【文章內容簡介】 協調控制的方式不同，可以得到不同的調速特性： （ 1）基頻以下調速 a ）恒電壓頻率比調速：由電動機的電磁轉矩公式 T m aT C I?? cos m? 可知 T與 m? 、 aI 成正比，要保持不變，則 m? 保持不變， 即 ?11/fU 常數 C 這就是恒電壓頻率比的協調控制公式，其機械特特征曲線如圖 所示 TmTn1s2sn3sn4sn11?12?13?14?0低 頻定 子壓 降補 償 圖 恒壓頻比控制變頻調速的異步電機機械特性 由圖 可知，從同步轉速 0?T 到最大轉矩 MAXT 可以近似地看成線性，且線性段基本平行，類似于直流電機的調壓特征。但最大轉矩 MAXT 隨 1f 下降而減小，因為 1f 高時， 1U 和 1E 的數值較大，定子阻抗壓降 )( 139。1 EI? 所占比例小，所以11 EU? ；而 1f 低時， 1U 和 1E 數值較小，而電子阻抗壓降所占分量就比較大，使11 UE? ，則 m? 就小， MAXT 就下降，這對于滿 載或者過載啟動很不利，但對于風機水泵類機械負載很合適。 )b 恒最大轉矩調速：由于低速時， E 與 U 相差很大，不能用 1E 代替 1U ，則采用 CfE ?11 / （ 1E 為定子電勢， 1f 為定子頻率）的協調控制。由于 1f 小時 11 UE? ，則定子電壓應適當提高，使 11 UUE ?? ，以近似補償由于定子阻抗引起的壓降，從而保證電機具有最大轉矩。 10 Ts10 abmsTm 圖 恒壓頻比控制異步電機機械特性 （ 2）基頻以上調速（恒功率調速） 有時為了擴大調速范圍，可以使 Nff ?1 從而使 Nnn?1 但是定子電壓卻不能大于電源額定電壓 NU ，最高只維持 NUU?1 不變。這樣，隨著運行頻率升高，11/fU 比值下降氣隙磁通隨之減小，弱磁后額定電流時的轉矩將減小，特性變軟。 把基頻以下和基頻以上兩種情況完全綜合起來，可得圖 的異步電動機變頻調速控制特性。 如果電機在不同轉速下都不超過額定電流，則電機都能在溫度允許下長期運行，這時轉矩基本上隨磁通量變化，按電力拖動原理，在基頻以下屬于“恒轉矩調速”，基頻以上為“恒功率調速”，通過以上分析，變頻 調速可得幾乎與直流電機調壓調速相同“硬度”的機械特性。 1fNf101U1Um?mN? abNU 1m?恒 轉 矩 恒 功 率低 頻 定 子 電 阻壓 降 補 償 11 圖 異步電機變頻調速控制特性 變頻器的分類 在本文中將主要以中小容量交 直 交通用變頻器我主要介紹對象，但它畢竟只是整個變頻器家族的一員，本節(jié)將大體介紹一下變頻器的分類。 變頻器的種類很多，按以下幾種分類： 一、按變換頻率的方法分類 交 直 交變頻器 交 直 交變頻器首先將恒定 50Hz 的交流經整流，變換成直流，經過濾波， 再將平滑的直流逆變成頻率可調的交流。根據直流回路的濾波 方式不同，變頻器的形式又可以分為兩種：一種是電容濾波，直流回路電壓比較平直，輸出阻抗很小，電壓不易突變，相當于直流恒壓源，稱之為電壓型變頻器；另一種是用電感濾波，其直流回路的電流波形比較平直，輸出阻抗很大，電流不易突變稱之為電流型變頻器。圖 26 為交 直 交電壓型變頻器的主電路結構。，圖 27 為交 直 交電流型變頻器原理圖。 交 流5 0 H z直 流交 流 變 成 直 流直 流 逆 變 成 交 流制 動 圖 26 交 直 交電壓型變頻器主回路 交 流5 0 H z電 感 濾 波整 流逆 變交 流 頻 率 可 調 圖 27 交 直 交電流型變頻器原理圖 電感型負載不容許電流突變，如果用電流型做脈寬調制則很快的開關速度會 12 導致過高的電流變化率，在負載上激發(fā)出很高的瞬時電壓，則可導致器件的過電壓擊穿，因此，用電流型濾波電路作 SPWM 變頻不適合電感負載。由于電動機正是電感負載，因此采用 SPWM 方式的通用變頻器中基本上全是采用電壓型濾波電路。 交變頻器 交 交變頻調速系統如圖 28 所示，它由三組反并聯晶閘管可逆橋式變流器組成，采用電網自然換相原理，具有過載能力強、效率高、輸出波形好等優(yōu)點，但同時也存在著輸出 頻率低（最高頻率小于 1/2 電網頻率）、電網功率因數低、旁頻諧波影響等缺點，交 交變頻分為有環(huán)流方式和無環(huán)流方式，可驅動同步電動機或異步電動機。 雖然交 交變頻原理簡單，能量變換直接、效率高，但其主電路復雜，可控器件多，觸發(fā)驅動電路就會復雜，從單位功率成本考慮，只適合大容量場合應用，不適合小容量場合應用。而且，交 交變頻輸出波形與頻率有關，頻率越低，波形越接近正弦波，頻率一高，波形就失真了，甚至嚴重畸變而導致力矩脈動嚴重，因此交 交變頻只適合低頻低速運行。 只適合于大容量、大轉矩、低頻低速運行的特殊場合應用， 大大限制了交 交變頻的應用領域，因此，交 交變頻方法不適合作為通用變頻器變頻方法的選擇。 圖 28交 交變頻同步電動機調速系統 二、按變頻器輸出電壓（或電流）的方法分類 PAM 所謂 PAM(Pulse Amplitude Modulation),是一種改變電壓源的電壓 dE 或電流源電流 dI 的幅值，進行輸出控制的方式。因此，在逆變部分只控制頻率，在變流 13 部分控 制輸出的電壓或電流。 PWM PWM(Pulse Width Modulation)方式是在輸出波形的半個周期中產生多個脈沖，使各個脈沖的等值電壓為正弦波狀，輸出電壓或電流波形平滑且低次諧波少。 PAM 變頻器是早期變頻器的基本形式，隨著脈寬調制 (PWM)技術的發(fā)展，交 直 交變頻的波形大大改善，調速性能大幅度提高，因此， PAM 已經在通用變頻器中被淘汰了。 三、按電壓等級分類 變頻器按電壓等級分為兩類：一種是變頻器電壓等級為 340V~460V 屬低壓型變頻器；第二種是高壓型變頻器，電壓等級為 3Kv、 6kV、 10kV。 低壓型變頻器 這類變頻器單相為 220V~240V，三相為 220V 或 380V~460V 容量從 ~280kV ~500kV,一般稱為中小容量變頻器。 高壓大容量變頻器 高壓大容量變頻器主要有兩種結構形式：一種采用升、降壓變壓器稱之為“高 低 高”式變頻器，亦稱為間接高壓變頻器；另一種采用高壓大容量GTO 晶閘管或晶閘管功率元件串聯結構，無輸入，輸出變壓器，直接將高壓電流整流為直流，稱之為“高 高”式變頻器，亦稱直接高壓變頻器。 四、 用對象分類 以應用對象劃分，可以將變頻器分為通用變頻器及專用 變頻器兩類，專用變 頻器應該是針對特定應用領域開發(fā)的、在電路結構、控制原理等方面與通用變頻器有顯著差別的變頻器，專用變頻器由于應用對象的差別，本身沒有很明顯的共同性。 本文重點介紹通用變頻器，按照上面的分類，其全稱應該是交 直 交 SPWM電壓型通用變頻器。 變頻調速系統的結構 14 從結構上看，變頻調速系統可分為直接變頻和間接變頻兩類。直接變頻又稱交 — 交變頻，是一種將工頻交流電直接變換為頻率可控的交流電，中間沒有直流環(huán)節(jié)的變頻形式；間接變頻又稱為交 — 直 — 交變頻，是將工 頻交流電先經過整流器整流成直流，再通過逆變器將直流變換成頻率可變的交流的變頻形式，因此這種變頻方式又被稱為有直流環(huán)節(jié)的變頻。 交 — 交變頻調速系統一般使用的開關器件是晶閘管，利用電網電壓有自動過零并變負的特點，將晶閘管直接接在交流電源上，使晶閘管能自然關斷。其過程與可控整流器一樣，不需要附加換流元件，方法簡單，運行可靠。而且，交 — 交變頻器在低頻時輸出波形接近正弦，且為一次變流，具有較高的效率，還能實現四象限運行。但是由于這種方法使用晶閘管數量較多，主回路復雜，且輸出頻率受電源頻率的限制，一般不能高于電網頻率的 1/2,所以交 — 交變頻器在交流異步電機調速方面主要用于低速大功率傳動，特別是起動轉矩要求高的場合。 交 — 直 — 交變頻調速系統框圖如圖 31 所示，是目前變頻電機的主要形式，該方式必須通過兩次電能變換。效率稍低。但前級市電的干擾不會影響后級，輸出波形好，變頻范圍寬。 圖 31交 — 直 — 交變頻調速系統框圖 AC/DC：將交流電變?yōu)橹绷麟?，實現這一功能的變換電路一般稱為整流電路。在 AC/DC 變換過程中常常引入高頻變換環(huán)節(jié)，達到減小電源設備體積、減輕重量、提高效率、改善動態(tài)特性等目的，轉換頻率一般為幾十千赫至幾百千赫。 DC/AC：將直流電變?yōu)榻涣麟?，實現這一功能的變換電路，一般稱為逆變器。逆變電路既可將固定的直流電壓變換為固定幅值和頻率的交流電壓，亦可將其變換為幅值和頻率都可調節(jié)的交流電壓，后者常稱為變頻器。 逆變器是電力電子裝置中的重要組成部分，是不間斷電源、交流電氣傳動、中頻電源等許多設備的核心，因而其研究工作倍受人們的關注，研究的焦點是如 15 何方便地調節(jié)逆變電源的輸出電壓和頻率，并降低諧波含量，改善輸出波形。迄今為止，降低諧波含量和調節(jié)輸出電壓 (大小或頻率 )的常用措施有： 1）對逆變電源的開關管進行高頻 PWM 調制，使逆變器輸出為高頻等幅的 PWM波。 2）通過改變逆變電源主電路拓撲結構，在主電路上進行波形重構以實現階梯波形輸出，減小低階高次諧波含量。 三相異步電機變頻調速系統的方案設計 由 DSP 控制的變頻調速系統框圖如圖 32 所示，本系統以 DSP 為控制核心，主要由整流器，濾波環(huán)節(jié)，逆變器，檢測環(huán)節(jié)及控制回路組成。 圖 32三相異步電機變頻調速系統設計框圖 系統主電路采用典型交一直一交電壓源型變頻器結構，整流環(huán)節(jié)采用單相橋式不控整流模塊，逆變電路功率器件采用 IGBT，中間直流環(huán)節(jié)加大電容濾波以獲得平滑的直流電壓，電網電壓經橋式整流后對直流母線上的濾波電容充電，串聯限流電阻 R，是為限制過大的充電電流。若不用限流電阻，當系統合閘時會有相當大的充電電流，可能燒毀濾波大電容和整流模塊。限流電阻只在電容剛開始充進行限流，當電容兩端的電壓充到一定值時，繼電器 K 吸合，把限流電阻 R， 16 短路。電路中電容 CZ、二極管 VD 和電阻 R、構成一個典型的吸收緩沖電路。主回路工作時，因為功率器 件開關頻率很高，開關動作時會在直流環(huán)節(jié)中產生電流突變，若直流環(huán)節(jié)存在電感，則可能在功率器件兩端產生很大的尖峰電壓，吸收緩沖電路的作用就是吸收消除此尖峰電壓。電容電壓的檢測用電阻 RZ 和 R3 分壓進行檢測，分別控制繼電器 K 和過壓保護電路。功率器件采用三菱公司智能 IGBT模塊。內含過壓、過流、過熱保護，是一種新型的功率器件。具有驅動電路簡單、可靠性高等優(yōu)點。系統控制電路包括了 DSP 的電路板以及以該板為核心分別擴展的數字信號處理板和模擬信號處理板，分別完成頻率給定、按鍵選擇調制方式及顯示、低頻補償給定等功能，并對各種 故障信號進行綜合處理。 同時，系統中會有一系列的檢測、通訊、保護、故障處理電路，以保證本電源的安全穩(wěn)定。 本設計用 TMS320F2808 作為變頻調速系統的控制芯片與其他單片機相比，其優(yōu)勢表現為 :數據處理能力強、高運算速度、能實時完成復雜計算、單周期多功能指令、 PWM 分辨率高、更短的采樣周期。 TMS320F2808 芯片的內部采用程序和數據分開的哈佛結構，集成了 A/D 轉換，廣泛采用流水線操作，可以用來快速地實現各種數字信號處理算法。 三相異步電機變頻調速系統的控制方式 目前，大部分三相異步電機變頻調速系 統主要是基于間接 SPWM 技術，采用IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)作為功率控制器件來提高功率主電路的控制性、穩(wěn)定性和效率，以 DSP 作為控制核心進行控制和參數運算處理，提高了變頻調速系統的操作性。生成 SPWM 常采用的方法有三種 :一是完全由模擬電路生成；二是由數字電路生成；三是由專用集成芯片生成。模擬方法電路復雜，硬件太多，抗干擾性差，有溫漂現象，難以實現最優(yōu)化 PWM 控制 (最優(yōu)化 PWM 的調制波都不是正弦波 )，系統可靠性差 。數字方法按照不同的數字模型用計算機算出各切 換點，將其存入內存，然后通過查表及必要的運算產生 SPWM 波，該方法調頻范圍不寬，且占用內存大，與系統精度之間存在矛盾 。由專用集成芯片生成三相 SPWM 波的技術近年來被廣泛采用，常用的有 NEF4752, SLE4520, MA818, MA828, MA838 和 MITEL 公司研制的三相 /單相 PWM 產生器 SA828, SA838 系列芯片。它們多與微處理器連接，完成外圍控制功能，但在系統構成上仍然復雜。 PWM(脈寬調制 )技術是利用半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓的脈沖寬度以 達到變壓變頻目的的一種控制技術。SPWM(正弦脈寬調制 )是由控制回路產生一組等幅而不