化。

（3-7）

在式（3-5）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出

（3-9）

带负载时的转速降落为

（3-8）

由此可见，当Us/1为恒值时，对于同一转矩Te，s1是基本不变的，因而n也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率1时，机械特性基本上是平行下移，如图3-4所示。它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小，可见最大转矩Temax是随着的1降低而减小的。频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增强带载能力，见图3-4。

机械特性曲线On图3-4恒压频比控制时变频调速的机械特性补偿定子压降后的特性

如果在电压－频率协调控制中，恰当地提高电压Us的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持Eg/1为恒值（基频以下），则由式（6-1）可知，无论频率高低，每极磁通m均为常值。这正是恒Eg/1控制中补偿定子压降所追求的目标。2.恒

Eg/1

控制

机械特性曲线OnTemax恒Eg/1控制时变频调速的机械特性3.恒

Er/1

控制

如果把电压－频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒Er/1控制，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出（3-10）

代入电磁转矩基本关系式，得

（3-11）

现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线，见图3-6。0s10Te几种电压－频率协调控制方式的特性比较图3-6不同电压－频率协调控制方式时的机械特性恒Er/1控制恒Eg/1控制恒Us/1控制ab

c显然，恒Er/1控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。现在的问题是，怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的Er/1呢？

按照式（6-1）电动势和磁通的关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在式（6-1）中，气隙磁通的感应电动势Eg对应于气隙磁通幅值m，那么，转子全磁通的感应电动势Er就应该对应于转子全磁通幅值rm：（3-12）

由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值rm=恒值进行控制，就可以获得恒Er/1了。这正是矢量控制系统所遵循的原则，后面将对此进行定性讨论。

4．几种协调控制方式的比较

综上所述，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。

1）恒压频比（Us/1=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，但低速带载能力较差，须对定子压降实行补偿。

2）恒Eg/1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rm=恒值，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。

3）恒Er/1控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通rm

恒定进行控制，即得

Er/1=恒值而且，在动态中也尽可能保持rm恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。3.2.3基频以上恒压变频时的机械特性

性能分析

在基频以上变频调速时，由于定子电压Us=UsN

不变，式（3-4）的机械特性方程式可写成

（3-13）

性能分析（续）最大转矩表达式可写成（3-13）

机械特性曲线恒功率调速O<<<由此可见，当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图所示。图3-7基频以上恒压变频调速的机械特性

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。

小结电压Us与频率1是变频器—异步电动机调速系统的两个独立的控制变量，在变频调速时需要对这两个控制变量进行协调控制。在基频以下，有三种协调控制方式。采用不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同，其中恒Er

/1控制的性能最好。在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。返回目录*3.3电力电子变压变频器的主要类型本节提要交-直-交和交-交变压变频器电压源型和电流源型逆变器180º导通型和120º导通型逆变器引言

如前所述，对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）装置。最早的VVVF装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发电机，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压和频率。自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组已经无例外地让位给静止式的变压变频器了。

*3.3.1交-直-交和交-交变压变频器

从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。

1.交-直-交变压变频器

交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。交-直-交变压变频器基本结构图3-8

交-直-交（间接）变压变频器

变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)逆变DCACAC~50Hz整流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“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。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流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如下图所示。交-直-交PWM变压变频器基本结构图3-9交-直-交PWM变压变频器变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)PWM逆变器DCACAC~50Hz调压调频C

PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。

2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较高，且不受逆变输出电压大小的影响。

PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。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只好采用半控型的晶闸管（SCR），并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器，见下图。

普通交-直-交变压变频器的基本结构SCR可控整流器六拍逆变器DCACAC~50Hz调频调压图3-10可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器2.交-交变压变频器

交-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，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。交-交变压变频器的基本结构图3-11交-交（直接）变压变频器交－交变频AC50Hz~ACCVCFVVVF

常用的交-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线路。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a）。交-交变压变频器的基本电路结构VRVFId-Id+--+a)电路结构负载~50Hz~50Hzu0图3-12a交-交变压变频器每一相的可逆线路交-交变压变频器的控制方式整半周控制方式正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u0，u0的幅值决定于各组可控整流装置的控制角，u0的频率决定于正、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，如下图b所示。图3-12b方波形平均输出电压波形tu0正组通反组通正组通反组通输出电压波形

控制方式（2）

调制控制方式要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角

由/2（对应于平均电压u0=0）逐渐减小到0（对应于u0最大），然后再逐渐增加到/2（u0再变为0），如下图所示。2A0w

ta=a=0

p

2a=

pBCDEFu0图3-13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当角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中虚线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。

单相交交变频电路输出电压和电流波形

三相交交变频电路

三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图所示。如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。

三相交交变频器的基本结构

输出星形联结方式三相交交变频电路三相桥式交交变频电路因此，这样的交-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。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上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。这类交-交变频器的其他缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，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。近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，类似于PWM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0.866。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。*3.3.2电压源型和电流源型逆变器

在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。

两种类型逆变器结构LdIdCdUdUd++--a)电压源逆变器b)电流源逆变器图3-14电压源型和电流源型逆变器示意图电压源型逆变器（VoltageSourceInverter—VSI），直流环节采用大电容滤波，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，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。电流源型逆变器（CurrentSourceInverter—CSI），直流环节采用大电感滤波，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阶梯波，或简称电流型逆变器。

性能比较

两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现如下：

（1）无功能量的缓冲在调速系统中，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。

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）来缓冲无功能量。

（2）能量的回馈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和经常正、反转的生产机械。下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSI构成的交-直-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种状态。图3-15电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3~+-UdIdLdCSIα<90o整流ω1>ω电动Teω逆变UCRa）电动运行

电动运行状态P

当电动运行时，UCR的控制角<90，工作在整流状态，直流回路电压Ud

的极性为上正下负，电流Id由正端流入逆变器CSI，CSI工作在逆变状态，输出电压的频率1>

，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图a所示。图3-16电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3~+-UdIdLdCSIα>90o有源逆变ω1<

ω发电Teω整流UCRb）逆变运行逆变运行状态P如果降低变压变频器的输出频率1，或从机械上抬高电机转速，使1<

，同时使UCR的控制角>90，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压Ud立即反向，而电流Id方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图b）。

与此相反，采用电压源型的交-直-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，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约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。交-直-交电压源型变频器电动机回馈制动M必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与UCR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，实现回馈制动。这样做，设备要复杂多了。

性能比较（续）

（3）动态响应正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。

（4）输出波形电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流波形为方波（见下表）。

性能比较（续）表3-1两种逆变器输出波形比较性能比较（续）

（4）应用场合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。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逆运行的要求。*3.3.3180º导通型和120º导通型逆变器

交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源，下图为6个电力电子开关器件VT1~VT6组成的三相逆变器主电路，图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。

三相桥式逆变器主电路结构VT1VT3VT5VT4VT6VT2Ud图3-17三相桥式逆变器主电路M～3控制方式控制各开关器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压。在某一瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。在三相桥式逆变器中，有180°导通型和120°导通型两种换流方式。（1）180°导通型控制方式

同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器称作180°导通型逆变器。例如，当VT1关断后，使VT4导通，而当VT4关断后，又使VT1导通。这时，每个开关器件在一个周期内导通的区间是180°，其他各相亦均如此。由于每隔60°有一个器件开关，在180°导通型逆变器中，除换流期间外，每一时刻总有3个开关器件同时导通。

但须注意，必须防止同一桥臂的上、下两管同时导通，否则将造成直流电源短路，谓之“直通”。为此，在换流时，必须采取“先断后通”的方法，即先给应关断的器件发出关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，叫做“死区时间”，再给应导通的器件发出开通信号。

死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快时，所留的死区时间可以越短。为了安全起见，设置死区时间是非常必要的，但它会造成输出电压波形的畸变。输出波形

tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uAO'uAOuABiAiduBO'uCO'uOO'UdUd2Ud3Ud62Ud3电压型逆变电路的波形（2）120°导通型控制方式

120°导通型逆变器的换流是在不同桥臂中同一排左、右两管之间进行的。例如，VT1关断后使VT3导通，VT3关断后使VT5导通，VT4关断后使VT6导通等等。这时，每个开关器件一次连续导通120°，在同一时刻只有两个器件导通，如果负载电机绕组是Y联结，则只有两相导电，另一相悬空。电流型三相桥式逆变电路的输出波形

tOtOtOtOIdiViWuUViU返回目录3.4变压变频调速系统中的脉宽调制

(PWM)技术早期的交-直-交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波（对于电压型逆变器）或矩形波（对于电流型逆变器），这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化，从而会有较大的低次谐波，使电机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能，在低速运行时更为明显。为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在20世纪80年代开发了应用PWM技术的逆变器。由于它的优良技术性能，当今国内外各厂商生产的变压变频器都已采用这种技术，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才属例外。3-4-1正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器（Sinusoidalpulsewidthmodulation，简称SPWM）图7—10电路的主要特点是；(1)主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构，(2)使用了不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关而接近于1，(3)逆变器在调频的同时实现调压，而与中间直流环节的元件、参数无关，加快了系统的动态响应，(4)可获得比常