2-5静止变频器.ppt

1、异步电机控制 1 27 27 静止变频器静止变频器 异步电机的变频调速系统由静止变频器、异步电机及控制系统组成 变频器是能够提供频率和电压同时变化的电力电子装置，可分为直接变频器和间接变频器直接变频器交-交变频器，将工频交流一次性变换成 可变频交流间接变频器交-直-交变频器，先将工频整流成电压 大小可控制的直流，再经逆变器变换成 可变频率的交流11/9/20221电气与信息工程学院 黄守道一、一、交交直直交变频器交变频器1 1、结构形式、结构形式图图a a）可控整流调压，逆变器调频方式）可控整流调压，逆变器调频方式特点：特点：结构简单、控制方便（可控整结构简单、控制方便（可控整 流，低频运行时

2、，移相触发角很流，低频运行时，移相触发角很 大）、功率因数低（六脉波逆变大）、功率因数低（六脉波逆变 器、器件的开关频率低）、输出器、器件的开关频率低）、输出 谐波大谐波大图图b b）不控整流、斩波调压，逆变调频）不控整流、斩波调压，逆变调频特点：特点：输入功率因数高（二极管整输入功率因数高（二极管整 流）、输出谐波大流）、输出谐波大图图c c）不控整流、斩波调压，逆变调频）不控整流、斩波调压，逆变调频特点：特点：功率因数高、谐波小功率因数高、谐波小2 2、逆变器的换流及电源特性、逆变器的换流及电源特性 从以上的结构可以看出：交从以上的结构可以看出：交-直直-交变频器的核心是逆变器；逆变交变频

3、器的核心是逆变器；逆变器分为由晶闸管构成的六阶梯波逆变器和自关断器件构成的器分为由晶闸管构成的六阶梯波逆变器和自关断器件构成的PWMPWM逆逆变器。变器。晶闸管无自关断能力，存在换流问题。直流电机的可逆调速、异步电机的串级调速中采用有源逆变器，可实现自然环流；过激同步电动机可以直接利用电机反电势实现自然换流；异步电机和欠励同步电动机需采用电容储能的强迫换流 直流环节用电容滤波的变频器为电压源型逆变器；直流环节为电感滤波的变频器为电流源型逆变器 如何工作参考电力电子技术基础（1 1）实现换流的条件）实现换流的条件 实现换流的条件是整流触发角小于180度或逆变触发角大0，即负载电流必须滞后于电网电

4、压，如图所示。异步电机由于电流滞后电压，因此采用电容强迫环流；但也可以配置不同的电路形式：a、具有辅助换流晶闸管的电压源逆变器；b、串联二极管式电流源逆变器（2 2）滤波环节对电源特性的影响滤波环节对电源特性的影响 在交-直-交变频器的直流环节，实际上还设置让电流平滑的滤波环节，不同的滤波方式决定了不同的电源特性。a、滤波元件为电容，则在动态过程中等效电源内阻很小，输出电压比较稳定，逆变器具有电压源的性质，称电压源型逆变器 b、滤波环节采用大电感，则在动态过程中等效电源内阻很大，输出电流比较稳定。逆变器具有电流源性质，称电流源逆变器(3)(3)电压源型电流源型逆变器性能比较，见表电压源型电流源

5、型逆变器性能比较，见表2-22-2二、交二、交交变频器交变频器 交-直-交变频器的控制简单，所用器件少，需要经过两次换流，损耗大，而且采用电容强迫换流，结构复杂。交-交变频器可直接将电网的频率变成频率可调的交流，不需中将直流环节；利用交流电网实现自然换流，结构简单；最高输出频率限制为电网频率的1/31/2；反并联可靠整流桥。交-交变频器的每相都是两组晶闸管可控整流器反并联的可逆线路构成。图a）：可控整流的进线侧接入了大 滤波电感、输出电流近似方 波，称为电流源型。图b）：两组整流桥直接反并联，构 成电压源型电路；整组整 流、反组封锁；反组整流、正组封锁，使得负载上得到 交流电压。图c）：输出频

6、率为两组整流器的交 替工作切换频率方波交方波交-交变频电路交变频电路 方波型变频器的特点方波型变频器的特点：1、每相由两组反并联的三相半波可控整流电路组成 2、同一时刻各有一正组和反组同时导通，导通关系与120度电流源逆变器相同，输出三相平衡的方波电流 3、输出电压依靠调节反并联整流桥的晶闸管的触发相位来实现 4、控制简单，高次谐波使电机的损耗大，转矩脉动大 因此，在异步电机调速中很少采用正弦波交交频器正弦波交交频器正弦波交-交频器的特点及控制规律特点：属于180度导通型电压源逆变器；主 电路和方波型逆变器的相同；控制 规律复杂；通过改变控制的移相角 以获得正弦输出电压控制规律：图a）：半周内

7、，移相角的变化范围是90 度-0-90度，半周内的输出平均电 压为正弦波，工作在整流状态图b）：半周内，移相角的变化范围是90 度-180度-90度，半周内的输出平 均电压为正弦波的负半周，正组整 流桥工作在逆变状态图c、d）：反组桥工作，当大于90度时，处于逆变状态；小于90度时，处 于整流状态 交交-交变频器与交交变频器与交-直直-交变频器的性能比较交变频器的性能比较三、三、PWMPWM逆变器逆变器为了实现：为了实现：1 1、异步电机的端电压大小随频率的大小连续变化、异步电机的端电压大小随频率的大小连续变化 2 2、电压的波形尽可能接近正弦，低次谐波尽可能减少，并且要求电、电压的波形尽可能

8、接近正弦，低次谐波尽可能减少，并且要求电机低频低速时，功率因数不能太差机低频低速时，功率因数不能太差脉宽调制型逆变器：脉宽调制型逆变器：采用不控整流产生大小恒定的直流电压，以提高功率因数；控制逆采用不控整流产生大小恒定的直流电压，以提高功率因数；控制逆变器的开关器件实现高频的通断，使输出电压波形成为一组宽度按正弦变器的开关器件实现高频的通断，使输出电压波形成为一组宽度按正弦规律变化的矩形脉冲波（规律变化的矩形脉冲波（SPWMSPWM）从脉冲波形图中可以得知：从脉冲波形图中可以得知：1、分解成傅立叶级数时，主要是基波和 高次谐波，降低了低次谐波的含量2、成比例改变脉冲的宽度，可控制输出 交流基波

9、电压幅值3、改变脉冲宽度变化周期，可控制其输 出频率SPWMSPWM逆变器主电路结构逆变器主电路结构VT高频自关断功率器件VD快速恢复二极管，为异步 电机无功电流提供通路U大小恒定的直流电源，由三 相不控整流装置产生C滤波电容，称为电压源型逆 变器 逆变器输出的三相PWM的波形取决于功率开关期间驱动信号的波形生成PWM信号的调制方法有很多种，一般可以分为三类：1、正弦脉宽调制提供频率可变的三相电压，不关心电流受电机参 数影响大2、电流跟踪脉宽调制追求产生频率可变的三相正弦电流3、磁链跟踪脉宽调制将电机和逆变器作为一个整体考虑，在电机 气隙中建立一个方向、转速可控的圆形磁链1 1、正弦脉宽调制、

10、正弦脉宽调制 具体的实现方法有：具体的实现方法有：采样法和指定谐波消去法采样法和指定谐波消去法（1）采样法SPWM波形的产生：1、改变调制波的频率可以改变SPWM波的输出基波频率；2、改变调制波的幅值可以调节输出基波的幅值；从而实现在同一逆变器内对输出基波的幅值和频率的控制。在采样法实现的过程中，按照逆变器件的控制方式分为：单极性逆变器的每个元件只在输出半周内通断工作，另半周截 止；损耗小，环流安全 双极性载波信号和调制波信号均在不断的交替变换，逆变器的同 一桥臂上下开关也在交替的变换 根据调制波频率和载波频率的配合关系，分成不同的调制方式：同步调制载波与调制波频率同步变化异步调制载波比不为常

11、数，载波频率 不变分段同步调制将同步和异步调制结合（2）指定谐波消除法控制 将电机与变频器作为一个整体考虑分析，从消去对系统有害的谐波出发确定PWM波形的开关是时刻，使逆变器的输出电压接近正弦。如：电机Y接法时，消除5,7次谐波，方法如下：周期内开3个开关角：由傅立叶分解，可得如下方程组：求解上述方程组，即可获得消除5，7次谐波所必需满足的开关角1，2，3 值得注意的是：开关角1，2，3 也是运行频率的函数2 2、电流跟踪控制、电流跟踪控制 定子三相电流与综合的正弦三相电流相比较，如果实际值大于参考值，通过改变逆变器的开关器件使其减小；否则，增大。通过对电流的闭环控制，强迫电机电流的频率，幅值

12、按给定值变化，提高电压源变频器的电流响应速度，使之具有较好的动态性能。电流跟踪控制逆变器框图参见p93：2-603、磁链跟踪控制（电压空间矢量控制）、磁链跟踪控制（电压空间矢量控制）基本思想：从电机的角度出发，着眼于如何控制逆变器功率开关，以改变电机的端电压，使电机内部形成的磁链轨迹去跟踪由理想三相平衡正旋波电压供电时所形成的基准磁链圆。由于磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加获得，所以这种PWM调制方式又称为电压空间矢量控制空间电压矢量概念空间电压矢量概念 当三相平衡正弦电压 施加在三相绕组上时，可将三个相的电压空间矢量相加，形成一个合成电压空间矢量 这是一个旋转空间矢量：幅值为 恒定，以角频率

13、恒速旋转，转向遵循供电电压相序，即哪相电压瞬时值最大时即转至该相轴线。开关状态与空间矢量开关状态与空间矢量 可以用一组“1”，“0”的逻辑量来标出不同的合成空间矢量，规定逆变器上桥导通是取“1”，下桥导通时取“0”。那么逆变器共有8种开关状态并形成相应的8种电压矢量，如图262（a）所示：w其中，前6种为有效空间矢量，其幅值相等，仅相位不同；而后2种为无效空间矢量，均相当于三相绕组接至同一极性直流母线，其幅值为零，也无相位。w6阶梯波逆变器工作时所形成的空间矢量如图262（b）所示。它是一个封闭的正六边形。由于无效电压空间矢量幅值为零，成为零矢量，并认为它位于坐标原点处。定子磁链空间矢量定子磁

14、链空间矢量w在每种电压矢量作用下经历/3电角度所对应的时间T，则形成了六个磁链空间矢量增量：以及相应的零矢量 ，如图262（c）所示w由图可见，在六阶梯波逆变器供电方式下电机中产生的是步进磁场而非圆形旋转磁场6阶波供电时合成的空间矢量（基本空间矢量）阶波供电时合成的空间矢量（基本空间矢量）磁链磁链跟踪式跟踪式PWMPWM调制简介调制简介w要想获得一个近似圆形的旋转磁场必须使用更多的开关模式，形成更多的电压及磁链空间矢量，为此必须对逆变器工作方式进行改造。w采用细分矢量作用时间和组合新矢量的方法，可形成尽可能逼近圆形的多边形磁链轨迹，这样在一个输出周期内逆变器的开关切换次数显然要超过6次，逆变器输出波形不再是六阶梯波，而是等幅不等宽的脉冲列，这就形成了磁链跟踪控制的PWM调制方式。四、谐振软性开关技术四、谐振软性开关技术硬性开关的缺点是开关器件的损耗随频率的增加而增大，散热困难，高频化、小型化困难。谐振软性开关是在零电压、零电流时关断。称为双零谐振开关，是近年来交流及交流调速传动领域最新的发展技术。图a）零电流ZCS 图b）零电压ZVS GTR的开关频率可达20KHz，比一般硬性开关PWM中所用的1-2KHz的工作频率提高出一个数量级 逆变器的输入不再是直流而高频振荡的电压U0，过零时刻即为VT1-VT6的开关时刻；逆变器的输出为整串周PWM