交流电机变频调速讲座(陈伯时)第二讲

1 交流电机变频调速讲座 Lectures on Variable Frequency Speed Control of AC Machines 上海大学陈伯时 第二讲静止式变压变频器（-2） Static VVVF Converters 为了实现异步电动机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电 源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。最早的VVVF装置是旋转变频机组，即由直流电动机 拖动交流同步发电机构成的机组，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出的电压和 频率。自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组便逐渐被淘汰，并形成了一系列 通用型的静止式变压变频装置。 2.1静止式变压变频器的主要类型 2.1.1交-直-交和交-交变压变频器 从整体结构上看，静止式的电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。 (1) 交-直-交变压变频器 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流(可控电压或恒压)，再通 过逆变器变换成可控的交流(只控制频率或同时控制频率和电压)，如图2-1 所示。 图 2-1交-直-交（间接）变压变频器 由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所 以又称间接式的变压变频器。 具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由全控 型功率开关器件(P-MOSFET，IGBT等)组成的脉宽调制(PWM)逆变器，简称PWM 变压变频器， 如图2-2所示。 图 2-2交-直-交PWM 变压变频器 2 C——滤波电容 PWM 变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点： 1) 在主电路整流和逆变两个变流单元中，只有逆变单元是可控的，采用全控型的功率 开关器件，通过驱动电压脉冲进行控制，可同时调节变频器的输出电压和频率，结构简单， 效率高。 2) 输出电压波形虽然是一系列的脉冲波，但由于采用了恰当的PWM 控制技术，正弦基 波的比重较大，影响电动机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，稳态性能好， 调速范围宽。 3) 逆变器同时实现调压和调频，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响， 动态性能较高。 4) 采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较可控整流器高，且不受逆变器输出 电压高低的影响。 PWM 变压变频器常用的全控型功率开关器件有：P-MOSFET（小容量）、IGBT（中、小容 量 ）、GTO、IGCT、IEGT（大、中容量）等。受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大 容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（SCR） ， 即用可控整流器调压和逆变器 调频的交-直-交变压变频器，见图2-3。 （须删去图中逆变器方框内的“六拍”二字） 图 2-3可控整流器调压、逆变器调频的交-直-交变压变频器 (2) 交-交变压变频器 交-交变压变频器的结构如图2-4 所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的 交流电源直接变换成VVVF 的输出，因此又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能， 也称作周波变换器（Cycloconverter）。 图 2-4交-交(直接)变压变频器 常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并 联的可逆线路，也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路(图2- 5a)。正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u0，u0的幅值决定 于各组可控整流装置的控制角α，u0的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控 制角α一直不变，则输出平均电压是方波，如图2-5b 所示。要获得正弦波输出，就必须在 每一组整流装置导通期间不断改变其控制角，例如，在正向组导通的半个周期中，使控制角 α由π/2 （对应于平均电压u0=0） 逐渐减小到0（对应于u0最大）， 然后再逐渐增加到π/2(u0 再变为0），如图2-6所示。当α角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中虚 线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。 3 a）每相可逆线路b）方波型平均输出电压波形 图 2-5交-交变压变频器每一相的可逆线路及方波输出电压波形 图 2-6交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形 交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单， 但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系统中常用的可 逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟。 这类交-交变频器的其它缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因 此须配置滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的1/3~1/2，一般主要用于 轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统。由这类变频器给低速电动 机供电进行直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。 近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，采用PWM 控制方 式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，输出频率不受限制，能量 可双向流动，以获得四象限运行。但当输出电压必须接近正弦波时，最大输出输入电压比一 般只有0.866，现在已有电压比更高的研究成果。 2.1.2电压源型和电流源型逆变器 在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电 压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。图2-7绘出 了电压源型和电流源型逆变器的示意图。在图2-7a 中，直流环节采用大电容滤波，直流电 压波形比较平直，输出交流电压是矩形波或阶梯波，称为电压源型逆变器（VSI，Voltage Source Inverter），或简称电压型逆变器。在图2-7b 中，直流环节采用大电感滤波，直流 电流波形比较平直，输出交流电流是矩形波或阶梯波，叫做电流源型逆变器（CSI，Current Source Inverter），或简称电流型逆变器。 图 2-7电压源型和电流源型逆变器示意图 4 a）电压源型b）电流源型 两类逆变器的主电路虽然只有滤波环节不同，性能上却有明显的差异，主要表现如下： 1) 能量的回馈。用电流源型逆变器给异步电动机供电的电流型变压变频调速系统有一 个显著的特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和 经常正、反转的生产机械。采用电压型的交-直-交变压变频调速系统要实现回馈制动和四 象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容箝制着电压的极性，不可能迅速反向， 而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。必须 制动时，只能在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与整流器反并联一组反向的可控 整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这样做，设备 要复杂得多。 2) 动态响应。正由于交-直-交电流型变压变频调速系统的直流电压极性可以迅速改变， 所以动态响应比较快，电压型系统采用PWM 控制时也能获得较快的动态响应。