变频调速的基本控制方式和机械特性1(3-4).方案

AC DC DC
不控 整流
Chop
INV
AC
VV
VF
•不可控整流,PWM逆变器变压变频。 PWM——Pulse Width Modulation pf较高 ,PWM逆变谐波可以做得比较小 ,前面的缺 点得到解决。一般不用 SCR, 而是采用快速全控器 件 ,VV-VF 都由 INV 完成， Ud 基本不变。它是当前应 用最为广泛的一种结构形式，后面重点讲。
+
Ud -
Ld
INV
实用中,两电解电容串联,以提高耐压,需加均压电 阻。C除滤波作用外,还起着能量缓冲作用,比如在 电机再生发电时,机械能反送(整流)到直流侧,C的 贮能作用可防止Ud过高损坏器件。也可用LC滤波。
+
-
Ud
Ld
Id
INV
CSI: 直流环节采用大电感滤波 , 对 DC 侧电 流起平波作用 , 内阻抗很大 , 对负载来说基 本上是一个恒流源 Id,输出给电机电流是矩 形波或阶梯波。随负载轻重不同 ,Id的大小 也不同,并非绝对恒流。惯性大，短时间内 近似恒流。 性能比较: 从主电路上看只是中间DC环节滤波器形 式不同,但却造成两类变频器性能上有相当 大的差异。
VT5 C VT2
ia
+ ua — ua =
ia
~
ub
~
uc
~
在无源逆变电路中，三相负载通常是感性负载， 无法实现负载换流，必须另加辅助换流电路来强迫 换流。串联二极管式晶闸管逆变器正是利用串联二 极管和接的换流电容作为附加电路来完成强迫换 流的。 在电机进入倒发电状态时，逆变器的工作状态 又一次发生逆转。电机发出三相交流电势，由于 CSI的6只晶闸管触发方式与三相全桥可控整流完全 相同，从而形成对三相交流电压的整流作用，使直 流侧Ud上负下正，Id从Ud的正端流出，供出能量,为 Ld充磁。电机发出的能量,通过P-N间电压的改变方 向,实现电机向直流侧的能量回馈。
本质上，该三相交流电源可以视作三相反电 势负载，考虑将电流 ia 的参考方向取反，如相量 图中虚线所示，则该“负载”电流比电压超前， 相当于容性负载，这正是有源逆变电路的SCR不需 要强迫换流的根本原因，实质上是利用了容性负 载换流。
+
—
Id EM
+ Ud ia + ua
—
VT1
A VT4
VT3 B VT6
I
R
V
E
+
Ud
Id
+
T>0 n
பைடு நூலகம்
M
P
整流 <900
3~
逆变
n<n0 电动
a Ⅱ 发电 b c
Ⅰ 电动
d
Ⅲ
电动
TL
Ⅳ 发电
若突然将f1减小, n0减小后,n惯性保持原速,对应 于b点,再生制动状态，制动减速,n减小,b-c段对应 T<0,在第Ⅱ象限,回馈制动阶段。继续减速是因为 T<TL,直到d点,T=TL平衡,以新的转速稳定运行。
M
P
+
在第Ⅱ象限倒发电状态 ,原来的CSI变成了整流 器作用,整流输出的电压平均值自然是上负下正。 第Ⅲ、Ⅳ象限运行 : 电机反转电动状态(Ⅲ), 再生制动时进入Ⅳ象限，这便是所谓的电机四象限 运行。
可见电流型变频器实现回馈制动时 , Id方向不 变(整流元件单导性 ),利用有源逆变来改变 Ud方向, 从而将再生能量回馈到电网。
•①无功能量的缓冲 变压变频调速系统的 负载是感性的,DC环节与电机之间除有功功 率传送外,还存在无功交换,电力电子器件 无法储能,无功能量只能靠DC环节作为滤波 器来缓冲能量,使它不致影响交流电网。主 要区别就在于以何储能元件,以何形式来来 缓冲无功能量,电压型以Ud电压形式,电流 型以Id电流形式。
§1.3 交-直-交变频器的分类及特点 一、交-直-交变频器的结构形式 AC-DC-AC变频器又称间接变频器,属于静止式变 频器(Stationary Converter）。滤波环节可采用支撑 电容或大电感。
DC AC AC
Rectifier
~50Hz CVCF
Filter
DC link
Inverter
•两种变流器的关系 从上述分析可见，电流型逆变器和三相全桥可控 整流器的工作状态，在一定条件下会发生彼此对调。 这两种变流器存在着很大的类似性。
以下从三相全桥可控整流电路的有源逆变到三相 电流型无源逆变的转换过程，看两种电路的相互 关系。
在有源逆变电路中，三相交流电源供出的功率 P 3U a I a cos <0 （ >900 ）即吸收功率。 为
④过流及短路保护 电压型不如电流 型易实现。 ⑤输出波形 电压型输出电流近正弦 ( 电压方波 ) ；电流型输出电压近正弦 (电流方波)。
§1.3节要点： •交直交变频器的结构类型及特点 , 各 如何实现VVVF。 •VSI和CSI的性能比较。
§1.4 交-直-交变频器的回馈制动 •异步电机再生制动的产生条件(n>n0)： 1) 位能性负载； 2) 变频器减频快而转子惯性大。 •逆变器的两种工作状态: 通常逆变器处于逆变状态 , 交流侧为电机提供 VVVF电源,设其电压为Vk(k=1,2,3)，即电机定子绕 组上所加电源电压(三相之一)。电机每相等效电路 中L1为定子绕组漏感,ek为旋转反电势。 在等效回路中,两个交流电源总是一个供出功率, 另一个吸收功率 , 取决于 ik与各电源的相位关系。 如同直流回路情况下,取决于I的方向。
DC
AC AC
+
不控 整流
PWM INV
VVVF
Ud
-
电压型逆变器一般都带有反馈二极管 , 使桥臂 功率开关为电流双向开关（逆导开关），将发 出的三相电势整流，为大电容充电 ( 电流方向 改变),实现了能量的缓存。
但回馈不到电网，只能使Ud升高,甚至可能Ud 过高到器件不允许的数值,故对电压型变频器, 有时减频过快时 , 变频器会发生过压保护 , 报 警。 利用 PWM 可逆整流器实现电压型变频器的 再生制动 : 对倒发电制动能量的处理方式 ,最 理想的方向是将整流器改为 PWM 可逆整流 , 既 可以整流 , 又可以有源逆变 , 将 DC 侧能量逆变 到电网,但结构复杂。还可以与原整流器反并 联另一组三相逆变桥 ,令其工作于有源逆变状 态,Ud对它而言为负,但投资高。
VVVF
为实现VVVF,分为四种结构: •可控整流调压,逆变器变频。
DC
AC
AC
可控整流
调压
INV
VVVF
调频
为保持恒压频比 ,VV-VF 前后应协调控制。可控 整流的缺点:当输出频率、电压较低时,电网侧pf很 低,对电网有谐波污染。 •不控整流,斩波调压,逆变器变频。
由于不可控整流(用二极管)，pf较高,斩波器脉宽 调压,多用了一个环节。实际应用较少。
DC
AC
不控 整流
PWM INV
AC
VVVF
•PWM可逆整流，PWM逆变器变压变频。 通常称作双PWM变频器。
AC
PWM 可逆 整流
DC
PWM INV
AC VVVF
VVVF
PWM可逆整流器有三种职能: ①使Ud按给定值恒压； ②交流侧电流近正弦且pf=1； ③有源逆变，pf=-1, 当电机再生发电制动时 ,将DC 侧电能反馈到电网。 二、电压型变频器和电流型变频器 交-直-交变频器分为两大类:VSI和CSI。主要区 别在于中间DC环节采用什么样的滤波器。 • VSI: 采用大支撑电容 , 直流电压平缓。 C 起电压 平波作用,脉动很小,理想情况下内阻抗为零,近 似恒压源。输出给电机阶梯波电压或矩形波电 压。
参考：刘竞成，交流调速系统，P71~73
INV
DC
+ ik
+
电机 jL1
+
Ud
-
~
~ vk -
ek ~ -
在逆变器处于逆变状态下,Vk供出功率 P=VkIkcos1, 当 1=0 ～ 90O ，P>0,vk确实为供出功率 ,ek 吸收功率， 即电机将输入功率(电动状态)转换为机械能；当电 机进入发电反馈制动工作状态时 (n>n0)，Ik比Vk滞 后 1>90O ,cos1<0, P<0, 从而Vk供出功率为负 , 即 吸收功率,ek发出功率(发电),此时逆变器实际上能
量的传递方向是AC→DC,即整流状态,电机发电经过 三相桥整流到DC侧。
•电流型逆变器宜于实现再生制动
对于 CSI在电动状态下 ,各环节如图示 ,整流环 节<90O,故Ud上正下负,Id从Ud的正端流出，故P为 正向传输,逆变器吸收功率 ,处于正常的逆变状态 , 电动机处于真正的电动状态 ,转矩T与n同向，n<n0， 转子拖动负载转动 ,对应于机械特性中的第一象限 （a点），T=TL平衡。
②回馈制动 采用交 - 直 - 交电压型逆变器， 通常在二极管整流或 SCR 可控整流情况下 , 无 法实现回馈制动,而电流型可以实现。因为电 流型变频器前面的可控整流由于用 Ld,便于实 现有源逆变 , 将直流侧能量馈入电网 , 而电压 型无法实现之。
③调速时的动态响应 电流型变压变频调速, 其直流电压可以迅速改变 ,Φ m变化快,从而调 速系统动态响应比较快。可控整流变压的电 压型动态响应慢得多 ,Ud 惯性大。但在 PWM 变 压变频时则响应快，它不需要Ud变化，靠PWM 控制实现变压变频。
实际上电流型逆变器正象三相全桥可控整流一样， 无论是处在整流还是逆变状态，直流侧的电压ud波 形往往存在正负面积，只是平均面积Ud的极性不同。 ud波形正负面积意味着电机与DC侧的能量吞吐作用， 通过P-N间电压极性的改变,实现电机
与直流侧Ld能量的交换,即无功能量回馈。而平均
面积Ud的极性，决定了电机总体上是吸收还是供出 能量，从而也反映了逆变器的实际工作状态。 •电压型逆变器如何实现再生制动 与电流型逆变器相比，电压型逆变器通常难以将电 机的倒发电能量馈入电网,DC环节的支撑电容钳制 着Ud不可能迅速改变方向,而Ud上负下正是实现有 源逆变的必要条件。当然若Ud不反向,Id反向亦可, 但整流器是单导的。可见由于 Cd的存在,使整流桥 无法迅速转为逆变。
动力制动: 通常变频器都配有选件，制动单元, 即与Ud并联一泄放回路,Ud过高时将功率开关打开, 使能量耗散于大功率电阻上。
P
+
Ud
_
N
§1.4节要点： 1 ）理解逆变器的两种工作状态及发生条件； 2）电流型变频器实现回馈制动的原理； 3）电压型变频器不能回馈制动的原因； 4）电压型变频器动力制动原理； 5）电压型变频器减频不宜过快的原因。
应注意在再生制动阶段 ,相应的整流桥应加以同时 控制，将其推入有源逆变状态,即>900 (否则可能 会顺向串联，产生较大的直流环流 ,β 大小应适 当),Ud变为上负下正,将DC电能有源逆变为交流回 送到电网(Id方向未变),再生能量有效回收利用。
Id T<0 n
_
Ud +
逆变 >900
_
3~ n>n0 发电 整流
_
Id
_ Ud
VT1 A VT4
VT3 B
VT5
C
+
+
VT6
VT2
~
~
~
•电机侧与直流侧的无功能量交换：
电流型逆变器并不能通过反并联二极管改变直 流环节电流的方向,来实现无功能量的回馈,因为Id 不易改变方向,正象VSI的Ud不易改变极性一样。不 过可以通过改变P-N之间电压极性,使它为上负下正, 变为回馈状态,馈入Ld缓存，为Ld充磁。