【正文】 會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，新的控制器件及其控制系統(tǒng)不斷的涌現(xiàn)。由于線電壓 = ，所以線電壓的脈沖是單ABuO極性的，如圖 37e 所示。a 雙極性 SPWM 調(diào)制規(guī)律：不分正、負(fù)半周， 時(shí)，V 1 導(dǎo)通，V 2 截止，rat輸出為正，即為 的正脈沖寬度； 時(shí)，V 2 導(dǎo)通，V 1 截止， 輸出為負(fù)，即OuAOuraut AOu為 的負(fù)脈沖寬度，見(jiàn)圖 37b 同理可畫出 、 的輸出波形，見(jiàn)圖 37c 與圖 3A BOC7d。在雙極性 SPWM 方法中，所用的調(diào)制信號(hào) 未可變頻變幅的三相ru對(duì)稱普通正弦波 、 、 ，其載波信號(hào)為雙極性三角波 ，如圖 37a 所示。由于控制對(duì)象只有一個(gè) ，所以控制電路相對(duì)要簡(jiǎn)單。由此可見(jiàn)，單極性 SPWM 逆變器的輸出交流電壓和頻率均可由調(diào)制波電壓來(lái)控制。b 每半個(gè)周期內(nèi)逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變管中，只有一個(gè)按規(guī)律時(shí)通時(shí)斷地工作，另一個(gè)則完全截止。wtrau1dau等效正弦波dau wta )b )OO圖 36 單極性 SPWM 調(diào)制若降低調(diào)制波的幅值，見(jiàn)圖 36 中的 ，各段脈沖的寬度將變窄，從而使輸rau39。正半周 trau?V1 導(dǎo)通 V2 截止正半周 tra?V1 關(guān)斷 V2 截止負(fù)半周 trau?V2 導(dǎo)通 V1 截止負(fù)半周 tra?V2 關(guān)斷 V1 截止表 35 單極性 SPWM 調(diào)制規(guī)律a 當(dāng) 時(shí)，逆變管 VV 2 導(dǎo)通，決定了 SPWM 系列脈沖的寬度 ；當(dāng)ru1 1t 時(shí)，逆變管 VV 2 截止，決定了 SPWM 系列脈沖的間隔寬度 。0調(diào)制電路raubc/dd圖 34 PWM 逆變器簡(jiǎn)單原理圖3) 單極性 SPWM在單極性的調(diào)制方式中，調(diào)制波為正弦波 載波為單極性的等三角形 ，即調(diào)rau1u制波為正半周時(shí)，載波為正極性的三角波，調(diào)制波為負(fù)半周時(shí)，載波為負(fù)極性的三角波，如圖 35 所示(僅畫出了正半周)。在這里，把希望得到的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到期望的 PWM 波形。同時(shí)，其他管子的導(dǎo)通亦可得到三相交流電的 B 相和 C 相。當(dāng) V1 導(dǎo)通時(shí)，在 A 相負(fù)載上得到的電壓與 V2 導(dǎo)通時(shí)在 A 相負(fù)載上得到的電壓方向相反。 u t0T圖 33 正弦波脈寬調(diào)制的輸出電壓SPWM 的脈沖系統(tǒng)中，各脈沖的寬度 t1 和脈沖的間隔 t2 都是變化的。2tDNXTa )b )a) 調(diào)制前的波形 b) 調(diào)制后的波形圖 32 脈寬調(diào)制的輸出電壓由于變頻器的輸出是正弦交流電，即輸出電壓的幅值是按正弦波規(guī)律變化，因此在一個(gè)周期內(nèi)的占空比也必須是變化的，也就是說(shuō)在正弦波的幅值部分，取大一些，在正弦波到達(dá)零處， 取小一些，如圖 33 所示。 uu1t2DNU0T tt039。圖 32a 為調(diào)制前的波形，電壓周期為，圖 32b 為調(diào)制后的波形，電壓周期為 。所謂占空比是指脈沖寬度與一個(gè)脈沖周期比值，用 表示，即 。從圖中可以看到，脈沖的寬度 越大，脈沖的間隔 越小，輸出電壓的平均值就越大。這樣，首先使主電路只有一個(gè)可控的功率環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)；第二使用了不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小無(wú)關(guān)而接近 1；第三逆變器在調(diào)節(jié)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，而與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無(wú)關(guān)，加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；第四可獲得比常規(guī)六拍階梯波更好的輸出電壓波形，能抑制或消除低次諧波，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)可在近似正弦波的交變電壓下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈沖小，大大擴(kuò)展了拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍，提高了系統(tǒng)性能。為解決上述問(wèn)題，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制方式。 脈寬調(diào)制型(PWM)變頻器1) 在一般的交直交變頻器供電的變壓、變頻調(diào)速中，為獲得變頻調(diào)速所要求的變頻與變壓的協(xié)調(diào)控制，整流器必須是可控整流，這樣在變頻調(diào)速時(shí)要同時(shí)控制整流器和逆變器，這就帶來(lái)一系列的問(wèn)題?？刂齐娐返膬?yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。因此，在直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無(wú)功功率的交換，這種無(wú)功能量就靠這之間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件來(lái)緩沖。它是利用六個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的主開關(guān)元器件的通與斷，得到任意頻率的三相交流電輸出。此外，由于電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的需要，在直流中間電路中有時(shí)還包括制動(dòng)電阻以及其它輔助電路。整流電路按其控制方式，可以是直流電壓源，也可以是直流電流源。 1)．整流電路 一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。目前使用最多的占空比按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制，即 SPWM 方式。這種調(diào)壓方式很少使用。根據(jù)調(diào)壓方式不同，交—直—交變頻器又分成脈幅調(diào)制型和脈寬調(diào)制型兩種。 電壓型變頻器是指變頻器整流后是由電容來(lái)濾波，現(xiàn)在使用的交—直—交變頻器大部分為電壓型變頻器。由于把直流電逆變成交流電較易控制，因此在頻率的調(diào)節(jié)范圍、變頻后電動(dòng)機(jī)特性的改善等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，目前使用最多的變頻器均為交—直—交變頻器。前者是將頻率固定的交流電源變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源，其主要優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，變換頻率高，但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍較窄，一般在 ，故主要用于容量較2/01Nf?大的低速拖動(dòng)系統(tǒng)中。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，靜止式變頻器已完全取代了早期的旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組。此時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性如圖31f?1f29 所示： n123NnNf12f3ToNf?1如圖 29 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性第 3 章 變頻器三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速所用的變頻電源有兩種，一種是變頻機(jī)組，另一種是靜止的變頻裝置變頻器。最大轉(zhuǎn)矩11/60pfn1fn?f1n點(diǎn)：由 ，當(dāng) 調(diào)高時(shí)， 減小。所以起動(dòng)1212212 //)(/ fxfRCUxRfCUTst ????轉(zhuǎn)矩隨頻率下降而增加。但當(dāng) 下調(diào)過(guò)低時(shí)，因 也很低，此時(shí)定1f1U子電阻 上的壓降 已不能再忽略，而使 、 下降更嚴(yán)重，電動(dòng)機(jī)的 將11I Em?mT變小。因此，在不同頻率下，最大轉(zhuǎn)矩保持不變，且對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速降也不變。同步點(diǎn)：由 ，則 ， 下調(diào)， 隨之下降。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的調(diào)速，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速” 。 把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來(lái)，可得到異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制特性，如圖 27 所示。所以，電源頻率上調(diào)時(shí)，只能維持電動(dòng)機(jī)定子相電壓 不變。 //速為恒磁通調(diào)速，由于 不變，調(diào)速過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩 不變，m 22cos?NmTIC??屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速?？梢?jiàn)，電動(dòng)機(jī)額基頻以下的調(diào)?NfUf139。為此，電動(dòng)機(jī)在基頻以下調(diào)速時(shí)，應(yīng)使 恒定不變。三相異步電動(dòng)機(jī)每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是： (26)mkNfE??114.式中： —?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值，單位為 V；1E — 定子頻率，單位為 Hz；f —定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；1N —定子基波繞組系數(shù)；k —每極氣隙磁通量，單位為 Wb；由公式可知，只要控制好 和 ，m? 1Ef便可以控制磁通中 不變，需要考慮基頻 (額定頻率)以下和基頻以上兩種情況；m1) 基頻以下調(diào)速當(dāng)電源頻率 在基頻以下調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，但在調(diào)節(jié)電源頻率的同1f時(shí)，必須同時(shí)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的定子電壓 ，且始終保持 常數(shù)，否則電動(dòng)機(jī)無(wú)1U?1/f法正常工作。對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以只要對(duì)電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保持 不變m是很容易做到的。f 在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素時(shí)希望保持每極磁通量 為額定值不變。p 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法可分為兩大類：一類是通過(guò)改變同步轉(zhuǎn)速 來(lái)改0n變轉(zhuǎn)速 ，具體方法有變極調(diào)速(改變 )和變頻調(diào)速(改變 )；另一類是通過(guò)改變npf轉(zhuǎn)差率 來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這就需要讓電動(dòng)機(jī)從固有特性上運(yùn)行改為人為特性上運(yùn)行，s具體方法有變壓調(diào)速(改變 )，轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速(改變 )，等等。另一類生產(chǎn)機(jī)械，例如起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等則要求電動(dòng)機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下都能輸出同樣的轉(zhuǎn)矩，因此，它希望電動(dòng)機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的性能。例如切削機(jī)床，要求精加工小切削量時(shí)，工件轉(zhuǎn)速高，粗加工大切削時(shí)，工件轉(zhuǎn)速低。5) 調(diào)速時(shí)的允許負(fù)載 電動(dòng)機(jī)在各種不同轉(zhuǎn)速下滿載運(yùn)行時(shí)，如果允許輸出的功率相同，則這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速；如果允許輸出的轉(zhuǎn)矩相同，則這種調(diào)速的方法稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。0n生產(chǎn)機(jī)械在調(diào)速時(shí)，為保持一定的穩(wěn)定性會(huì)對(duì)靜差率提出一定的要求。靜差率還與理想空載轉(zhuǎn)速 的大小有關(guān)。 靜差率與機(jī)械特性的硬度有關(guān)。?4) 調(diào)速的穩(wěn)定性調(diào)速的穩(wěn)定性是用來(lái)說(shuō)明電動(dòng)機(jī)在新的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載變化而引起轉(zhuǎn)速變化的程度，通常用靜差率來(lái)表示。 平滑的程度可用相鄰兩轉(zhuǎn)速之比來(lái)衡量，稱為平滑系數(shù)，即 (22)1??in?越接近于 1，平滑性越好。如果在一定的調(diào)速范圍內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速都可以得到則稱為無(wú)級(jí)調(diào)速。級(jí)數(shù)越多，相鄰兩轉(zhuǎn)速的差值越小，平滑性越好。若比基本轉(zhuǎn)速高，稱為往上調(diào)，比基本轉(zhuǎn)速低，稱為往下調(diào)。調(diào)速性能的好壞往往影響到生產(chǎn)機(jī)械的工作效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。由于傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電控系統(tǒng)通常采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，盡管起動(dòng)性能與調(diào)速性能較交流鼠籠型電動(dòng)機(jī)有很大改善，但由于采用有級(jí)調(diào)速，依然存在以下問(wèn)題：1)控制檔位較多時(shí)，控制電路復(fù)雜，系統(tǒng)的故障率較高；2)在換檔時(shí)依然存在電流與轉(zhuǎn)矩沖擊，重載情況下尤為突出；3)低速定位時(shí)由于采用“倒拉反接制動(dòng)”運(yùn)行方式，轉(zhuǎn)子中串入了較大電阻導(dǎo)致機(jī)械特性變得很軟，低速定位困難；4)能量損耗大，特別是重載低速時(shí)的損耗尤其嚴(yán)重第 2 章 調(diào)速系統(tǒng)介紹調(diào)速就是在一定的負(fù)載下，根據(jù)生產(chǎn)的需要人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。前四種方案均屬有級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍小，無(wú)法高速運(yùn)行，只能在額定速度以下調(diào)速：起動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)沖擊大；常在額定速度下進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)，對(duì)起重機(jī)的機(jī)構(gòu)沖擊大，制動(dòng)閘瓦磨損嚴(yán)重；功率因數(shù)低，在空載或輕載時(shí)低于 ~，即使?jié)M載也低于 ，線路損耗大。由于傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電控系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，致使機(jī)械沖擊頻繁，振動(dòng)劇烈，因此電氣控制上應(yīng)采用平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速是解決問(wèn)題的有效手段。究其原因是頻繁的超負(fù)荷作業(yè)及過(guò)大的機(jī)械振動(dòng)沖擊所引起的機(jī)械疲勞。 傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和存在的問(wèn)題 橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著十分重要的地位，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)橋式起重機(jī)制造廠和使用部門在設(shè)計(jì)、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，不斷改造，推動(dòng)了橋式起重機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。變頻器使用 PWM 技術(shù)可嚴(yán)格地使輸入電流正弦 ，即在下降過(guò)程各機(jī)1cos???械減速制動(dòng)中，將動(dòng)能和位能轉(zhuǎn)化為電能反饋電網(wǎng)，達(dá)到理想的節(jié)能指標(biāo)，同時(shí)確保工況正常運(yùn)行，上述發(fā)展己完成了產(chǎn)品系列化上市，對(duì) “變頻”裝置在技術(shù)上以及經(jīng)濟(jì)上與其他驅(qū)動(dòng)裝置競(jìng)爭(zhēng)將有明顯的優(yōu)勢(shì)。而矢量控制是從根本上解決了這個(gè)問(wèn)題，使交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。因此要控制異步電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩十分困難。 直流電動(dòng)機(jī)之所以與有良好的控制性能，其根本原因是當(dāng)勵(lì)磁電流恒定時(shí)，控制電樞電流的大小就能無(wú)時(shí)間滯后的控制瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的大小。目前，變頻調(diào)速的控制方法有恒壓頻比控制，轉(zhuǎn)差頻率控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等。3) 變頻調(diào)速：變頻調(diào)速技術(shù)是國(guó)際上各大電氣公司在 70 年代末 80 年代投入全力研制、開發(fā)，也是國(guó)際國(guó)內(nèi)這幾年全力研制應(yīng)用的目標(biāo)與方向?？删幊绦蚩刂破?PLC 引入到交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)后，使傳動(dòng)系統(tǒng)性能發(fā)生了質(zhì)的變化。法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等大電氣公司亦在這方面展開了重點(diǎn)研制開發(fā)。目前，該技術(shù)已進(jìn)入了成熟穩(wěn)定的發(fā)展應(yīng)用階段。2) 交流調(diào)速控制系統(tǒng)：對(duì)于起重機(jī)械來(lái)講，交流驅(qū)動(dòng)仍是國(guó)內(nèi)普遍采用的方案而且多數(shù)停留在繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻來(lái)調(diào)速。 該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施主回路 SCR 整流，其控制是給定模擬量通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)速度環(huán)、電流環(huán)到 SCR 移現(xiàn)觸發(fā)的邏輯無(wú)環(huán)流的調(diào)速系統(tǒng)。 從交流驅(qū)動(dòng)來(lái)講：常規(guī)的常采用繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，為滿足重物下放時(shí)的低速，一般依靠能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)，后來(lái)還采用渦流制動(dòng)，還有靠轉(zhuǎn)子反饋控制制動(dòng)、反接制動(dòng)、單相制動(dòng)器抱閘松勁的所謂軟制動(dòng)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外開發(fā)研制變頻調(diào)速，PLC 可編程序控制器的應(yīng)用控制系統(tǒng)的性能更加完美。從控制電阻分級(jí)控制，到交磁放大控制，到可控硅 SCR 激磁控制，到主回路可控硅即晶閘管整流供電系統(tǒng)。而且，也有一定的成果出現(xiàn)。交流無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)采用交交變頻控制系統(tǒng)。無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)。5) 無(wú)換向器同步電機(jī)的變頻調(diào)速無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)也是在 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來(lái)的新型調(diào)速系統(tǒng)。從某種意義上講，由于目前國(guó)內(nèi)還不能完全生產(chǎn)高質(zhì)量的合格電力電子器件，而且，國(guó)外低壓變頻器的性能價(jià)格比也比國(guó)內(nèi)自己研究的變頻器高得多。這種高壓電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠的送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)上。而高壓電動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果是比較明顯的，大功率的風(fēng)機(jī)和水泵用電動(dòng)機(jī)一般都是高壓電動(dòng)機(jī)。這方面的研究論文還不多，也還沒(méi)有成熟的類似低壓變頻器的產(chǎn)品出現(xiàn)。多重化技術(shù)就是為了解決輸出波形問(wèn)題。最近 10 多年來(lái)，國(guó)外在這一領(lǐng)域己有較深入的研究。這種控制方案要求計(jì)算機(jī)的控制速度較高，并有足夠的精度。在實(shí)際使用中，由于變頻設(shè)備和被控電動(dòng)機(jī)有一定的距離，而高精度的轉(zhuǎn)速傳感器都要使用專門的電源，被控電動(dòng)機(jī)有的是在戶外，運(yùn)行