【文章內容簡介】 流電圖 37 三相逆變電路圖 38 三相逆變電路原理圖當 SS6 同時閉合時，Uuv 為正；S3 、S4 同時閉合得到 Uuv 為負；同理：SS2 同時閉合和 SS6 同時閉合，得到 Uvw； SS4 同時閉合和 SS2 同時閉合，得到 Uwu。為了是三相交流電 Uuv、Uvw 、Uwu 在相位上依次相差 2π/3；各開關的接通、關斷須符合一定的規(guī)律，即：1)各橋臂上的開關始終是交替打開和關斷的狀態(tài)。2)各相位的開關順序以各相的“首端”為準互差 2π/3 的電角度。通過以上分析說明 6 個開關的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調節(jié)開關的通斷速度就可以調節(jié)就交流電的頻率。 變頻器中的的半導體開關如上所述可知，逆變電路的工作是在逆變管高頻率的通斷下完成的。如果輸出的交流電頻率為 50Hz，在、逆變管則需要每 通斷一次（通斷頻率為25Hz） ，如此高的斷速度普通開關器件是不可能勝任的。隨著電力電子技術的發(fā)展，大功率開關器件經歷了以下階段：（一）門極可關斷晶閘管（GTO）門極可關斷晶閘管結構上有三極：陽極（A） 、陰極（ K） 、門極（G） 。其工作特點是：它是通過門極信號進行接通和和關斷的晶閘管。具體如下：1 導通條件在門極和陰極之間加一正向電壓，即：G(+)，K()，GTO 導通。2 關斷條件在門極和陰極之間加一反向電壓，G() ，K(+)，GTO 關斷。GTO 可以方便的通斷，是一種無觸點開關，它是逆變電路中的主要開關元件，但是 GTO 的關斷需極大的反向脈沖，控制容易失敗，工作頻率也不夠高，所以 GTO 晶閘管在大小容量變頻器中已經被新型的大功率晶閘管 GTR 所取代，但在大容量變頻器中，GTO 以其工作電流(4500A)，耐壓高的特性(8000V)，仍得到普遍應用。（二）大功率晶閘管（GTR 或 BJT）1 結構大功率晶閘管，又叫雙極性晶閘管（BJT） ，GTR 在結構結構上常采用達林頓結構的形式，由多個晶閘管復和組成大功率的晶閘管，同時還可將反相續(xù)流二極管與 GTR 組成一個模塊。這樣 GTR 也像普通的晶體管一樣，有三個級分別是基極、 （B） 、發(fā)射極（E） 、集電極（C） 。2GTR 的工作特征GTR 也有三種工作狀態(tài)，即放大、飽和、截止。在電力電子的應用中，GTR 主要工作在開關的狀態(tài)，即飽和和截止狀態(tài)。GTR 具有自管斷能力及開關時間段、飽和壓降低、安全工作區(qū)寬等特點，廣泛用于交流調速、變頻電源中。在中小容量的變頻器中(工作范圍400A/1200V、1000A/400V，頻率 5000Hz)，曾一度占據餓了主導地位 GTR 所需的驅動功率較大，故基極驅動系統(tǒng)較復雜，從而使得工作頻率難以提高，這是 GTR 存在的足之處。（三）功率場效應晶體管（MOSFET）MOSFET 與場效應晶體管一樣也是有三個級，分別是源極 G，管子的連接及工作特性也基本與場效應晶體管一樣。 MOSFET 是一個電壓控制型器件，所需的驅動功率很小，使用方便，開關頻率比較高（1000V/200A/1000kHz） 。其缺點是擊穿電壓及工作電流大不是特別大，所以應用不是特別廣泛。（四）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）IGBT 是一種結合了大功率晶體管 GTR 和功率場效應晶體管 MOSFET 兩者特點的復合型器件，它有三個級：集電極（C） 、發(fā)射極（E ） 、柵極(G)，它既有 MOS 的器件的工作速度快，驅動功率小的特點，又具備了大功率晶體管的電流大，導通壓降低的優(yōu)點。由于 IGBT 性能優(yōu)良(1800A/4500V/50kHz) ，已全面取代了功率晶體管而成為中小容量電力交流裝置中的主力器件，并廣泛用于交流變調速、開關電源及其他設備中。同時 IGBT 的單管容量也不斷提高，并開始進入中大容量的電力交流裝置中，用 IGBT 作為逆變器的變頻容量也從原來的 250kVA 有了大幅提高。 變頻調速方法由于異步電動機的同步轉速 0n與電源頻率 1f成正比，所以改變 1f就改變了0n而實現調速，這就是變頻調速。它的調速特性基本保持了異步電機固有特性轉差率小的特點，所以具有效率高，范圍寬，精度高，是異步電動機比較理想的調速方法。變頻調速的原理和特性（一）恒轉矩調速異步電動機的轉速方程式 1006()fnsnp????，只要改變 f1 就可以實現調速。但是變頻率的時候，電源的電壓 U 與頻率 f 的關系如何呢？一般來說，電動機的感應電動勢 E1 與外加電源電壓 U1 近似即： E1= m；（于 是個常熟電動機的感應電動勢 E1與 f1φ m 正比的）所以 U1 也和 f1φ m 成比，從公式中可以看出：如果 U1 不變，則 f1 變化時 φ ｍ 在變。我們希望在調節(jié)頻率 f 時能夠維持 φ ｍ （因為在額定工作時電機的磁通已經接近飽和， φ ｍ 繼續(xù)增大，將會是電機鐵芯出現深度的飽和，這將使勵磁電流急劇升高，導致定子電流和鐵芯損耗急劇增加，使電機工作不正常影響電機的使用。 ）為此當我們在額定頻率 f1 以下調節(jié)時就要保證 φ ｍ 不變的。即稱為 U/f=常數的控制方法：也叫恒轉矩不變；因此在額定頻率 f1 以下調頻時也需要調節(jié)電壓變頻又變壓方法－PWM 利用調制波與三角波信號比較后獲得一系列等幅不等寬的脈沖序列。原理：利用三角波載波作為信號與調制信號（一般為正弦波）相比較，以確定各分段矩形脈沖的寬度。改變調制波的電壓脈沖頻率時，輸出電壓基波的頻率也隨之改變，降低調制波的幅值時，各段脈沖寬度都將變窄，從而使輸出電壓基波的幅值也相應減少） 。當用 1U/ f=常數協調控制，在低速時最大轉矩 mM減小，起動轉矩也減小表現在機械特性上就是臨界轉矩 Tkx 變小是電動機的過載能力變小。為了低速時保持轉矩不變，提高起動能力，能夠帶動負載能力，就必須采用：采用電壓補償（V /F 控制）控制方法，此時隨著轉速的降低，定子電壓要適當提高，補償后機械特性有了恒轉矩的特性。（二）恒功率調速為了擴大調速范圍，可以使 1ef?，得到 en?，從而實現調速控制。由于定子電壓不允許超過額定電壓，則磁通 1/Uf??將隨著 1f升高而降低電機的輸出功率 P 基本維持不變的，相對應額定電流的轉矩也減小，特性也要變軟，則可得近似恒功率的調速特性。如下圖所示為變頻調速的機械特性圖：圖 額定頻率以下的機械特性圖 額定頻率以上的機械特性 變頻的控制算法V/F 控制：簡單實用，性能一般，使用最為廣泛只要保證輸出電壓和輸出頻率恒定就能近似保持磁通保持恒定例: 對于 380V 50Hz 電機，當運行頻率為 40HZ 時，要保持 V/F 恒定，則 40HZ 時電機的供電電壓:380（40/50)＝304V低頻時，定子阻抗壓降會導致磁通下降，需將輸出電壓適當提高用戶可以根據自我選擇四種控制方式：1. 基本的 U/F 控制曲線；2. 轉矩補償的 U/F 控制曲線；適用于低速時需要較大轉矩的負載。3. 負補償的 U/F 控制曲線；主要適用于風機、泵類的平方負載。4. 分段補償；主要適用于負載轉矩與轉速大致長比例的負載。在低速時補償少，在高速是補償多。矢量控制：性能優(yōu)良，可以與直流調速媲美，技術成較晚模仿直流電機的控制方法，采用矢量坐標變換來實現對異步電機定子勵磁電流分量和轉矩電流分量的解耦控制，保持電機磁通的恒定，進而達到良好的轉矩控制性能，實現高性能控制。性能優(yōu)良，控制相同復雜，直到 90 代計算機技術迅速發(fā)展才真正大范圍使用。矢量基本思想：(1) 對直流電動機的分析 在變頻調速技術成熟之前，直流電動機的調速特性被公認為是最好的。究其原因，是因為它具有兩個十分重要的特點:(a) 磁場特點 它的主磁場和電樞磁場在空間是互相垂直的，如圖(a)所示；（a ）直流電動機的磁通 （b）直流電動機的電路圖 311 (b) 電路特點它的勵磁電路和電樞電路是互相獨立的，如圖(b)所示。在調節(jié)轉速時，只調節(jié)其中一個電路的參數。仿照直流電動機的控制特點，對于調節(jié)頻率的給定信號，分解成和直流電動機具有相同特點的磁場電流信號 iM 和轉矩電流信號 iT，并且假想地看作是兩個旋轉著的直流磁場的信號。當給定信號改變時，也和直流電動機一樣，只改變其中一個信號，從而使異步電動機的調速控制具有和直流電動機類似的特點。對于控制電路分解出的控制信號 iM和 iT，根據電動機的參數進行一系列的等效變換，得到三相逆變橋的控制信號 iA、i B 和 iC，對三相逆變橋進行控制，如圖所示。從而得到與直流電動機類似的硬機械特性，提高了低頻時的帶負載能力。 圖 312 矢量控制圖表 2 V/F 控制和適量控制的對比項 目 V/F 控制 矢量控制調速范圍響應性1：10動態(tài)響應較差1：100 以上高達 1000r/s過渡過程特性 加減速有限制，過流控制能力小 加減速無限制，過流控制能力高通用性 通用性好 與電動機特性有關系統(tǒng)結構 簡單 復雜 普通異步電動機與變頻電機的區(qū)別一、普通異步電動機都是按恒頻恒壓設計的，不可能完全適應變頻調速的要求。以下為變頻器對電機的影響電動機的效率和溫升的問題不論那種形式的變頻器，在運行中均產生不同程度的諧波電壓和電流，使電動機在非正弦電壓、電流下運行。拒資料介紹，以目前普遍使用的正弦波PWM 型變頻器為例，其低次諧波基本為零，剩下的比載波頻率大一倍左右的高次諧波分量為：2u+1（ u 為調制比） 。高次諧波會引起電動機定子銅耗、轉子銅（鋁）耗、鐵耗及附加損耗的增加，最為顯著的是轉子銅（鋁）耗。因為異步電動機是以接近于基波頻率所對應的同步轉速 旋轉的，因此，高次諧波電壓以較大的轉差切割轉子導條后，便會產生很大的轉子損耗。除此之外，還需考慮因集膚效應所產生的附加銅耗。這些損耗都會使電動機 額外發(fā)熱，效率降低，輸出功率減小，如將普通三相異步電動機運行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其溫升一般要增加10%～ 20%。電動機絕緣強度問題目前中小型變頻器，不少是采用 PWM 的控制方式。他的載波頻率約為幾千到十幾千赫，這就使得電動機定子繞組要承受很高的電壓上升率，相當于對電動機施加陡 度很大的沖擊電壓，使電動機的匝間絕緣承受較為嚴酷的考驗。另外，由 PWM 變頻器產生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動機運行電壓上，會對電動機對地絕緣構成 威脅，對地絕緣在高壓的反復沖擊下會加速老化。諧波電磁噪聲與震動普通異步電動機采用變頻器供電時，會使由電磁、機械、通風等因素所引起的震動和噪聲變的更加復雜。變頻電源中含有的各次時間諧波與電動機電磁部分的固有空 間諧波相互干涉，形成各種電磁激振力。當電磁力波的頻率和電動機機體的固有振動頻率一致或接近時，將產生共振現象，從而加大噪聲。由于電動機工作頻率范圍 寬，轉速變化范圍大，各種電磁力波的頻率很難避開電動機的各構件的固有震動頻率。電動機對頻繁啟動、制動的適應能力由于采用變頻器供電后，電動機可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式啟動，并可利用變頻器所供的各種制動方式進行快速制動，為實現頻繁啟動和制動創(chuàng) 造了條件，因而電動機的機械系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變力的作用下，給機械結構和絕緣結構帶來疲勞和加速老化問題。低轉速時的冷卻問題首先，異步電動機的阻抗不盡理想，當電源頻率較底時，電源中高次諧波所引起的損耗較大。其次，普通異步電動機再轉速降低時，冷卻風量與轉速的三次方成比例減小，致使電動機的低速冷卻狀況變壞，溫升急劇增加，難以實現恒轉矩輸出。二、變頻電動機的特點電磁設計對普通異步電動機來說，再設計時主要考慮的性能參數是過載能力、啟動性能、效率和功率因數。而變頻電動機，由于臨界轉差率反比于電源頻率，可以在臨界轉 差率接近 1 時直接啟動，因此，過載能力和啟動性能不在需要過多考慮，而要解決的關鍵問題是如何改善電動機對非正弦波電源的適應能力。方式一般如下：1）盡可能的減小定子和轉子電阻。減小定子電阻即可降低基波銅耗，以彌補高次諧波引起的銅耗增2）為抑制電流中的高次諧波，需適當增加電動機的電感。但轉子槽漏抗較大其集膚效應也大，高次諧波銅耗也增大。因此，電動機漏抗的大小要兼顧到整個調速范圍內阻抗匹配的合理性。3）變頻電動機的主磁路一般設計成不飽和狀態(tài)，一是考慮高次諧波