0011世界第一讲百年期待说变频上.docx

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0011世界第一讲百年期待说变频上

第一讲百年期待盼变频（上）（-2）

宜昌市自动化研究所　张燕宾

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摘　要：

变频器进入实用阶段，比发明异步电动机晚了近百年。

本文从分析其原因入手，讲述了影响实施变频调速的主要问题。

进而介绍了变频同时还必须变压的原理，以及正弦脉宽调制的具体实施方法。

关键词：

异步电动机　　变频器　　开关器件　　晶闸管　　电力晶体管　　绝缘栅双极晶体管　整流与逆变　输入功率　　输出功率　电磁功率　磁路饱和　　正弦脉宽调制　　载波　　调制波　　调压比　　调频比　

Abstract:

Theinverterattainintothepracticalstage,latertheninventtheinductionmotornearahundredyears.Thispaperbeganonanalysisitsreason，Illustratedthemainproblemoffrequencymodulation.Introducedtotheprincipleofvariablevoltagevariablefrequency.Andillustratedthepracticemethodofsinepluswidthmodulation.

Keywords:

inductionmotorinverterswitchingunitthyristorgianttransistorinsulatedgatebipolartransistorrectificationandinversetransformationinputpoweroutputpowerelectromagneticpowermagneticcircuitsaturationsinepluswidthmodulation

carrierwavemodulationwavevoltagemodulationratiofrequencymodulationratio

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题解：

异步电动机变频可以调速的原理，是“与生俱来”的。

然而，异步电动机发明于1889年，而变频调速技术进入推广普及阶段，却是在二十世纪八十年代，人们企盼了将近一个世纪！

1．1望眼欲穿近百年

图1－1异步电动机的构造

1．1．1结构简单价低廉

三相交流异步电动机的发明在电力拖动史上有着十分重要的意义。

因为它的转子电路不需要和外电路相联接，转子绕组由两侧端部互相短接的铜条或铝条（俗称鼠笼条）构成，可以自成回路，形状象个“鼠笼”，故常称为笼形电动机，如图1－1所示。

在所有电动机中，这种结构在简单、坚固方面是首屈一指的。

这带来了使用寿命长、易于维修、以及价格低廉等极为突出的优点，使它在整个电力拖动领域独占鳌头。

在二十世纪八十年代以前，约占工农业生产机械中电动机总量的85％以上。

1．1．2生产要求转速变

随着各种加工技术的不断进步，许多生产机械对无级调速的要求也越来越迫切。

以50年代龙门刨床刨台的拖动系统为例，其拖动系统采用Ｇ－Ｍ（发电机－电动机组）

图1－2刨台的原拖动系统

调速系统，如图1－2所示。

图中，直接拖动刨台的是直流电动机DM，DM由直流发电机G1提供电源，G1又由交流电动机AM来带动，AM在带动G1的同时，还带动一台励磁发电机G2。

G2发出的电，一方面为DM和G1提供励磁电流，同时也为控制电路提供电源。

除此以外，为了改善DM的机械特性，还采用了一台结构复杂、价格昂贵的交磁放大机DMA。

可见，为了实现无级调速，简直已经到了不惜工本的地步。

这充分说明了：

生产机械对电动机进行无级调速的要求是多么地迫切！

1．1．3　变频难产失欢颜

1．异步电动机的转速公式

三相交流电动机中，一个十分重要的“角色”便是旋转磁场，它是三个交变磁场合成的结果。

这三个交变磁场的特点是：

（1）产生磁场的交变电流在时间上互差三分之一周期（T∕3），这由三相交流电源本身的特点所决定；

（2）三个磁场的轴线在空间位置上互差2π∕3电角度，这可以通过三相绕组在定子铁心中的安排来实现。

旋转磁场的转速称为同步转速，由下式决定：

n0＝（1－1）

式中，n0—同步转速，r∕min；

f—电流的频率，Hz；

p—旋转磁场的磁极对数。

而异步电动机之所以被冠以“异步”二字，是因为其转子的转速nM永远也跟不上旋转磁场的转速n0。

两者之差称为转差：

Δn＝n0－nM（1－2）

式中，Δn—转差，r∕min；

nM—电动机的转速，r∕min。

转差与同步转速之比，称为转差率：

s＝＝（1－3）

式中，s—转差率。

由式（1－1）和式（1－3），可以推导出：

nM＝（1－s）（1－4）

2．异步电动机的调速方案

图1－3　异步电动机的调速方法

a）改变磁极对数　b）改变转差率

式（1－4）表明，要改变异步电动机的转速，除了改变频率以外，只有两种办法：

（1）改变磁极对数　这可以通过改变定子绕组的接法来实现，如图1－3a）所示。

这种方法的缺点是十分明显的：

一台电动机最多只能安置两套绕组，每套绕组最多只能有两种接法。

所以，最多只能得到4种转速，与无级调速相去甚远。

（2）改变转差率这种方法适用于绕线转子异步电动机，通过滑环与电刷改变外接电阻值来进行调速，如图1－3b）所示。

显然，这是通过改变在外接电阻中消耗能量的多少来调速的，不利于节能。

此外，由于增加了滑环与电刷，从而增加了容易发生故障的薄弱环节。

1．1．4　变频调速难实现

式（1－4）是在发明异步电动机的当时就知道了的，所以，变频可以调速是和异步电动机“与生俱来”的。

一方面，生产机械迫切地要求无级调速，另一方面，改变频率可以实现无级调速的原理又是如此明明白白地摆在那儿。

而变频调速装置却如此地难产，成为了人们翘首以盼地期待着的拳技术！

变频调速技术真正地进入到能够推广普及的实用阶段，已经是二十世纪八十年代了。

人们企盼了将近一个世纪！

是什么原因使变频调速技术如此地姗姗来迟呢？

1．2开关器件最关键

图1－4交－直－交变频器的主电路框图

目前应用得最为广泛的是交－直－交变频器，今通过其基本结构，来看看要实现变频调速需要解决哪些问题。

交－直－交变频器的基本框图如图1－4所示，其工作过程是：

先将电源的三相（或单相）交流电经整流桥整流成直流电，又经逆变桥把直流电“逆变”成频率任意可调的三相交流电。

其中，变频的核心部分是“逆变电路”，其构成和原理如下述。

1．2．1变频核心是逆变

图1－5单相逆变桥及其工作过程

首先从比较简单的单相逆变桥入手，其构成及工作过程如图1－5所示。

图中，V1、V2、V3、V4为开关器件，组成单相逆变桥，接至直流电源P（＋）与N（－）之间，电压为UD；ZL为负载。

逆变电路的工作情况如下：

（1）前半周期令V1、V2导通；V3、V4截止。

则负载ZL中的电流从a流向b，ZL上得到的电压是a“＋”、b“－”，设这时的电压为“＋”。

图1－6三相逆变桥及其工作

（2）后半周期令V1、V2截止；V3、V4导通。

则负载ZL中的电流从b流向a，ZL上得到的电压是a“－”、b“＋”，这时的电压为“－”。

上述两种状态如能不断地反复交替进行，则负载ZL上所得到的便是交变电压了。

这就是由直流电变为交流电的“逆变”过程。

三相逆变桥的电路结构如图1－6所示。

其工作过程与单相逆变桥相同，只要注意三相的相位之间互差三分之一周期（T∕3）就可以了。

1．2．2逆变器件有条件

上述逆变过程看似简单：

无非是若干个开关反复地交替导通而已。

但问题的关键恰恰在于这些开关器件上。

因为，这些开关器件必须满足以下要求：

1．能承受足够大的电压和电流

（1）电压　我国三相低压电网的线电压均为380V，经三相全波整流后的平均电压为513V，而峰值电压则为537V。

考虑到在过渡过程中，由于电感及负载动能反馈能量的效应，开关器件的耐压应在1000V以上。

（2）电流　以中型的150kW的电动机为例，其额定电流为250A，　而电流的峰值为353A。

考虑到电动机和变频器都应该具有一定的过载能力，该变频器开关器件允许承受的电流应大于700A。

上述条件对于有触点开关器件来说，是早已做到了的。

2．允许频繁地接通和关断

如上述，逆变过程就是若干个开关器件长时间地反复交替导通和关断的过程，这是有触点开关器件所无法承受的。

必须依赖于无触点开关器件，而无触点开关器件要能承受足够大的电压和电流，却并非易事。

可以说，正是这个要求，阻碍了变频器的出现长达近百年之久。

3．接通和关断的控制必须十分方便

最基本的控制如：

频率的上升和下降、改变频率的同时还要改变电压等等。

1．2．3电力电子基础奠

上面所说的无触点开关器件，实际上就是半导体开关器件。

半导体器件在初期阶段只能用于低压电路中，当半导体器件终于能够承受高电压和大电流时，就形成了一门新的学科，即电力电子学。

而变频器和变频调速技术也应运而生了。

1．起步始于SCR

二十世纪六十年代，大功率晶闸管（SCR）首先亮相，变频调速也因此而得到了实施，出现了希望。

晶闸管VR在直流电路中的工作情形如图1－7所示，当门极G与阴极K之间加入正电压信号UG时，VR导通，如图a）所示。

图1－7　晶闸管在直流电路中

a）门极加正信号　b）撤消门极信号　c）门极加脉冲信号

当门极与阴极之间撤消UG时，VT将继续保持导通状态，如图b）所示。

故晶闸管在直流电路中，一旦导通之后，是不能自行关断的。

所以，只要在门极与阴极之间加入一个脉冲信号uG，则VR即可保持导通状态，如图c）所示，uG称为触发脉冲。

由晶闸管构成的逆变桥如图1－8所示，UD是直流回路的电压，设平均值为UD＝513V。

如上述，晶闸管在直流电路中不具有自行关断的能力。

要想关断已经导通的晶闸管，必须令晶闸管的阳极和阴极之间的电压0，或加入反向电压。

图1－8a）的大致工作情形如下：

图1－8　晶闸管逆变电路

假设晶闸管VR1已经处于导通状态，这时，A1点的电位与直流正端（P端）相同，而如果VR3和VR5都处于截止状态的话，则B1点和C1点都是0电位。

如要关断VR1，必须令VR3或VR5导通，今假设VR3导通。

在VR3导通的瞬间，B1点的电位突然上升513V，由于电容器C13两端的电压是不能跃变的，故A1点的电位也同时上升513V，使VR1的阴极电位高于阳极电位，从而迫使VR1截止。

由于晶闸管逆变桥是由同一侧的晶闸管相互关断的，所以，输出的电压波是矩形波，如图1－8b）所示；而电流波则如图1－8c）所示。

图1－9　电力晶体管的内部电路

晶闸管变频器除了电压和电流波形不好外，并且因为用于相互关断的电容器要求电压较高、容量也较大，故价格昂贵。

除此以外，在不同的负载电流下，晶闸管的关断条件也并不一致，这又影响了其工作的可靠性。

所以，晶闸管虽然使变频调速成为了可能，实现了近百年来人们对于变频调速的企盼。

但由于缺点较多，故并未达到普及推广的阶段。

2．普及归功GTR（BJT）

二十世纪七十年代，电