機(jī)電傳動(dòng)控制第12章交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)

第12章交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)掌握交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的基本原理及主要方法;了解電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)的原理和性能;掌握線繞式異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速的原理,特性和應(yīng)用領(lǐng)域;了解變頻調(diào)速系統(tǒng)的分類及其基本原理,特性和應(yīng)用范圍.長(zhǎng)期以來，在電動(dòng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中，直流調(diào)速方案一直占主要地位。60年代以后，隨著電力電子學(xué)與電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，特別是70年代以來，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，為交流電力傳動(dòng)的進(jìn)一步開發(fā)創(chuàng)造了有利的條件。在實(shí)際應(yīng)用中，由于交流調(diào)速技術(shù)不僅具有優(yōu)良的調(diào)速性能，而且還帶來節(jié)約能源與占地面積、減少維護(hù)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在大容量或工作于惡劣環(huán)境時(shí)，更為直流拖動(dòng)所不及。因此，了解和掌握交流調(diào)速的原理和方法，熟悉交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展，已經(jīng)成為從事電力拖動(dòng)與控制的人們十分關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域。交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法

交流電動(dòng)機(jī)有同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)兩大類。同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速靠改變供電電壓的頻率來改變其同步轉(zhuǎn)速；異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法，從利用晶閘管控制技術(shù)來看有：控制加于電機(jī)定子繞組的電壓——調(diào)壓調(diào)速；控制附加在轉(zhuǎn)子回路的電勢(shì)——串級(jí)調(diào)速；控制定子的供電電壓與頻率——變頻調(diào)速；無換向器電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)等幾種方法。由于交流調(diào)速技術(shù)不僅具有優(yōu)良的調(diào)速性能，而且還帶來節(jié)約能源、減少維護(hù)費(fèi)用、節(jié)約占地面積等優(yōu)點(diǎn)，是調(diào)速技術(shù)發(fā)展的方向。10.1晶閘管交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)由異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性方程可知，異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，因此，改變異步電動(dòng)機(jī)的定子電壓也就是改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩及機(jī)械特性，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這是一種比較簡(jiǎn)單而方便的方法。一、采用晶閘管的交流調(diào)壓電路晶閘管交流調(diào)壓電路與晶閘管整流電路一樣，也有單相與三相之分。1.單相交流調(diào)壓電路單相晶閘管交流調(diào)壓電路的種類很多，但應(yīng)用最廣的是反并聯(lián)電路。現(xiàn)以此電路為代表分析它帶電阻性負(fù)載及電感性負(fù)載的工作情況。如圖10.1所示為單相交流反并聯(lián)電路及其帶電阻性負(fù)載時(shí)的電壓電流波形圖。由圖可見：不斷重復(fù)觸發(fā)VS1、VS2，負(fù)載上便得到正負(fù)對(duì)稱的交流電壓。改變晶閘管控制角的大小，就可以改變負(fù)載上交流電壓的大小。對(duì)于電阻性負(fù)載其電流波形與電壓波形同相。如果晶閘管調(diào)壓電路帶電感性負(fù)載（如異步電動(dòng)機(jī)），其電流波形由于電感上電流不能突變而有滯后現(xiàn)象，其電路和波形如圖10.2所示。由于電感性負(fù)載中電流的波形滯后于電壓的波形，因此，當(dāng)電壓過零變?yōu)樨?fù)值后電流經(jīng)過一個(gè)延遲角才能降到零，從而晶閘管也要經(jīng)過一個(gè)延遲角才能關(guān)斷。延遲角的大小與控制角、負(fù)載功率因數(shù)角都有關(guān)系，這一點(diǎn)和單相整流電路帶電感性負(fù)載相似。2.三相交流調(diào)壓電路工業(yè)中常用的異步電動(dòng)機(jī)都是三相的，因此晶閘管交流調(diào)壓電路大都采用三相交流調(diào)壓電路。將三對(duì)反并聯(lián)的晶閘管（或三個(gè)雙向晶閘管）分別接至三相負(fù)載就構(gòu)成了一個(gè)典型的三相交流調(diào)壓電路。負(fù)載可以是Y形連接，也可以是形連接，Y形接法的電阻性負(fù)載如圖10.3所示。三相交流調(diào)壓電路的分析與單相電路的分析大同小異,但必須注意它的特殊性。為保證輸出電壓對(duì)稱并有相應(yīng)的控制范圍，首先要求觸發(fā)信號(hào)必須與交流電源有一致的相序和相位差。其次是在感性負(fù)載或小導(dǎo)通角情況下，為了確保晶閘管可靠觸發(fā)，如同三相全控橋式整流電路一樣，要求采用控制角大于的雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)電路。2.異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)1．異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速特性如圖10.4所示為異步電動(dòng)機(jī)改變定子電壓時(shí)的一組機(jī)械特性曲線。在某一負(fù)載的情況下，將穩(wěn)定工作于不同的轉(zhuǎn)速[如圖(a)中a,b,c三點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速]。由圖可見，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)如下：

1）異步電動(dòng)機(jī)在輕載時(shí)，即使外加電壓變化很大，轉(zhuǎn)速變化也很小。即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍不大；

2）異步電動(dòng)機(jī)在重載時(shí)，如果降低供電電壓，則轉(zhuǎn)速下降很快，甚至停轉(zhuǎn)，從而引起電動(dòng)機(jī)過熱甚至燒壞；

3）如果要使電動(dòng)機(jī)能在低速段運(yùn)行（如點(diǎn)d），一方面?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，另外，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的降低會(huì)引起轉(zhuǎn)子電流相應(yīng)增大，可能引起過熱而損壞電動(dòng)機(jī)。2.異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)

所以，為了使電動(dòng)機(jī)能在低速下穩(wěn)定運(yùn)行又不致過熱，要求電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組有較高的電阻。對(duì)于籠型異步電動(dòng)機(jī)，可以將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的鼠籠由鑄鋁材料改為電阻率較大的黃銅條，使之具有如圖(b)所示的機(jī)械特性。即使這樣，調(diào)速范圍仍不大，且低速時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定性不好，不能滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。2.異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)2．異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)為了既能保證低速時(shí)的機(jī)械特性硬度，又能保證一定的負(fù)載能力，一般在調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)里采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖10.5所示。1）晶閘管交流調(diào)壓系統(tǒng):

2）速度調(diào)節(jié)過程如下：3）特點(diǎn)：只要能平滑地改變定子電壓，就能平滑調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；加轉(zhuǎn)速負(fù)反饋后，低速的特性較硬，調(diào)速范圍亦較寬。3.異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速時(shí)的損耗及容量限制轉(zhuǎn)差功率：傳到轉(zhuǎn)子上的電磁功率與轉(zhuǎn)子軸上產(chǎn)生的機(jī)械功率之差叫損耗功率，也叫轉(zhuǎn)差功率。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子具有不同的速度，因此，轉(zhuǎn)差功率為：3.異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速時(shí)的損耗及容量限制由上可見：

1)轉(zhuǎn)差功率的大小由轉(zhuǎn)差率S決定；

2)這個(gè)轉(zhuǎn)差功率,它將通過轉(zhuǎn)子導(dǎo)體發(fā)熱而消耗掉；

3)在調(diào)壓調(diào)速中，如果工作在低速狀態(tài)，S將較大，即轉(zhuǎn)差功率很大，所以，這種調(diào)壓調(diào)速方法不太適合于長(zhǎng)期工作在低速的工作機(jī)械，如要用于這種機(jī)械，電動(dòng)機(jī)容量就要適當(dāng)選擇大一些。3.異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速時(shí)的損耗及容量限制另外，如果負(fù)載具有轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速降低而減小的特性（如通風(fēng)機(jī)類型的工作機(jī)械），則當(dāng)向低速方向調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)矩減小，電磁功率及輸入功率也減小，從而使轉(zhuǎn)差功率較恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)小得多。因此，定子調(diào)壓調(diào)速的方法特別適合于通風(fēng)機(jī)及泵類等機(jī)械。10.2線繞式異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)線繞式異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法及特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子電路串接電阻——電阻上消耗大量的能量，速度越低損耗越大轉(zhuǎn)子電路串接電勢(shì)——把電阻上的能量加以利用，從而獲得比較經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行效果。為了利用這部分能量，在轉(zhuǎn)子電路中增加了一套交流裝置。這樣，就構(gòu)成了由異步電動(dòng)機(jī)和交流裝置共同組成的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。一、串級(jí)調(diào)速的一般原理異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速，就是在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路內(nèi)引入附加電勢(shì)，以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。引入電動(dòng)勢(shì)的方向，可與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)方向相同或相反，其頻率則與轉(zhuǎn)子頻率相同。1．原理為什么在轉(zhuǎn)子回路中改變的幅值大小和相位，就能調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高低呢？當(dāng)轉(zhuǎn)子電路中未引入附加電勢(shì)時(shí)，轉(zhuǎn)子電流為

=一、串級(jí)調(diào)速的一般原理當(dāng)引入與轉(zhuǎn)子電勢(shì)頻率相同而相位相反的附加電勢(shì)后，轉(zhuǎn)子電流將由下式表示：如果電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速仍在原來的數(shù)值上,即S值未變動(dòng),則串入附加電勢(shì)后，轉(zhuǎn)子電流必然減小，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也隨之減小，當(dāng)小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不得不減小下來。一、串級(jí)調(diào)速的一般原理隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減小，（）的數(shù)值不斷增大，轉(zhuǎn)子電流也將增加。當(dāng)增加到使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩又重新等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩后，電動(dòng)機(jī)又穩(wěn)速運(yùn)行。但此時(shí)的轉(zhuǎn)速已較原來的轉(zhuǎn)速為低，這樣就達(dá)到了調(diào)速的目的。串入的附加電勢(shì)愈大則轉(zhuǎn)速降低愈多，這就是向低于同步轉(zhuǎn)速方向調(diào)速的原理。同理，如果引入一個(gè)相位相同的附加電勢(shì)，則可以得到所謂超同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速，2．系統(tǒng)框圖目前，國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，如圖10.6所示。

圖中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組端接進(jìn)一個(gè)不可控的整流器，這樣，為實(shí)現(xiàn)調(diào)速而串入的附加電勢(shì)就可以采用可調(diào)直流電源。當(dāng)=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)在接近于額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，若改變的大小就可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

二、串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性由圖可見，串級(jí)調(diào)速時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與直流電動(dòng)機(jī)的特性很相似。由特性可知，若引入的附加電勢(shì)愈大，則n0愈小，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速愈低。如果用負(fù)值代入，則可以得到當(dāng)附加電勢(shì)與轉(zhuǎn)子電勢(shì)同相位時(shí)的機(jī)械特性。三、晶閘管串級(jí)調(diào)速的基本原理由于采用串級(jí)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)具有類似他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的硬機(jī)械特性，因此，在調(diào)速精度要求不高的場(chǎng)合，可以直接采用開環(huán)控制。但是，如果想要得到高精度的調(diào)速，則應(yīng)采用帶速度負(fù)反饋的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。其典型結(jié)構(gòu)與VS-M自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)相似，也包括有電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器及電流和速度反饋環(huán)節(jié)。三、晶閘管串級(jí)調(diào)速的基本原理典型線路如圖10.8所示。

圖10.8串級(jí)調(diào)速的典型線路圖三、晶閘管串級(jí)調(diào)速的基本原理圖中，線繞轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)子電壓經(jīng)不可控整流電路轉(zhuǎn)換為直流電壓，經(jīng)平波電抗器、再由晶閘管逆變器將該直流電壓逆變?yōu)榻涣?，有的?jīng)變壓器，有的直接反饋給交流電網(wǎng)。經(jīng)逆變后的電壓可視為加到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的電勢(shì)。改變逆變器中晶閘管的逆變角β，就可以改變附加電勢(shì)的大小，從而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速。三、晶閘管串級(jí)調(diào)速的基本原理異步電動(dòng)機(jī)的晶閘管串級(jí)調(diào)速與直流電動(dòng)機(jī)晶閘管整流調(diào)速相比，無論從機(jī)械特性上或者從動(dòng)態(tài)特性上以及調(diào)速系統(tǒng)組成上都有很多相似之處。對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，改變晶閘管的控制角以改變整流電壓，可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（例如增加控制角，降低電壓，降低轉(zhuǎn)速），而串級(jí)調(diào)速是通過改變晶閘管的逆變角即逆變電壓，從而改變轉(zhuǎn)差率來調(diào)速的（例如逆變角增加，轉(zhuǎn)差率下降，轉(zhuǎn)速上升）。因此，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法，也可以參考直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的方法。三、晶閘管串級(jí)調(diào)速的基本原理晶閘管串級(jí)調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、效率高（因轉(zhuǎn)差功率可反饋電網(wǎng)）、便于向大容量發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，是很有發(fā)展前途的繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法。它的應(yīng)用范圍很廣，適用于通風(fēng)機(jī)負(fù)載，也適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。其缺點(diǎn)是功率因素較差?，F(xiàn)采用電容補(bǔ)償?shù)却胧构β室蛩赜兴岣摺?0.3晶閘管變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻調(diào)速——通過改變電動(dòng)機(jī)定子供電頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。在調(diào)速過程中，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差功率，因而，具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能?？梢哉J(rèn)為，變頻調(diào)速是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速最有發(fā)展前途的一種方法。一、變頻調(diào)速的原理由可知:改變定子電源頻率可以改變同步轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。又由異步電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)公式可知,外加電壓近似與頻率和磁通的乘積成正比,若外加電壓不變，頻率降低，磁通增加,將造成電動(dòng)機(jī)的磁路過飽和，導(dǎo)致勵(lì)磁電流的增加而引起鐵心過熱。因此降頻的同時(shí)最好降壓，即頻率與電壓能協(xié)調(diào)控制，亦即必須與成比例地變化。即保持U/f=定值.一、變頻調(diào)速的原理在恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速系統(tǒng)中，，保證調(diào)速過程中電動(dòng)機(jī)的過載能力保持不變，同時(shí)，可滿足磁通Φ基本不變的要求。在恒功率調(diào)速中，，調(diào)速過程中電動(dòng)機(jī)的過載能力能保持不變，但電動(dòng)機(jī)的過載能力將在調(diào)速過程中改變。在異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，為了得到更好的性能，可以將恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速與恒功率調(diào)速結(jié)合起來。一、變頻調(diào)速的原理變頻調(diào)速系統(tǒng)分為兩大類。二、交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)在交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)，首先將電網(wǎng)中的交流電整流成直流電，再通過逆變器將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電。如圖10.9所示為電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理圖二、交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)二、交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)中，晶閘管整流、移相觸發(fā)電路、脈沖放大器、電壓及速度負(fù)反饋環(huán)節(jié)的電路和原理與直流調(diào)速系統(tǒng)相同。脈沖發(fā)生器電路：將給定信號(hào)和反饋信號(hào)的差值變換為頻率與電壓大小成正比的脈沖信號(hào)；環(huán)行計(jì)數(shù)器：實(shí)質(zhì)是一個(gè)脈沖分配器，它把來自頻率發(fā)生器的脈沖6個(gè)（或12個(gè)）一組依次分配，經(jīng)脈沖放大器后，順序觸發(fā)逆變器的6只晶閘管來實(shí)現(xiàn)逆變。觸發(fā)脈沖的頻率（即逆變電路輸出電壓的頻率）與頻率發(fā)生器的輸出頻率成正比。二、交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)頻率/電壓（F/V）變換器：是為了實(shí)現(xiàn)電壓與頻率的協(xié)調(diào)控制。因?yàn)樽冾l的同時(shí)需調(diào)壓。頻率/電壓（F/V）變換器把脈沖信號(hào)變換成與頻率成正比的電壓信號(hào)。晶閘管整流電路和逆變電路：逆變器的輸入電壓是整流電路的輸出電壓整流電路的輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，逆變器輸出交流電壓的正負(fù)峰值將隨之發(fā)生變化。二、交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)圖10.10電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)的主回路二、交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)電路的工作原理：由上可知：當(dāng)給定增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸入電壓的頻率和電壓同時(shí)增加。用同樣的方法可分析，當(dāng)給定減小時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸入電壓的頻率和電壓同時(shí)減小。即改變頻率的同時(shí)也改變電壓的大小，調(diào)節(jié)電路的參數(shù)，可調(diào)節(jié)電壓與頻率的比值。三、交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)交-交變頻是直接將固定頻率和電壓的交流電變成頻率和電壓均可調(diào)的交流電，而不經(jīng)過中間直流環(huán)節(jié)，故也稱為直接變頻。交-交直接變頻除了用于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速外，也可用于變頻交流電源。如用直接變頻器可以將單相交流電變換為兩相及三相交流電，亦可以將高頻電源變?yōu)榈皖l電源等。現(xiàn)以單相-單相直接變頻電路來說明交-交變頻的原理。三、交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)1、交流調(diào)壓電路如圖10.11為兩種不同的交流整流電路。三、交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)圖10.11（a）所示為共陰極全波整流電路，改變VS1和VS2的控制角，即可在負(fù)載上獲得可調(diào)的上正下負(fù)的直流輸出電壓如右圖所示。圖10.11（b）所示是將兩個(gè)晶閘管改接成共陽極的接法，則可獲得下正上負(fù)的直流輸出電壓如右圖所示。如果將共陰極和共陽極兩種整流線路綜合起來，采用兩組反并聯(lián)的可控整流電路，就構(gòu)成了交流調(diào)壓調(diào)頻電路如圖10.12左圖所示。三、交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)三、交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)改變四個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序和控制角的大小可得到不同頻率和電壓的交流輸出電壓如右圖所示。根據(jù)交-交變頻器其輸出電壓的波形，可以分為方波型及正弦波型兩種。圖10.13給出了三相方波型交-交變頻器的主電路。三、交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)三、交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)它的每一相由兩組反并聯(lián)的三相零式整流電路組成，圖中Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ為正組，Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ為反組。各組導(dǎo)通時(shí)間為T/3（T為輸出電壓的周期），每組依次相隔T/6導(dǎo)通，同一時(shí)刻有一個(gè)正組和一個(gè)反組導(dǎo)通。三、交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)2、交-交變頻系統(tǒng)交-交變頻系統(tǒng)控制電路的框圖如圖10.14所示。三、交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)圖中給定信號(hào)經(jīng)電壓/頻率變換轉(zhuǎn)換成與給定信號(hào)成比例的脈沖信號(hào)，然后經(jīng)環(huán)行分配器分頻，依次形成相差T/6、持續(xù)時(shí)間為T/3的選組脈沖。選組脈沖規(guī)定了什么時(shí)間允許哪組晶閘管工作。與此同時(shí)，給定信號(hào)被變換成與之相應(yīng)的移相脈沖，從而決定每組晶閘管導(dǎo)通的次序及控制角α的大小。移相脈沖與選組脈沖經(jīng)邏輯電路確定了每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻，低速時(shí)為了補(bǔ)償定子的壓降，引入了函數(shù)發(fā)生器以適當(dāng)提高電壓。三、交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)在異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，常用的是正弦型交-交變頻器。其目的是使每組整流器的輸出平均電壓隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化。電路的型式實(shí)質(zhì)上是由兩組反并聯(lián)的可控整流器所組成，和直流可逆系統(tǒng)不同之處僅僅是α角需不斷調(diào)制，使輸出平均電壓為正弦波。交-交變頻調(diào)速與交-直-交變頻調(diào)速相比，其優(yōu)點(diǎn)是：節(jié)省了換流環(huán)節(jié)，提高了效率；在低頻時(shí)波形較好，電動(dòng)機(jī)諧波損耗及轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)大大減小。其缺點(diǎn)是：最高頻率受電網(wǎng)頻率的限制，且主回路元件數(shù)量多。故一般適用于低速、大容量的場(chǎng)合，如球磨機(jī)、礦井提升機(jī)、電力機(jī)車及軋機(jī)的傳動(dòng)。2變頻調(diào)速系統(tǒng)的分類

1)交-直-交變頻調(diào)速(1)從換流電路型式分類:串級(jí)電感式;串級(jí)二極管式;帶輔助晶閘管(180°通電型);帶輔助晶閘管(120°通電型).(2)從直流電源分類:型式電壓型;電流型.(3)從調(diào)壓方式分類:相位控制晶閘管整流;晶閘管直流開關(guān);脈沖寬度調(diào)制型.2)交-交變頻調(diào)速(1)從相數(shù)分類:單相-單相;三相-三相.(2)從連接方式分類:反并聯(lián)整流電路;交叉連接整流電路.(3)從有無環(huán)流分類:有環(huán)流;無環(huán)流.3交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)

1)電壓型變頻器(1)電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

(2)

典型電壓型變頻器

典型電壓型變頻器主電路:逆變器與整流器的中間環(huán)節(jié)采用電容濾波，類似于電壓源。二極管的作用是將電動(dòng)機(jī)的無功功率反饋給濾波電容，以提高逆變器換流工作的穩(wěn)定性。電壓型變頻器主電路工作原理以A相為例來說明逆變器的換流原理，其中，VS1和VS2為主晶閘管，VS1和VS2為輔助換流晶閘管，作為L(zhǎng)C振蕩電路的充放電開關(guān)。換流時(shí)，主晶閘管的關(guān)斷是靠觸發(fā)輔助換流晶閘管來實(shí)現(xiàn)的，而輔助晶閘管本身的關(guān)斷則是由LC串聯(lián)諧振電路中的電流反向來實(shí)現(xiàn)的。

2)電流型變頻器電流型變頻器電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是中間環(huán)節(jié)采用電抗器濾波，類似于電流源。電流型變頻器的發(fā)展稍晚于電壓型變頻器。由于電流型變頻器的許多優(yōu)點(diǎn)，從而在交-直-交脈沖強(qiáng)迫換流(或稱強(qiáng)迫換相)的變頻器中，受到越來越多的重視。

(1)系統(tǒng)方框圖(2)串聯(lián)二極管式電流型變頻器主電路分析由晶閘管整流器、直流濾波電抗器及逆變器三部分組成，由于中間環(huán)節(jié)采用電抗器濾波，從而使輸出電流比較平直，為矩形波。在強(qiáng)迫換流電路中，C為換向電容，它的作用是給欲關(guān)斷的晶閘管施以反向電壓，以使其強(qiáng)迫關(guān)斷。V為隔離二極管，是為了防止充電電壓經(jīng)負(fù)載放掉，使換流電路與負(fù)載之間隔離。由于隔離二極管與主晶閘管相串聯(lián)，因此，稱為二極管式換流電路。4.脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)

1)工作原理

脈沖寬度調(diào)制型(又稱PWM型)變頻器也是一種交-直-交變頻器。常采用電壓型逆變器，其基本原理是控制逆變器開關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間比(即保持脈沖幅值不變調(diào)節(jié)脈沖寬度)來控制交流電壓的大小和頻率。恒幅脈寬調(diào)制型變頻器如圖所示.調(diào)速系統(tǒng)由二極管整流橋和逆變器組成。通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的脈沖寬度和輸出電壓的頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓.2)準(zhǔn)正弦波脈寬調(diào)制變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

(1)控制系統(tǒng)圖(2)各點(diǎn)波形

(m—調(diào)制系數(shù)N—半周內(nèi)的脈沖數(shù))

3)速度閉環(huán)SPWM型變頻調(diào)速系統(tǒng)

PWM型變頻器的電路有多種，將一般PWM系統(tǒng)或準(zhǔn)正弦波脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)稱為SPWM系統(tǒng).SPWM系統(tǒng)大都采用開環(huán)控制，但在機(jī)械加工領(lǐng)域中，有時(shí)調(diào)速精度要求較高，這就需要實(shí)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)。在V/F變換器前，增加速度給定環(huán)節(jié)和速度負(fù)反饋元件即可。下圖所示為其簡(jiǎn)單框圖。

5交-交變頻調(diào)速

優(yōu)點(diǎn):無換流環(huán)節(jié),提高了效率;電動(dòng)機(jī)諧波損耗以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小.缺點(diǎn):主電路元件多;最高頻率受電網(wǎng)頻率的限制.應(yīng)用:球磨機(jī),電力機(jī)車,礦井提升機(jī)的傳動(dòng).交-交變頻是直接將固定頻率的交流電能變成所需頻率的電能，而不經(jīng)過中間直流環(huán)節(jié)，故也稱為直接變頻。直接變頻器能將單相交流電變換為兩相或三相交流電;能將高頻電源變換為低頻電源.1)單相-單相直接變頻電路

(a)共陰極接法主電路輸出電壓波形(b)共陽極接法主電路輸出電壓波形(c)反并聯(lián)接法主電路輸出電壓波形

2)三相方波型交-交變頻器分析

(1)主電路分析三相方波型交-交變頻器主電路的每一相由兩組反并聯(lián)的三相零式整流電路組成，1,3,5為正組，4,6,2為反組。各組導(dǎo)通時(shí)間為T/3(T為輸出電壓的周期)，每組依次相隔T／6導(dǎo)通，同一時(shí)刻有一個(gè)正組和一個(gè)反組導(dǎo)通。(2)控制電路分析給定信號(hào)經(jīng)電壓／頻率變換轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，然后經(jīng)環(huán)形分配器分頻，依次形成相差T／6、持續(xù)時(shí)間為T／3的選組脈沖,同時(shí)，給定信號(hào)被變換成與之相應(yīng)的移相脈沖，決定每組晶閘管導(dǎo)通的次序及控制角α的大小。移相脈沖與選組脈沖經(jīng)邏輯電路確定了每個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻,低速時(shí)為了補(bǔ)償定子的壓降，引入了函數(shù)發(fā)生器以適當(dāng)提高電壓。12.5異步電動(dòng)機(jī)矢量變換控制1矢量變換控制的基本原理矢量變換控制的基本思路，是以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為準(zhǔn)則，建立三相交流繞組電流、兩組交流繞組電流和在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)上的正交繞組直流電流之間的等效關(guān)系。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不一定非要三相不可，二相、四相……等任意的多相對(duì)稱繞組，通以多相平衡電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

將異步電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)相似進(jìn)行控制，就是將A、B、C三相異步電動(dòng)機(jī)矢量變換到按轉(zhuǎn)子磁通方向?yàn)榇艌?chǎng)定向并以同步速度旋轉(zhuǎn)的M-T直角坐標(biāo)系上，即進(jìn)行矢量的坐標(biāo)變換。可以像控制直流電動(dòng)機(jī)一樣去控制異步電動(dòng)機(jī)，以獲得優(yōu)越的調(diào)速性能。2坐標(biāo)變換與矢量變換任何在空間按正弦形式分布的物理量都可以用空間向量表示。經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo),可以得到三相／二相變換方程式。同樣經(jīng)過數(shù)學(xué)變換，亦可得到二相／三相反變換式。經(jīng)過矢量旋轉(zhuǎn)變換，可以將二相α、β繞組和直流M、T繞組之間進(jìn)行變換，這是一種靜止的直角坐標(biāo)系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系統(tǒng)之間的變換。實(shí)際的異步電動(dòng)機(jī)矢量變換控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式很多，并且在不斷地發(fā)展。將交流電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)加以控制，其控制系統(tǒng)也可以完全模擬直流電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，所不同的是其控制信號(hào)要從直流量變換到交流量，而反饋信號(hào)則必須從交流量變換成直流量。12.6無換向器電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)

無換向器電動(dòng)機(jī)或稱無整流子電動(dòng)機(jī)，是由一臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)和一套簡(jiǎn)單的逆變器組成.1.無換向器電動(dòng)機(jī)的原理和構(gòu)造

(1)結(jié)構(gòu):右圖為直流電動(dòng)機(jī)的磁極和電樞的結(jié)構(gòu);無換向器電動(dòng)機(jī)三相定子繞組示意圖(2)無換向器電動(dòng)機(jī)的工作原理從直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組和定子磁場(chǎng)之間的相互作用看，它們實(shí)際上是一臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)。這個(gè)同步電動(dòng)機(jī)和直流電源之間是通過換向器和電刷把它們聯(lián)系起來的.在直流電動(dòng)機(jī)中，電刷不僅起著引導(dǎo)電流的作用，而且由于電樞導(dǎo)體在經(jīng)過電刷所在位置時(shí)，其中的電流要改變方向，所以，電刷的位置決定著電動(dòng)機(jī)中電流換向的地點(diǎn)。也就是說，直流電動(dòng)機(jī)的電刷起著電樞電流換向位置的檢測(cè)作用。無換向器電動(dòng)機(jī)也是一臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)。只是普通直流電動(dòng)機(jī)中用的是一個(gè)機(jī)械接觸的逆變器——換向器，而無換向器電動(dòng)機(jī)中是用晶閘管(或晶體管)組成的逆變器來代替。所以，習(xí)慣上往往把這個(gè)半導(dǎo)體逆變器稱為晶閘管換向器，盡管兩者構(gòu)造不同，但它們起的作用卻是完全相同的。

2無換向器電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

當(dāng)勵(lì)磁磁通Φ和換流超前角γ0保持不變時(shí)，無換向器電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性公式為一直線方程式。調(diào)節(jié)直流電壓，即改變控制角α值，可以得到一組互相平行的機(jī)械特性曲線，其特性曲線與直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性十分相似。一般，無換向器電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性都比較硬，且有較寬的調(diào)速范圍，在開環(huán)控制時(shí)可以達(dá)到D=10～20的調(diào)速范圍。主電路及波形圖3

無換向器電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)下圖所示為典型的無換向器(交-直-交系統(tǒng))調(diào)速系統(tǒng)的框圖。假如電動(dòng)機(jī)原來作正向電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，在某一時(shí)刻觸發(fā)信號(hào)使A、Y導(dǎo)通。電動(dòng)機(jī)中的電流從a相端點(diǎn)流入，b相端點(diǎn)流出。如果改變電動(dòng)機(jī)電流方向，使它進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，則只要把觸發(fā)信號(hào)改為輸送到X、B即可，這時(shí)電流將由b相的端點(diǎn)流入，而自a相的端點(diǎn)流出。隨著電流方向的變反，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也將改變方向，使電動(dòng)機(jī)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)。典型無換向器調(diào)速系統(tǒng)框圖

無換向器電動(dòng)機(jī)本身的控制系統(tǒng)無換向器電動(dòng)機(jī)本身的控制系統(tǒng)，主要包括一個(gè)位置檢測(cè)器PS和一個(gè)γ脈沖分配器.γ脈沖分配器受調(diào)速系統(tǒng)邏輯