交交变频完成

武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书 1 交-交变频调速装置的设计 1. 概论 大功率交交变频调速是本世纪 70-80 年代发展起来的新技术，正在逐步 取代传统的大功率直流调速。本设计详细介绍了交交变频调速技术的原理， 主电路和控制电路，以及它们的设计计算方法。 本设计先概述交交变频调速的特点、应用范围，然后分别介绍单相交交 变频器的电路构成和原理、及控制方法；最后介绍三相交交变频器的组成， 接线方式以及输入输出特性。 交流电动机比直流电动机结构简单，成本低，维修方便，但由于变频装 置昂贵及交流调速性能差，长期以来在调速领域；里一直是直流传动占统治 地位。 近年来，随着电力电子技术的发展，情况有了变化，与直流调速相比， 交流调速用变频装置增加的成本已能被采用交流电动机而节约的成本所补 偿，采用矢量控制后，交流调速的性能也能做到和直流一样，因此在许多直 流调速的领域出现了以交流调速取代直流调速的趋势。 1.1 交流调速传动的特点 1）交流调速结构简单，因此有可能与机械合为一体，形成机电一体化产 品，大大简化机械结构，减小体积和重量，提高可靠性。 2 ）成本方面，交流调速的功率装置（变频器与电网补偿装置）和控制装 置比直流调速的功率装置（整流器与补偿装置）和控制装置贵，但它的电动 机便宜。 3 ）减小维修工作量，减少停机时间，提高产量。 4 ）减小电机的转动惯量，提高系统动态性能。 5 ）可以突破直流电动机的功率，速度极限，为设备提供更大的动力，从 而提高产量。 6 ）交流电动机比直流电动机减少损耗和了冷却水约 50，所以更节能节 水。 武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书 2 1.2 交流调速传动的应用范围 交流调速用的变频器种类很多，按使用的电力电子器件及其关断方式分 为如下三类 1 ）自关断类 使用全控型电力电子器件，例如大功率晶闸管，可关断晶 闸管，功率场效应晶体管，绝缘栅双极晶体管等。 2 ）强制关断类 使用半控型电力电子器件普通晶闸管，靠换相电容 的充放电来关断已导通器件。 3 ）自然换相类 使用半控型电力电子器件普通晶闸管，利用电源或 负载的交流电压来关断已导通器件。 自关断类受器件限制，目前功率还不能做的太大，强制关断类功率受换 相电容的换相能力限制，对于大功率变频器来说，只有自然换相类适用，因 为普通晶闸管功率大，价格便宜，自然换相工作可靠。 自然换相的大功率变频器又可分为两类 交交直接变频器和交直交间接 变频器。 本设计研究的即为交交直接变频器。 2. 交交直接变频调速传动的基本内容 交交直接变频器由三组可逆整流器组成，若三个移相信号是一组频率和 幅值可调的三相正弦信号，则变频器输出相应的三相交流电压，实现变频。 该变频器的特点是 1原理基于可逆整流，工作可靠，可以直接套用成熟的直流可逆调速的 技术、经验和装置。 2流过电动机的电流近似于三相正弦，附加损耗小，脉动转矩小，电动 机属普通交流电机类，价格较便宜。 3当电源为 50Hz时，最大输出频率不超过 20Hz，电动机最高转速小于 600r/min。 4主回路较复杂，器件多（桥式线路需 36 个晶闸管） ，小容量时不合算。 交交变频调速用于大功率 （500kW以上或 1000kW7以上） ， 低速 （600r/min 武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书 3 以下）场合。 交交变频调速用电动机属普通电动机类，因为定子电流波形接近正弦， 变频装置对定子电感无特殊要求，但与标准的系列电动机相比仍有区别。 3. 单相交交变频器基础 3.1单相交交变频器原理 单相输出的交交变频器电路原理图如图 1 。 图 1 单相交交变频电路原理图 它实际上是一套三相桥式无环流反并联的可逆整流装置。 装置中工作晶 闸管的关断通过电源交流电压的自然换相实现，如果处罚装置的控制型号 st U是直流信号，变频器的输出电压也是直流；若 st U是交流信号，相应变 频器的输出电压也是交流， 实现变频。由于这种变频器无中间直流环节， 故 称为交交直接变频。 电路有 P 组和 N 组反并联的晶闸管变流电路构成。 变流器 P 和 N 都是相 控整流电路，P组工作时，负载电流 o i为正，N组工作时， o i为负。让两组 变流器按一定评论交替工作， 负载就得到该频率的交流电。 改变两组变流器 的切换频率，就可以改变输出频率 o 。改变变流电路工作时的触发延迟角 L1 L2 L3 武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书 4 α ，就可以改变交流输出电压的幅值。 为了使输出电压 o u的波形接近正弦波，可以按正弦规律对触发延迟角 α 进行调制。如图 2 ，波形所示，可在半个周期内让正组变流器 P 的α 按正 弦规律从 90逐渐减小到 0 或某个值，然后再逐渐增大到 90。这样， 每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零逐渐增至最高， 在逐渐降 低到零，如图 2 中虚线所示。另外半个周期可对变流器 N 进行同样的控制。 图 2 单相交交变频电路输出电压波形 图 2 的波形图是变流器 P 和 N 都是三相半波可控电路时波形。可以看 出，输出电压 o u并不是平滑的正弦波，而是由若干段电源电压拼接而成。 在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近 正弦波。 因此， 交交变频电路通常采用 6 脉波的三相桥式电路或 12 脉波变 流电路。 3.2单相交交变频电路工作状态 如果考虑到无环流工作方式下负载电流过零的正反组切换死区时间， 一周期的波形可分为 6段，第一段 o i0,为反组逆变；第二段电流 过零，为切换死区；第三段 o i0、 o u0，为正组整流；第四段 o i0、 o u0， 为正组逆变；第五段又是切换死区；第六段 o i0、 o u0，为反组整流。 当输出电压和电流的相位差小于 90时，一周期内电网向负载提供能 量的平均值为正，若负载为电动机，则电动机工作在电动状态；当二者香 武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书 5 味差大于 90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，即电网吸 收能量，电动机工作在发电状态。 在每个输出周期中有两次电流过零，无环流死区时间的长短对输出波 形影响很大，例如输出频率为 20Hz，一个周期长 50ms,若使用通常用于可 逆直流传动的无环流控制线路，死区时间约 6ms，两次过零总死区时间 12ms，在 20Hz中所占的比例太大， 使得输出电流谐波及转矩脉动大， 变频 器出力下降。 对于输出频率接近20Hz的交交变频去， 要求无环流死区时间 小于 2ms，需采用快速无环流控制线路。若使用有环流可逆控制线路，将 死区时间降至零，可提高交交变频器最高输出频率一倍左右，但主回路设 备增加。 3.3 输出正弦波电压的调制方法 通过不断改变触发延迟角α ， 使交交变频电路的输出电压波形基本为 正弦波的调制方法有多种。这里主要介绍最基本的余弦交点法。 设 0d U为α 0 时整流电路的另想空载电压， 则触发延迟角为α 时变流 电路的输出电压为 cosUu 0do 3-1 对交交变频电路来说，每次控制时α 都是