异步电动机变频调速系统3685

异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统是属于转差功率不变型调速系统，是异步电动机各种调速方法中调速性能最好、效率最高的一种调速方法，因而在实际生产中得到广泛应用。变频调速的基本工作原理60f异步电动机的转速表达式为n=(1s)1(1s)n0np在三相异步电动机中存在下列关系：1N1mE4.44fNkq1如忽略定子阻抗压降，则UE4.44fNk1N1m1q1式中——--—定子相电压U1—-气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值,V;Eq-———-定子的电源频率f1——定子每相绕组串联匝数;N1-—基波绕组系数；kN1—-每极气隙磁通量，Wb。m变频调速的基本控制方式和机械特性变频调速的基本控制方式1.基频以下调速控制方式E要保持不变，当频率从额定值m向下调节时，应同时降低,使=常数，即采用恒定电动势频率比ffEqq11Nf1UUE的控制方式。，取1=常数，即采用恒压频比的控制方式。在低频时，和都较小，定子阻抗qUE1q1f1压降所占的分量就比较显著，不能忽略,因而必须对进行定子阻抗压降补偿,人为地把电压提高一些，UU11尽可能维持磁通基本不变。m2.基频以上调速控制方式在基频以上调速时，可以从f往上增加，如要维持恒定，必须随频率的增加而相应增加，但电mfU11N11异步电动机变频调速系统压一般不能超过电动机的额定电压,只能保持在电动机的额定电压上。所以在基频以上调速时只U1NUU11N能放弃维持磁通恒值的要求，使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电动机的弱磁升速的情况.在基mm频以下调速属于恒转矩调速，在基频以上调速属于恒功率调速。变频调速的机械特性异步电动机恒压恒频时的机械特性1当定子电压和角频率都为恒定值时，异步电动机的电磁转矩为TeU13nP2RUsRTe3n(1)2ppIm2(sRR)2s2(LL)212s22111121l1l2式中-——电磁功率Pm--—电源角频率1-—同步机械角速度1—-极对数np——定子电压U1、--定子RR每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻12Ll2、Ll1-—定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感Tf(s)是一含s项，转矩近似与s成正比，这时机械特性当s很小时，可忽略上式分母中段eTf(s)e直线，如图19-3所示。当s接近1时，可忽略上式分母中的，转矩近似与Rs成反比，，这时机械特性2是一段双曲线。3.变频调速的机械特性基频以下变频调速的机械特性现以恒压频比控制为例说明基频以下变频调速的机械特性。恒压频(1)U/f()=恒值的机械特性.比控制11特性基本上是上下平移的,硬度较好，但最大转矩随着降低而减小。当频率很低时，最大转矩太TfTemax1emax小将限制变频调速系统的带负载能力，为此需要采用定子阻抗压降补偿，适当提高电压，增强带负载能力.U1基频以上变频调速的机械特性1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。机械特性基本上Temax亦是上下n0•平移的.2异步电动机变频调速系统调速用静止式变频器类型及其特点静止式变频器从整体结构上可分为交-直-交变频器和交-交变频器；而从电源性质上分为电压源型和电流源型变频器。实际应用中大部分的变频器都为交-直—交电压源型变频器。交-直-交变频器交-直—交变频器先将恒压恒频的交流电通过整流器变换成直流电，再通过无源逆变器将直流电变换成变压和变频的交流电。由于这类变频器在恒压恒频的交流电源和输出的变压和变频的交流电源之间有一个中间间接变频器.直流环节，在变压和变频的过程中经历了电能的两次变换，所以又称为交—交变频器交—交变频器是将恒压恒频的交流电不经过其它中间环节而直接变换为变压和变频的交流电,所以又称为直接变频器。交—交变频器输出的每一相都是相当于一套由正、反两组晶闸管可控整流电路反并联组成的直流可逆调速线路所示。这种交-交变频器管元件数量多，如每组可控整流电路采用三相桥式电路，则需要36只晶闸管元件.此外，交—交变频器的缺点是输入功率因数较低，谐波电流含量较大.因此，交-交变频器主要用于轧机主传动、球磨机等低速大容量拖动埸合.由于直接变换，效率较高,但其最高输出频率不超过电网频率的1/2，其主电路使用晶闸电压源型变频器和电流源型变频器在交—直—交变频器根据主回路中间直流环节直流电源性质可分成电压源型变频器和电流源型变频器两大类。电压源型变频器变频器主电路的中间直流环节采用大电形比较平直。此时在逆变器前级的整流、滤波电路可或阶梯波。在变频调速系统中，变频器的负载是异步电动机,属于感性负载。在中功功率的传递外,还存在无功功换。因而电压源型变频器中间直流环节储能元件采用大电容,电容除了容滤波，整流器输出电压经大电容的滤波作用后使直流侧电压波认为是内抗阻小的恒压源波形为，逆变器输出交流电压矩形波间直流环节与电机之间，除了有率的交滤波外还起着无功能量缓冲作用.电流源型变频器变频器主电路的中间直流环节采用大电逆变器前级的电路可认为是内抗阻很大的直流电源性质的交—直—交变频器称为电流源型变频器，简称为电流型变频器。电流型变频器主电路的中间储能元件采用大电感,大电感除了滤波外还起着无功能量缓冲作用.交—直-交电压源型变频器和电流源型变频器性能比较感滤波,大电感的滤波作用使直流侧电流波形比较平直.此时在恒流源，逆变器输出交流电流波形为矩形波或阶梯波。把具有这种直流环节的电压源型变频器和电流源型变频器在主电路上区别仅仅是中间直流滤波环节的不同，但就造成两类变频器具有完全不同的性能。采用电流源型变频器给异步电动机供电的电流源型变频调速系统的最大特点是容易实现回馈制动，从而四象限运行，适用于需要快速制动和频繁正、反转的生产机械。状态运行时，可控整流器UR工作在整流状态(控实现变频调速电机的电流源型交—直-交变频器供电的变频调速系统在电动3

异步电动机变频调速系统制角90）,直流回路电压的极性为上正下负，电流由的正端经大电感流入逆变器CSI，CSIIUULdddd工作在逆变状态.此时，变频器的输出电压频率>，电动机以转速运行，电能由交流电网经变频器传送1给电机，电机处于电动运行状态.当电动机要减速停车时，可降低变频器的输出频率，使,异步电动机190URU,进入有源逆变状态，直流回路电压立即反向，d进入发电状态，同时使可控整流器UR的控制角由于大电感的作用，直流方向不变。于是逆变器CSI变成整流器,可控整流器UR成为逆变器,电动机把LIdd机械能转换为电能回馈给交流电网，电动机处于回馈制动工作状态，。采用电压源型变频器给异步电动机供电的电压源型变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却比较困难.因为电压源型变频器采用大电容滤波，由于大电容上电压的极性不能迅速反向，而且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。当变频调速系统需要制动时，可以在变频器中间直流电路上并联能耗制动电路，电将动机在发电制动状态反送到中间直流电路的能量消耗在制动电阻上，实现能耗制动;或者在输入可控整流器UR上反并联一个可控整流器，使它工作在有源逆变状态将电动机在发电制动状态反送到中间直流电路的能量回馈交流电网，实现回馈制动。由于电流源型变频器的直流电压极性可以迅速改变，所以由它供电的变频调速系统的动态响应比较快，而电压源型变频器由于采用大电容滤波，使直流侧的电压不能有快速响应，所以由它供电的变频调速系统的动态响应则要差一些.电压源型变频器适用于多台电动机同步运行时的供电电源，或单台电动机调速但不要求快速起制动埸合。而电流源型变频器不适用于多台电动机运行，而适用于单台电动机调速且要求快速起制动、频繁可逆运行埸合。正弦波脉宽调制型(SPWM)变频器SPWM型变频器的概念在交—直—交变频器中，当前应用最广的是SPWM变频器。它的整流器是由二极管组成的不可控整流器，输出电压经电容滤波后形成恒定幅值的直流电压加在逆变器UI上，逆变器UI的功率开关器件采用全控型电力电子器件（如IGBT），按一定规律控制逆变器UI的功率开关器件导通或断开，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉流基波电压的幅值，通过改变调制周期耒改变逆变器输出频率，从而在逆变器上同时实现调压和调频的功能。所谓SPWM波形就是脉冲的宽度按正弦规律变化并与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形.在冲波形。在这种变频器中，采用脉宽调制方法，即通过改变矩形脉冲的宽度耒改变逆变器输出交传统的模拟控制系统中常采用调制的方法，即把所期望的波形（如正弦波)作为调制波，采用等腰三角波作为载波。当三角载波与正弦调制波相交时，在交点时刻控制逆变器中开关元件的通断，在逆变器的输出就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于正弦调制波的矩形脉冲波(SPWM波）。SPWM型变频器的工作原理SPWM型变频器的主电路，整流器是采用二极管组成的三相桥式不可控整流电路,并采用大电容滤波,为逆U变器提供恒值直流电压。逆变器中六个功率开关器件VT1~VT6采用全控型电力电子器件（如IGBT)，它们s各有一个续流二极管反并联,如VD1～VD6。4

异步电动机变频调速系统SPWM型变频器传统的模拟控制电路中，正弦调制波发生器提供一组三相对称的正弦调制波信号、、uurarb，其频率决定逆变器输出的基波频率，可在所要求的输出频率范围内调节；正弦调制波电压的幅值也可urc在一定范围内变化，以决定逆变器输出基波电压的大小。三角波载波发生器提供三角波载波信号是共用的，ut分别与每相正弦调制波电压比较后，经过相应比较器,就可产生SPWM脉冲序列波、、，作为逆变uuudadbdc器三相桥臂的六个功率开关器件的驱动控制信号。SPWM控制方式可以是单极式，也可以是双极式。单极式控制单极式控制时，在正弦波的半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断.例如，A相正半周时VT1反复通断，而VT4关断.双极式控制双极式控制时．逆变器同一桥臂上下两个功率开关器件交替导通与断开．处于互补的作工方式。如A相正半周时VT1与VT4交替导通与断开。SPWM型逆变器的调制方式在SPWM逆变器中，载波频率与调制波频率之比N称为载波比。根据载波比N的变化与否，SPWMfftr逆变器有同步调制和异步调制之分。而为了使输出波形保持三相对称且谐波少，可采用同步调制与异步调制相结合的分段同步调制方式.同步调制在同步调制方式中，载波比N等于常数,并在变频时使载波信号的频率与调制波信号的频率保持同步变化。在该调制方式中，调制波信号频率变化时载波比N不变，因而，逆变器输出电压半个周期内的矩形脉冲数是固定的，如果取N等于3的倍数,则同步调制证逆变器输出波形的正、负半波始终保持对称,并能能保严格保证三相输出波形间具有互差120的对称关系。但是当逆变器输出频率很低时，由于在半周期内输出脉冲的数目是固定的，所以，相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加,使负载电动机产生较大的脉动转矩和较强的噪声,给电动机的正常工作带来不利影响,这是同步调制方式的主要缺点.异步调制为了消除上述同步调制的缺点，可以采用异步调制方式.这种载波信号和调制波信号不保持同步关系的调制方式称为异步调制。在异步调制方式中，在逆变器的整个变频范围内，载波比N是不等于常数的。一般在改变调制波信号频率时保持三角载波频率不变，因而提高了低频时的载波比。这样逆变器输出电压ffrt半周期内的矩形脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电动机的转矩脉动与噪声,改善了低频工作性能。但是异步调制方式在改善低频作工性能的同时，又失去同步调制方式的优点，当载波比N随着输出频率的改变而连续变化时，它不可能一直是3的倍数,势必使逆变器输出电压的波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出