交流调速传动系统

第7章交流调速传动系统7.1交流调速的引言及分类7.1.1引言——交流调速和直流调速交流电动机结构简单、价格使宜、维护工作量少，但起、制动及调速性能不如直流电动机，且调速装置价高，故长期以来在调速领域一直以直流调速为主。近年来，随电力电子技术及控制技术的发展、交流调速的性能与成本已能和直流调速竞争，越来越多的直流调速应用领域被交流调速占领，以交流调速取代直流调速已成为趋势。调速传动按其应用领域，大致分为四大类：●通用机械的节能调速通用机械指风机、泵、压缩机等类机械，量大、面广，应用于各行各业。它们的用电量约占全国总发电量的1/3。这类机械过去都用不调速的交流电动机驱动，风量和流量靠挡板及阀门调节，浪费大量能源。把这类机械的交流传动系统由不调速改为调速，取消挡板及阀门调节，平均可节电30%～40%,故称这类调速系统为节能调速系统。改调速后，由于风量和流量可以连续平滑和快速精确控制，给工艺(或燃烧)过程的优化创造了条件，有助于提高产品的产量和质量；由于减少了管道和阀门的压力，可以提高设备寿命，减小维修量。●工艺调速由于机械设备的工艺需要，要求驱动电动机必须调速运行的传动系统称为工艺调速系统，例如金属加工、造纸、提升等机械的传动系统。长期以来，在这个领域里都采用直流调速，现正逐步过渡到以交流调速为主。各种电动车辆及船舶等运输机械的电驱动系统，也要求在运行中及时调速，这类传动系统称为牵引调速系统。它们属于工艺调速范畴，但由于装在移动机械上，又有许多不同于--般机械的特殊要求，例如供电电源、设备尺寸和重量、散热及防护要求等。过去这类传动系统都采用直流调速，现也在逐步改用交流调速。由于牵引机械对传动设备的尺寸、重量和防护有严格要求，而在这些方面交流比直流占优势，所以交流牵引调速取得更快发●特殊调速某些应用场合，用户对调速有特殊要求，满足这些特殊要求的调速系统属特殊调速系统。例如转速6000r/min以上的高速系统，这种转速要求直流电动机实现不了，只能使用交流调速。又如调速范围1:50000～1:100000的极宽调速系统，用普通直流或交流电动机都有困难，只有采用特殊的永磁交流电动机才能实现。交流电动机与直流电动机的比较及针对典型工艺要求的调速方案选择，请参见第2476电气传动自动化技术手册7.1.2交流调速系统分类交流电动机的转速公式同步电动机n=60flp式中ʃ——定子频率；交流调速系统有多种分类方法；●按调速效率分：离效、低效。●按调速平滑性分：有级、无级。●按调速装置所在位置分：定子侧、转子侧、转子轴上。●按使用的电动机分：异步电动机有笼形异步电动机、绕线转子异步电动机；同步电动机有励磁同步电动机、永磁同步电动机、无刷直流电动机、开关磁阻电动机。●变极对数——变p,高效，定子侧，异步电动机●转子串电阻——变s,低效，转子侧，绕线转子异步电动机。●定子侧：定子调压—-变s,低效，异步电动机；定子变频——变f,高效，异步电动机或同步电动机。●转子侧：串级调速(向下调)—~变s,高效，绕线转子异步电动机；双馈调速(上下调)——调s,高效，绕线转子异步电动机。●转子轴上：液力耦合器——调s,低效，异步电动机或同步电动机；电磁转差离合器——调s,低效，异步电动机或同步电动机。有级调速系统已在第5章中介绍过，不再重复，本章只介绍无级调速系统。7.2交流调速用电力电子装置本章介绍交流调速用的装置。多年前曾用过一些机组装置，例如各种变流机组、饱和电抗器等，现在已经淘汰，不再介绍。本手册仅涉及用电力电子装置(变流器)构成调速装置。同一种装置可以用于不同交流调速系统和接于不同地方，例如整流装置可以用于交-交直接变频，也可用于交-直-交间接变频，又如变频装置既可接电动机定子——变频调速，也可接电动机转子——串调和双馈调速。在介绍调速系统之前，把各种系统用到的电力电子变流器集中在本节做简要说明，交流调速用电力电子装置有交流调压装置和变频装置两大类。现用的交流调压装置仪一种——晶闸管交流调压器。变频装置种类很多，归纳起来分交-直-交间接变频器和交-交直接变频器两类。在交-直-交间接变频器中，先用交-直变流装置(又称前端)——整流器，把交流电变为直流电，再用直-交变流装置——逆变器，把直流电变为另一种频率和电压的交流电(两次变换)。根据直流回路中储能元件的不同，交-直交间接变频器又分电压型和电流型两种：电压型的储能元件为电容，由于电容上的电压难变化，在控制规律不变而负载变化时，输出电压基本不变；电流型的储能元件为电感，由于电感上的电流难变化，在挖制规律不变而负载变化时，输出电流基本不变。交-交直接变频器没有中间直流环节，直接把一种频率和电压的交流电变为另…种频率和电压的交流电(一次变换)。变频器使用的电力电子开关器件种类很多，基本上有三类：不可控整流器、半控晶阐管和全控(自关断)器件，例如电力1.电压型间接变频器●整流器：不可控整流；晶闸管相控整流(不可逆、可逆);自关断器件的电压型PWM●逆变器：晶阐管强制关断的电压型逆变器(基本上已淘汰，本手册不再介绍);自关断2.电流型问接变频器●整流器：品闸管相控整流(不可逆);自关断器件的电流型PWM整流。●逆变器：基于晶闸管负载自然换相的电流型逆变器(LCI);基于晶闸管强制关断的电流型逆变器(基本上已淘汰，本手册不再介绍);自关断器件的电流型PWM逆变器。3.直接变频器：基于晶闸管电源自然换相的直接变频〔常称为交-变频器(Cycloconvert-整流器用于把交流电变为直流电，本小节讨论基于整流二极管的不可控整流器和基于晶闸管相控的可控整流器。整流器的工作原理、联结线路及基本电路参数(重叠角、换相电压降、最小触发超前角及最小触发延迟角、整流电压和电流计算、变压器及电抗器计算、整流管和晶闸管计算等)已在第3和6章中介绍过，不再重复，本章仅讨论用于交流调速时的特殊问题。1.直流输出端接有大滤波电容的整流工况用于交-直-交变频器前端的整流器的直流输出端通常直接连接大容量滤波电容器(见图7-1a),造成直流母线电压被拾高，整流电流断续，整流管导电时间缩短，流过整流管的电流及交流进线电流波形变为两个很窄的尖脉冲电流波(见图7-1b),给设备和电网带来许多危害：图7-1接电容负载的整流电路及波形●输出同样的直流平均电流，尖脉冲电流给整流管带来的电流冲击比120°方波电流大许多，增加整流器件的故障率。478电气传动自动化技术手册●尖脉冲电流中含有巨大谐波成分，导致网侧功率因数低，仅0.6左右；谐波还影响接于同…电网的其他用电设备的工作。解决该问题必须增大整流管的导通角，增设交流进线电抗器，或在储能电容器与整流器之问增设直流平波电抗器，详见本章7.3.4节中低压电压型交-直-交变频器应用部分。2.连接于异步电动机转子绕组的不可控整流器在绕线转子异步电动机串级调速系统中，三相桥式不可控整流器经集电环与电动机转子绕组相连接，把转子交流电整流成直流电，然后经逆变器回馈给电网。这种不可控整流器的工作原理与普通有整流变压器的整流器相同，可以直接引用已有的整流理论，但两者之间还存在…些差异：●在串级调速系统中，转子绕组相当于整流变压器的二次绕组，它感生的电动势的幅值和频率都与电动机的转差率s成正比，即式中Bpf₀~—s=!(转子不转)时的e,和f.。●和整流变压器的漏感一样，电动机绕组的漏感也导致换相重叠，由于电动机的漏感值比变压器的漏感值大，所以换相重叠角比普通整流大，对整流性能影响严重。●随转速升高，转差率减小，转子电动势减小，换相重叠时间加长，但由于转子频率也按比例减小，周期加长，使得换相重叠角u不随转速变化，式中ex——限抗电压值(%);f.和I——整流输出直流电流及其额定值。●重叠角u使转子电流基波滞后转子电动势一个略大于u/2的电角度，影响电动机电网侧功率因数；重叠角还使整流输出电压下降△u,相当于在直流电路中增加一个等效电阻r。影响申级调速的机械特性，详见木章7.4.1节。等效电阻r。(相对值)按下式计算：式中um~—s=1时的理想空载整流电压，U=2.34em。3.输出交流或周期脉动直流的可控整流装置若可控整流器的移相控制信号是直流，则输出的整流电压、电流也是直流；若移相控制信号是交流或周期脉动直流，则整流输出也将是交流或周期脉动直流。输出交流的可控整流器称为交-交变频器。交-交变频器可以接至电动机定子绕纽，也可经集电环接绕线转子异步电动机转子绕组，前者是交-交变频调速，后者是双馈调速方案之一，详见本章7.3.2节和7.4,1.3节。本章7.3.3节介绍的负载自然换相电流型交-直-交变频器中的前端可控整流器，低速时就工作在输出周期脉动工况，见下面对LCI的介绍。4.基于晶闸管负载自然换相的电流型逆变器(LCI)这类电流型逆变器实质上是晶阐管整流器的逆应用(从直流电变换到交流电),工作于最大触发延迟角anx>90°,其特点是负载为同步电动机，利用同步电动机旋转时在定子绕组中感生的交流电动势，通过自然换相来关断已导通的晶闸管。为确保安全换相，防止逆变颠覆，晶闸管的触发脉冲必须超前交流电动势最小触发超前角β…,导致电动机定子电流超前电压。当转速低于10%时，电动势太低，不能安全关断正在导通的晶闸管，则必须通过控制前端交-直变换侧的可控整流器，产生周期脉7.2.2晶闸管交流调压器晶削管交流调压器接于交流电源和电动机之间，通过收变电动机输入电压来改变电动机的机械特性，实现调速。交流调压器的工作原理基于品闸管移相控制，儿种可能的三相交流图7-2a为带零线的三相调压电iǐ-0²30~60°成零序电流，不仅加大损耗，而且造Ao—a-0°30°60° 图7-2h为不带零线的三相调压电C0路，最大移相范围150°,三相对称。a=030°60°虽有三次谐波电压，但无通路，尤三·相虽有三次谐波电压，但无通路，尤三·相图7-2c为半控调压电路，每相只Ar-u-03²60^对称，造成谐波电流中有奇次，也有Co—使电动机输出转矩减小，效率降低，e)Bc——C:]图7-2常用三相交流调压电路角形的三相调压电路，其原理与图7-及某一相输出电压波形2a相似，但同样负载容量时，流过晶闸管的电流比图7-2a小，承受的电压高，存在三次谐波电流，且需电动机引出六个接线端，很少使用。图7-2e使用器件最少，电路最简单，属于不对称控制，负载上有偶次谐波，电动机输出7.2.3脉宽调制(PWM)变流器基础通和关断，通过改变占空比D(开通时间与开关周期之比)来改变输出电压的变流器。这类PWM变流器有三类基本线路结构：降压型(Buck)、升压型(Boost)和升降压型(Buck-Boost)。480电气传动自动化技术手册断时间，周期T=tm+t;u,是开关S上的电压。输出电压(一个开关周期的平均值)为●升压型(Boost)变流器：升压型变流器是降压型的逆向应用，如果降压型变流器中的电流反流(能量回馈),它就变为升压工作。升压型变流器的电路及工作波形见图7-4。输出电压(一个开关周期的平均值)为图中和公式中各变量及符号定义与降压型相同。由于D≤1,所以U。≥U;。●升降压型(Buck-Boost)变流器：升降压型变流器在调速系统中很少用，它的电路及工作波形见图7-5。输出电压(一个开关周期的平均值)为压极性与输入电压相反)。注意：由于在电源、负载及连接导线中都仔在电感，不允许电感电路中的开关在有电流时突然切断。为此，在变流器设计时必须为电感安排续流通道，并且调制开关(S和S)只能…端接电感，另一端接电容。7.2.4用于调速系统的PWM变流器若输入电源U、和产生占空比D的控制信号都是直流，则变流器的输出U。也是直流，这类变流器称为直流斩波器。最基本的斩波器是降压斩波器，见图7-6。若负载直流电动机只工作在电动状态，无回馈(电流I₂反流)工况，这时开关S为自关断器件V1,而§为续流二极管VD2(见图7-6a)。当V1导通时，电感电流I₂增加，蓄能；当V1关断时，电感经二极管VD2续流，放能。若负载直流电动机存在制动状态，有回馈(电流I反流)工况，这时开关S和§都必须是自关断器件(V¹和V2),且反并联续流二极管(VD1和VD2),制动时V2和VD1工作。在很多开关器件中，已把自关断器件和反并联续流二极管封装在一起。注意：若在V1和V2的开关过程中存在导通时间重叠，电源将被短路，造成开关器件过电流(“直通”故障):为避免该故障，在设计V1和V2的切换控制电路时需设置“死时”,先“关”后“通”,在“死时”期间，输图7-6直流降压斩波器基于升压电路的斩波器称为升压斩波器，见图7-7。它也有无回馈工况和有回馈工况两种电路：前者的开关§和§为自关断器件V1和二极管VD2;后者的开关S和§为两组带有反并联续流二极管的自关断器件V1(VD1)和V2(VD2)。升压斩波器一般用于电压匹配，不直接图7-7直流升压斩波器a)无回馈]况b)有问馈工况482电气传动自动化技术手册若降压变流器的电源是直流U,=2E,而产生占空比D的控制信号是加人1/2偏置的交流则变换器输出电压(、个开关周期的平均值)u,=mE,sin(wt+0),它是幅值为mE、角频率为w、相角为0的交流电压，这时变流器成为单相电压型逆变器，见图7-8。由于交流输出电流周期性地变换方向，该逆变器的两组开关S和S应是两组带有反并联续流二极管的自关断器件VI(VD1)和V2(VD2),电流正半波时流经V¹和VD2,电流负半波时流经V2和VD1。为防山“直通”,在设计V1和V2的切换控制电路时需设置“死时”,在“死时”期间，输出7.2.4.3电压型PWM整流器电压型PWM整流是电压型逆变器的逆应用，基于升压变换电路，输人是正弦交流电压u,产生古空比D的控制信号也是正弦交流，即则输出电压(在一个开关周期的平均值)是直流电压U。(>U),见图7-9。该整流器的两组开关也应是两组带有反并联续流二极管的自关断器件V1(VD1)和V2(VD2),并在设计VI和V2的切换控制电路时需设置“死时”。PWM整流的特点：●输出端接大滤波电容，输出电压U。是平真的直流，两组开关连接点a的电压是正弦电●输入电流i;是流经电感T.的电流，开关频率的脉动小；由于u,和u。都是正弦波，所以i,在·个开关周期的平均值也是正弦波。●由于1₁=-j(U,-U)/(al.)(式中U;、U.和1,是正弦电压、电流u₁、u。和i;对应的矢量),所以输入电流i,的相位(与输入电压u,间所夹的功率因数角φ)和幅值可以通过改变占空比控制信号中的m和θ角来控制(见图7-10),从而实现输人电流的有功分量和无功分量的分别控制。●允许功率双向流动：当有功电流分量>0时，功率从交流电源流向直流负载；当有功第7章交流调速传动系统483分量<0时，功率从负载流向电源。PWM整流输入电流、电压矢量图由于PWM整流具有上述优良性能，常用作高性能交-直-交变频器前端的交直变流器，称把三个单相电压型PWM逆变器组合起来，去掉中性线，就构成一台三相PWM逆变器，见图7-11.把三个单相电压型PWM整流器组合起来，去掉中性线，就构成-台三相PWM整流器，由于它是三相逆变器的逆应用，所以它的电路和图7-11一样，只是输入、输出互换，输人为串有进线电感的三相交流电源，输出为并有电容的把三相电压型PWM逆变器和PWM整流器的直流侧连接起来，就构成一台电压型双PWM交-直-交变频器，见图7-12。图中左侧为整流器，右侧为逆变器。单相输出零式矩阵变频器见图7-13,其输入电源是三相交流电压ua、u、uc,经个PWM调制开关S、S、Sc,把负载周期性地、分时(无重叠接通情况)接至三相电源。若三相电源为图7-13单相输出零式矩阵变频器484电气传动自动化技术手册三个调制开关的占空比为可以证明，输出电压在一个开关周期的平均值也是正弦电压式中U。——输出电压幅值，可以通过m调整，U…=mUm/2,时);最大Um=时);w。——输出电压角频率，可以通过w。调整，w。=w;-gm;把三个单相输出零式矩阵变频器组合起来，去掉中性线，就构成一台三相输出矩阵变频器，见图7-14,9个开关的调制规则基于式(7-11),只是B相和C相输出的两组开关的调制规则分别要移相-120°和+120°。三相输出电压(…个开关周期的平均值)为若三相负载是线性负载，则输出电流为三相正弦电流，可以证明，这时二相输入电流也足正弦，且与电动机同相(输人功率因数=1),与负载功率因数无关，即和其他变换器-样，为防止在调制开关断开时，在电感中感应高电压，矩阵变频器的调制开关也必须一端接电感，另一端接电容，通常输入端接电容，输出端接电感(见图7-14)。当能量从输人流向输出(电动状态)时，变频器工作基于降压变流电路；当能量从负载返回(回馈工况)时，变频器工作基于升压变流电路。矩阵变频器中的调制开关，既要在导通时允许电流双向流动、又要在关断时能承受双方向电压。为此，每个开关都需用两个带有反并联二极管的IGBT背靠背串联，见图7-15。调制开关的换相控制是矩阵变频器的难题之一。在两个开关换相过程中，既不能有重叠时间(重叠造成电源短路),又不能有导通间隙时问(间隙造成负载电感断路，感生高电压),既无重叠、又无间隙的控制要求很难实现。现在已经有几个解决办法：叫步电流换相、两步电流换相等。从开第7章交流调速传动系统485关V到V的两步电流换相过程见图7-16,先检测负载电流方向，只要电流方向为正(见图上述矩阵变频器有理想的性能：输出正弦电压、输入与电源电压同相的正弦电流(功率因数=(μ=Umm/Um=0.5),而开关器件承受的电压却中加人适当的三次谐波共模电压cos(3w。t)和cos(3w、,t)来克服，使最大输出电压提高至μ=0.87,开关器件承受的电压不变。实现的方法有多种，例如：空间矢量法、间接调制法等。加入共模电压后，负载：电压波形仍为正弦，不受共模电压影响，但负载中性点和电源中性点电位不再相等，存在共模电压的电位差。矩阵变频器是一种有前途的变频器，目前仍处于研发阶段，尚未实用，正受到双PWM交-直-交变频器(它具有和矩阵变频器同样的优良性能，H输出电压高(p=1),开关器件数少)的挑战。在随后本章7.3节交流调速系统的介绍中，将不再涉及矩阵变频器。7.2.4.6三相电流型PWM整流器和PWM逆变器在单相输出矩阵变频器(见图7-13)中，若控制信号的角频率和输人电源电压的角频率一样w。=w;,则输出电压将变为直流(w=0),这时知阵变频器变为电流型PwM整流器。为提高输出电压，可把原来的零式电路改为桥式电路(见图7-17),并修改调制规则为D₆=M(u,t+a)D-=M(w;t+π+a)m——调制系数；1≥m≥-1可以证明输出电压为直流(一个开关周期的平均值),即是零式电路的3倍。输入电流是三相正弦电流，同式(7-14),与输人电压同相，功率因数为若m>0,输出电压为正，电动工况，能量从电源流向负载，降压变流；若m<0,输出电压为负，回馈工况，能量从负载流向电源，升压变流。电动和回馈两种工况，输出电压极486电气传动自动化技术手册性相反，电流方向不变，调制开关仅承受双向电压，无双向电流要求，因此调制开关简化成单向开关(见图7-17)。在此条件下，只要设置适当的重叠时间就能安全换相，简化了换相控电流型PWM逆变器是电流型PWM整流器的逆应用，两者电路相同，只是输入、输出端互换。逆变器的输入是串有电感的直流电源，输出为并有电容的三相负载，基于升压变流电路，调制规则同式(7-15),通常设定m=1,这时二相输出电流为式中——直流输入电流。把电流型PWM逆变器和PWM整流器的直流侧连起来，就构成…台电流型双PWM交-直-交变频器，见图7-18。图中左侧为整流器，右侧为逆变器。7.3定子侧交流调速系统定子调压调速系统是一种通过收变定子电压幅值(频率不变),实现电动机转速调节的调速系统。这类调速系统适用的电动机是异步电动机，使用的调压装置是在本章7.2.2节中介绍的晶闸管交流调压器(从前曾用过饱合电抗器，现已淘汰)。7.3.1.1调压调速特性异步电动机的电磁转矩为式中U、—-定子电压幅值；r,和x₂~—定子电阻和漏抗；r,和x₁—-折算到定子侧的转予电阻和漏抗；o₀和s-—同步机械角速度和转差率、对应不同的定子电压，可以得到·组机械特性，见图7-19。对于某一固定负载转矩T,电动机将稳定工作于a、b和c等转速，从而实现调压调速。普通笼形异步电动机机械特性工作段的s很小，对恒转矩负载而言，调速范围很小，见图7-19。但对于风机和泵类机械，山于负载转矩T=kn²,即与转速二次方成比例，采用调压调速可以得到较宽的调速范围，见图7-20,在a、b和c三点都能稳定工作。要扩大恒转矩负载的调速范围，常朋高阻转子电动机或转子外接电阻(或频敏变阻器)的绕线转子异步电动机.高阻转子电动机(如力矩电动机)的调压调速特性见图7-21。低速工作时、特性很软，工作不易稳定，负载和电压稍有波动，会引起转速很大变化。为提高调速硬度、减小转速波动，宜采用转速闭环控制系统，其原理图见图7-22a,闭环控制特性见图7-22b。假设系统原来工作于a点：开环工作时，若负载由Tu变到T₂,由于U,不变，作点将由a点沿同-机械特性曲线移到b点，转速变化很大；闭环工作时，负载由T变到T。在速度调节器ASR的作用下，转速下降使U、增大，工作点将由a移至c,转速变化减小，调速范围可达1:10.图7-20风机、泵类负载调压调速特性图7-21高阻转子电动机调压调速特性1.转差功率损耗系数异步电动机调压调速系统是一种低效调速系统，随转速降低，转差率加大，大最转差功率消耗在电动机转子电阻或外加电限(或频敏变阻器)上，究竟消耗了多少转差功率是决定这类调速工作性能的重要因素。分析表明，转差功率损耗与调速范围在采用相对值计算及忽略定子电阻，定、图7-22有转速闭环的调压调速特性式中e,、i,、T,和n——转子电动势、转子电流、负载转矩和转速相对值；a——代表负载性质的指数，α=0表示恒转矩负载；α=1表示负载转矩与转速成化例；α=2表示负载转矩与转速二次方成比例(风机、泵类负载)。转子电动势相对值e,的基值是转差率s=!(转子不转)时的转子电动势Eo,所以e,=s;转速相对值n的基值是理想空载转速，所以n=(1-s)。把上述关系代入式(7-19)和式(7-20),则转差功率为 转差功率相对值△p的基值是P-ma=EmI≈P、损耗系数，式中/为转子额定电流。(电动机额定功率),所以它义称为转差功率488电气传动自动化技术手册不同负载特性(不同α值)时的△p曲线见图7-23。由曲线可看出，在α=2时，电动机的转差功率损耗系数最小，所以调压调速较适合用于风机、泵类负载，对于恒转矩负载则不2.谐波对电动机运行的影响晶闸管调压装置的输出电压、电流都是非正弦波，含有大量谐波，影响电动机出力，(I)谐波使电动机损耗加大；(2)只有基波电流产生工.作转矩，谐波电流会带来阻转矩或转矩脉动。在使用晶闸管调压调速时，考虑谐波影响，电动机需适当增加容量，在s=0.33时，增加的百分比如下：调压器电路三相Y联结(图7-2b)三相YN联结(图7-2a)三相不对称Y联结(图7-2c)零点△联结(图7-2e)含S调压调速的主要优点是简单，便宜，使用维修方便；主要缺点是转差功率损耗高，效率低，谐波大。调压调速主要用于软起动，参见第5章。在一些容量不大、调速范围不宽、精度要求不高(一般为3%)、连续工作时间不长的设备中也可以采用调压调速，例如起重机械、风机和泵类机械等。随变频调速等高效调速技术发展，调压调速真正用来调速，而不是软起动的场合越来越少。基于晶闸管移相控制的交-交变频调速系统是一种适用于大功率(3000kW以上)、低速(600r/min以下)场合的调速系统，在大型轧机主传动、矿井提升、矿石破碎、船舶推进等设备中得到广泛应用。交-交变频调速电动机可以是同步电动机或异步电动机，两者的比较及对它们的要求请参见第2章2.3.1节“电动机的选择”。1.单相输出交-交变频器原理单相输出交-交变频器见图7-24。它实质上是--套三相桥式无环流反并联的可逆整流装置，只是其触发移相控制信号un是幅值和频率可变的交流信号，相应的整流输出电压也是幅值和频率可变的交流电压，以实现变频。装置中晶闸管的关断通过电源交流电压的自然换相来实现。这种变频器无中间直流环节，故称为交-交直接变频器。输出端接感性负载的交-交变频器的输出电压和电流波形见图7-25。一个周期的波形可以分为6段：(1)u₀>0,i。<0,变流器工作于第二象限，反向组逆变。(3)u>0,i₄>0,变流器工作于第一象限，正向组整流。(4)u₀<0,i₀>0,变流器工作于第四象限，正向组逆变。第7章交流调速传动系统489(6)u。<0,i。<0,变流器工作于第三象限，反向组整流。如果输出电压、电流之间的相位差φ<90°,能量从电网流向负载；如果q>90,能最从负载流向电网，负载电动机可以四象限工作。在每一个输出周期中，有两次电流过零，存在两个无环流死区时间(简称为“死时”),“死时”的长短对输出波形影响很大，若最高输出频率为20Hz,·个周期长50ms,要求每个死时小于2ms2.三相输出交-交变频器原理三相输出交-交变频器由输出电压彼此差120的三会单相输出交-交变频器组成。主电路有两种接线方式：公共交流母线方式和输出Y联结方式，见图7-26和图7-27。输出Y联结的三相输出交-交变频器有两个特点：(1)触发脉冲需大于30°。出于变频器输出中性点不与负载中性点相连接，所以至少要有两个桥、四个品闸管同时有触发脉冲才能建立电流，为此要求触发脉冲为双脉冲，且宽度大(2)可利用直流偏置和(或)交流偏置技术提高装置出力及改善电网侧功率因数。 490电气传动自动化技术手册输出Y联结三相交-交变频器的等效电路见图7-28。由于变频器中性点不与负载中性点相连接，如果变频器输出的一个相电压n、tg、uπ中含有同样的直流分量或二次谐波分量，均不会在线电压中反映出来，而输出到负载」。负载电动机低速运行时，变频器输出电压很低，三套整流装置都工作于深控区域，电网侧功率因数差。如果三个相电压中都含有同样的直流分量，触发延迟角α减小，既政善功率因数，又不影响电动机运行。这种技术称为“直流偏置”,由于实现起来较麻烦，很少使用。负载电动机高速运行时，变频器输出地压高，如果使变频器输出相电压中含有适当的次谐波、使之变成图7-29所示的准梯形波，能获得如下好处；●准梯形波的幅值比基波幅值低15%,而电动机端仅接收基波，所以负载相电压幅值提高15%(出力提高)。●一个输出周期中，整流装置较长时间.1.作在高输出电压区域，变频器电网侧平均功率因数也提高15%。这种技术称为“交流偏置”,实现容易，效果好，被广泛应用。公共交流母线方式的三套单相输出交-交变频器通过进线电抗器接至50Hz公共交流母线，三组输出必须相7.隔离，电动机的三个绕组需分开，引出六根线。这种方式的特点是：(1)只需一台电源变压器，简单、经济，(2)三套单相变频器完全独立，相互影响小，触发脉冲为双窄脉冲。(3)许多交-交变频调速电动机的电压为1600～1700V,属中压范畴，变频器及引线都需满足中压规范要求。采用公共交流母线方式后，变频器及引线对地电压为相电压，小于1000V,属低压范畴，执行低压规范。(4)使用准梯形波后，三次谐波电压将加至电动机绕组，但若电动机是隐极电动机，这种二次谐波也不会对电动机运行带来影响：3.交-交变频器输出频率上限交-交变频器输出电压、电流波形(见图7-25)中，除基波外，还含有许多谐波，产生这些谐波的原因有两个：(1)交-交变频器的输出波形是可控整流波形，含有较大谐波，输出频率越高，每周期中波动数越少，谐波比例越大。(2)无环流“死时”,使电流过零不平滑，带来低次谐波，输出频率越高，每周期中“死时”占的比例越大，谐波比例越大。通常用两个指标评价谐波大小：输出电流畸变率DF和电动机转矩相对脉动率△T。根据第7章交流调速传动系统491仿真结果表明，若限制DF≤20%,AT≤30%,则在使用6脉波可控整流、死时为2ms时，最大输出频率fm=16.7Hz,输出频率f.超过上述f.值后，DF和△T快速增加。476.2mm(*3in)晶闸管、风冷、6脉波可控整流柜用于交-交变频时，每柜输出最大峰值电流/与频率f,的关系见图7-30。f>16～20Hz后，随f,增加，谐波电流加大，急骤下降，装置出力减小，因此交-交变频器最大输出频率被限制为同样的晶闻管整流装置，用于交-交变为用于变频时，每个晶闸管仅在半个周期中工作，另半个周期不工作，即使在工作半周内流过管子的电流也时大时小。令它们之比为交-交变频器电流输出增大系数，即该系数与品闸管和散热器的规格和型式、柜子和风道结构等因素有关，每种特定的整流柜有…·条自己的曲线，该曲线是交-交变频器电流计算的基础。按图7-30,Kc≈1.3。4.交-交变频器电网侧电流谐波和功率因数交-交变频器电网侧电流中含有许多由可控整(1)和直流系统一样的特征谐波f₁=(pm±1)f;(2)按输出频率f,移相造成的旁频谐波f₂=[(pm±)f₁±6f。±[fi±6lf。!m和l——正整数1、2…;在直流f.=0时，只有特征谐波(5、7、11、13等次),无旁频谐波；在交流fo≠o时，旁频谐波出现，且随频率f。增加，特征谐波幅值减小，旁频谐波幅值加大。由于输入电流为非正弦波，在计算电网侧输入功率因数时采用一种更普遍的定义，即功S-—视在功率S=√3U;I;(U₁、1;为输入线电压、电流有效值)。影响交-交变频器输人功率因数的因素有两个：(1)和输出电压幅值Um与变频器输出最大整流电压(理想空载直流电压)Um之比成492电气传动自动化技术手所(2)负载电动机的功率因数cosg越低，à越差，这是因为在输出同样的电压、电流幅值情况下，cosq越低、电流瞬时值大时，对应的电压瞬时值低，而电压高时对应的电流小。三相输出交-交变频器的输入功率因数λ与Um及cusg的关系见图7-31。在采用准梯形波相电压时，最大输出电压基波幅值Um=1.15U/mm,K=1。山图7-31看出，相输出交-交变频器的输人功率因数和直流因数曲线族是交-交变频器无功功率计算的基础。若交-交变频器的负载是容性的，例如负载同步电动机工作在超前区，变频器输入功率因数仍为感性，负载超前的无功功率不仅不能通过变频器送到电网，不能补偿变频器本身产生的无功功率，反而和感性负载一样降低输入功率因数。负载同步电动机最好工作在cosφ=1状态。交-交变频的无功补偿及谐波治理参见本于册K角an=0条件下，交流变频器输出最大可能的交流线电压有效值(理想空载交流输出电压)为式中一·整流变压器二次线电压有效值；K₁—-交流偏置提高输出电压系数，采用交流偏置时，K,=1.15;不采用时，K,=1:比动机额定电压(线电压有效值)为式中K,---电网侧(包括整流变压器)线路阻抗引起的压降系数；K—-电动机侧线路压降及晶间管压降系数；K,——调节裕量系数，通常K,=0.95,有5%的调节裕量；K,——电网压降系数，若调节系统弱磁点用不稳乐整流电源设定，电网电压降低，辆由于线路压降很难精确计算，通常近似取(K。K、K,K,K,)=1/1.25、则若进行精确计算，请参阅参考文献[2]。变压器容量第7章交流调速传动系统493式中1一电动机额定电流。2.晶倒管电压、电流计算(1)品闸管电压裕量校验晶闸管电压裕量为式中U₇x-一-晶阿管额定电压；Ua-—变压器一次线电压有效(2)晶闸管并联支路数计算在大功率可控整流装置中，晶刚管常并联工作，且多采用桥并方式，并联支路数计算也就是并联桥数N的计算，即式中!——电动机最大电流有效值；K-一均流系数；l--年桥额定电流，式(7-30)右侧计算值一般不是整数，N取一个比它大的整数。每桥额定电流T与晶前管规格、散热器形式、柜子结构、冷却条件、变频器输出频率范围等有关(参见图7-30):m值通过用热阻计算温升，按品间管结温不超过120℃得到，最后由整流机出力试验确认。用热阻计算温升方法参见本手册中第6章中6.2.3.2节“晶闸管通态平均电流I::的选择”。7.3.2.3交-交变频器的控制交-交变频器用于大功率传动，对控制要求较高，基本上都用矢量控制技术，要求变频器输出电流快速、准确地跟随给定交流信号变化——电流控制。1.单相输出交-交变频器的电流控制单相输出交.交变频器的电流控制系统和直流可逆调速系统的电流控制系统基本相同，见图7-32。它的工作原理在本手册第6章6.1.4.3节“电枢回路晶闸管可逆系统”中已介绍过，本节只说明用于交-交变频后的特点。(1)电流给定信号i;、电压前馈(预控)给定信号u。、电流实际(2)电压前馈(预控)的作用有●消除交流电流调节带来的滞后，使i。无滞后地跟随其给定i变●实现有准备无环流切换，减(3)为满足无环流“死时”小于2ms的要求，采取了下列措施；●使用灵敏的光电零电流检测器，通过检测晶闸管管压降来判定主电路是否有电流；●使用快速换向逻辑环节，把两级延时的总时间减至1msel²](4)使用电流断续补偿，减小电流过零前后电流断续带来的“死时”,使电流过零平滑。2.二相输出交-交变频器的电流控制三相输出交-交变频器的电流控制电路山三套单相电流控制电路控构成：在单相电流控制电路中，电流调节器是PI调节器，它的积分部分能消除低频电流误差。二相输出变频器有三套电流调节，当变频器主电路丫联结时，三相电流之和一定等于零，个电流不能独立被调节，因此电流调节器不能用PI结构，只能用P调节，允许误差存在。为减小电流误差，采取下列措施：(1)在正确的电压前馈(预控)和电流断续补偿作用下，电流调节器的输出电压近似为零，相应输入误差也很小。(2)把一相电流信号ig、ig、i,通过坐标变换(坐标变换将在本章随后7.5.2.6节巾介绍)变换成磁化分量in和转矩分量iy两个直流信号，然后与磁化电流给定i和转矩电流给定z相比较，它们的误差经两个ADCR(积分调节器)输出两个直流校正信号△u和△ug,它们与真流电压给定信号ug和u叠加后，再通过坐标变换，变成三个交流电压给定信号un、u;、u;,作为电压前馈补偿值，通过电压预控消除三相电流误差，整个三相电流控制图7-33三.相电流控制电路电路见图7-33。图中两个积分调节AACRb-3-交流电流调节器ADCR1、2—直流电流调节器调节器称为交流电流调节器。经坐标变换后三个不独立的交流变量变成两个独立的直流变量，因此可以用两个积分调节器分别控制，使两个直流量的静差为零。在图中，二个交流电流给定信号i、is、ir也是从它们的磁化和转矩分量经坐标变换获得的。经这样安排，总的电流调节仍是PI调节，只是P和I被安排在不同地方。三相电流控制的另一个问题是如何实现交变频，有一种简单方法，它不用另外注入3倍频信号，而是利用晶刚管整流移相特性的非线性来实现交流偏置。触发控制电压uwR(电压前馈补偿调节器AVR输出)、移相特性图7-34准梯形波形成及变频器输出相电压u,幽线见图7-34。若输入控制电压是正弦电压μv,经非线性移相特性映射，则输出相电压u。为准正弦波。随控制电压um幅值增加，准梯形波顶部平顶宽度增第7章交流调速传动系统4957.3.3晶闸管负载自然换相电流型交-直-交变频调速系统晶闸管负载自然换相电流型交-直-交变频调速系统(LCI)也称为无换器电动机系统，是·种适用于大功率(3000kW以上)、高速(600r/min以上)、中压(3～10kV)场合的同步电动机调速系统，在大型风机、泵、压缩机等设备中得到应用，它有时也用来作为巨型同步电动机(>10MW)的软起动装置。它的缺点是过载能力低(120%左右),宜拖动平稳负载。近年来，随PWM型中压变频器的发展，LCI系统受到很大挑战，特别是在容量小于5MW场合。7.3.3.11.CI变频调速基础1.LCI变频原理品闸管负载自然换相电流型交-直交变频器(LCI)主电路见图7-35。图中，变流器的右侧L1是晶闸管负载自然换相电流型逆变器，左侧UR是晶闸管可控整流器，中间L是直流平波电抗器，负载MS是同步电动机。整流器R用以控制直流电流I,它与电动机转矩T。成比例。逆变器L3中的六个品闸管顺序、交替导通，每个品闸管导通120°,使得流向负载电动机的电流为三相交流、120°宽、幅值为I的方波，UI中晶闸管导通后、靠负载同步电动机感生的交流反电动势，通过自然换相来关断，称为负载自然换相。低速(<10%nx)时，电动机反电动势很图7-35ICI变频主电路 图7-36LCl系统四象限运行状态图496电气传动自动化技术手册变状态，待/下降至零后，关断逆变器中的晶闸管。为加快I。下降过程，常在电抗器L两端并联一个品闸管(见图7-35中虚线部分),在I₄下降时，它导通，短路电抗器，加快下降速率；在1上升时，电抗器1.上电压左正、右负，将它关断，电抗器L投入。调速系统可以四象限工作，整流器UR和逆变器UI在四象限的工作状态见图7-36,第一、象限为电动工况，WR整流，I逆变，中间直流电压为正；第二、四象限为回馈制动工况，UR逆变，UI整流，中间直流电压为负。在所有四个象限中，直流电流的流向不变。2.LCl中逆变器的换相为保证逆变器可靠地自然换相，必须使电动机的相电流超前相电动势一个电角度，称为换相超前角，见图7-37:图7-37中，Y₀为电动机空载时换相超前角；γ为电动机负载时的换相超前角；8为负载时引起的功角(电动机负载电压比空载电作前移的角度),μ是换相重叠角：为使晶闸管可靠关断，必须使负载时晶闸管承受反电压的角度(换相剩余角)为式中o——逆变器最大工作角频率；y₀角太大，在同样电流下电动机转矩减小。实用上，电压和相电流波形式(7-31)中的δ和u随负载电流增加而增大，在电动机励磁电流不变情况下，&和u随负载电流1变化的关系见图7-38。在低速电流断续换相时,为加大转矩，减小转矩脉动，γ。角设置为0°或180°,见图7-36。y₀角大，限制了系统的过载能力，仪为120%左右。要想提高过载能力，可以采用下列改进方法：(1)Yu自动调整使γ₀角随负载电流增加而增大，可维持y-u在一定范围内保持恒定，从而提高过载能力，但γ。角不宜过大(2)减小功角δ通过加装补偿绕组或串励绕组来减小功角δ,流1变化的关系提高过载能力，但电动机复杂，价高。(3)减小换相重叠角u通过减小电动机漏抗来减小换相重叠角u,提高过载能力，但小漏抗电动机尺寸短、粗，惯量大，价高、(4)随负载加大而增加励磁在γ₀角确定情况下，随负载加大而增大励磁，可使换相极限右移(见图7-39),从而提高过载能力，但受磁路饱和限制。7.3.3.2LCI变频器主电路参数计算J.C7变频器中整流器UR的计算(整流变压器二次电压、电流计算，直流平波电抗器计算，晶闸管电压、电流计算等与晶闸管直流调速的主电路计算相同，见第6章6.2节“晶闸管变流器主电路参数计算”,这里不再重复，只是计算中：第7章交流调速传动系统497();人●由于存在逆变工况，最小触发延迟角α取25°~30°;();人●电抗器计算时，按限制电流脉动和按最小连续电流两种方法计算，电流脉动率取10%~15%,最小连续电流取额定直流电流的10%。在进行整流器LR计算前，需根据电动机数据先计算直流电压、电流值：额定直流电压//A//A式中U、、1,—电动机额定线电压、电流；图7-39换相极限y—换相超前角，y=γo-δ(见图7-37);u——换相重叠角；n——每桥臂晶闸管串联数；U——每个晶闸管压降：7.3.3.3LCI变频调速系统的控制1.同步电动机的自擦变频同步电动机自控变频的特点是在电动机轴上装有一台转子位置检测器，由它发出的信号控制变频装置的逆变器换相，电动机每转360°电角度，逆变器I换相一周(6次),从而使同步电动机的供电频率与转子旋转频率同步，消除了同步电动机失步的可能，见图7-40。由于换和山转子位置控制，类似直流电动机的换向器，所以同步电动机的LCl变频调速系统又称为无换向器电动机调速系统。检测转子位置的方法有直接式和间接式两种：直接式用装于电动机轴上的位置传感器检测；问接式通过检测定子绕组电压来检测转子位置。用位置传感器直接检测转子位置，精度和可靠性高，被广泛采用、常用的位置传感器有下列儿种：(1)接近开关方式利用旋转盘和接近开关，根据旋转盘上槽口和接近开关距离不同发出三相位置信号；(2)光电方式有输出三相位置信号的光电编码器系(3)电磁方式利用旋转盘和磁敏元件，根据旋转盘上槽11和磁敏元件距离不同发出三相位置信号。间接式位置检测基于检测电动机定子电压过零点，其优点是测出的位置角中已含有功角8,容易使运行中的有效超前角恒定，但只能用于有感应电动势(电动机已经旋转)工况。图7-41是-种电压检测电路，图中有源二阶低通滤波用以消除电压信号中由换相引起的扰动。在电动机起动初期，间接位置检测不能正确工作，这时逆变器的换相从自控改为他控，外设他控频率从零慢慢升起，待电压检测能正常工作后再改间自控。电压传感器电压传感器电民传感器电压传感器倍频器NALCB滤波器附离放大器图7-41电压检测电路2.LCl变频调速控制系统框图LCl变频调速控制系统框图见图7-42。URCl-给定积分器ASR一速度调节器BAV绝对值变换器BC—电流变换器ACR—电流调节器GT1·整流移相触发器GT2一逆变触发器PSE—转速差及正反转状态检测环节PET—电动、制动检测环节PHS一高、低速检测环节AHS—运行状态合成环节AGD—γ。脉冲分配器ACR—γ。调节器BQ一位置检测变换器BS—转速变换器整个框图分为两部分：点划线框外部分是调速控制部分，通过控制可控整流器UR米实现；点划线框内部分是自同步控制及逆变运行状态切换部分，通过控制逆变器UI来实现。和直流调速系统一样，LCI变频调速控制部分由两个环构成：外环是速度环，从速度调节器ASR输出真流电流给定信号；内环是直流电流环，从电流调节器ACR输出UR的移相控制信号，由于直流电流近似比例于电动机转矩，所以这个内环实质上是近似的转矩环。直流电 第7章交流调速传动系统499流实际值信号，用电流五感器测量进线交流电流，经电流变换器BC获得；速度实际值信号来自速度传感器TG,经速度变换器BS获得。由于正、反转时，直流电流极性不变，所以在输出和输入之问，加入一个绝对值变换器BAV。自同步和运行状态切换(断续换相和负载自然换相切换)部分由下列几个环节组成：转速差及正反状态检测环节PSE,电动、制动检测环节PET,高、低速检测环节PHS,运行状态合成环节ARS,Y₀脉冲分配器AGD,Y₀调节器AGR,位置检测变换器BQ。7.3.3.4CC/LCI混合变频交-交变频调速(CC)的特点是晶闸管电源自然换相，输出电流正弦波，转矩脉动小，但输出频率受限制，低于20Hz。LCl变频调速的特点是晶闸管负载自然换相，输出频率不受限制，但输出电流方波，转矩脉动大，低速时电动机电压低，不能可靠自然换相。德国公司开发了一种CC和ICI结合在一起的CC/LCI混合变频调速系统，成功地用于轧机主传动。低速(<12.5Hz)时，按CC模式工作；高速(>12.5Hz)时，按LCI模式工作，既解决CC不能高速，又解决LCI不能低速的问题，输出频率范围为0～60Hz或更高。CC/LCI混合变频主电路及按CG工作时的电流波形见图7-43。它由两套晶闸管交-直-交变频器组成。低速(<12.5Hz)时，混合变频器按CC模式工作，通过控制两组整流桥，使两个直流电流ia₂和im为相位差π/3的三角电流波，每个电流在一个输出周期中有三个三角电流波，每个三角电流波持续2π/3,它的前半部分按sin(0~60)曲线上升，后半部分按sin(120°~180°)曲线下降，峰值为1,通过两个逆变桥晶闸管切换，在输出端合成得幅值为1的三相正弦电流ig、ig、ire以i为例说明合成过程，见表7-1。逆变桥晶闸管关断靠电流ia、ig降至零实现，属自然换相。区问0~π/3~4π/3晶闸管号通断高速(>12.5Hz)时，混合变频器按LCI模式工作。这时ia=i=l₄/2,两套并联工作总输出电流幅值是1₂、宽120°的方波，虽然含有5次、7次谐波，但频率已高，对电动机运行定子侧低压(<1000V)交-直-交变频调速系统是一种应用最广泛的交流调速系统。低压交-直-交变频有电压型和电流型两类。由于缺少能承受反向电压的电力电子器件及中间直流回路中的电抗器大、低效等原因，低压电流型交-直-交变频器很少应用(曾在少量电梯传动中用过),现在儿乎所有低压交-直-交变频器都是电压型的，本节只介绍电压型。电压型交-直-交变频器曾有多种结构型式(例如：6拍方波逆变、PWM正弦波逆变等),也曾使用过多种电力电子器件(例如：晶闸管、电力BʃT、IGBT等),但现图7-44一角载波比较法框图在这类变频器几乎全是基于IGBT的PWM变频器，木节也将限于这类变频调速。电压型pWM逆变器的原理在本章7.2.4.2节中已介绍过，只要占空比D是幅值、频率和相角可调，且加人1/2偏置后的正弦信号，则逆变器输出电压(一个开关周期平均值)是具有同样频率和相位，H幅值与占空比信号幅值成比例的正弦电压。本节讨论PWM的实现方法。1.…角载波比较法(电压正弦法)三角载波比较法(电压正弦法)的原理框图见图7-44。三相挖制信号um、un、u与三角载波信号u,比较，得到三个开关最信号μm、μ、ua分别去控制逆变器中的三组开关器件。三相控制信号、三角载波及逆变器三相输出电压波形见图7-45。该方法的缺点是输出电压低，坡大输出相电压幅值=E;=Ua/2(U₄为直流母线电压),若直流电源电压Ua来自二极管整流，则变频器最大输出电压=0.827×输入电压，即变频器进线为380V时，最大输出只有314V。这个缺点可以用交流偏置技交-交变频器原理”)来解决。在一相控制信号中注入适当的三次谐波，使其成为准梯形波，则相应输出相电压也是准梯形波(见图7-46),在输出线电压中三次谐波被抵消掉，仅剩基波，且幅值比准梯形波高图7-45三相控制信号、三角载波及二相输出电压波形第7章交流调速传动系统501×输人电压，若再过调制一点(使准梯形波平顶宽度再宽一点),就可做到输入380V,输出380V。采用交流偏置后，负载中点与逆变器输人直流电压中点之间存在三次谐波偏置电压。三角载波比较法原理简单，很容易用模拟电路实现，若想用微处理器通过软件实时计算实现则较麻烦，但在某些TMS320LF24x系列)中已有基于此法的PWM功能，使用起来很方便。另外，随现场可编程门阵列(FPGA)的推厂应用，也为使用该法提供了便利。2.电流跟踪控制法(电流正弦法) 在许多交流调速系统中，希望对电动机电流进行控制，使三相电流实际值无差地(无相位和幅值误差)跟随它们的正弦给定值变化，电流跟踪控制法能满足这个要求。电流跟踪法有多种形式，其中最常用的是电流滞环跟踪控制法。此法的一相原理框图见图7-47。图中没有专门的占空比形成环节，PWM依靠滞环宽度为2h的比较器的来回翻转加，当它与给定值之房△i,=(i-i)≤-h时，比较器输出从1变到0,V1关断、V4时，比较器输出从0变回到1,V1再导通、V4关断，如此循环，电流i。沿其给定曲线i两边摆动，一个开关周期平均值正好等于i、电流滞环跟踪控制的电流与PWM电压波形见图7-48。滞环控制很容易用模拟电路实现，但要在微处理器中用软件实现则较困难。为得到比较器动作的准确时刻，在一个开关周期中必须多次采样和比较，占机时太多。为适应数字控制特点，一种改进方法——恒频采样电流跟踪控制法得到应用，在此法中比较器无滞环，每采样周期采样一次i.值，与给定值i比较，输出1或0控制信号。此法省了机时，但在一个开关周期中i.的平均值不等于i,只有在开关频率高(≥10kHz)、i。脉动小的情况下，才不b)电流跟踪法简单，跟踪性能好，但开关频率随负载电动势变化而变化，电动势越高、频率越低(恒频采样法也一样)。开关频率变化导致逆变器噪声大、电磁干扰频带宽，推广应用502电气传动自动化技术手册受到恨制。3.空间电压矢量法(磁链正弦法)空间电压矢量法是从负载电动机的角度出发，着眼于如何使电动机获得圆形旋转磁场，即正弦磁链。逆变器中二组六个开关器件，有8种可能的工作状态(不存在每组中两个开关均断开及均导通工作状态),每种工作状态对应一个空间电压矢量(空问矢量概念见本章7.5.2u₄、us、u)是非零矢最，2个矢望(u₇、u₄)是零矢景，逆变器8种工作状态及对应的8个电压矢量见图7-b)扇区(I～V),2个零矢量位于扇区任一空间电压矢量u可以用它所处扇区的两个相邻非零矢量ua、u₄(m图7-49逆变器8种工作状态及对应的电压矢最和n是该扇区两个非零矢量的序号，对于图7-49h所示情况，m=1,n=2)和两个零矢量u₇、u。合成得到(见图7-50)T。、T、T₀、T,——在一个开关周期中各相应矢量施加的时间。由式(7-34)可知，矢量u的方向由所选扇区及共两个非零矢量施加时间之比决定，a的幅值由零矢量施加时间的长短决定。由于做链矢量W=!udt,只要矢量u的幅值不变，沿圆形轨迹转动，则磁链矢量里将也沿圆形轨迹转动(滞后矢屋u为90°)。在数宁控制系统中，根据每个开关周期开始时输人的矢量幅值和相位角给定信号，选择扇区和非零矢量，计算各电压矢量的施加时间，按图7-50所示开关时序去控制三组开关。空间电压矢量法把逆变器中的三组开关和图7-50一个开关周期中空间电压矢电动机看成一个整体来处理，模型简单，便于微处理器实时控制，因此得到广泛应用。该法逆变器输出电压较高，在采用二极管整流器供电情况下，变频器最大输出电压=0.955×输入空间电压矢量法和使用交流偏置的角载波比较法很相似：两者电压输出能力相同；负载中点和直流电源中点之间都存在同样的三次谐波电压；在一个开关周期中三角载波比较法的三组开关的开关过程(见图7-51)也出两个非零电压矢量和两个零矢量组成，和空间电压矢量法(见图7-50)·一样。两种方法本质相同，只是实现方法不同。第7章交流调速传动系统5034.指定谐波消除法本方法的特点是能消除逆变器输出电压波形中指定次数的谐波，尽量减少谐波对电动机运行的影响。半个周期的输出电压波形见图7-52,各方波起始与终了时的相位为α₁、a₂、αs、…、azn。对该波形进行傅里叶分析，k次谐波电压的幅值为输出电压波形是1/4周期对称的，在1/4周期内，有m个开关时刻(a₁值，i=1、…、m)待定，它们代表了可以消除指定谐波次数的个数，例如取m=5,可消除4个谐波。令基波幅值等于要求值，被指定的5、7、11、13次谐波的幅值等于零，解5元联立三角方程，求出a₁、…、ag值，去控制开关器件，便可消除被指定指定次数的谐波不一定减小，甚至反而增大，考虑到它们已属高次谐波、对电动机运行影响小。利用该法前以得到较好的输出电压波形，但计算工作量大，难以实时控制，应用场合受到限制。7.3.4.2逆变器的开环输出电压控制和闭环输出电流控制根据被控制量的不同，逆变器有开环输出电压控制和闭环输出电流控制两类控制系统。1.开环电压控制开环输出电压控制时，逆变图7-52半个周期的输出电压波形器的输出是电压源，其输出电压跟随给定信号变化，受负载电流变化影响小，多用于开环压频比(t/f)控制调速系统。由恒定直流电压供电的电压型逆变器的输出本身就是电压源，只要采用前面介绍的三角载波比较或空间电压矢量等PWM控制方法，就可实现输出电压跟随给定变化的要求。通常系统的设定为电压幅值和频率信号，空间电压矢量法要求的控制信号是交流电压幅值及相角，为此需增设一个积分器，把频率变换为相角；三角载波比较法要求的输入信号是三相正弦交流信号ua、un、u,为此需要一个变换环节(见图7-53),把输入的幅值U*和频率f变为由本章7.2.4节可知，为防止出现每组开关上、u*下两个开关器件“直通”故障，必须在开关切换过程中设置死时，先关、后通，对于IGBT,“死时”的存在会影响逆变器输出电压的幅值和相位：●若负载功率因数角际输出电压比无“死时”的理想电压相位超前，“死时”越大，φ越大，超前越多；●lφl<90*时，逆变器实际输出电压比无“死时”的理想电压幅值减小，“死时”越大，504电气传动自动化技术手册减小越多，φ越小，影响越大，φ=0时，“死时”对幅值的影响见图7-54。对于开环电压控制，这死时影响必须给予补偿。开环电压控制简单，应用非常广泛。它的问题是输出电压中不可避免地存在微小不对称和直流分量，在电动机起动之初，电动机定子漏抗很小，大功率电动机的定子电阻也小，这些不对称和直流电压分量会导致大的电流不对称和直流分量，产生附加制动转矩，起动时电流大，转矩小，影响起动。2.闭环电流控制闭环电流控制的任务是控制逆变器的输出电流，使其无差地(无相位和幅值误差)跟随给定变化，不受负载电动势变化的影响，用于高性能调速系统内环。从本质上来说，电压型逆变器输出是电压源，只有采用电流闭环控制才能获得电流源的性能。前面介绍的电流跟踪控制(电流正弦)法是闭环电流控制方法之一，只是山于开关频率变化大，较少用于产品、用二个交流电流调节器，通过二个独立的电流闭环，似乎可以实现电流控制要求，但由于三相电流之和等于零条件的约束，只能有两个独立控制变量，三个PI调节器不能正确工作，另外PI调节器只能消除直流误差，对于交流信号它们是有差的，会带来相位和幅值误差。实用的闭环电流控制方法是育流电流闭环调节，其框图见图7-55。此法不直接控制二相交流电流i、ig、i,而是控制它们的两个直流分量：磁化分量ia和转矩分量i,,使其分别等于给定值ii和i。图7-55中：DCR,和DCR,是两个直流电流调节器，它们的PI功能使两直流电流无静差；VR是矢量同转变换器(参见本章7.5节),它把i,、i₂、i.变换成i₄、i₄;VPC。和VPC₄是电压预控环节，用以减小电流响应时间(从几十减至几毫秒),有些系统中无预控，所以它们用点划线表示；K/P是直角坐标-极坐标变换器，它把两个直流电压给定信号u;、u;变换成幅值U°和幅角0,信号，ui、u,来自调节器和预控输出；PWM控制采用空间电压矢量或三角载波比较法，它所需的U'来自K/P,θ*=θ+θ(θ为基准旋转角，θ=wt)。闭环电流控制可以自动消除开关器件切换过程中死时对逆变器输出的影响，不需要死时孔作额定电流响补偿环节。它也不存在电动机起动之初电流不对称及直流分量大问题，有助于起动。孔作额定电流响7.3.4.3定子侧低压电压型交-直-交变频调速的应用1.逆变器部分(1)开关频率选择逆变器中的开关器件工作在开关状态，在开通和关断两个状态下，器件的损耗都不大，因为它们或是有电压、无电流；或是有电流、电压很低，但在开关过程中器件既有电压又有电流，开关损秏大。随开关频率升高，开关过程在一个开关周期中占的比例增大，开关损耗的影响越大，逆变器允许的输出电流要适当减小。器件额定电流越大，开关越慢，允许的开关频率越低。逆变器额定电流与开关频率的关系曲线见图7-56,图7-56逆变器额定电流与开关频率的关系(2)输出滤波逆变器输出电压波形是一系列前后沿非常陡峭(dv/dt高)的方波，这种方波电压在电缆和电动机中传输时，它们中的分布参数(寄生电容、电感)都在起作用，导●寄生电容的充放电电流会流过IGBT,带来电流冲击，为消除上述危害，当使用普通电动机，且.380V装置输出电缆长度超过30m时或逆变器输出电压有效值超过500V时，需在逆变器输出端加装输出滤波器。输出滤波器有三种：●输出电抗器：主要用于限制寄生电容的充放电电流，同时也减小dv/dt值，输出电压为近似方波，不降低逆变器最大输出电压，应用最广；●限制dx/dt的滤波器它是LC滤波器，但1.和C值较小，输出电压仍为近似方波，只是dx/d!被限制到500Vfμs以下，不降低逆变器最大输出电压，主要用于500V以上装置或输出电缆较长的380V