进行输出控制的方式
发布时间:2019-04-12 15:15

  传动时的框图如图1所示,整流器将交流电变为直流电,平波回路将直流电平衡,逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电。为了电动机的调速传动所给出的操作量有电压、电流、频率。

  表1将实用化的变频器按主电路方式、控制方式等分类。各种方式的组合是为了充分发挥其控制特性、适用电动机、容量范围、经济性等特点而设计制造的。

  作为变频器,通常采用三相逆变器。但这里为了简化电路,采用单相逆变器来说明电压型、电流型、电压控制、电流控制等逆变器的基本工作原理。{{分页}}

  作为主电路方式有电压型变频器和电流型变频器。电压型是将电压源的直流电变换成交流电的变频器,电流型是指将电流源的直流电变换为交流电的方式。

  下面用机械开关来说明其基本动作。负载是异步电动机,采用图2(b)的等效电路(忽略IM、r1、r2),并为滞后功率因数负载。

  电压型逆变器的原理图及其动作如图3所示。其中图a为单相桥式电压型逆变器,如果使开关S1~S4像图d那样导通、关断,那么负载电压u就成为矩形波交流电压,其大小等于直流电压源电压Ed,如图b中实线所示。这里假定负载电流i由于负载电感的平滑作用为正弦波交流电流,如图b中虚线 电压型逆变器的原理

  a)电路构成 b)电压/电流波形 c)直流电流波形(瞬时功率) d)开关动作状态

  d沿图a中①路线供给负载电流i。在时刻t1使这两个开关关断,同时使开关S3、S4导通,于是负载的无功功率就沿②路线反馈给直流电压源Ed。考虑负载电流i和开关的动作状态,直流电流Id的波形如图c所示。另外,负载电压u与负载电流i的积为瞬时功率P,它与直流电流Id

  电源电流Id,如图b中实线所示。负载电压u由负载的感应电动势e决定,为正弦波形,如图b中虚线 电流型逆变器原理图a)电路构成 b)输出电压电流波形 c)直流电压波形(瞬时功率)d)S1

  现在,使开关S1,S2导通,负载电流i从电流源经图示的路线关断这两个开关时,因为是电流源,负载电流必须急速地反向,但是电感负载的电流不可能瞬时反向,在负载两端需要有吸收电感储存能量的电路。在吸收此能量期间,负载两端将产生di/dt的尖峰电压。由于能量吸收回路的作用,负载电流反向后,功率从负载向电源

  考虑负载电压u和开关的动作状态,直流电压波形Ed为图c的波形。另外瞬时功率P与直流电压波形相同。此瞬时功率P的平均值为有功功率Pa,如图c中虚线所示。异步电动机的滞后功率因数角与瞬时功率P和有功功率P

  的关系,同图4中的电压型逆变器波形一样。采用半导体开关时,对于电流型逆变器通常采用晶闸管,它虽然需要换相电路,但可以兼用作能量吸收回路。电流型逆变器的主电路构成见表1中的项4及5所列,变流器部分采用晶闸管,同时采用变流器与平波电抗器使它具有电流源作用。

  2.电流控制 对于要求类似直流电动机快速响应性的应用场合,为了快速控制异步电动机的转矩,适用电流控制。表1中项5的电流型晶闸管变频器,在逆变器侧控制频率,在整流器侧控制电流。该表中项3,用晶体管和GTO晶闸管构成的电压型变频器则适用这样的电流控制方式,利用逆变器侧的导通率将输出电流控制成为正弦波。{{分页}}

  PAM是一种改变电压源的电压Ed(见图3)或电流源的电流Id(见图5)的幅值,进行输出控制的方式。因此,在逆变器只控制频率,在整流器侧控制输出的电压或电流。采用PAM调节电压时,高电压及低电压时的输出电压波形如图6所示。

  a)高电压时 b)低电压时表1中项2、4、5的晶闸管逆变器,其换相时间需要100~数百s,所以,难以做到用晶闸管来开关实现PWM控制,要采用在逆变器只控制频率的PAM方式。(二)PWM(Pulse Width Modulation)

  在异步电动机恒转矩的变频调速系统中,随着变频器输出频率的变化,必须相应地调节其输出电压。另外,在变频器输出频率不变的情况下,为了补偿电网电压和负载变化所引起的输出电压波动,也应适当地调节其输出电压。具体实现调压和调频的方法有很多种,但总的来说,从变频器的输出电压和频率的控制方法来看,基本上按前所述分为PAM和PWM(PAM前已介绍,此处讨论PWM)。

  PWM型变频器靠改变脉冲宽度来控制输出电压,通过改变调制周期来控制其输出频率,所以脉冲调制方法对PWM型变频器的性能具有根本性的影响。脉宽调制的方法很多,从调制脉冲的极性上看,可以分为单极性和双极性调制两种;从载频信号和参考信号(基准信号)频率之间的关系来看,又可以分为同步式和非同步式两种。

  r波形相交处发出调制信号,部分脉冲调制波形如图8所示。图中画出的是经过三相对称倒相后的a、b点电位、U’oo和相电压Uao的脉冲列波形。在一个周期内有12个三角形,即载频三角波的频率fΔ为输出频率fo的12倍(fΔ可以是fo的任意6的整数倍)。输出波形正负半周对称,主电路中的6个开关器件以1—2—3—4—5—6—1顺序轮流工作,每个开关器件都是半周工作,通、断6次输出6个等幅、等宽、等距脉冲列,另半周总处于阻断状态。图7 电压型三相桥式变频器原理电路图8 单极性直流参考信号的部分调制脉冲波形

  和一系列谐波电压,基波电压就是要求输出的交流电压,而谐波电压分量愈小愈好。

  的大小时,输出脉冲的宽度即将随之改变,从而改变输出基波电压的大小;改变载频三角波的频率并保持每周的输出脉冲数不变,就可以实现输出电压频率的调节。显然,同时改变三角波的频率和参考直流信号电压U

  SPWM调制的基本特点是在半个周期内,中间的脉冲宽,两边的脉冲窄,各脉冲之间等距而脉宽和正弦曲线下的积分面积成正比,脉宽基本上成正弦分布。经倒相后正半周输出正脉冲列,负半周输出负脉冲列。由波形可见,SPWM比PWM的调制波形更接近于正弦波,谐波分量大为减小。

  图9只画出单相脉宽调制波形。对于三相变频器,必须产生相位差为120的三相调制波。载频三角波三相可以共用,但必须有一个可变频变幅的三相正弦波发生器,产生可变频变幅的三相正弦参考信号,然后分别比较产生三相输出脉冲调制波。若三角波和正弦波的频率成比例地改变,不论输出频率高低,每半周的输出脉波数不变,即为同步调制式。{{分页}}若三角波频率一定,只改变正弦参考信号的频率,正、负半周的脉波数和相位在不同输出频率下就不是完全对称的了,这种方式叫非同步脉宽调制方式。非同步虽然正、负半周输出波形不能完全对称,会出现偶次谐波,但是每周的输出的调制脉波数将随输出频率的降低而增多,有利于改善低频输出特性。2.双极性调制 上述单极性脉宽调制,脉冲的极性不改变,要正、负半周输出不同极性的脉冲,必须另加倒相电路。与此相对应,若在调制过程中,载频信号和参考信号的极性交替地不断改变则称为双极性调制。其调制波形如图10所示,图中画出三相调制波形。与上述单极性SPWM的情况相同,输出电压的大小和频率也是由改变正弦参考信号Ur的幅值大小和频率调制的。参考信号也可以采用阶梯式准正弦波。

  这种正弦波脉宽调制方式,当然也可以采用同步式和非同步式的调制方式。但SPWM型变频器带异步电动机负载时,在脉宽调制过程中,要根据异步电动机变频调速控制特性的要求,在调节正弦参考信号频率的同时,要相应地适当调节其幅值,使输出基波电压的大小与频率之比为恒值,即保持U

  3.“Δ”调制(DM)方式 “Δ”脉宽调制方式(Delta Modulation Technique)的调制电路及波形如图11所示。只要输入可变频恒幅正弦波参考电压U

  1迅速升到正饱和值Us,+Us电压经运算放大器A2作反向积分,其输出电压UF负向线性增长,UF和+U1经R2、R3综合加到运算放大器A3的反相输入端,R3R2,A3输出正向上升电压UK,UK与Ur在运算放大器A1中相比较,当UK SPANr时,A1输出保持+Us,一旦UK上升到UKUr时,A1迅速翻转输出负饱和电压-Us。-Us电压再经运算放大器A2反向积分,使其输出UF负值线的输出电压UK也随之减小,当UK SPANr时,U1又转换为+Us,UF负值又增大,UK再次上升,如此循环不已,便得到图11所示的“Δ”脉宽调制波形。图

  Δ”脉宽调制电路及波形“Δ”脉宽调制电路具有一个可贵的特性,就是当输入正弦波参考电压Ur的幅值一定时,其输出调制脉冲列U1的基波电压大小与其频率之比随时保持恒值,这个U1/fo为恒值的特性正符合异步电动机变频调速对PWM逆变器输出的要求。

  图12为多重化变频器的原理。将单相变频器的电压波形(或电流波形)按傅立叶级数展开,则含有不少高次谐波。并在图中给出了3次谐波。

  如果将相位差为60的两台单相变频器的输出U1、U2图12a与图b合成,则合成输出的导通宽度为120。U1、U2所含的3次谐波相位相差180,在输出中被互相抵消。这就叫作多重化。这种多台变频器的多重化可以抵消谐波,改善波形;输出为两台变频器之和,容易实现大容量化。

  电压型、电流型两种变频器的多重化构成原理图,如图13所示。变频器的输出采用输出变压器来实现多重化,变压器的二次绕组对于电压型变频器为串联连接,对于电流型为并联连接。

  此时,为了使转动能量反馈到变频器侧(再生),必须具有吸收与此转动能量相对应的电功率的能力。1.采用电压型逆变器时 当变频器的频率低于电动机的转速时,续流二极管是作为以电动机为电源的整流器而工作,由电动机产生的再生功率流入直流电源回路的平波电容中。在这种情况下,对于通用小容量变频器要装设电阻(见表1),再生时用此电阻将再生功率消耗掉。对于大容量变频器,则采用可逆整流器将再生功率反馈给电源。

  2.采用电流型变频器时 对于电流型变频器,再生时直流电流方向不变,而直流电压的方向反向,所以整流器部分不需要可逆方式,用不可逆整流器即可。图14示出电流型变频器的直流电流与直流电压的关系。