【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 流電圖 37 三相逆變電路圖 38 三相逆變電路原理圖當(dāng) SS6 同時(shí)閉合時(shí)，Uuv 為正；S3 、S4 同時(shí)閉合得到 Uuv 為負(fù)；同理：SS2 同時(shí)閉合和 SS6 同時(shí)閉合，得到 Uvw； SS4 同時(shí)閉合和 SS2 同時(shí)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(guān)的接通、關(guān)斷須符合一定的規(guī)律，即：1)各橋臂上的開關(guān)始終是交替打開和關(guān)斷的狀態(tài)。2)各相位的開關(guān)順序以各相的“首端”為準(zhǔn)互差 2π/3 的電角度。通過以上分析說明 6 個(gè)開關(guān)的交替工作可以得到一個(gè)三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度就可以調(diào)節(jié)就交流電的頻率。 變頻器中的的半導(dǎo)體開關(guān)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(guān)器件是不可能勝任的。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率開關(guān)器件經(jīng)歷了以下階段：（一）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)上有三極：陽(yáng)極（A） 、陰極（ K） 、門極（G） 。其工作特點(diǎn)是：它是通過門極信號(hào)進(jìn)行接通和和關(guān)斷的晶閘管。具體如下：1 導(dǎo)通條件在門極和陰極之間加一正向電壓，即：G(+)，K()，GTO 導(dǎo)通。2 關(guān)斷條件在門極和陰極之間加一反向電壓，G() ，K(+)，GTO 關(guān)斷。GTO 可以方便的通斷，是一種無觸點(diǎn)開關(guān)，它是逆變電路中的主要開關(guān)元件，但是 GTO 的關(guān)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(jīng)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(yīng)用。（二）大功率晶閘管（GTR 或 BJT）1 結(jié)構(gòu)大功率晶閘管，又叫雙極性晶閘管（BJT） ，GTR 在結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上常采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的形式，由多個(gè)晶閘管復(fù)和組成大功率的晶閘管，同時(shí)還可將反相續(xù)流二極管與 GTR 組成一個(gè)模塊。這樣 GTR 也像普通的晶體管一樣，有三個(gè)級(jí)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(yīng)用中，GTR 主要工作在開關(guān)的狀態(tài)，即飽和和截止?fàn)顟B(tài)。GTR 具有自管斷能力及開關(guān)時(shí)間段、飽和壓降低、安全工作區(qū)寬等特點(diǎn)，廣泛用于交流調(diào)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(jù)餓了主導(dǎo)地位 GTR 所需的驅(qū)動(dòng)功率較大，故基極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較復(fù)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(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）MOSFET 與場(chǎng)效應(yīng)晶體管一樣也是有三個(gè)級(jí)，分別是源極 G，管子的連接及工作特性也基本與場(chǎng)效應(yīng)晶體管一樣。 MOSFET 是一個(gè)電壓控制型器件，所需的驅(qū)動(dòng)功率很小，使用方便，開關(guān)頻率比較高（1000V/200A/1000kHz） 。其缺點(diǎn)是擊穿電壓及工作電流大不是特別大，所以應(yīng)用不是特別廣泛。（四）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）IGBT 是一種結(jié)合了大功率晶體管 GTR 和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOSFET 兩者特點(diǎn)的復(fù)合型器件，它有三個(gè)級(jí)：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(qū)動(dòng)功率小的特點(diǎn)，又具備了大功率晶體管的電流大，導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn)。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(diào)速、開關(guān)電源及其他設(shè)備中。同時(shí) IGBT 的單管容量也不斷提高，并開始進(jìn)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(diào)速方法由于異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 0n與電源頻率 1f成正比，所以改變 1f就改變了0n而實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這就是變頻調(diào)速。它的調(diào)速特性基本保持了異步電機(jī)固有特性轉(zhuǎn)差率小的特點(diǎn)，所以具有效率高，范圍寬，精度高，是異步電動(dòng)機(jī)比較理想的調(diào)速方法。變頻調(diào)速的原理和特性（一）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程式 1006()fnsnp????，只要改變 f1 就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。但是變頻率的時(shí)候，電源的電壓 U 與頻率 f 的關(guān)系如何呢？一般來說，電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E1 與外加電源電壓 U1 近似即： E1= m；（于 是個(gè)常熟電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 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(shí) φ ｍ 在變。我們希望在調(diào)節(jié)頻率 f 時(shí)能夠維持 φ ｍ （因?yàn)樵陬~定工作時(shí)電機(jī)的磁通已經(jīng)接近飽和， φ ｍ 繼續(xù)增大，將會(huì)是電機(jī)鐵芯出現(xiàn)深度的飽和，這將使勵(lì)磁電流急劇升高，導(dǎo)致定子電流和鐵芯損耗急劇增加，使電機(jī)工作不正常影響電機(jī)的使用。 ）為此當(dāng)我們?cè)陬~定頻率 f1 以下調(diào)節(jié)時(shí)就要保證 φ ｍ 不變的。即稱為 U/f=常數(shù)的控制方法：也叫恒轉(zhuǎn)矩不變；因此在額定頻率 f1 以下調(diào)頻時(shí)也需要調(diào)節(jié)電壓變頻又變壓方法－PWM 利用調(diào)制波與三角波信號(hào)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(hào)與調(diào)制信號(hào)（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(diào)制波的電壓脈沖頻率時(shí)，輸出電壓基波的頻率也隨之改變，降低調(diào)制波的幅值時(shí)，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(yīng)減少） 。當(dāng)用 1U/ f=常數(shù)協(xié)調(diào)控制，在低速時(shí)最大轉(zhuǎn)矩 mM減小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也減小表現(xiàn)在機(jī)械特性上就是臨界轉(zhuǎn)矩 Tkx 變小是電動(dòng)機(jī)的過載能力變小。為了低速時(shí)保持轉(zhuǎn)矩不變，提高起動(dòng)能力，能夠帶動(dòng)負(fù)載能力，就必須采用：采用電壓補(bǔ)償（V /F 控制）控制方法，此時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的降低，定子電壓要適當(dāng)提高，補(bǔ)償后機(jī)械特性有了恒轉(zhuǎn)矩的特性。（二）恒功率調(diào)速為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，可以使 1ef?，得到 en?，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)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(jī)的輸出功率 P 基本維持不變的，相對(duì)應(yīng)額定電流的轉(zhuǎn)矩也減小，特性也要變軟，則可得近似恒功率的調(diào)速特性。如下圖所示為變頻調(diào)速的機(jī)械特性圖：圖 額定頻率以下的機(jī)械特性圖 額定頻率以上的機(jī)械特性 變頻的控制算法V/F 控制：簡(jiǎn)單實(shí)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(duì)于 380V 50Hz 電機(jī)，當(dāng)運(yùn)行頻率為 40HZ 時(shí)，要保持 V/F 恒定，則 40HZ 時(shí)電機(jī)的供電電壓:380（40/50)＝304V低頻時(shí)，定子阻抗壓降會(huì)導(dǎo)致磁通下降，需將輸出電壓適當(dāng)提高用戶可以根據(jù)自我選擇四種控制方式：1. 基本的 U/F 控制曲線；2. 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)?U/F 控制曲線；適用于低速時(shí)需要較大轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。3. 負(fù)補(bǔ)償?shù)?U/F 控制曲線；主要適用于風(fēng)機(jī)、泵類的平方負(fù)載。4. 分段補(bǔ)償；主要適用于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速大致長(zhǎng)比例的負(fù)載。在低速時(shí)補(bǔ)償少，在高速是補(bǔ)償多。矢量控制：性能優(yōu)良，可以與直流調(diào)速媲美，技術(shù)成較晚模仿直流電機(jī)的控制方法，采用矢量坐標(biāo)變換來實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)定子勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的解耦控制，保持電機(jī)磁通的恒定，進(jìn)而達(dá)到良好的轉(zhuǎn)矩控制性能，實(shí)現(xiàn)高性能控制。性能優(yōu)良，控制相同復(fù)雜，直到 90 代計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展才真正大范圍使用。矢量基本思想：(1) 對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的分析 在變頻調(diào)速技術(shù)成熟之前，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性被公認(rèn)為是最好的。究其原因，是因?yàn)樗哂袃蓚€(gè)十分重要的特點(diǎn):(a) 磁場(chǎng)特點(diǎn) 它的主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)在空間是互相垂直的，如圖(a)所示；（a ）直流電動(dòng)機(jī)的磁通 （b）直流電動(dòng)機(jī)的電路圖 311 (b) 電路特點(diǎn)它的勵(lì)磁電路和電樞電路是互相獨(dú)立的，如圖(b)所示。在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時(shí)，只調(diào)節(jié)其中一個(gè)電路的參數(shù)。仿照直流電動(dòng)機(jī)的控制特點(diǎn)，對(duì)于調(diào)節(jié)頻率的給定信號(hào)，分解成和直流電動(dòng)機(jī)具有相同特點(diǎn)的磁場(chǎng)電流信號(hào) iM 和轉(zhuǎn)矩電流信號(hào) iT，并且假想地看作是兩個(gè)旋轉(zhuǎn)著的直流磁場(chǎng)的信號(hào)。當(dāng)給定信號(hào)改變時(shí)，也和直流電動(dòng)機(jī)一樣，只改變其中一個(gè)信號(hào)，從而使異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制具有和直流電動(dòng)機(jī)類似的特點(diǎn)。對(duì)于控制電路分解出的控制信號(hào) iM和 iT，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行一系列的等效變換，得到三相逆變橋的控制信號(hào) iA、i B 和 iC，對(duì)三相逆變橋進(jìn)行控制，如圖所示。從而得到與直流電動(dòng)機(jī)類似的硬機(jī)械特性，提高了低頻時(shí)的帶負(fù)載能力。 圖 312 矢量控制圖表 2 V/F 控制和適量控制的對(duì)比項(xiàng) 目 V/F 控制 矢量控制調(diào)速范圍響應(yīng)性1：10動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差1：100 以上高達(dá) 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(dòng)機(jī)特性有關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單 復(fù)雜 普通異步電動(dòng)機(jī)與變頻電機(jī)的區(qū)別一、普通異步電動(dòng)機(jī)都是按恒頻恒壓設(shè)計(jì)的，不可能完全適應(yīng)變頻調(diào)速的要求。以下為變頻器對(duì)電機(jī)的影響電動(dòng)機(jī)的效率和溫升的問題不論那種形式的變頻器，在運(yùn)行中均產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流，使電動(dòng)機(jī)在非正弦電壓、電流下運(yùn)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(diào)制比） 。高次諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗、鐵耗及附加損耗的增加，最為顯著的是轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)是以接近于基波頻率所對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)的，因此，高次諧波電壓以較大的轉(zhuǎn)差切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條后，便會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)子損耗。除此之外，還需考慮因集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的附加銅耗。這些損耗都會(huì)使電動(dòng)機(jī) 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(dòng)機(jī)運(yùn)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(dòng)機(jī)絕緣強(qiáng)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(dòng)機(jī)定子繞組要承受很高的電壓上升率，相當(dāng)于對(duì)電動(dòng)機(jī)施加陡 度很大的沖擊電壓，使電動(dòng)機(jī)的匝間絕緣承受較為嚴(yán)酷的考驗(yàn)。另外，由 PWM 變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電壓上，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)對(duì)地絕緣構(gòu)成 威脅，對(duì)地絕緣在高壓的反復(fù)沖擊下會(huì)加速老化。諧波電磁噪聲與震動(dòng)普通異步電動(dòng)機(jī)采用變頻器供電時(shí)，會(huì)使由電磁、機(jī)械、通風(fēng)等因素所引起的震動(dòng)和噪聲變的更加復(fù)雜。變頻電源中含有的各次時(shí)間諧波與電動(dòng)機(jī)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(dāng)電磁力波的頻率和電動(dòng)機(jī)機(jī)體的固有振動(dòng)頻率一致或接近時(shí)，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而加大噪聲。由于電動(dòng)機(jī)工作頻率范圍 寬，轉(zhuǎn)速變化范圍大，各種電磁力波的頻率很難避開電動(dòng)機(jī)的各構(gòu)件的固有震動(dòng)頻率。電動(dòng)機(jī)對(duì)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)的適應(yīng)能力由于采用變頻器供電后，電動(dòng)機(jī)可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式啟動(dòng)，并可利用變頻器所供的各種制動(dòng)方式進(jìn)行快速制動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)創(chuàng) 造了條件，因而電動(dòng)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變力的作用下，給機(jī)械結(jié)構(gòu)和絕緣結(jié)構(gòu)帶來疲勞和加速老化問題。低轉(zhuǎn)速時(shí)的冷卻問題首先，異步電動(dòng)機(jī)的阻抗不盡理想，當(dāng)電源頻率較底時(shí)，電源中高次諧波所引起的損耗較大。其次，普通異步電動(dòng)機(jī)再轉(zhuǎn)速降低時(shí)，冷卻風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的三次方成比例減小，致使電動(dòng)機(jī)的低速冷卻狀況變壞，溫升急劇增加，難以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。二、變頻電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)電磁設(shè)計(jì)對(duì)普通異步電動(dòng)機(jī)來說，再設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、啟動(dòng)性能、效率和功率因數(shù)。而變頻電動(dòng)機(jī)，由于臨界轉(zhuǎn)差率反比于電源頻率，可以在臨界轉(zhuǎn) 差率接近 1 時(shí)直接啟動(dòng)，因此，過載能力和啟動(dòng)性能不在需要過多考慮，而要解決的關(guān)鍵問題是如何改善電動(dòng)機(jī)對(duì)非正弦波電源的適應(yīng)能力。方式一般如下：1）盡可能的減小定子和轉(zhuǎn)子電阻。減小定子電阻即可降低基波銅耗，以彌補(bǔ)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(dāng)增加電動(dòng)機(jī)的電感。但轉(zhuǎn)子槽漏抗較大其集膚效應(yīng)也大，高次諧波銅耗也增大。因此，電動(dòng)機(jī)漏抗的大小要兼顧到整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。3）變頻電動(dòng)機(jī)的主磁路一般設(shè)計(jì)成不飽和狀態(tài)，一是考慮高次諧波