《直流电》-模块七　变频调速系统

项目一变频器的基本组成任务一电力电子变频器的主要类型从构成系统的硬件上看，变频调速系统是由交流变频电源和交流电动机构成。由于交流调速系统应用广泛，已开发出多种交流变频电源。变频电源（或称变频器）就是把来自于供电系统的恒压恒频（ＣｏｎｓｔａｎｔＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｓｔａｎｔＦｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＣＶＣＦ）交流电或是直流电（一般为电压源）转换为电压幅值和频率可变（ＶａｒｉａｂｌｅＶｏｌｔａｇｅＶａｒｉａｂｌｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＶＶＶＦ），或电流幅值和频率可变（ＶａｒｉａｂｌｅＣｕｒｒｅｎｔＶａｒｉａｂｌｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＶＣＶＦ）的电力电子变换装置。最早的ＶＶＶＦ装置是旋转变流机组，现在几乎无例外地让位给应用电力电子技术的静止式变频装置。下一页返回项目一变频器的基本组成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，如图７－１所示。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”，所以又称其为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全控型功率开关器件（Ｐ－ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）组成的脉宽调制（ＰＷＭ）逆变器，简称ＰＷＭ变压变频器，如图７－２所示，图中Ｃ为滤波电容。上一页下一页返回项目一变频器的基本组成ＰＷＭ变压变频器常用的全控型功率开关器件有Ｐ－ＭＯＳＦＥＴ（小容量）、ＩＧＢＴ（中、小容量）、ＧＴＯ（大、中容量）和替代ＧＴＯ的电压控制器件，如ＩＧＢＴ、ＩＧＥＴ等。受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电动机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（ＳＣＲ），即用可控整流器调压、六拍逆变器调频的交—直—交变压变频器，如图７－３所示。２.交—交变压变频器交—交变压变频器的结构如图７－４所示，它只有一个变换环节，把ＣＶＣＦ的交流电源直接变换成ＶＶＶＦ输出，因此又称其为直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称为周波变换器。上一页下一页返回项目一变频器的基本组成常用的交—交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电路。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α，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α一直不变，则输出平均电压是方波，如图７－５（ｂ）所示。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α由π／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π／２（ｕ０再变为０），如图７－６所示。当α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的。上一页下一页返回项目一变频器的基本组成任务二滤波电路交流电经过整流后，转换成直流电，但此时的直流电有很多交流成分，因此需要经过滤波，电解电容（图７－２）就起了滤波作用。实际使用的变频器的电容上会并联小容量的电容，主要是为了吸收短时间的干扰电压。由于变频器都要采用滤波器件，滤波器件都有储能作用，以电容滤波为例，当主电路断电后，电容器上还储存有电能，因此即使主电路断电，人体也不能立即触碰变频器的导体部分，以免触电。一般变频器上设置了指示灯，这个指示灯就是指示变频器是否通电的。上一页下一页返回项目一变频器的基本组成任务三逆变电路在交—直—交变压变频器中，按照中间直流环节的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。图７－７所示为电压源型和电流源型逆变器的示意图。在图７－７（ａ）中，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，是电压源型逆变器（ＶｏｌｔａｇｅＳｏｕｒｃｅＩｎｖｅｒｔｅｒ，ＶＳＩ），有时简称为电压型逆变器。上一页下一页返回项目一变频器的基本组成在图７－７（ｂ）中，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，称为电流源型逆变器（ＣｕｒｒｅｎｔＳｏｕｒｃｅＩｎｖｅｒｔｅｒ，ＣＳＩ），或简称电流型逆变器。两类逆变器器在主电路上虽然只是滤波环节不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现在以下几个方面。（１）无功能量的缓冲。在调速系统中，逆变器的负载是异步电动机，属感性负载。在中间直流环节与负载电动机之间，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。上一页下一页返回项目一变频器的基本组成（２）能量的回馈。用电流源型逆变器给异步电动机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著的特征，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。下面以晶闸管可控整流器ＵＣＲ和电流源串联二极管式晶闸管逆变器ＣＳＩ构成的交—直—交变压变频系统（图７－８）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。当电动运行时，ＵＣＲ的控制角α＜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ω１＞ω，电动机以转速ω运行，电功率Ｐ的传送方向如图７－８（ａ）所示。上一页下一页返回项目一变频器的基本组成（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极性可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型的系统则要差一些。（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，适于做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动、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，不适用于多电动机传动，但可以满足快速制动和可逆运行的要求。上一页返回项目二变频调速的基本原理任务一Ｖ／Ｆ控制在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量Φｍ为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；若要增大磁通，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动机。对于直流电动机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持Φｍ不变是很容易做到的。在交流异步电动机中，磁通是定子和转子磁势合成产生的，怎样才能保持磁通恒定呢？众所周知，三相异步电动机定子每相电动势的有效值是下一页返回项目二变频调速的基本原理１.基频以下调速由式（７－１）可知，要保持Φｍ不变，当频率ｆ１从额定值ｆ１Ｎ向下调节时，必须同时降低Ｅｇ，使然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的。当电动势较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压Ｕ１≈Ｅｇ，则得上一页下一页返回项目二变频调速的基本原理低频时，Ｕ１和Ｅｇ都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。这时，可以人为地把电压Ｕ１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图７－９中的ｂ线，无补偿的控制特性则为ａ线。２.基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从ｆ１Ｎ往上增高，但电压Ｕ１却不能增加得比额定电压Ｕ１Ｎ还要大，最多只能保持Ｕ１＝Ｕ１Ｎ，由式（７－１）可知，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。上一页下一页返回项目二变频调速的基本原理把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得图７－１０所示的异步电动机变频调速控制特性。如果电动机在不同转速下具有额定电流，则电动机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随着磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，属于“恒转矩调速”的性质，而在基频以上，属于“恒功率调速”。上一页下一页返回项目二变频调速的基本原理任务二矢量控制在工程上能够允许的一些假定条件下，由晶闸管整流装置供电的直流电动机调速系统可以描述成单变量的３阶线性系统，能够采用经典的线性控制理论和由它发展出来的工程设计方法进行分析与设计。交流异步电动机则是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，在本任务之前所讨论的转速开环和转速闭环的变频调速系统中，都是在忽略非线性、忽略多变量耦合的很强的假定条件下，求出近似线性单变量动态结构图以后，才能沿用直流调速系统的分析和设计方法。这样做出来的结果当然不会很准确，难以获得和直流双闭环调速系统一样的高动态性能。上一页下一页返回项目二变频调速的基本原理１.异步电动机的坐标变换结构图和等效直流电机模型以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系下的定子电流ｉＡ、ｉＢ、ｉＣ，通过三相／二相变换，可以等效成两相静止坐标系下的交流电流ｉα１、ｉβ１；再通过按转子磁场定向的旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流ｉｍ１、ｉｔ１。如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的便是一台直流电动机，原交流电机的转子总磁通Φ２就是等效直流电动机的磁通，Ｍ绕组相当于直流电动机的励磁绕组，ｉｍ１相当于励磁电流，Ｔ绕组相当于伪静止的电枢绕组，ｉｔ１相当于与转矩成正比的电枢电流。上一页下一页返回项目二变频调速的基本原理把上述等效关系用结构图的形式画出来，便得到图７－１１。从整体上看，Ａ、Ｂ、Ｃ三相输入，转速ω输出，是一台异步电动机。从内部看，经过三相／二相变换和同步旋转变换，变成一台由ｉｍ１、ｉｔ１输入、ω输出的直流电动机。２.矢量控制系统的构想既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电动机了。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫做矢量变换控制系统（ＴｒａｎｓｖｅｃｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ），或称矢量控制系统（ＶｅｃｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ），所设想的结构如图７－１２所示。上一页下一页返回项目二变频调速的基本原理３.磁链开环、转差矢量控制的交—直—交电流源变频调速系统根据异步电动机的数学模型和矢量控制的原理可以得到或上一页下一页返回项目二变频调速的基本原理Ｔ轴上的定子电流ｉｔ１和转子电流ｉｔ２的动态关系为式（７－７）说明，如果ｉｔ１突然变化，ｉｔ２立刻跟着变化，没有什么惯性，这是因为按转子磁场定向后在Ｔ轴上不存在转子磁通的缘故。再看转矩，即上一页下一页返回项目二变频调速的基本原理总之，由于Ｍ、Ｔ坐标按转子磁场定向，在定子电流的两个分量之间实现了解耦（矩阵方程中出现零元素的效果），ｉｍ１唯一决定磁链ψ２，ｉｔ１则只影响转矩，与直流电动机中的励磁电流和电枢电流相对应，这样就大大简化了多变量强耦合的交流变频调速系统的控制问题。４.磁链开环、转差型矢量控制的交—直—交电流源变频调速系统该系统的原理框图示于图７－１３中。在转差频率控制交—直—交电流源变频调速系统的基础上，把从稳态特性出发的Ｔｅ∞ωｓ和Ｉ１＝ｆω()ｓ函数关系换成从动态数学模型出发的矢量控制器，就得到转差型矢量控制系统。这样，上面提到的转差频率控制系统的大部分不足之处都被克服了，从而大大提高了系统的动态性能。上一页返回项目三正弦脉宽调制技术任务一ＳＰＷＭ调制原理早期的交—直—交变频器所输出的交流波形都是矩形波或六拍阶梯波，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规律变化，从而会有较大的低次谐波，使电动机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能，这在低速运行时更为明显。为了改善交流电动机变压器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，科技工作者们在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例外。下一页返回项目三正弦脉宽调制技术图７－１４所示比较了两类电压型变压变频器主电路的结构及其输出电压波形，其中图７－１４（ａ）所示为晶闸管变压变频器输出的相电压波形ｕＡ０，而图７－１４（ｂ）所示是ＰＷＭ逆变器输出线电压波形ｕＡＢ。由图可见，应用ＰＷＭ技术控制的逆变器在主电路结构上比较简单，而输出电压波形更接近正弦波。１.ＳＰＷＭ逆变器的工作原理名为ＳＰＷＭ逆变器，就是期望其输出电压是纯粹的正弦波形，那么，可以把一个正弦波分作Ｎ等分，如图７－１５（ａ）所示（图中Ｎ＝１２），然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合（图７－１５（ｂ））。上一页下一页返回项目三正弦脉宽调制技术１）工作原理图７－１６是ＳＰＷＭ变频器的主电路，图中ＶＴ１～ＶＴ６是逆变器的６个功率开关器件（在这里画的是ＧＴＲ），各由一个续流二极管反并联连接，整个逆变器由三相整流器提供的恒值直流电压Ｕｓ供电。图中调制电路是它的控制电路，一组三相对称的正弦参考电压信号ｕｒａ、ｕｒｂ、ｕｒｃ由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所要求的输出频率范围内可调。参考信号的幅值也可在一定范围内变化，以决定输出电压的大小。三角波载波信号ｕｔ是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生ＳＰＷＭ脉冲序列波作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。上一页下一页返回项目三正弦脉宽调制技术图７－１７绘出了三相ＳＰＷＭ逆变器工作在双极式控制方式时的输出电压波形。其调制方法和单极式相同，输出基波电压的大小和频率也是通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的，只是功率开关器件通断的情况不一样。双极式控制时逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补的工作方式。２）逆变器输出电压与脉宽的关系在变频调速系统中，负载电动机接受逆变器的输出电压而运转，对电动机来说，有用的只是基波电压。通过分析可知，输出基波电压幅值与各相脉宽有正比的关系，这说明调节参考信号的幅值从而改变各个脉冲的宽度时，就实现了对逆变器输出电压基波幅值的平滑调节。上一页下一页返回项目三正弦脉宽调制技术３）对脉宽调制的制约条件根据脉宽调制的特点，逆变器主电路的开关器件在其输出电压半周内要开关Ｎ次，而器件本身的开关能力与主电路的结构及其换流能力有关。所以把脉宽调制技术应用于交流调速系统必然受到一定条件的制约，主要有下列两点。（１）开关频率。逆变器各功率开关器件的开关损耗限制了脉宽调制逆变器的每秒脉冲数（即逆变器每个开关器件的每秒动作次数）。普通晶闸管的换流能力差，其开关频率一般不超过３００～５００Ｈｚ，现在在ＳＰＷＭ逆变器中已很少实用。取而代之的是电力晶闸管ＧＴＲ（开关频率可达１～５ｋＨｚ）、可关断晶闸管ＧＴＯ（开关频率为１～２ｋＨｚ）、功率场效应管Ｐ－ＭＯＳＦＥＴ（开关频率可达２０ｋＨｚ以上）。上一页下一页返回项目三正弦脉宽调制技术本节以后都以ＧＴＲ作为开关器件。（２）调制度。为保证主电路开关器件的安全工作，必须使所调制的脉冲波有个最小脉宽与最小间隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间ｔｏｎ与ｔｏｆｆ。这就要求参考信号的幅值不能超过三角载波峰值的某一百分数（称为临界百分数）。一般定义调制度（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ－Ｉｎｄｅｘ）为２.ＳＰＷＭ逆变器的同步调制和异步调制定义载波的频率ｆｔ与调制波频率ｆｒ之比为载波比Ｎ，即Ｎ＝ｆｔ／ｆｒ。视载波比的变化与否有同步调制与异步调制之分。上一页下一页返回项目三正弦脉宽调制技术１）同步调制在同步调制方式中，Ｎ＝常数，变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步变化，因而逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。如果取Ｎ等于３的倍数，则同步调制能保证逆变器输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差１２０°的对称关系。但是，当输出频率很低时，由于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，这是同步调制方式的主要缺点。上一页下一页返回项目三正弦脉宽调制技术２）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。顾名思义，在异步调制中，在逆变器的整个变频范围内，载波比Ｎ是不等于常数的。一般在改变参考信号频率ｆｒ时保持三角波载波频率ｆｔ不变，因而提高了低频时的载波比。这样逆变器输出电压半波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，改善了低频工作的特性。上一页下一页返回项目三正弦脉宽调制技术３）分段调制方式在一定频率范围内，采用同步调制，保持输出波形对称的优点。当频率降低较多时，使载波比分段有级地增加，又采纳了异步调制的长处。这就是分段同步调制方式。具体地说，把逆变器整个变频范围划分成若干个频段，在每个频段内都维持载波比Ｎ恒定，对不同频段取不同的Ｎ值，频率低时取Ｎ值大些，一般按等比级数安排。上一页下一页返回项目三正弦脉宽调制技术任务二ＳＰＷＭ调制波的实现前已指出，ＳＰＷＭ的控制就是根据三角波与正弦波的交点来确定逆变器功率开关器件的开关时刻，可以用模拟电子电路、数字电子电路或专用的大规模集成电路芯片等硬件实现，也可以用微型计算机通过软件生成ＳＰＷＭ波形。开始应用ＳＰＷＭ技术时，多采用振荡器、比较器等模拟电路，由于所用元器件多、控制电路比较复杂，控制精度也难以保证。在微电子技术迅速发展的今天，以微机为基础的数字控制方案被人们采纳，提出了多种ＳＰＷＭ波形的软件生成方法。下面将讨论其中最常用的几种方法。上一页下一页返回项目三正弦脉宽调制技术１.自然采样法自然采样法（ＮａｔｕｒａｌＳａｍｐｌｉｎｇ）是指根据ＳＰＷＭ逆变器的工作原理，当载波比为Ｎ时，在逆变器输出的一个周期内，正弦调制波与三角载波应有２Ｎ各交点。或者说，三角载波变化一个周期之间，它与正弦波相交两次，相应的逆变器功率器件导通与关断各一次。要准确地生成这样的ＳＰＷＭ波形，就得尽量精确地计算功率器件的导通时刻和关断时刻。功率器件导通的区间就是脉冲宽度，其关断区间就是脉冲的间隙时间。这些区间的大小在正弦波频率的不同频段下是不一样的，并随调制度而异。但对于微型计算机来说，时间的计算可由软件实现，时间的控制可通过定时器等来完成，是很方便的。上一页下一页返回项目三正弦脉宽调制技术按照正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度与间隙时间的采样，从而生成ＳＰＷＭ波形，叫做自然采样法，如图７－１８所示。在图中截取了任意一段正弦调制波与三角载波一个周期的相交情况。交点Ａ是发生脉冲的时刻，Ｂ点是结束脉冲的时刻。在三角载波的一个周期时间Ｔｃ内，Ａ点和Ｂ点之间的时间ｔ２是逆变器功率开关器件导通工作的区间，称为脉宽时间。而其余的时间均为器件的关断工作区间，称为间隙时间，它在脉宽时间前后各有一段，分别用ｔ１和ｔ３来表示。显然，Ｔｃ＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３。在图７－１８中，若以单位量１表示三角载波的幅值Ｕｔｍ，则正弦调制波可写为上一页下一页返回项目三正弦脉宽调制技术２.规则采样法为了弥补自然采样法的不足，人们一直在寻求工程实用的采样方法，力求采样效果尽量接近自然采样法，又不必花费过多的计算机运算时间，其中应用比较广泛的是规则采样法（ＲｅｇｕｌａｒＳａｍｐｌｉｎｇ）。这种方法的着眼点就是设法使ＳＰＷＭ波形的每一个脉冲都与三角载波的中心线对齐，于是式（７－１０）就可以简化，而且两侧的间隙时间相等，即ｔ１＝ｔ３，从而使计算工作量大为减轻。规则采样法的主要原则是这样的，在三角载波每一周期内的固定时刻，找到正弦调制波上的对应电压值，就用此值对三角载波进行采样，以决定功率开关器件的导通与关断时刻，而不管在采样点上正弦波与三角载波是否相交。上一页下一页返回项目三正弦脉宽调制技术图７－１９（ａ）所示为一种规则采样法，姑且称之为规则采样Ｉ法。它固定在三角载波每一周期的正峰值时找到正弦调制波上的对应点，即图中Ｄ点，求得电压值ｕｒｄ。用此电压值对三角波进行采样的Ａ、Ｂ两点，就认为它们是ＳＰＷＭ波形中脉冲的生成时刻，Ａ、Ｂ之间就是脉宽