變頻調(diào)速的基本控制方式和機(jī)械特性1(3-4)

1、1.3 1.3 交交- -直直- -交變頻器的分類及特點(diǎn)交變頻器的分類及特點(diǎn)一、交交- -直直- -交變頻器的結(jié)構(gòu)形式交變頻器的結(jié)構(gòu)形式 AC-DC-AC變頻器又稱間接變頻器,屬于靜止式變頻器(Stationary Converter）。濾波環(huán)節(jié)可采用支撐電容或大電感。 Rectifier Filter InverterACDCACVVVFDC link 50Hz CVCF為實(shí)現(xiàn)VVVF,分為四種結(jié)構(gòu):可控整流調(diào)壓可控整流調(diào)壓, ,逆變器變頻。逆變器變頻。 為保持恒壓頻比,VV-VF前后應(yīng)協(xié)調(diào)控制。可控可控整流的缺點(diǎn)整流的缺點(diǎn): :當(dāng)輸出頻率、電壓較低時(shí),電網(wǎng)側(cè)pf很低,對(duì)電網(wǎng)有諧波污染。不控

2、整流不控整流, ,斬波調(diào)壓斬波調(diào)壓, ,逆變器變頻。逆變器變頻。 可控整流 INVACDCACVVVF調(diào)壓調(diào)頻由于不可控整流(用二極管)，pf較高,斬波器脈寬調(diào)壓,多用了一個(gè)環(huán)節(jié)。實(shí)際應(yīng)用較少。不控整流INVChopACDCDCACVFVV不可控整流不可控整流,PWM,PWM逆變器變壓變頻。逆變器變壓變頻。 PWMPulse Width Modulation pf較高,PWM逆變諧波可以做得比較小,前面的缺點(diǎn)得到解決。一般不用SCR,而是采用快速全控器件,VV-VF都由INV完成，Ud基本不變。它是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，后面重點(diǎn)講。PWMPWM可逆整流，可逆整流，PWMPWM逆變器變

3、壓變頻。逆變器變壓變頻。通常稱作雙雙PWMPWM變頻器變頻器。不控整流PWMINVACDCACVVVFPWM可逆整流PWMINVACDCACVVVFVVVFPWM可逆整流器有三種職能:使Ud按給定值恒壓；交流側(cè)電流近正弦且pf=1；有源逆變，pf=-1,當(dāng)電機(jī)再生發(fā)電制動(dòng)時(shí),將DC側(cè)電能反饋到電網(wǎng)。二、電壓型變頻器和電流型變頻器電壓型變頻器和電流型變頻器 交-直-交變頻器分為兩大類:VSI和CSI。主要區(qū)別在于中間DC環(huán)節(jié)采用什么樣的濾波器。 VSI:VSI:采用大支撐電容,直流電壓平緩。C起電壓平波作用,脈動(dòng)很小,理想情況下內(nèi)阻抗為零,近似恒壓源。輸出給電機(jī)階梯波電壓或矩形波電壓。實(shí)用中,兩

4、電解電容串聯(lián),以提高耐壓,需加均壓電阻。C除濾波作用外,還起著能量緩沖作用,比如在電機(jī)再生發(fā)電時(shí),機(jī)械能反送(整流)到直流側(cè),C的貯能作用可防止Ud過(guò)高損壞器件。也可用LC濾波。INVLdUd+-INVUdIdLd+- CSI:CSI:直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波,對(duì)DC側(cè)電流起平波作用,內(nèi)阻抗很大,對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)基本上是一個(gè)恒流源Id,輸出給電機(jī)電流是矩形波或階梯波。隨負(fù)載輕重不同,Id的大小也不同,并非絕對(duì)恒流。慣性大，短時(shí)間內(nèi)近似恒流。 性能比較性能比較: : 從主電路上看只是中間DC環(huán)節(jié)濾波器形式不同,但卻造成兩類變頻器性能上有相當(dāng)大的差異。無(wú)功能量的緩沖無(wú)功能量的緩沖 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的負(fù)載是

5、感性的,DC環(huán)節(jié)與電機(jī)之間除有功功率傳送外,還存在無(wú)功交換,電力電子器件無(wú)法儲(chǔ)能,無(wú)功能量只能靠DC環(huán)節(jié)作為濾波器來(lái)緩沖能量,使它不致影響交流電網(wǎng)。主要區(qū)別就在于以何儲(chǔ)能元件,以何形式來(lái)來(lái)緩沖無(wú)功能量,電壓型以Ud電壓形式,電流型以Id電流形式?；仞佒苿?dòng)回饋制動(dòng) 采用交-直-交電壓型逆變器，通常在二極管整流或SCR可控整流情況下,無(wú)法實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng),而電流型可以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)殡娏餍妥冾l器前面的可控整流由于用Ld,便于實(shí)現(xiàn)有源逆變,將直流側(cè)能量饋入電網(wǎng),而電壓型無(wú)法實(shí)現(xiàn)之。調(diào)速時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)速時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 電流型變壓變頻調(diào)速,其直流電壓可以迅速改變,m變化快,從而調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快?？煽卣髯儔旱?/p>

6、電壓型動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢得多,Ud慣性大。但在PWM變壓變頻時(shí)則響應(yīng)快，它不需要Ud變化，靠PWM控制實(shí)現(xiàn)變壓變頻。過(guò)流及短路保護(hù)過(guò)流及短路保護(hù) 電壓型不如電流型易實(shí)現(xiàn)。輸出波形輸出波形 電壓型輸出電流近正弦(電壓方波)；電流型輸出電壓近正弦(電流方波)。1.31.3節(jié)要點(diǎn)：節(jié)要點(diǎn)：交直交變頻器的結(jié)構(gòu)類型及特點(diǎn),各如何實(shí)現(xiàn)VVVF。VSI和CSI的性能比較。1.4 1.4 交交- -直直- -交變頻器的回饋制動(dòng)交變頻器的回饋制動(dòng)異步電機(jī)再生制動(dòng)的產(chǎn)生條件異步電機(jī)再生制動(dòng)的產(chǎn)生條件(nn0)：1) 位能性負(fù)載；2) 變頻器減頻快而轉(zhuǎn)子慣性大。逆變器的兩種工作狀態(tài)逆變器的兩種工作狀態(tài): : 通常逆變器處于

7、逆變狀態(tài),交流側(cè)為電機(jī)提供VVVF電源,設(shè)其電壓為Vk(k=1,2,3)，即電機(jī)定子繞組上所加電源電壓(三相之一)。電機(jī)每相等效電路中L1為定子繞組漏感,ek為旋轉(zhuǎn)反電勢(shì)。 在等效回路中,兩個(gè)交流電源總是一個(gè)供出功率,另一個(gè)吸收功率,取決于ik與各電源的相位關(guān)系。如同直流回路情況下,取決于I的方向。在逆變器處于逆變狀態(tài)下,Vk供出功率 P=VkIkcos1,當(dāng)1=090O，P0,vk確實(shí)為供出功率,ek吸收功率，即電機(jī)將輸入功率(電動(dòng)狀態(tài))轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；當(dāng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電反饋制動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)(nn0)，Ik比Vk滯后190O ,cos10, P0,從而Vk供出功率為負(fù),即吸收功率,ek發(fā)出功率(發(fā)電

8、),此時(shí)逆變器實(shí)際上能INV +-UdDCek+-+-ikjL1vk電機(jī)量的傳遞方向是ACDC,即整流狀態(tài),電機(jī)發(fā)電經(jīng)過(guò)三相橋整流到DC側(cè)。電流型逆變器宜于實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)電流型逆變器宜于實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng) 對(duì)于CSI在電動(dòng)狀態(tài)下,各環(huán)節(jié)如圖示,整流環(huán)節(jié)90O,故Ud上正下負(fù),Id從Ud的正端流出，故P為正向傳輸,逆變器吸收功率,處于正常的逆變狀態(tài),電動(dòng)機(jī)處于真正的電動(dòng)狀態(tài),轉(zhuǎn)矩T與n同向，nn0，轉(zhuǎn)子拖動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)應(yīng)于機(jī)械特性中的第一象限（a點(diǎn)），T=TL平衡。 IRVE+-UdP+-M3Id整流 900逆變n0若突然將f1減小, n0減小后,n慣性保持原速,對(duì)應(yīng)于b點(diǎn),再生制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)減速,n減

9、小,b-c段對(duì)應(yīng)T0,在第象限,回饋制動(dòng)階段。繼續(xù)減速是因?yàn)門900 (否則可能會(huì)順向串聯(lián)，產(chǎn)生較大的直流環(huán)流,大小應(yīng)適當(dāng)),Ud變?yōu)樯县?fù)下正,將DC電能有源逆變?yōu)榻涣骰厮偷诫娋W(wǎng)(Id方向未變),再生能量有效回收利用。_+UdP+_M3Id逆變 900整流nn0發(fā)電nT0 在第象限倒發(fā)電狀態(tài),原來(lái)的CSI變成了整流器作用,整流輸出的電壓平均值自然是上負(fù)下正。 第第、象限運(yùn)行象限運(yùn)行: : 電機(jī)反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)(),再生制動(dòng)時(shí)進(jìn)入象限，這便是所謂的電機(jī)四象限運(yùn)行。 可見電流型變頻器實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)時(shí), Id方向不變(整流元件單導(dǎo)性),利用有源逆變來(lái)改變Ud方向,從而將再生能量回饋到電網(wǎng)。兩種變流器的關(guān)系

10、兩種變流器的關(guān)系 從上述分析可見，電流型逆變器和三相全橋可控整流器的工作狀態(tài)，在一定條件下會(huì)發(fā)生彼此對(duì)調(diào)。這兩種變流器存在著很大的類似性。以下從三相全橋可控整流電路的有源逆變到三相電流型無(wú)源逆變的轉(zhuǎn)換過(guò)程，看兩種電路的相互關(guān)系。 在有源逆變電路中，三相交流電源供出的功率為 900）即吸收功率。 本質(zhì)上，該三相交流電源可以視作三相反電勢(shì)負(fù)載，考慮將電流ia的參考方向取反，如相量圖中虛線所示，則該“負(fù)載”電流比電壓超前，相當(dāng)于容性負(fù)載，這正是有源逆變電路的SCR不需要強(qiáng)迫換流的根本原因，實(shí)質(zhì)上是利用了容性負(fù)載換流。cosIU3Paaia+uaAId+-UdVT1VT3VT5VT4VT6VT2BCE

11、M+uaubucia+=uaia 在無(wú)源逆變電路中，三相負(fù)載通常是感性負(fù)載，無(wú)法實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流，必須另加輔助換流電路來(lái)強(qiáng)迫換流。串聯(lián)二極管式晶閘管逆變器正是利用串聯(lián)二極管和接的換流電容作為附加電路來(lái)完成強(qiáng)迫換流的。 在電機(jī)進(jìn)入倒發(fā)電狀態(tài)時(shí)，逆變器的工作狀態(tài)又一次發(fā)生逆轉(zhuǎn)。電機(jī)發(fā)出三相交流電勢(shì)，由于CSI的6只晶閘管觸發(fā)方式與三相全橋可控整流完全相同，從而形成對(duì)三相交流電壓的整流作用，使直流側(cè)Ud上負(fù)下正，Id從Ud的正端流出，供出能量,為L(zhǎng)d充磁。電機(jī)發(fā)出的能量,通過(guò)P-N間電壓的改變方向,實(shí)現(xiàn)電機(jī)向直流側(cè)的能量回饋。 AId_+UdVT1VT3VT5VT4VT6VT2BC_+電機(jī)側(cè)與直流側(cè)的無(wú)

12、功能量交換：電機(jī)側(cè)與直流側(cè)的無(wú)功能量交換： 電流型逆變器并不能通過(guò)反并聯(lián)二極管改變直流環(huán)節(jié)電流的方向,來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功能量的回饋,因?yàn)镮d不易改變方向,正象VSI的Ud不易改變極性一樣。不過(guò)可以通過(guò)改變P-N之間電壓極性,使它為上負(fù)下正,變?yōu)榛仞仩顟B(tài),饋入Ld緩存，為L(zhǎng)d充磁。實(shí)際上電流型逆變器正象三相全橋可控整流一樣，無(wú)論是處在整流還是逆變狀態(tài)，直流側(cè)的電壓ud波形往往存在正負(fù)面積，只是平均面積Ud的極性不同。ud波形正負(fù)面積意味著電機(jī)與DC側(cè)的能量吞吐作用，通過(guò)P-N間電壓極性的改變,實(shí)現(xiàn)電機(jī)與直流側(cè)Ld能量的交換,即無(wú)功能量回饋。而平均面積Ud的極性，決定了電機(jī)總體上是吸收還是供出能量，從而也

13、反映了逆變器的實(shí)際工作狀態(tài)。電壓型逆變器如何實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)電壓型逆變器如何實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)與電流型逆變器相比，電壓型逆變器通常難以將電機(jī)的倒發(fā)電能量饋入電網(wǎng),DC環(huán)節(jié)的支撐電容鉗制著Ud不可能迅速改變方向,而Ud上負(fù)下正是實(shí)現(xiàn)有源逆變的必要條件。當(dāng)然若Ud不反向,Id反向亦可,但整流器是單導(dǎo)的。可見由于Cd的存在,使整流橋無(wú)法迅速轉(zhuǎn)為逆變。 電壓型逆變器一般都帶有反饋二極管,使橋臂功率開關(guān)為電流雙向開關(guān)（逆導(dǎo)開關(guān)），將發(fā)出的三相電勢(shì)整流，為大電容充電(電流方向改變),實(shí)現(xiàn)了能量的緩存。不控整流PWMINVACDCACVVVF+-Ud但回饋不到電網(wǎng)，只能使Ud升高,甚至可能Ud過(guò)高到器件不允許的數(shù)值,故對(duì)電壓型變頻器,有時(shí)減頻過(guò)快時(shí),變頻器會(huì)發(fā)生過(guò)壓保護(hù),報(bào)警。 利用利用PWMPWM可逆整流器實(shí)現(xiàn)電壓型變頻器的可逆整流器實(shí)現(xiàn)電壓型變頻器的再生制動(dòng)再生制動(dòng): : 對(duì)倒發(fā)電制動(dòng)能量的處理方式,最理想的方向是將整流器改為PWM可逆整流,既可以整流,又可以有源逆變,將DC側(cè)能量逆變到電網(wǎng),但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。還可以與原整流器反并聯(lián)另一組三相逆變橋,令其工作于有源逆變狀