1、1,主要内容： 变频调速的一般基础 电压型变频调速系统 电流型变频调速系统 转差频率控制的变频调速系统 脉宽调制（PWM）变频调速系统,第七章 异步电动机变频调速系统,2,异步电动机转速的计算公式为：,在极对数np不变的情况下，转速跟电源频率f1成正比。如果连续地改变供电电源频率，就可以平滑地调节电动机的转速，这种调速方法称为变频调速。交流调速有很多方法，例如调压调速、转子串电阻调速、转差离合器调速、变极对数调速等，这些方法技术落后、调速性能差、效率低，使用越来越少，取而代之的是变频调速系统。目前，变频调速系统使用较为普遍，例如工农业生产、家用电器等领域，且具有节能、调速效率较高等特点。变频调
2、速系统正向着高性能、高精度、大容量、微型化、数字化和智能化方向发展。,3,实际应用的异步电动机变压变频调速系统主要有四种控制方式：电压频率协调控制方式 依据异步电动机的稳态数学模型 转差频率控制方式 仅对交流电量的幅值进行控制矢量控制方式 依据异步电动机的动态数学模型 直接转矩控制方式 控制交流电量的幅值、相位思路：掌握控制规律（方法）、系统的基本组成、机械特性、系统分析。,属于标量控制方式,属于矢量控制方式,4,7.1 变频调速的一般基础,一、变频调速的控制方式实现异步电动机变频调速，要求变频与调压合理配合。 在基频（额定频率fN）以下调速时，为了防止磁路饱和，应该保持气隙磁通 不变，这一点
3、是通过恒压频比控制实现的。在基频以上调速时，电压的调节受到限制（不能超过额定电压），于是在保持电压不变的情况下，通过调磁（减弱磁通）来配合调频率，实现变频调速。不难看出，实现变频调速需要完成：频率与电压的配合控制、以及频率与磁通的配合控制。,（属于恒功率调速）,（ ，属于恒转矩调速）,5,二、变频器的工作原理在变频调速过程中，电源频率的改变依靠变频器实现。变频器的任务就是把电压和频率恒定的交流电变成电压和频率可调的交流电。以下以“交直交”变频器主回路为例，说明其原理（只画出一相）。,该单相变频器由整流器、中间环节、和逆变器组成。其中： 整流器的作用是把频率恒定的交流电变成直流电； 中间环节起滤
4、波作用，得到更加稳定的直流电； 逆变器把直流电变成频率可调的交流电。,6,1、调频的实现就逆变器来说，在一个周期中，上半周让VT1、VT4导通，下半周让VT3、VT2导通，在输出端可得到以下波形：,若在半个周期内，晶闸管反复通断多次，并使输出矩形脉冲波下的面积接近于对应正弦波下的面积，则逆变器的输出电压就接近基波电压。,7,通常，变频器为三相供电。三相桥式逆变器分为1800导电型和1200导电型，其主要差别是控制晶闸管持续导通的时间不同。三相逆变器的输出为三相交流电，各相互差1200，周期为T。由于交流频率 ，控制并改变周期 T 就能改变频率 f ，所以可以得到所要求的频率。在变频调速系统中，
5、变频与变压需要配合进行，即在变频的同时，按比例改变电压；反之亦然。,2、调压的实现电压的调节方式多种多样、在变频器中的调压位置也各不相同。,相位控 制调压,斩波控 制调压,脉宽调 制调压,自耦变 压调压,8,三、变频器的变压方式 在实现恒转矩变频调速时，变频器在变频的同时，需要按比例改变电压。以下介绍几种变压方法。 1、自耦变压器变压, 输出电压不变、频率可调交流电, 按要求控制频率的大小, 频率变成对应的控制电压, 给定值与反馈值比较、差值驱动伺服电动机, 电机带动变压器抽头触点滑动、调压,优点：系统简单、输入功率因数高；缺点：动态响应差、体积大。,9,2、相位控制变压相位控制变压原理图如下
6、（采用三相全控桥或半控桥整流电路）：,一路送逆变控制器，控制逆变器的输出频率；一路通过频率/电压变换器变换成电压，与电压反馈值比较后，用差值信号调节整流器的控制角，改变整流输出电压。,频率发生器 产生 频率信号,频率/电压 变换器实现,优点：系统简单、电压和频率分开控制；缺点：功率因数低。,10,3、斩波器调压斩波器调压原理图如下：,整流器采用三相二极管整流桥，把交流电变换成直流电；逆变器采用三相全控桥，实现变频；斩波器采用脉频调制或脉宽调制，输出大小可调的直流电压。 特点：斩波器调压的特点是输入功率因数高，动态响应快。 上述三种变压方法把电压和频率分别进行控制,斩波器：调压,逆变器：调频,换
7、流器LC,11,脉频调制（PFM）原理开关导通时间 一定，改变相临两次导通的时间间隔，来改变平均输出电压值。换句话说，脉冲宽度一定，改变周期T，来改变平均输出电压值。周期越小（频率越高），输出的直流平均电压越高。,在整流后，获得直流电压。通过斩波器，可进行电压大小的调整。斩波器的核心是作为开关元件的晶闸管。依据开关元件的工作方式不同，可分为脉频调制和脉宽调制控制方式。（还有一种方法称为跨频调制）。,12,脉宽调制（PWM）原理开关周期T一定，改变导通时间 的长短，来改变输出平均电压值。显然，导通时间越长，直流平均电压越高。,脉频调制和脉宽调制方式用来控制斩波器的开关元件，就能实现直流电压的调节
8、，常用于中小功率的交直交变频器中。,13,4、脉宽调制型变压 在脉宽调制型“交直交”变频器中，整流器不可控，整流后直流电压恒定；逆变器可控，逆变器自身既可改变电压又可改变频率，并通过控制逆变器本身的开关元件，满足恒磁通调速U / f = C 的控制条件。例如通过改变PWM波形的占空比来控制逆变器输出交流电压的大小 、 而通过改变逆变桥的工作周期来控制输出频率，详细内容将在后续内容中讨论。脉宽调制既能改善输出波形的品质、消减高次谐波，又可提高功率因数值，具有节能降耗的特点，是交直交变频器的发展方向。与前三种方式不同，脉宽调制型变压与变频同时在逆变器中实现。,14,四、概念解释 1、间接变频：先通
9、过整流器把交流电变成直流电，再通过逆变器把直流电转变成频率可调的交流电，这种方式称为间接变频，所用变频器称为“交直交”变频器。2、直接变频：把工频交流电（即50Hz交流电）直接变成频率可调的交流电，称为直接变频。所用变频器称为“交交”变频器。,15,3、电压型变频器：整流器和逆变器的中间环节采用电容器滤波时，电源阻抗很小，类似于电压源，称为电压型变频器。4、电流型变频器：整流器和逆变器的中间环节采用电抗器滤波时，电源阻抗很大，类似于电流源，称为电流型变频器。,滤波电容缓冲无功能量 而且无法实现回馈制动 可以在空载情况下运行,滤波电感缓冲无功能量 而且容易实现回馈制动 不能在空载情况下运行,应用
10、多,应用少,16,7.2 交直交电压型变频调速系统,交直交电压型变频调速系统是一种转速开环的变频调速系统，结构简单、但调速性能不高，常用于水泵、风机等传动系统中。,积分器：将阶跃给定信号变换为斜坡信号，消除阶跃给定对系统产生的过大冲击，使电压、电流、频率和转速稳步上升或下降。,函数发生器：为实现恒压频比控制方式设置，如不同负载下压频的调整、高于基频工作时保证电压为额定值、轻载工作时适当降低电压进行节能控制等。,压频变换器：把电压信号变成相应频率的脉冲信号，即在一定的频率范围内，使输出脉冲信号的频率与输入电压成正比。实现电路见书中图710。,环形分配器：将压频变换器输出的脉冲信号变换成周期性的循
11、环脉冲信号，去触发逆变器功率主回路的半导体器件。三相逆变器一般采用六分频计数。,脉冲输出：将环形分配器的输出信号进行功率放大，确保可靠触发逆变器中的主功率元件。图中，GHF为方波方生器，以配合脉冲输出电路正常工作。,变频器：包括三部分：主回路，实现能量变换，电压型；电压控制，通过电压调节器、触发器，控制整流器的输出电压值；频率控制，按恒压频比条件调节频率。,17,主回路：整流桥为三相全控桥，逆变器为1800导电型，中间环节采用电容器滤波，所以为电压型变频调速系统。 电压控制回路：包括积分器G、函数发生器GF、电压调节器AVR、触发器GT1。改变转速给定值，就可以改变晶闸管的控制角，从而改变整流
12、器输出直流电压的大小；同时，电压闭环可以保证实际电压与给定电压大小一致。 频率控制回路：包括压频变换器GVF、环形分配器DRC、脉冲输出GT2。改变转速给定值，可改变积分器的输出值，经过压频变换器，改变频率给定值，从而控制逆变器输出频率的大小。 电压与频率的协调：两个控制回路（电压、频率）由一个转速给定环节控制。电压和频率的协调通过函数发生器GF和压频变换器GVF实现。这种协调作用保证：在工频以下，U/f=C的恒磁通调速；在工频以上，U=C（UN）的恒功率调速；轻载时实现节能控制。,18,7.3 交直交电流型变频调速系统,一、交直交电流型变频调速系统是一种转速开环的变频调速系统。结构简单、容易
13、实现可逆运转、再生制动和能耗制动；但由于开环，调速性能不够高，常用于离心式风机、压缩机等传动系统。,变频器：包括三部分：主回路，实现能量变换，电流型；电压控制，电压、电流双闭环，控制整流器输出电压；频率控制，按恒压频比控制频率、超前补偿.,绝对值运算器：本变频器能可逆运行，给定值可正、可负。设绝对值运算器的作用是将正、负极性的输入信号变成单一极性的信号，但大小和原信号相同。,逻辑开关：逻辑开关的作用是根据给定信号，决定系统正向封锁、还是反向封锁，从而实现异步电动机正转和反转控制 。电流型逆变器易于实现可逆运行。,频率瞬时校正器：其作用是在动态过程中，当电压发生变化时，来产生补偿电压，而在稳态时
14、不起作用。因此能始终保持U/f=C恒压频比的变频控制条件。,19,主回路：整流桥为三相全控桥，逆变器为1200导电型，中间环节采用电抗器滤波，为电流型变频调速系统。 电压控制回路：采用电压外环、电流内环的双闭环结构。电压控制回路采用了相位控制技术。关于电压控制回路的说明： 采用闭环控制电压，来保证实际电压与给定电压相一致。 电流调节器的给定值为电压调节器的输出值，而反馈值为电动机电流的实际值。一方面，采用闭环控制电流，可保证实际电流与给定电流一致，且在动态过程中，能够保证恒流加速或减速。另一方面，如果按电机最大允许电流设计电压调节器的限幅值，能保证主回路电流不超过最大允许电流，提高了可靠性。
15、频率控制回路：和电压型变频器相比，电流型变频器增加了绝对值运算器GAB、频率瞬态校正环节GFC、和逻辑开关环节DLS。由此实现恒压频比控制，且具有可逆运行、电能量回馈等特性。,20,关于频率控制回路的说明： 开环频率控制回路无自动调节功能，但设置了频率瞬态校正环节（微分环节），提供超前补偿量，使系统在瞬态过程中仍能保持U/f=C的关系，以改善系统的性能。（例如电源电压变化）。 绝对值运算器将输入信号变换成单极性信号，以满足电压控制回路和频率控制回路对给定信号单级性的要求。是否该系统只能正转？逻辑开关DLS可根据给定信号的极性，控制环形分配器的输出，改变逆变器输出电流的相序，从而控制电动机正转或
16、反转。 考虑突然降低定子电流角频率给定值的情况。由于机械惯性转速不会立即变化，旋转磁场的同步转速低于转子转速，转差率s0，电动机发电。这时，原来的整流电路变成了逆变电路、原来的逆变电路变成了整流电路，电流型变频器不必改变主回路和控制系统就能实现电能回馈。另外，能耗制动时，也不必加直流电源。,21,其中， 为转差角频率， 为同步角频率。,二、转差频率控制的交直交电流型变频调速系统 交直交电压型、交直交电流型变频调速系统属于转速开环的变频调速系统，其共同特点是稳态精度和动态性能不高，只适用于对调速性能要求比较低的场合；对于调速性能要求较高的场合，则使用转差频率控制方式。复习一下转差率的概念。 异步
17、电动机的同步转速n0与转子转速n之差称为转差 。转差与同步转速的比值称为转差率因为，电动机的转速与频率成正比，与角频率也成正比，所以,22,1、转差频率控制的基本原理 由传动系统的运动方程可知：转速的控制可以通过电磁转矩的控制来实现。 由转差率的定义n0：同步转速，n：电动机转速可知：改变转差率s，就能改变转速n（n0不会改变）。 由于 ，工程实践中，则通过控制转差（转差角频率）实现调速。根据电机原理，在满足 时，有如下近似关系：在 一定、 时，电磁转矩Te和转差角频率 成正比关系。,为转子电阻的折算值,23,结论一：当磁通一定、且转差角频率小于等于临界转差角频率时，可以通过控制转差角频率来控
18、制电磁转矩，从而控制和调节异步电动机的速度。 这就是转差角频率控制的基本原理。现在的问题是如何保证磁通一定呢？ 2、恒磁通的控制方法保持磁通恒定，可以通过 恒压频比控制方法来实现。但是，对于交直交电流型变频调速系统来说，更适合采用电流控制。分析原理关系式 可知：控制转差角频率，可改变电磁转矩，但是，磁通与电磁转矩通过电流相关联（高阶、强耦合，产生电磁转矩的电流变化必然引起励磁电流的变化，从而改变磁通）。,24,根据异步电动机原理，有下列关系：保持I0 不变，则定子电流I1 和励磁电流I0 的对应的关系曲线为：按上图对转差角频率逐步取点，计算定子电流的对应值，构成函数发生器。当输入转差率给定信号
19、时，该函数发生器会输出对应的电流给定值，如此控制电流，就能保证励磁电流不变、磁通恒定。 结论二：能够通过转差角频率和电流的协调控制，实现恒磁通控制，其本质为控制励磁电流恒定不变。（目的：提高调速性能）。,25,思路整理：在实现控制过程中，给定值为角频率，给定值与实际角频率比较后形成偏差信号转差角频率。根据转差角频率，完成两种控制： 形成电流给定信号，控制定子电流。 实现角频率控制，控制角频率等于控制电磁转矩。,条件 条件,控制条件（控制 I1 ） 控制目标,如同恒压频比 需要协同变化,26,3、转差角频率控制的变频调速系统,变频器由三大部分组成： 主回路：实现电能变换，电感滤波，电流型。 电流
20、控制：转速、电流双闭环，函数发生器确保电流与角频率关系。 角频率控制：转差角频率转子角速度定子电流角频率，控制转速,相序鉴别器：作用是判别的极性，从而控制环形分配器的输出相序，实现电动机正转或反转。 其它各环节：前面变频调速系统都已讨论，作用相同，不再讨论。,转差角频率控制的变频调速系统，在实际实现时，还存在一些实际问题，影响控制精度和性能，如难于保证气隙磁通恒定、难于直接测量转差角频率等。更理想的控制是下面要介绍的脉宽调制（PWM）变频调速方式。,27,7. PWM变频调速系统,随着电力电子技术、半导体技术以及微处理器控制技术的迅速发展，以及高性能、大容量电子开关的面市，有力地促进了变频技术
21、的发展， 典型代表是20世纪70年代后期发展起来的脉宽调制技术，它高效节能、调速范围宽，应用前景十分广阔。 脉宽调制（PWM）技术是通过半导体器件的导通和关断，控制脉冲序列的调制周期和脉冲宽度，从而控制和调节功率回路输出频率和电压的一种技术。目前该技术已形成多种PWM信号形成方法，仍在发展中。 脉宽调制变频器变频和变压同时进行，就其控制电路而言，其核心技术就是产生PWM控制波形开关沿的开关技术。,28,一、脉宽调制方式 前面的课程中，讨论过脉频和脉宽调制的原理。这里重点讨论各种调制方式的实现技术。实现技术不同，解决问题的侧重点也不同。例如某些方式致力于抑制谐波，有些方法重在减小逆变器的开关损耗
22、等。 我们要干什么？,如何 产生这些 控制脉冲,何时 产生这些 控制脉冲,更好 产生这些 控制脉冲,29,、简单的多脉冲调制方式 该方法采用峰值恒定的单极性三角波Uc（称为载波三角形），和可变的直流电压Ur（称为参考波）进行比较，在载波三角形Uc和参考波Ur的交点处发出调制信号，并将其按照一定规律和要求分配给逆变器功率管的基极，控制逆变器输出调制波。,三角波调制 直流电压波形,改变参考电压Ur的大小，输出脉冲宽度随之改变，可以改变输出基波电压的大小（控制电压）； 改变载波Uc的频率，可改变输出基波电压的频率（控制频率）。,30,同时改变参考波的大小和载波的频率，就能同时改变输出基波电压的大小和
23、频率（同时控制电压和频率）。也正因为如此，容易满足变频调速恒压频比U/f=C条件。简单多脉冲调制方式优点：控制电路简单、易于实现。简单多脉冲调制方式缺点：输出电压除基波外，含有谐波分量，而且在逆变器输出电压的每个周波中，脉冲数越少，谐波分量越大。,注意：简单多脉冲调制方式参考波和载波都要改变。,31,2、正弦波脉宽调制法（SPWM）正弦波脉宽调制方式采用三角形载波信号Uc和正弦波参考信号Ur进行比较，在Uc和Ur交点处发出调制信号，去控制逆变器主回路各晶体管的基极，控制逆变器输出调制波。,改变参考信号Ur的幅值，脉冲宽度随之改变，从而可以改变主回路基波电压的大小。 改变参考信号Ur的频率，输出
24、基波电压的频率随之改变。 同时改变参考信号Ur的幅值和频率，就能同时改变输出电压的幅值和频率，也容易满足变频调速U/f=C条件。 注意：只改变参考信号,32,正弦波脉宽调制法（SPWM）的特点： 在半个周期内，调制输出脉冲等幅、等距、调宽； 各脉冲面积之和正比于正弦波下的面积。, 等幅, 等距, 调宽, 脉冲面积和=正弦波下面积,与简单多脉冲相比，只改变一种量参考信号，在工程上容易实现，且输出电压更接近正弦波。 概念：载波比 N = fc / fr ，即载波频率与参考波频率的比值；调制系数 M = Ur m / Uc m ，即参考波幅值与载波幅值的比值。逆变器输出电压的基波幅值与调制系数成正比
25、（载波幅值不变）。,33,以上介绍了单极性SPWM，单极性调制须加倒向控制信号。实际应用中，常采用不需倒向控制信号的双极性SPWM，控制产生三相输出调制波。,通过改变正弦参考波的幅值和频率改变输出基波的大小和频率。,34,3、准正弦波脉宽调制法在SPWM法中，需要特别考虑当参考波的峰值Ur m大于载波的峰值Uc m时，即 Ur m Uc m时出现的特殊情况： 正弦参考波和载波三角形失去交点，槽宽消失，使系统处于非线性控制。为此，必须限制：M1。（调制系数 M = Ur m / Uc m ） 该限制条件下，在逆变器输出线电压中，基波分量的最大值只有供电线电压的0.866倍，降低了逆变器的实际使用
26、容量。 规律：“在没有零线时，在三相逆变器的输出线路上，不会出现3的整倍数谐波的电压和电流” 。 在正弦参考波上叠加适当幅度和相位的3次谐波分量Ur3 ，合成准正弦波参考信号Ur 。既能保证槽宽不会消失，扩大线性空间范围，又能进一步提高原正弦波参考信号的幅值，增加逆变器的使用容量；同时也不影响逆变器输出正弦波的特性。,35,如果加入17%的3次谐波，最大参考信号为：可以看出，此时的逆变器输出电压的基波幅值为SPWM的1.15倍，扩大了线性控制范围。 载波和参考波产生调制信号，控制逆变器输出调制波。参考波的波形决定逆变器的输出波形。准正弦波脉宽调制法使逆变器输出为对应准正弦波的波形，但是，由于输
27、出波形中不含3次谐波，所以输出波为正弦波。,36,4、单元调制PWM法理论基础：三相异步电动机定子采用无中线Y型接法、在施加正弦电压时，脉动最小。同时，在三相电压对称的情况下，输出线电压有：基于上述理论，按以下思路来构造脉宽调制信号： 将各相电压在600区间线性化，用两等腰三角形参考波代替正弦参考波；,在交点处发 出调制信号,37,让逆变器输出正弦波或接近正弦波电压；且保证输出电压的对称性。,各区间线 电压和=0,各相近似 正弦电压,1、构成单元,2、实现效果,38,当调制系数M=1时，逆变器输出电压最高可达到输入直流电压的1.06倍，直流电压的利用率高、线性控制区宽，扩展了线性控制范围。 逆
28、变器输出的线电压接近正弦电压，正弦电压供电的三相异步电动机转矩脉动小、附加损耗小，提高了异步电动机的性能。 用微处理器控制实现单元调制法，非常方便。,三相线电压各单元的脉冲序列分析：,39,5、谐波消除法采用PWM调制波控制的电力传动系统，电压和电流中必然含有脉动成分，这是控制原理自身固有的局限性。 交流电动机的附加损耗和转矩脉动是由逆变器输出电压波形中的低次谐波引起的，所以应当消除低次谐波。 消除低次谐波的办法：逆变器输出电压在满足基波电压的条件下，让逆变器在每个周期中多次换向，称为开槽。在一个周期内，开槽数越多，消除的谐波次数越多。 在控制方式上，这种方法并不依赖载波和参考波的比较，而是在
29、逆变器输出电压波形的特定位置上适当安排开关角来实现的，开关角通常通过计算获得。采用模拟方式实现困难，故多采用数字化方式实现。,40,二、PWM交流调速系统PWM逆变器广泛用于异步电动机的控制，用于恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制等的实现。 1、SPWM交流调速系统介绍一种转速开环的PWM变频调速系统。主回路为交直交电压型，整流器由二极管组成，逆变器由大功率晶体管组成，控制电路主要用来产生PWM调制信号、并控制逆变器输出调制波电压，电路具有过流保护功能。以下是该SPWM交流系统的原理图。,41,42,积分器：通过积分器限制给定信号频率的升降速度。 极性鉴别器： 判别积分器的输出正负极性，控制
30、三相正弦波发生器输出的三相正弦参考信号的相序，从而控制逆变器三相电压的输出相序，实现电动机正转或者反转。 函数发生器：实现低频电压补偿，以保证整个调速范围U / f=C控制条件。 给定信号：经过绝对值运算器后分为两路： 一路经压控振荡器，控制正弦参考信号的频率； 一路经函数发生器，控制正弦参考信号幅值，确保压频比例关系。 参考信号发生器：频率和电压信号通过正弦波发生器，输出三相正弦波参考信号，并和三角载波发生器产生的载波信号比较后，输出调制信号，控制逆变器输出调制波，从而控制电动机的转速。 锁相环：锁相环用来保证载波与参考波的频率关系，实现倍频。倍频原理是把分频后的反馈波与输入波进行比较，用偏
31、差信号调节压控振荡器的输出，使输入波和反馈波以微小的相位差锁定在一起，从而使输出波的频率为输入波的若干倍（见P210图）。,43,2、电流脉宽调制的变频调速系统,转速电流 双闭环,电流脉 宽调制,输出电流幅值比例系数,44,主回路构成：二极管整流桥、直流滤波电容、功率三极管逆变桥组成。 控 制 电 路：转速、电流双闭环结构。通过电流的脉宽调制，直接控制电动机的定子电流，调节转速。 转速调节器：转速调节器的输出分为两路：其一：函数发生器的输入，控制输出电流幅值比例系数。其二：经压频变换器后输出脉冲信号，控制正弦波信号的频率.正弦信号的幅值和函数发生器的输出相乘后，得到三相幅值和频率可变的定子电流给定信号，输入电流控制器。 电流控制器：电流控制器是带滞环的比较器。当电流偏离给定信号时，电流控制器通过控制功率晶体管的通断，迫使电流偏差消失。当给定信号改变时，同样调整电流，改变转速，匹配新的给定值。 该系统优点：结构简单、动态性能好。,
