第四章 交流调速系统 1为什么改变异步电动机定子供电频率，可以调节异步电动机的转速？ 由 可知，当极对数 不变时，同步转速 和电源频率 成正比。而异步 p f n / 60 1 1 p 1 n 1 f 电动机的转速 ，所以连续地改变供电电源频率，就可以平滑地 p f s sn n / 60 ) 1 ( 1 ( 1 1 调节电动机的转速。 2异步电动机变频调速时，如果只从调速角度出发，仅改变人是否可行？为什么？ 在实际应用中，同时还要调节 ，否则会出现什么问题？ 1 U 由电机学可知，异步电动机有如下关系式： m N N K E U 1 1 1 1 1 4.4f 4 式中，定于绕组匝数 ，定于绕组系数 为常数。在电源频率 一定时，定于绕 1 N NI K 1 f 组感应电压势 与 与产生它的气隙合成磁通电成正比。忽略定子阻抗压降时，定子电 1 U 1 E 压 U ；与 E ；近似相等。由式（4-1 ）看出，若 不变， 成反成反比。如果人下降， 1 U 与 1 f 则入增加，使磁路过饱和，励磁电流迅速上升，铁损增加，电动机效率降低，也使功率 因数减小。如果 上升，则 减小，电磁转矩减小，电动机的过载能力下降。可见调 1 f m 速时为维持恒磁通 不变，在调节人的同时还要协调地调节 ，才可以使异步电动机 m 1 U 具有较好的性能。 3、异步电动机变频调速时，常用的控制方式有哪几种？它们的基本思想是什么？这 几种控制方式得到的机械特性如何？ 常用的控制方式有三种： （1）保持 = 常数的控制方式 1 1 / f U 一般生产机械的负载多为恒转矩负载。对恒转矩负载，希望在调速过程中保持最大 转矩几。不变，即电动机的过载能力不变。由电机学可知，最大转矩 为 max T ( 4 3 2 ) 2 1 2 1 1 1 2 max x x r r f pU T 若忽略定子电阻 rl，并考虑到 ,则 所以在 1 r ) ( 2 2 1 1 2 1 L L f x x x k 2 1 1 max ) / ( f U T 从额定频率（称为基频）向下调节 时，协调控制 ，使 的比值保持不变，即可 1 f 1 U 1 1 U f 与 保证在调速过程中，电动机的最大转矩不变。称为压频比恒定的控制方式。在频率较高时，定子电阻 马相对于短路电抗 x。来说，可以忽略（因为 1 r 1 f x k k x ） ，在调节 同时，调节 ，并保持 常数，即可使 不变。但是在频率 1 f x k 1 f 1 U 1 1 / f U max T 较低时， 相对 来说，不可忽略。此时既使仍保持压频比恒定，由 也要减小，从 1 r k x m 而使最大转矩 减小。电动机低速运行时，过载能力随转速 的降低而降低。因此这 max T n 种控制方式的变频调速只适用于风机类负载，或是能轻载起动，而又要求调速范围较小 的场合。 （2）保持 = 常数的控制方式 1 1 / f E 对于要求调速范围大的恒转矩负载，希望在整个调速范围内，保持最大转矩不变， 即 不变，可以采用 =的控制方式，也称为恒磁通控制方式。 m 1 1 / f E 由于异步电动机的感应电动势 不好测量和控制，所以在实际应用中，是采取补偿 1 E 的办法。随着 的降低，适当提高 ，以补偿 上的压降，等效地满足 = 常数， 1 f 1 U 1 r 1 1 / f E 以达到维持最大转矩不变的目的。考虑到低频空载时，由于电阻压降减小，应减少补偿 量，否则将使电动机磁通 增大，导致磁路过饱和而带来的问题，具体如何做需根据 m 生产工艺要求而定。 （3）恒功率控制方式 电动机在额定转速以上运行时，定子频率将大于额定频率，如按以上控制方式，定 子电压则要相应地高于额定电压，这是不允许的。因此在基频以上应采取恒功率控制方 式。这与直流电动机在额定转速以上，采用恒压弱磁调速相似。此时，由于定子电压限 制在允许范围内，而频率升高，致使气隙磁通减小，转矩减小，但因为转速上升了，所 以属恒功率性质。 只要满足 = 常数的条件，即可恒功率调速。实际在基频上以上调速时，是保 1 1 / f U 持 为额定值不变，而只升高频率，所以为近似恒功率调速。一般在基频以下采用 1 U = 常数或 = 数的控制方式；基频以上采用恒功率控制方式。 1 1 / f U 1 1 / f E （4）机械特性 由 知，改变电源频率 人，就有不同的 ，从而得到不同的机械特性。 p f n 1 1 60 1 f 1 n 再得知最大转矩的变化规律和机械特性运行段的斜率，即可大致画出变频调速的机械特性。 （a）最大转矩当 从基频向下调，而数值较高时， 可忽略 ，按压频比 1 f 1 r 1 1 max / f U T 恒定的控制方式调速，最大转矩基本保持不变。当 人数值较低时， 不可忽略，由式 1 f 1 r （42）可见，最大转矩将减小。这是因为在 上产生的压降使得定子电动势 进一步 1 r 1 E 降低，气隙磁通 减小，所以，既使保持 = 常数，也不能保持 不变，致使最 m 1 1 / f U m 大转矩 减小。 下降越多， 的影响越大， 减小越多。为了提高低速时电动机 max T 1 f 1 r max T 的过载能力，必须适当地提高 ，采用 =常数的控制方式。当从基频向上调时， 1 U 1 1 / f E 保持额定值不变， 增加， 减小， 随之减小。 1 U 1 f m max T （b）运行段的斜率由电机学知，临界转差率 为： 在 较高 m S 2 2 1 2 1 2 ) ( x x r r S m 1 f 时忽略 并用 代人式中，得 又因为转速 1 r ) ( 2 2 1 1 2 1 L L f x x ) ( 2 2 1 1 2 L L f r s m 则对应最大转矩时 =常数可见 与频率 无关。 ) 1 ( 1 s n n ) ( 2 2 1 1 2 1 L L f r n s n m m m n 1 f 因此，无论在基频以下还是基频以上调速时，机械特性都是平行上下移动的。到频率 很低时， 不可以忽略， 减小，机械特性更硬些，根据以上分析，可以定性画出 1 f 1 r m n 机械特性。 4请画出交一直一交变频器和交一交变频器的示意图，并指出各自的特点。 交一交变频系统的示意图。 如果使左右两组晶闸管轮流向交流电动机供电，交流电动机的定子上即可得到交流 电压，两组晶闸管切换得快，则电压频率高，反之则频率低。这就是交交变频器的工 作原理。交一变变频器的主要优点是只进行一次能量变换，所以效率较高，而且晶闸管靠电源电压自然换流，不需要设置强迫换流装置。其缺点是所用开关元件多。另外，这 种变频器输出电压的频率调节范围在电源频率的 1/3 以下，最高不超过 1/2，因而限制了 它的应用场合。一般是用于低速、大功率的调速系统中。 交一直一交变频器向异步电动机供电的主回路原理图。图中，UR 表示整流器；UI 表示逆变器。CVCF 表示恒压恒频电源；VVVF 表示变压变频电源。图 a 的中间环节是 大电容器滤波，使直流侧电压 zzz U。接近恒定，变频器的输出电压随之恒定，相当 d U 于理想的电压源，称为交玉红交电压型变频器。由于采用大电容滤波，直流侧电压恒定， 输出电压为矩形波，输出电流由矩形波电压和电动机正弦波电动势之差产生，所以其波 形接近正弦波。又因为逆变器的直流侧电压极性固定，不能实现回馈制动，若需要回馈 制动时，必须在整流侧反并联一组晶闸管，供逆变时用。这时逆变器通过反馈二极管工 作在整流状态；附加的一组晶闸管工作在逆变状态，向电网回馈电能。 图 b 的中间环节是电感很大的电抗器滤波，电源阻抗大，直流环节中的电流 可近 d I似恒定，逆变器输出电流随之恒定，相当于理想的电流源，称为交直一交电流型变频 器。它的逆变器输出电流波形为矩形波，输出电压波形由电动机正弦波电动势决定，所 以近似为正弦波。这种变频器可以实现回馈制动，回馈制动时，主回路电流 方向不变， d I 而电压 极性改变，整流器工作于逆变状态，逆变器工作在整流状态，从而使主回路在 d U 不增加任何元件的条件下，电动机就能自动地从电动状态进人回馈制动状态。这是这种 变频器的突出优点。 5 电压型变频器和电流型变频器的主要区别在哪？它们各有什么特点？ 电压型变频器和电流型变频器的主要区别在于对无功能量的处理方法不同，致使形 成各自不同的技术特点，如下表所示。 变频器类型 电 压 型 电 流 型 直流回路虑波环节 电容器 电抗器 输出电流波形 接近正弦 矩形波 输出电压波形 矩形波 接近正弦 回馈制动 需在电源侧附加反并联逆 变器 方便，不需附加设备 过滤及短路保护 困难 容易 动态特性 较慢，采用 PWM 方式则快 较快 对开关元件要求 关断时间短，而压可较低 耐压同 6180导通型逆变器和 120导通型逆变器各有什么特点？ (1)180导通型逆变器 在逆变器中晶闸管的导通顺序是从 ，每个触发脉冲相隔 60每个晶闸管持 6 1 VT VT 到 续导通时间为 180电角度。在逆变器中，任何瞬间都有三只晶闸管同时导通。晶闸管 之间的换流是在同一桥臂上的上、下两个晶闸管间进行的。 相电压波形为阶梯波。线电压为矩形波，各相之间互差 120，三相是对的。 （2）120导通型逆变器 逆变器中晶闸管的导通顺序仍是从 VT 1 到 VT 6 ，各触发脉冲相隔 60电角度，只是每个晶闸管持续导通时间为 120电角度，因此任何瞬间有两个晶闸管同时导通，它们 的换流在相邻桥臂间进行。这样，同一桥臂上两个晶闸管的导通有 60间隔，不易造成 短路，比 180导通型逆变器换流安全。 相电压是幅值为 U/2 的矩形波；线电压是幅值为 U 的梯形波。 两种导通方式对比可知；120导通型和 180导通型逆变器中，开关元件的导通顺 序和触发脉冲间隔都是一样的，之所以有不同的导通时间，完全是因为换相的机理不同 所致。前者是在相邻桥臂间进行，后者是在一个桥臂的上、下元件间进行。由于导通时 间不同，前者的电压有效值低于后者。 7交一直一交电压型变频调速系统，要求逆变器输出线电压基波有效值为 380V ， 对 180导通型和 120导通型逆变器，其直流侧电压 U d 分别为多少伏？ 180 导通型逆变器中 U AB 0.8l7U，线电压基波有效值为 380V 时 U 465V 120 导通型逆变器中 U AB 0.707U，线电压基波有效值为 380V 时 U 537V 8在变频调速系统中，函数发生器、压频变换器、环形分配器、脉冲输出级、绝对 值运算器、给定积分器等各单元的作用如何？ (1)函数发生器 在控制系统中设置函数发生器，是为了协调电压 与频率 的关系，实现各种控制 1 U 1 f 方式。对于要求端电压 与频率 比值不变的控制方式，采用比例调节器即可。若考虑 1 U 1 f 到电阻压降的影响，而用 =常数的控制方式时，可采用加人补偿环节的函数发生器。 1 1 / f E （2）压频变换器 压频变换器是把电压信号转换为相应频率的脉冲信号。系统对压频变换器的要求是： 在频率控制范围内，有良好的线性度；有较好的频率稳定性；能方便地通过调节电路的 某些参数来改变频率范围。另外，更重要的是，当逆变器输出的最高频率为 时，要 max f 求它输出的最高频率为 。 max 6f （3）环形分配器 环形分配器的作用是将压频变换器输出的时钟脉冲 6 个一组依次分配给逆变器的 6个开关元件，简称六分频。而环形分配器就是个六分频环形计数器。 （4）脉冲输出级 脉冲输出级是将来自环形分配器的信号功率，放大到足以可靠触发逆变器元件的程