【文章內(nèi)容簡介】 第 13 頁 優(yōu)點：主回路拓?fù)浜唵?，易于實現(xiàn)矢量控制，采用相同結(jié)構(gòu)的前 端全控整流單元可實現(xiàn)四象限運行，系統(tǒng)整體功率密度水平和效率較高。 缺點：需施加動、靜態(tài)均壓措施，系統(tǒng)可靠性較差，輸出波形畸變率較大， du/dt 高，輸出電壓、電流諧波含量大，對高壓電機(jī)繞組絕緣有潛在威脅，實際應(yīng)用需加裝正弦波輸出濾波器，同時 EMI 影響較重，威脅自身控制系統(tǒng)和其他電子設(shè)備的正常運行。 （ b）多獨立電源級聯(lián)型多電平高壓變頻器 圖 5 多獨立電源級聯(lián)型多電平高壓變頻器原理圖 優(yōu)點：采用單元化結(jié)構(gòu)設(shè)計，將 多個單相全橋單元疊加起來，采用載波移相等 PWM 調(diào)制技術(shù)，可實現(xiàn)多電平疊加輸出，系統(tǒng)電平數(shù)越多，輸出波形越接近于正弦， du/dt 低，可不用輸出濾波器而直接應(yīng)用于普通電機(jī)，系統(tǒng)平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院成人教育學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （ 論 文 ） 說 明 書 第 14 頁 冗余度較好。 缺點：較難實現(xiàn)高性能矢量控制，目前大多應(yīng)用于調(diào)速要求不高的風(fēng)機(jī)、水泵等應(yīng)用場合。系統(tǒng)功率器件數(shù)量眾多，如對每個獨立的直流電源配置前端全控整流以實現(xiàn)高性能能量回饋和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制功能，則系統(tǒng)所用功率器件和傳感器數(shù)量將會急劇擴(kuò)大，系統(tǒng)功率密度低，移相變壓器制造工藝復(fù)雜，系統(tǒng)占地面積大，故障點多，可靠性一般。 （ C）鉗位型多 電平高壓變頻器 圖 6 鉗位型多電平高壓變頻器 優(yōu)點：系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計，功率布局配置合理，功率密度高，符合大功率變頻器的發(fā)展方向。輸出波形畸變率、 du/dt、 EMI 等指標(biāo)較兩電平方式有較大改善。采用背靠背雙三電平結(jié)構(gòu)可按照 “ 電網(wǎng) 變頻器 電機(jī) ” 一體Sa 1Sa 2Sa 3Sa 4Sb 1Sb 2Sb 3Sb 4Sc 1Sc 2Sc 3Sc 4C 1C 2onabcE / 2E / 2平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院成人教育學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （ 論 文 ） 說 明 書 第 15 頁 化方式進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，在實現(xiàn)高性能矢量控制的同時， 對于網(wǎng)側(cè)諧波含量、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)均有良好控制效果。 缺點：隨著電平數(shù)的擴(kuò)展，系統(tǒng)輸出波形質(zhì)量有進(jìn)一步的改善，但算法復(fù)雜程度急劇上升，一般實際應(yīng)用限制在七電平，國外成熟產(chǎn)品以三電平 為主。 du/dt 對高壓電機(jī)的絕緣影響仍不容忽視，在 6KV 及以上高壓應(yīng)用場合仍需選配正弦波輸出濾波器。 變頻調(diào)速的基本原理 異步電機(jī)的 VVVF 調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在變頻調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不變，在各種異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中效率較高，同時性能也最好，故是交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。 交流調(diào)速系統(tǒng)的控制量最基本上是轉(zhuǎn)矩、速度、位置，根據(jù)不同的用途適當(dāng)組合可構(gòu)成各種閉環(huán)系統(tǒng)。 異步電動機(jī)定子對稱的三相繞組中通入對稱的三相交流電，在電機(jī)氣隙內(nèi)會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其旋轉(zhuǎn)速度為同步轉(zhuǎn)速 pfn 10 60? 式中 1f —— 定子繞組電源頻率 。 P— 電機(jī)磁極對數(shù)。 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差率 00n nns ?? 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院成人教育學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （ 論 文 ） 說 明 書 第 16 頁 則異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速 )1(60)1( 10 spfsnn ???? 由上式可知，異步電動機(jī)調(diào)速方法有如下幾種 0n :變極 p、變頻 1f 、 s:定子調(diào)壓、轉(zhuǎn)子串電阻、電磁轉(zhuǎn)差離合器、串極調(diào)速。 由電機(jī)學(xué)可知，轉(zhuǎn)差功 率 : 2Cuems PsPP ?? 式中 emP — 電磁功率 。 Cu2— 轉(zhuǎn)子銅耗。 由式可知，變頻調(diào)速與變極調(diào)速為轉(zhuǎn)差功率不變型不論其轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率消耗基本不變，因此調(diào)速效率為最高。由電機(jī)與電力拖動可知，異步電動機(jī)等效電路如圖 7 所示， 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院成人教育學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （ 論 文 ） 說 明 書 第 17 頁 圖 7 異步電動機(jī)等效電路 對交流異步電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，交流異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 表達(dá)式為 : pnfn 11 60? 式中 : 1n — 同 步轉(zhuǎn)速 (r/min)。 1f — 定子頻率 (Hz)。 pn — 磁極對數(shù)。 而異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為 : )1(60)1( 11 sn fsnn p ???? 式中 : s 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率 11 n nns ?? 改變異步電動機(jī)的供電頻率，可以改變其同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)調(diào)速運行。當(dāng)然，也可以通過改變轉(zhuǎn)差率，和磁極對數(shù) n ，來改變異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 但是變極 對 數(shù)和變轉(zhuǎn)差率在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng) 用范圍較小，而變頻調(diào)速具有高效率、高范圍和高精度的調(diào)速性能，是比較合理的調(diào)速方法。交流變頻器正是通過均勻的改變輸入異步電動機(jī)定子的供電頻率來調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的。對異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時，希望電動機(jī)的主磁通保持不變。 磁通太弱，鐵心利用不充分，同樣的轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩小，電動機(jī)的負(fù)荷能力下降 。磁通太強(qiáng)，則由于過勵磁狀態(tài)，使勵磁電流過大，這就限制了定平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院成人教育學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （ 論 文 ） 說 明 書 第 18 頁 子電流的負(fù)載分量，為使電動機(jī)不過熱，負(fù)載能力要下降。異步電動機(jī)的氣隙磁通 ( 主磁通 )是定、轉(zhuǎn)子合成磁動勢產(chǎn)生的。由電機(jī)理論知道，三相異步電動機(jī)定子每相電動勢的有 效值為 : m111 ?? NfE 式中 1E — 定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動勢的均方根值 (V) 。 1f — 定子頻率 (Hz) 。 1N — 定子相繞組有效匝數(shù) 。 Φ m— 每相磁通量 (Wb)。 由上式可見 ,Φ m的值是由 E1 和 f1共同決定的，對 E1和 f1進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?,就可以使氣隙磁通Φ m保持額定值不變。下面分兩種情況說明 : 1 .基頻以下的恒磁通 變頻調(diào)速 這是考慮從基頻 (電動機(jī)額定頻率 AN)向下調(diào)速的情況，為了保持電動機(jī)的負(fù)載能力， 應(yīng)保持氣隙主磁通Φ m不變， 這就要求降 低供電頻率的同時降低感應(yīng)電動勢，保持 E1/ f1 = 常數(shù)， 即保持電動勢和頻率之比為常數(shù)進(jìn)行控制。 這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。 但是， E1難于檢測和直接控制。當(dāng) El和 f1值較高時，定子的漏阻抗壓降 相對比較小，如果忽略不計，則可以近似的保持定子相電壓 U1和頻率 f1的比值為常數(shù)即可。這就是恒壓頻比，是近似的恒磁通控制。當(dāng)頻率較低時， U1和 E1都變小， 定子漏阻抗壓降 (主要是定子電阻壓降 )不能再忽略 ,這種情況下，可以適當(dāng)?shù)奶岣叨ㄗ与妷阂? 補償定子電阻壓降的影響 ,使氣隙磁通基本保持不變 。 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院成人教育學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （ 論 文 ） 說 明 書 第 19 頁 雙饋調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和運行原理 圖 8 全數(shù)字轉(zhuǎn)子雙饋變頻調(diào)速電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 傳統(tǒng)雙饋電機(jī)即為繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，因其定、轉(zhuǎn)子各有一套繞組與外部電源（電網(wǎng)或變頻器）相連，功率流向可分別由定、轉(zhuǎn)子饋入或饋出 ，故稱雙饋電機(jī)。 早期得到較廣泛應(yīng)用的繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)串級調(diào)速其實為雙饋調(diào)速的一種方式，因其只能從轉(zhuǎn)子側(cè)饋出能量，只能運行在同步轉(zhuǎn)速以下，沒有制動停車功能，可理解為狹義雙饋。與之相對應(yīng)的廣義雙饋是指電機(jī)定、轉(zhuǎn)子均可進(jìn)行能量的雙向流動。結(jié)構(gòu)形式通常為電機(jī)定子側(cè)接入恒壓恒頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)接入變壓變頻裝置。通過控制轉(zhuǎn)子附加電勢的頻率、幅值和相位進(jìn)行調(diào)速和平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院成人教育學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （ 論 文 ） 說 明 書 第 20 頁 功率因數(shù)控制。 M3~~轉(zhuǎn) 子 側(cè) 功 率 變 換 單 元T 1C U 1 C U 2 圖 9 雙饋調(diào)速系統(tǒng)運行原理示意圖 上圖為由晶閘管功率器件組成的六拍逆變雙饋調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn) 子側(cè)功率變換單元由 CU1和 CU2 組成，當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)饋入功率時， CU1工作在逆變狀態(tài)， CU2工作在整流狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)饋出功率時， CU1工作在整流狀態(tài)， CU2 工作在逆變狀態(tài)。 此外，另一種由晶閘管功率器件組成的轉(zhuǎn)子側(cè)功率變換單元為交交變頻器，由于變頻器自身的特點，一方面可以自然實現(xiàn)功率雙向流動，另一方面會給電網(wǎng)帶來較大的諧波，在功率較大的場合需使用諧波抑制裝置。 目前使用晶閘管功率器件的雙饋調(diào)速系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中有一定數(shù)量的應(yīng)用，但已不再推薦使用。 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院成人教育學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （ 論 文 ） 說 明 書 第 21 頁 電平雙 PWM 變換器 以 IGBT為代表全控器件組成的 PWM 變換器具有諧波分量小的顯著優(yōu)點。近年來，隨著全控器件的容量不斷提高， 使得在高壓大功率調(diào)速應(yīng)用場合也有可能使用 PWM變換器進(jìn)行變壓變頻調(diào)速，其效率、功率因數(shù)、電壓利用率等各項指標(biāo)均優(yōu)于晶閘管半控器件組成的相控變換器。 +_E dWC 1C 2S 1 1S 1 2S 1 3S 1 4 S 2 4S 2 3S 2 2S 2 1 S 3 1S 3 2S 3 3S 3 4D 1 1D 1 2D 2 1D 2 2D 3 1D 3 2U V 圖 10 二極管中點鉗位三電平變換器的基本結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的兩電平逆變器的大 功率 運用中存在 許 多問題： 需 要 笨重 、 耗 能、 昂貴 的變壓器， 為 了得 到高質(zhì) 量的 輸 出波形 而 提 高 開關(guān) 頻率 ， 造 成 很高 的開關(guān) 損耗 ， 而為 了 適 應(yīng) 高 電壓的要 求 ， 需 采用器件 串聯(lián) ，因 而需 要 復(fù)雜 的動態(tài) 均 壓電路 。 三電平變換器由早期的兩電平變換器演化而來， 在變換器的 橋臂 上有 4 個電力 半 導(dǎo)體開關(guān)器件。每個期間三電平變換器作 為 一種新型的 高 壓大容量 功率變 換 器， 從 電 路 拓?fù)?結(jié) 構(gòu)入手 ，在得 到高質(zhì) 量的 輸 出波形的同 時 ， 克服 了兩電平逆變器的 諸 多 缺 點：無 須 輸 出變壓器和動態(tài) 均 壓電 路 ，開關(guān) 頻率低 ，因 而 開平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院成人教育學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （ 論 文 ） 說 明 書 第 22 頁 關(guān)器件應(yīng)力小，系統(tǒng)效 率高 等。其主要 優(yōu) 點是：電平 數(shù)越高 ， 輸 出的電壓 諧 波含 量 越低 ，開關(guān)器件的開關(guān) 頻率低 ，開關(guān) 損耗 小，器件應(yīng)力小，無 須 動態(tài) 均 壓。 采用不同的控制方式，可使 三電平變換器工作在逆變狀態(tài)或整流狀態(tài)。在逆變運行狀態(tài)， 通過 對直 流側(cè)的分壓和開關(guān)動作的 不 同組合實現(xiàn)多電平 階梯 波電壓 輸 出， 從而使 得 輸 出的電壓波形更加接 近 正 弦 波。在整流運行狀態(tài)，可在直流輸出電壓可控的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)網(wǎng)測功率因數(shù)調(diào)節(jié)。目前，在電力系統(tǒng)中正越來越多的使用由三電平全控整流器構(gòu)成的有源濾波器。