【正文】 。rr39。r ?（ 617） 代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得 39。r121rp39。r239。r2r1pe 33RsEnsRsREnT????????????????????????（ 618） 現(xiàn)在，不必再作任何近似就可知道，這時的機械特性完全是一條直線，見圖 66。 0 s 1 0 Te ? 幾種電壓－頻率協(xié)調(diào)控制方式的特性比較 圖 66 不同電壓－頻率協(xié)調(diào)控制方式時的機械特性 恒 Er /?1 控制 恒 Eg /?1 控制 恒 Us /?1 控制 a b c 顯然，恒 Er /?1 控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機一樣的線性機械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的性能。 現(xiàn)在的問題是，怎樣控制變頻裝置的電壓和頻率才能獲得恒定的 Er /?1 呢？ 按照式（ 61）電動勢和磁通的關(guān)系，可以看出，當(dāng)頻率恒定時，電動勢與磁通成正比。在式（ 61）中，氣隙磁通的感應(yīng)電動勢 Eg 對應(yīng)于氣隙磁通幅值 ?m ，那么，轉(zhuǎn)子全磁通的感應(yīng)電動勢 Er 就應(yīng)該對應(yīng)于轉(zhuǎn)子全磁通幅值 ?rm ： rmNs1r skNfE ?（ 619） 由此可見，只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值 ?rm = Constant 進 行控制，就可以獲得 恒 Er /?1 了。這正是矢量控制系統(tǒng)所遵循的原則，下面在第 67節(jié)中將詳細討論。 4．幾種協(xié)調(diào)控制方式的比較 綜上所述，在正弦波供電時，按不同規(guī)律實現(xiàn)電壓－頻率協(xié)調(diào)控制可得不同類型的機械特性。 （ 1）恒壓頻比（ Us /?1 = Constant ）控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，但低速帶載能力有些差強人意，須對定子壓降實行補償。 （ 2）恒 Eg /?1 控制是通常對恒壓頻比控制實行電壓補償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，可以在穩(wěn)態(tài)時達到 ?rm = Constant，從而改善了低速性能。但機械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制。 （ 3）恒 Er /?1 控制可以得到和直流他勵電機一樣的線性機械特性，按照轉(zhuǎn)子全磁通 ?rm 恒定進行控制，即得 Er /?1 = Constant 而且，在動態(tài)中也盡可能保持 ?rm 恒定是矢量控制系統(tǒng)的目標(biāo)，當(dāng)然實現(xiàn)起來是比較復(fù)雜的。 基頻以上恒壓變頻時的機械特性 ? 性能分析 在基頻以上變頻調(diào)速時，由于定子電壓 Us= UsN 不變，式（ 64）的機械特性方程式可寫成 ? ?239。 rs212239。rs139。r2sNpe )()(3ll LLsRsRsRUnT??????（ 620） 性能分析（續(xù)） 而式（ 610）的最大轉(zhuǎn)矩表達式可改寫成 （ 621） 同步轉(zhuǎn)速的表達式仍和式（ 67）一樣。 ? ?239。 rs212ss12sNpm a xe )(123 ll LLRRUnT ???? ??? 機械特性曲線 恒功率調(diào)速 eTO nN0nc0nb0na0nN1?a1?b1?c1?c1?b1?a1?N1? 由此可見，當(dāng)角頻率提高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機械特性上移，而形狀基本不變，如圖所示。 圖 67 基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機械特性 由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢必減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小，但轉(zhuǎn)速升高了，可以認為輸出功率基本不變。所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。 最后，應(yīng)該指出，以上所分析的機械特性都是在正弦波電壓供電下的情況。如果電壓源含有諧波，將使機械特性受到扭曲，并增加電機中的損耗。因此在設(shè)計變頻裝置時，應(yīng)盡量減少輸出電壓中的諧波。 恒流正弦波供電時的機械特性 在變頻調(diào)速時，保持異步電機定子電流的幅值恒定，叫作恒流控制，電流幅值恒定是通過帶 PI調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)控制實現(xiàn)的，這種系統(tǒng)不僅安全可靠而且具有良好的動靜態(tài)性能。 恒流供電時的機械特性與上面分析的恒壓機械特性不同，現(xiàn)進行分析。 ? 轉(zhuǎn)子電流計算 ? 設(shè)電流波形為正弦波，即忽略電流諧波，由異步電動機等效電路圖所示的等效電路在恒流供電情況下可得 )()(39。rm139。rm1s39。r139。r39。r139。rm139。r139。rm1s39。rllllLLjsRLjILjsRLjsRLjLjsRLjII??????????????????轉(zhuǎn)子電流計算（續(xù)） ? 電流幅值為 （ 622） 239。rm21239。rsm139。r)(lLLsRILI?????????????? 電磁轉(zhuǎn)矩公式 ? 將式（ 622）代入電磁轉(zhuǎn)矩表達式得 （ 623） 239。rm21239。r39。r2s2m211p39。r239。r1pe)()(33lLLsRsRILnsRInT??????????239。rm212239。r39。r2s2m1p )(3lLLsRsRILn???? ??? 最大轉(zhuǎn)矩及其轉(zhuǎn)差率 取 dTe /dt = 0，可求出恒流機械特性的最大轉(zhuǎn)矩值 （ 624） 產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率為 （ 625） )(2339。rm2s2mp.c o n s tm a xe slI LLILnT???)( 39。 rm139。r.c o n s tm slI LLRs????? 機械特性曲線 按上式繪出不同電流、不同頻率下的恒流機械特性示于圖 68。 圖 68 恒流供電時異步電動機的機械特性 Te O n a1sb ,?Ib1a1sbsa?? ?? IIa1sa ,?Ib1sb,?Ib1sa ,?I? 性能比較 第 5章式 （ 54） 和 （ 55） 給出了恒壓機械特性的最大轉(zhuǎn)差率和最大轉(zhuǎn)矩 ， 現(xiàn)再錄如下： （ 54） （ 55） ? ?239。 rs212ss2sp.c o n s tm a xe )(231sllU LLRRUnT????? ??239。rs212s39。r.c on s tm )(sllU LLRRs???? ?性能比較（續(xù)） 比較恒流機械特性與恒壓機械特性 ， 由上述表達式和特性曲線可得以下的結(jié)論： （ 1） 恒流機械特性與恒壓機械特性的形狀相似 ， 都有理想空載轉(zhuǎn)速點 （ s=0， Te= 0）和最大轉(zhuǎn)矩點 （ sm ， Temax ） 。 性能比較（續(xù)） （ 3） 恒流機械特性的最大轉(zhuǎn)矩值與頻率無關(guān) ，恒流變頻時最大轉(zhuǎn)矩不變 ， 但改變定子電流時 ，最大轉(zhuǎn)矩與電流的平方成正比 。 （ 2） 兩類特性的特征有所不同 ， 比較式 （ 625）和式 （ 54） 可知 ， 由于 Lls Lm， 所以 ， sm| sm| 因此恒流機械特性的線性段比較平 ，而最大轉(zhuǎn)矩處形狀很尖 。 Is = const. Us = const. 性能比較（續(xù)） Is = const. Us = const. （ 4）由于恒流控制限制了電流 Is，而恒壓供電時隨著轉(zhuǎn)速的降低 Is會不斷增大，所以在額定電流時 Temax| 的要比額定電壓時的 Temax| 小得多，用同一臺電機的參數(shù)代入式（ 624）和式（ 55）可以證明這個結(jié)論。但這并不影響恒流控制的系統(tǒng)承擔(dān)短時過載的能力，因為過載時可以短時加大定子電流，以產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，參看圖 68。 小 結(jié) ? 電壓 Us與頻率 ?1是變頻器 —異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的兩個獨立的控制變量，在變頻調(diào)速時需要對這兩個控制變量進行協(xié)調(diào)控制。 ? 在基頻以下，有三種協(xié)調(diào)控制方式。采用不同的協(xié)調(diào)控制方式，得到的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能不同，其中恒 Er /?1控制的性能最好。 ? 在基頻以上，采用保持電壓不變的恒功率弱磁調(diào)速方法。 返回目錄 * 電力電子變壓變頻器的主要類型 本節(jié)提要 ?交 直 交和交 交變壓變頻器 ?電壓源型和電流源型逆變器 ?180186。導(dǎo)通型和 120186。導(dǎo)通型逆變器 ? 引 言 如前所述，對于異步電機的變壓變頻調(diào)速，必須具備能夠同時控制電壓幅值和頻率的交流電源，而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻的電源，因此應(yīng)該配置變壓變頻器，又稱 VVVF（ Variable Voltage Variable Frequency）裝置。 最早的 VVVF裝置是旋轉(zhuǎn)變頻機組，即由直流電動機拖動交流同步發(fā)電機，調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速就能控制交流發(fā)電機輸出電壓和頻率。自從電力電子器件獲得廣泛應(yīng)用以后，旋轉(zhuǎn)變頻機組已經(jīng)無例外地讓位給靜止式的變壓變頻器了。 * 交 直 交和交 交變壓變頻器 從整體結(jié)構(gòu)上看 ， 電力電子變壓變頻器可分為交 直 交和交 交兩大類 。 直 交變壓變頻器 交 直 交變壓變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流，如下圖所示。 ? 交 直 交變壓變頻器基本結(jié)構(gòu) 圖 69 交 直 交（間接）變壓變頻器 變壓變頻 (VVVF) 中間直流環(huán)節(jié) 恒壓恒頻 (CVCF) 逆變 DC AC AC 50Hz~ 整流 由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個“中間直流環(huán)節(jié)”，所以又稱間接式的變壓變頻器。 具體的整流和逆變電路種類很多，當(dāng)前應(yīng)用最廣的是由二極管組成不控整流器和由功率開關(guān)器件（ PMOSFET， IGBT等）組成的脈寬調(diào)制（ PWM）逆變器，簡稱PWM變壓變頻器，如下圖所示。 ? 交 直 交 PWM變壓變頻器基本結(jié)構(gòu) 圖 610 交 直 交 PWM變壓變頻器 變壓變頻 (VVVF) 中間直流環(huán)節(jié) 恒壓恒頻 (CVCF) PWM 逆變器 DC AC AC 50Hz~ 調(diào)壓調(diào)頻 C PWM變壓變頻器的應(yīng)用之所以如此廣泛 ，是由于它具有如下的一系列優(yōu)點： （ 1） 在主電路整流和逆變兩個單元中 ，只有逆變單元可控 ， 通過它同時調(diào)節(jié)電壓和頻率 ， 結(jié)構(gòu)簡單 。 采用全控型的功率開關(guān)器件 ， 只通過驅(qū)動電壓脈沖進行控制 ，電路也簡單 ， 效率高 。 （ 2）輸出電壓波形雖是一系列的 PWM波，但由于采用了恰當(dāng)?shù)?PWM控制技術(shù)，正弦基波的比重較大，影響電機運行的低次諧波受到很大的抑制，因而轉(zhuǎn)矩脈動小，提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。 （ 3） 逆變器同時實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻 ， 動態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響 ，系統(tǒng)的動態(tài)性能也得以提高 。 （ 4）采用不可控的二極管整流器，電源側(cè)功率因素較高，且不受逆變輸出電壓大小的影響。 PWM變壓變頻器常用的功率開關(guān)器件有： PMOSFET， IGBT， GTO和替代 GTO的電壓控制器件如 IGCT、 IEGT等。 受到開關(guān)器件額定電壓和電流的限制，對于特大容量電機的變壓變頻調(diào)速仍只好采用半控型的晶閘管（ SCR），并用可控整流器調(diào)壓和六拍逆變器調(diào)頻的交 直 交變壓變頻器，見下圖。 ? 普通交 直 交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu) SCR可控 整流器 六 拍 逆變器 DC AC AC 50Hz~ 調(diào)頻 調(diào)壓 圖 611 可控整流