VVVF调速系统介绍

第六章 VVVF调速系统
1
运动控制系统
本章提要
交流异步电动机 交流调速基本控制结构 交流调速基本类型 交流变频调速系统 VVVF控制 变频器 通用变频器
2
运动控制系统
6.1 交流异步电动机
交流调速的发展
在20世纪上半叶，电机拖动的格局：不变速拖动系统， 占整个电力拖动容量的80%，采用交流电机；可调速 拖动系统，占整个电力拖动容量的20%，采用直流电 机。
恒压恒频(CVCF)
AC ~ 50Hz
整流
中间直流环节
变压变频 (VVVF)
DC 逆变
AC
恒压恒频(CVCF)
AC ~ 50Hz
中间直流环节
变压变频(VVVF)
C
PWM 逆变器
AC
DC
调压调频
31
运动控制系统
SPWM变频调速原理
正弦波 三角波
Ud O - Ud
t
32
运动控制系统
6.7 通用变频器
25
运动控制系统
基频以下调速
要保持m不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时， 必须同时降低 E1，使
E1 常数 f1
即采用恒值电动势频率比的控制方式。 当电动势值较高时，可认为定子相电压U1≈E1，
U1 常值 f1
这是恒压频比的控制方式。
26
运动控制系统
基频以上调速
右手定则决定 电流方向
11
运动控制系统
6.1.3 异步电动机转速与运行状态
异步电动机的工作原理决定了它的转速一般低于同步转速 n0。
如果异步电动机的转子转速达到同步转速，则旋转磁场与 转子导条之间不再有相对运动，因而不可能在导条内感应 产生电动势，也不会产生电磁转矩来拖动机械负载。
转差率s：转子转速n与旋转磁场转速n0之差称为转差，转 差与磁场转速n0之比，称为转差率s。 sn0 n100% n0
率Pmech，称作机械功率； 另一部分是传输给转子电
路的转差功率Ps，与转差 率 s 成正比。
~ Pem
Pmech Ps
16
运动控制系统
即 Pem = Pmech + Ps Pmech = (1 – s) Pm Ps = sPm
从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消 耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标 志。
19
运动控制系统
➢ 转差功率不变型调速系统
在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高 低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的第⑤、⑥ 两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应 用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动 态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中 须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备 成本最高。
转差nn0的存在是异步电动机运行的必要条件。
12
运动控制系统
6.2 交流调速基本控制结构
位 置 控 制 器
速
转
度
矩
控
控
制
制
器
器
电矢 流量 控运 制算 功功 能能
交转 流矩 电检 动测 机器
机 械 负 载
S
运动控制系统闭环结构示意图
13
运动控制系统
6.3 交流调速基本类型
异步电机的转矩公式：
变转差率调速： ① 转子串电阻调速
② 定子调压调速
③ 电磁转差离合器调速
④ 串级调速
变极对数调速： ⑤ 鼠笼型转子
变频调速：
⑥ 交交变频调速
⑦ 交直交变频调速
15
运动控制系统
按电动机的能量转换类型分类
按照交流异步电机原理，
从定子传入转子的电磁功
率Pem可分成两部分：一 部分是拖动负载的有效功
交-交变频器主要特点：
➢ 可直接引用成熟的直流可逆调速的技术； ➢ 输出到电机的电流近似于三相正弦电流，附加损耗
小； ➢ 采用的元器件数量较多； ➢ 输出频率不能高于电网频率的1/3～1/2，一般低于
20Hz； ➢ 价格不高，转速较低。
30
运动控制系统
6.6.2 交-直-交变频器
此类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”，所以又称间接式变压变频器。
5
运动控制系统
6.1.2 交流异步电动机原理
基本原理：通过旋转磁场，与由这种旋转磁场借助 感应作用在转子绕组内所感生的电流相互作用，以 产生电磁转矩来实现拖动作用。
旋转磁场：一种极性和大小不变，并且以一定转速 旋转的磁场。
6
运动控制系统
三相异步电动机结构图
7
运动控制系统
旋转Βιβλιοθήκη Baidu场
A-X、B-Y、C-Z三个线 圈在空间上彼此互隔 120°分布在定子铁心内 圆的圆周上，构成了对 称三相绕组。
27
运动控制系统
6.6 变频器
变频器的主要任务是把恒压恒频（constant voltage constant frequency, CVCF）的交流电转换为变压变 频（variable voltage variable frequency, VVVF）的 交流电，以满足交流电机变频调速的需要。
20世纪70年代，开始研究交流调速系统。 20世纪80年代，交流调速系统开始广泛应用。 交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要
发展方向。
3
运动控制系统
直流电机的主要缺点
电刷和换相器的磨损，因而必须经常检查维修； 换向火花使直流电机的应用环境受到限制； 换向能力限制了直流电机的容量和速度
交流调速系统的应用领域
一般性能的节能调速 高性能的交流调速系统 特大容量、极高转速的交流调速
4
运动控制系统
6.1.1 交流电动机的主要类型
交流电机主要分为异步电机和同步电机两大类，每类 电机又有不同类型的调速系统。
同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应 关系。
异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依 靠电磁感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转 矩，实现机电能量转换。异步电机又有三相和单相两 种。
37
运动控制系统
6.7.1 通用变频器的基本结构功能
泵升限制电路——由于二极管整流器不能为异步电机的 再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通 用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异 步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向 电容C 充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压） 升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件 导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为了便于 散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。
18
运动控制系统
➢ 转差功率馈送型调速系统
在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子 侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率 越多，上述第④种调速方法属于这一类。无论是馈出还 是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终 都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要 增加一些设备。
TeCmmIrcors
式中，Ce——转矩系数；Φm ——气隙磁通； θr——转子的功率因数角
异步电机的转速公式：
n 6f1 0 (1 s )/p n 0 (1 s ) 因此，异步交流电机的调速方法可分为变频调速、变极对 数调速和变转差率调速。
14
运动控制系统
按电动机的调速方法分类
如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪 费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致 过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。
对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应
有恰当的补偿，m 保持不变是很容易做到的。 在交流异步电机中，磁通m 由定子和转子磁势合成
产生，要保持磁通恒定就比较麻烦。
主电路——由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间 直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电 容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。
限流电阻R0 ——为了避免大电容C 在通电瞬间产生过大 的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入 限流电阻（或电抗），通上电源时先限制充电电流，再 延时用开关K 将其短路，以免长期接入时影响变频器的 正常工作，并产生附加损耗。
IPM=IGBT+驱动电路+智能控制
优点： 性能和可靠性高 通态损耗和开关损耗小 散热器尺寸小
35
运动控制系统
通用变频器的基本结构原理图
K
UR
R0
UI
R1
Rb
~
M
3~
VTb
R2
显示
单
设定
片
机
接口
电压 检测
泵升 限制
电流 检测
温度 检测
电流 检测
PWM
驱动
发生器
电路
36
运动控制系统
6.7.1 通用变频器的基本结构功能
17
运动控制系统
➢ 转差功率消耗型调速系统
这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中， 上述第①、②、③三种调速方法都属于这一类。在三类异 步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速 时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降 低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成 本最低，所以还有一定的应用价值。
所谓“通用”，包含着两方面的含义：1）可用于驱 动通用性交流电动机，而不一定使用专用变频电机； 2）具有各种可供选择的功能，能适应各种不同性质 的负载。
现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控 开关器件IGBT或功率模块IPM组成的PWM逆变器构 成交-直-交电压源型变压变频器，目前已经占领了全 世界0.5～500kV·A中、小容量变频调速装置的绝大部 分市场。
10
运动控制系统
三相异步电动机的工作原理
三相异步电动机的定子铁心 上嵌有三相对称绕组，接通 三相对称电源后，在定子、 转子之间的气隙内产生以同 步转速旋转的旋转磁场。
左手定则 决定导条 受力方向
转子导条被这种旋转磁场切 割，在导条内产生感生电流， 磁场又对导条产生电磁力， 于是转子就跟着旋转磁场旋 转。
33
运动控制系统
绝缘栅双极晶体管IGBT
三端器件：栅极G、集电极C和发射极E
发射极 栅极
E
G
N+ P N+
N+ P N+
J3 J2
N-
N+
J1
P+
C 集电极 a)
漂移区 缓冲区
注入区
C G
E b)
IGBT的结构和电气图形符号
34
运动控制系统
智能功率模块（Intelligent Power Module, IPM）
24
运动控制系统
VVVF控制的电压模式
定子每相电动势
式中，
E 14.4f4 1N 1K N 1 m
E1 ——气隙磁通在定子每相中的感应电动势有效值（V）； f1——定子电源频率（Hz）； N1——定子每相绕组匝数； KN1——绕组系数； Φm——每极气隙磁通量（Wb）。
只要控制好 E1 和 f1 ，便可达到控制磁通Φm 的目的。
~
给定
控制器
u0 f0
逆变器
us
f1
M~
电压/电流检测
转速/位置检测
21
运动控制系统
6.4.1 异步电动机稳态等效电路
U1, ω1
Rs
L1s
L'1r
I1 Es
Im
I2
E1 Lm
E'r
R'r s
U1— 定子相电压 ； 1—电源角频率；
Es—定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势； E1—气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势； E‘r—转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。
8
运动控制系统
旋转磁场
iAImcost
iBImcots(12 )0 iCImcots(24)0
当三相对称绕组接上三相对称电源，就产生旋转磁场。 9
运动控制系统
旋转磁场
n0

60 f1 p
式中，
n0为同步转速，单
位r/min； p为极对数； f1为交流电源的频率。
四极旋转磁场示意图
从整体结构上看，变频器可分为交–直–交变频器和交 –交变频器两大类。
变流器
平滑电路
逆变器
M
控制器
变频器基本结构
28
运动控制系统
6.6.1 交-交变频器
此类变频器只有一个变换环节，因此又称直接式变频器。
VF ~ 50Hz
u o
+ Id
- VR
负 载
u0
-
-Id +
~ 50Hz
O
t
29
运动控制系统
22
运动控制系统
几种电压－频率协调控制方式的特性比较
s
恒 Er /1 控制
0
c
a
b
恒 E1 /1 控制
恒 U1 /1 控制
0
Te
不同电压－频率协调控制方式时的机械特性
23
运动控制系统
6.5 VVVF控制
在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希
望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。
在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定 子电压U1 却不可能超过额定电压U1N ，最多只能保持 U1 = U1N ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当 于直流电机弱磁升速的情况。
按照电力拖动原理： 基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速” ； 基频以上，转速升高时转矩降低，属于“恒功率调速”。
❖ 异步电动机各种调速方法性能指标的评价： 参见教材P108 表7.1
20
运动控制系统
6.4 交流变频调速系统
交流变频调速优点：改变频率f 时转差率s 不变，即 不同转速时s 不变，因而转差损耗小，调速范围宽， 调速精度高，适合于调速性能要求较高的场合。
缺点：变频调速的成本较高，原理较复杂。