交流電動機(jī)速度控制系統(tǒng)
長期以來，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)優(yōu)于交流調(diào)速系統(tǒng)，因此直流調(diào)速系統(tǒng)一直在-調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)占居首位c但因其存在機(jī)械換向這一致命點(diǎn)，使得直流電動機(jī)維護(hù)不便，應(yīng)用環(huán)境受到限制，且制造成本高。但交流電動機(jī)(特別是異步電動機(jī))具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)，在單機(jī)容量、供電電壓和速度極限等方面也均優(yōu)于直流電動機(jī)，因此，交流電動機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)各部門得到了廣泛地應(yīng)用。
隨著電力電子器件、微電子技術(shù)、電動機(jī)和控制理論的發(fā)展，近年來交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)也有了很大發(fā)展。電磁調(diào)速異步電動機(jī)，晶閘管低同步串級調(diào)速裝置，變頻、變壓調(diào)速系統(tǒng)獲得，廣泛應(yīng)用；用晶閘管、大功率晶體管逆變器組成的，容量從幾十千瓦到幾百千瓦的異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)投入了工業(yè)運(yùn)行，具備了制造幾千千瓦無換向器電動機(jī)的能力；微型計(jì)算機(jī)、矢量變換控制技術(shù)在高性能交流傳動系統(tǒng)應(yīng)用中取得了根本性突破；歷來以恒速傳動的風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，從節(jié)能的需要出發(fā)，已大量采用交流調(diào)速系統(tǒng)；傳統(tǒng)上采用直流調(diào)速的軋鋼、造紙、提升機(jī)械以及加工機(jī)床、機(jī)器人所用的伺服系統(tǒng)等，也已經(jīng)應(yīng)用高性能交流調(diào)速代替直流調(diào)速：現(xiàn)在它已進(jìn)人與直流調(diào)速傳動相媲美，相競爭的時代，并有取而代之的趨勢．
幾種交流異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹
下面分別介紹根據(jù)這幾種調(diào)速方法而發(fā)展起來的幾種工業(yè)上常用的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。
1．異步電動機(jī)交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)
對于三相異步電動機(jī)而言，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子繞組電壓的平方成正比，因此。在轉(zhuǎn)矩不變的情況下，改變加到定子繞組上的外加電壓就可以改變異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率，從而改變轉(zhuǎn)速。所以交流調(diào)壓調(diào)速實(shí)質(zhì)上是調(diào)轉(zhuǎn)差率s調(diào)速。
交流調(diào)壓調(diào)速是一種比較簡單的調(diào)速方法。通常采用在異步電動機(jī)定子繞組中串人 飽和電抗器以及在定子側(cè)加調(diào)壓變壓器的方法實(shí)現(xiàn)調(diào)速(見圖5—15)。
飽和電抗器是帶有直流勵磁繞組的交流電抗器，改變直流勵磁電流可以控制鐵心的飽和程度，從而改變交流電抗值。鐵心飽和時，交流電抗很小，因而電動機(jī)定子電壓較高；鐵心不飽和時，交流電抗較大，因而鐵心定子電壓降低，實(shí)現(xiàn)降壓調(diào)速。飽和電抗器和調(diào)壓變壓器體積大，非常笨重，且動態(tài)特性差，所以現(xiàn)在一般都采用晶閘管調(diào)壓器。
晶閘管交流調(diào)壓器采用三個反并聯(lián)的晶閘管，它們的一端分別接在三相電源上，另一端接在異步電動機(jī)的定子繞組接線端，通過調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角來控制異步電動機(jī)的端電壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。從第1章的“三相異步電動機(jī)的調(diào)速”一節(jié)中的內(nèi)容可知，異步電動機(jī)改變電壓調(diào)速時對籠型異步電動機(jī)調(diào)速范圍很窄，而繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)雖然調(diào)速范圍可以大一些，但其機(jī)械特勝較軟，負(fù)載變化時靜差率又太大，所以一般采用開環(huán)調(diào)速很難滿足要求。為此常采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如圖5-16所示。
晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)具有電路簡單，體積小，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)為轉(zhuǎn)差功率消耗在轉(zhuǎn)子電路中，低速運(yùn)行時電動機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，效率較低。目前這種系統(tǒng)大都用在通風(fēng)機(jī)、紡織機(jī)和造紙機(jī)等調(diào)速裝置上。
2．繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的串級調(diào)速系統(tǒng)
繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的三相繞組可通過集電環(huán)引出來。對于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的調(diào)速，過去廣泛采用轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方法，這種方法簡單，操作方便，但在電阻上將消耗大量的能量。效率低，經(jīng)濟(jì)性差，其效率隨調(diào)速范圍的增大而降低；調(diào)速時機(jī)械特性變軟，降低了靜態(tài)調(diào)速精度。如果在轉(zhuǎn)子回路不串人電阻，而是串人一附加電動勢，通過改變在電動機(jī)轉(zhuǎn)子中串入的附加電動勢以改變轉(zhuǎn)差率從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，這種調(diào)速方式稱為串級調(diào)速。采用這種方式的調(diào)速系統(tǒng)即為串級調(diào)速系統(tǒng)，它具有較高效率及良好的調(diào)速性能。
(1)串級調(diào)速的一般原理在異步電動機(jī)的外加定子電壓U1及負(fù)載轉(zhuǎn)矩T恒定的情況下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電流近似為常數(shù)，即
現(xiàn)在設(shè)想在轉(zhuǎn)子回路中引入一個可控的交流附加電動勢Eadd它的頻率和轉(zhuǎn)子電動勢sE20的頻率相同，而相位相同或相反，此時轉(zhuǎn)子電流就同這兩個電動勢的代數(shù)和有關(guān)，即
考慮到異步電動機(jī)運(yùn)行時s較小，則R2>>sX20，sX20可以忽略，由式(5—9)可得
式中的E20是一個常數(shù)，所以當(dāng)改變附加電動勢Eadd若仍保持式(5一10)成立，則只有轉(zhuǎn)差s改變了，即電動機(jī)的速度發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。
若附加電動勢Eadd與轉(zhuǎn)子電動勢Eadd(O 若附加電動勢Eadd與轉(zhuǎn)子電動勢sE20相位相同，此時Eadd取正號，隨著Eadd的增加，轉(zhuǎn)差率將減小，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)Eadd增加到某個數(shù)值后，轉(zhuǎn)差率s將等于零，電動機(jī)達(dá)到同步速度。如果更進(jìn)一步增加Eadd，s開始變負(fù)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速將超過同步轉(zhuǎn)速，故為同步轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速方法。
(2)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 在串級調(diào)速系統(tǒng)中進(jìn)行串級調(diào)速時，為了使調(diào)速裝置簡化且容易實(shí)現(xiàn)，一般的做法是把轉(zhuǎn)子交流電動勢整流成直流電動勢，然后與一個可控的外加直流附加電動勢進(jìn)行疊加，控制直流附加電動勢的大小，就可以調(diào)節(jié)電動機(jī)的速度了。
從功率傳遞的角度來看，希望可控的外加直流附加電動勢能吸收電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率，并加以利用，譬如把能量回饋電網(wǎng)，以提高調(diào)速系統(tǒng)的效率。選用工作在逆變狀態(tài)的晶閘管可控整流器作為產(chǎn)生附加直流電動勢的電源，既可以滿足調(diào)速的要求，又可以滿足能量回饋的要求。
圖5—17是根據(jù)前面討論而組成的一種異步電動機(jī)電氣串級調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。圖中M為繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，以轉(zhuǎn)差率s在運(yùn)行，其轉(zhuǎn)子電動勢sE20經(jīng)三相不可控整流器uR整流，輸出直流電壓Ud。工作在逆變狀態(tài)的三相可控整流uI裝置除提供一可調(diào)的直流電壓u．作為調(diào)速所需的附加電壓外，還可將經(jīng)uR整流后輸出的電動機(jī)轉(zhuǎn)差功率回饋到交流電網(wǎng)。TI為逆變變壓器，用于電氣隔離和電壓匹配。L為平波電抗器。
3．異步電動機(jī)變頻器調(diào)速系統(tǒng)
上面討論的兩種異步電動機(jī)調(diào)速的方式是通過調(diào)節(jié)差率s來進(jìn)行。通過調(diào)節(jié)電源頻率來調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。
異步電動機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速，其調(diào)速特性與直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速十分相似，并可與直流調(diào)速和媲美。H前交流變頻調(diào)速已成為異步電動機(jī)主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用，隨著一些新技術(shù)、新理論在異步電動機(jī)變頻調(diào)速巾的應(yīng)用，如矢量控制、無速度傳感器技術(shù)等，它將向更高性能、更大容量以及智能化等方向發(fā)展。
(1)變頻調(diào)速的一般原理從第1章討論過的異步電動機(jī)的定于繞紺電壓方程式(1—6)
可知，若變頻調(diào)速時電動機(jī)的定子繞組電壓u1不變，則隨著f1的升高，氣隙磁通φ將減小。義從異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式(1-14)
可以看出，中的減小，勢必導(dǎo)致電動機(jī)允許輸出轉(zhuǎn)矩的減小，同時電動機(jī)的****轉(zhuǎn)矩也將降低，影響過載能力，嚴(yán)重時會使電動機(jī)堵轉(zhuǎn)。
若維持u1不變，減小f1，氣隙磁通φ將增加，這可能回使磁路飽和，勵磁電流增加，電動機(jī)定子繞組燒毀。
因此，變頻調(diào)速僅僅改變頻率f1是不夠的，在調(diào)頻時必須同時調(diào)節(jié)定子繞組電壓U1，以維持氣隙磁通φ不變。這就存在調(diào)頻和調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的問題，即保持f1和U1之間成比例地變化，就是要求U1／f1=常數(shù)。
U1／f1=常數(shù)控制方式下的機(jī)械特性如圖5-1 8所示。
(2)變頻調(diào)速的基本調(diào)節(jié)方式
1)工頻(額定頻率fN)以下調(diào)速在基頻以下調(diào)速降低f1時，為了維持氣隙磁通φ不變，需將定子繞組電壓同時按比例調(diào)低，使U1／f1=常數(shù)，采用這種調(diào)速方式一般稱為恒定電壓頻率比控制方式。這樣的調(diào)速方式保持r氣隙磁通不變，從而使電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩近似不變，所以這種調(diào)速方式為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。
2)工頻(額定頻率fN)以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速，由于受到額定電壓的限制，也按比例升高電壓是不可能的：因此只好保持電壓不變，即U1常數(shù)，這時頻率越高，磁通φ越低，這實(shí)際上相當(dāng)直線電動機(jī)的弱磁調(diào)速的情況屬于恒功率調(diào)速。
綜合上述分析，異步電動機(jī)變頻調(diào)速是綜合在工頻以下按恒壓頻比控制方式，維持氣隙磁通φ不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速性質(zhì)；在工頻以上是維持U1=UN、，增加頻率，減小磁通φ的恒功率調(diào)速性質(zhì)的控制。
(3)異步電動機(jī)變頻器的幾種常用結(jié)構(gòu)形式 變頻器的主要功能是將電壓幅值和頻率均固定不變的交流電源電壓變換成二者均可調(diào)節(jié)的交流電壓，實(shí)現(xiàn)所謂的vvvF調(diào)速控制。變頻器是變頻調(diào)速系統(tǒng)中最主要的部件。
變頻器分為交交和交直一交兩種基本形式。交交變頻器可將工頻交流直接變換成頻率、電壓均可控制的交流輸出，又稱直接式變頻器；而交直交變頻器則先把工頻交流電通過整流器變成直流電，然后再將直流電逆變成頻率、電壓均可控制的交流電，它又稱間接式變頻器。盡管交交變頻器同交直交變頻器相比有一些優(yōu)點(diǎn)，但由于下述的缺點(diǎn)限制了它的廣泛應(yīng)用：
1)輸出電壓的****頻率受到電網(wǎng)電壓頻率的限制，一般不能超過電網(wǎng)電壓頻率的1／2，所以只能從額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速，且調(diào)速范圍小于2。
2)所用開關(guān)器件多，比如三相橋式反并聯(lián)電路就需要36個晶閘管，元器件數(shù)量多，控制也復(fù)雜。
3)功率因數(shù)低，特別是低速輸出時輸出電壓低，功率因數(shù)更低。
所以交交變頻器一般只適用于低速、大容量的場合，如大型軋鋼設(shè)備和電力機(jī)車等變頻調(diào)速。交一交變頻器由于性能上的原因，常用來作為低頻大功率變頻器。交一直一交變頻器則應(yīng)用的場合要廣泛得多，除作變頻調(diào)速外，還可以用來構(gòu)成穩(wěn)頻穩(wěn)壓交流電源和不停電交流電源，所以本書只討論通用的交直交變頻器調(diào)速系統(tǒng)：
交直一交變頻器有主要以下三種結(jié)構(gòu)。
第一種，用可控整流調(diào)壓，用逆變器變頻(見圖5—19)。
第二種，用不可控整流，斬波調(diào)壓，用逆變器變頻（見圖5-20）
第三種，用不可控整流，用脈寬調(diào)制逆變器同時調(diào)壓變頻(見圖5 -21)。
圖5—21所示結(jié)構(gòu)的變頻器，由于用不可控整流，功率因數(shù)高，用脈寬調(diào)制(PwM)逆變，諧波減小，采用可控的全關(guān)斷器件IGBT，開關(guān)頻率得以提高，輸出波形非常接近正弦波。當(dāng)前應(yīng)用的正弦波脈寬調(diào)制(sPwM)逆變器已經(jīng)成為最有前途的主流逆變器結(jié)構(gòu)。為此，我們專門在下一節(jié)的內(nèi)容中給予詳細(xì)的介紹。
二 sPwM脈寬調(diào)制型變頻器異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)
1。SPwM脈寬調(diào)制信號的產(chǎn)生
sPwM脈寬調(diào)制就是正弦波脈寬調(diào)制，正弦波脈寬調(diào)制是用一系列寬度可變的矩形脈沖來等效正弦波。等效的條件是對應(yīng)時間間隔內(nèi)兩種波形所包含的面積相等：圖5—22所給出的波形就是這種等效的示意圖。
不難想像，每個周期內(nèi)的脈沖個數(shù)越多，等效精度就越高，諧波成分就越小。從理論上可以計(jì)算出各分段矩形脈沖的寬度，對應(yīng)脈沖寬度上的每時刻作為控制逆變器各開關(guān)器件的導(dǎo)通觸發(fā)或關(guān)斷的時間，那么在負(fù)載上得到的電壓波形將與控制電壓的波形完全相同，即負(fù)載上得到的是一等效正弦電壓。
在實(shí)際應(yīng)用中采用的是正弦波與三角波相交的方式來確定各分段脈沖的寬度。三角波是上下寬度線性化變化的波形，用正弦波ur和三角波uc相交后得到一組幅值為Um，而寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖，如圖5—23所示。
通常稱三角波信號電壓uc為載波信號電壓，而稱正弦波信號電壓ur為參考信號電壓。參考信號電壓ur的頻率決定了逆變器輸出交流電壓的頻率，調(diào)節(jié)它的幅值大小，就可以調(diào)節(jié)輸出脈沖的寬度，也就是調(diào)節(jié)了逆變器輸出等效交流電壓的幅值。所以通過調(diào)節(jié)參考信號電壓ur，既可調(diào)頻，又可調(diào)幅。這就是為什么sPwM控制同時能夠完成調(diào)頻、調(diào)幅的原因。
在正弦波信號電壓ur改變頻率時，若三角波信號電壓uc也按相同比例同時改變頻率，此時不論頻率高低，每半周的輸出的脈沖個數(shù)都是相同的，即為同步式sPWM調(diào)制；若三角波信號電壓uc的頻率固定，不隨參考信號電壓ur頻率變化，則產(chǎn)生的正負(fù)半周的脈沖信號個數(shù)和相位就不能隨時對稱，為非同步式SPWM調(diào)制。同步式?jīng)]有偶次諧波，非同步式由于不對稱而有偶次諧波，但參考信號電壓ur頻率較低時，產(chǎn)生的脈沖個數(shù)較多，有利于改善低頻輸出特性。
實(shí)用的sPwM調(diào)制信號主要有兩種形式：單極式和雙極式。下面將分別進(jìn)行介紹。
(1)單極式sPwM調(diào)制信號單極式正弦波脈寬調(diào)制波形如圖5—24所示。它的特點(diǎn)是在每半個周期內(nèi)的調(diào)制信號三角波電壓uc的方向都一致，或正或負(fù)，輸出脈沖也是如此。在半個周期內(nèi)，中間的脈沖寬，兩邊的脈沖窄，脈寬呈正弦分布，正負(fù)半周完全對稱。輸出的電壓u0的大小和頻率均由參考電壓ur控制，當(dāng)正弦參考電壓ur的大小和頻率改變時，輸出電壓u0的大小和頻率就隨之改變，但調(diào)制時必須注意ur的幅值要小于uc的幅值，否則使輸出電壓的大小頻率失去控制。圖5—24只畫出單相的脈寬調(diào)制波形，對于三相逆變器，載波信號電壓uc以共用，但必須有一個互差120°的三相正弦參考電壓，才能產(chǎn)生三相調(diào)制波。
(2)雙極式sPWM調(diào)制信號單極式調(diào)制在半個周期內(nèi)脈沖的極性不改變，正負(fù)半周輸出的脈沖信號極性不同。而雙極式與單極式不同之處是輸出各相脈沖在每半個周期內(nèi)均有正負(fù)兩種極性。載波信號電壓uc為有正、負(fù)兩個方向的三角波，不像單極式調(diào)制波，載波信號為單方向三角波。三相雙極式正弦波脈寬調(diào)制波形如圖5 25所示。
2．SPWM脈寬調(diào)制變頻器電路結(jié)構(gòu)
一個典型的sPwM脈寬調(diào)制變頻器電路結(jié)構(gòu)如圖5—26所示，該電路結(jié)構(gòu)由于在不可控整流電路的濾波電路采用了電容濾波而稱電壓型變頻器電路；若將并聯(lián)的濾波電容換成一個串連的濾波電感就稱為電流型變頻器電路。
電壓型逆變器的基本電路由于其直流電源輸出端并聯(lián)有大容量電容c(通常采用電解電容）。因此，加在電動機(jī)上電壓值不受負(fù)載的影響，可視作為電壓源而工作，所以稱為電壓型變頻器。電壓型變頻器是作為電壓源給電動機(jī)供交流電，變頻器的輸出阻抗小，所以運(yùn)轉(zhuǎn)時基本上不受電動機(jī)功率因數(shù)、換流電感等影響，這是它的優(yōu)點(diǎn)。另一方面，負(fù)載端發(fā)生短路，或者在變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下投入負(fù)載電動機(jī)，則產(chǎn)生過大的電流，所以需要在極短的時間內(nèi)進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)困難是它的缺點(diǎn)。
電流型變頻器采用電感濾波，輸出阻抗大，是作為電流源而工作的，輸出電流的瞬時值及頻率可以控制。因此，它可以限制因逆變器換流失敗、負(fù)載短路等引起的過電流等，保護(hù)可靠性高。電流型變頻器除上述控制性、保護(hù)性優(yōu)良之外，主電路結(jié)構(gòu)簡單、換流電容無需充電電源，可使裝置體積小、運(yùn)轉(zhuǎn)效率高也是它的優(yōu)點(diǎn)。但由于電流型變頻器作為電流源而工作，所以空載時不能運(yùn)行.另外，負(fù)載特性改變時，輸出電壓波形等也改變.因此對于電流型變頻器，必須考慮負(fù)載特性來進(jìn)行換流回路等主電路的設(shè)計(jì).
不論電壓型變頻器還是電流型變頻器，其主電路的結(jié)構(gòu)大致相同，變頻和調(diào)壓的原理相同。在通用型變頻器中，電壓型變頻器占很大的比例，所以下面我們將對圖5—26所示的電壓型變頻器電路，在單極式和雙極式sPwM調(diào)制信號驅(qū)動下分別進(jìn)行分析。
(1)單極式sPwM逆變器電路分析為了便于理解，現(xiàn)以單相的正弦脈寬調(diào)制變頻器說明其工作原理，其電路如圖5 27所示。電路中的晶體管基極的驅(qū)動信號就是圖5 24中所示的單極式sPwM調(diào)制脈沖電壓波形。但是在每半個周期分別加在V1、V4和V3、V2管上的基極驅(qū)動信號電壓都應(yīng)為正。
從電路圖中不難分析出，當(dāng)?shù)刃д也ㄕ胫軙r(見圖5 24)，晶體管基極在sPwM調(diào)制脈沖電壓的驅(qū)動下，v1、v4反復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷，在負(fù)載上的電壓u的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，脈沖的幅值為uDC其方向左“+”，右“ -”。而V3、V2在此期間一直處于截止，負(fù)載電壓正半周電路的工作情況如圖5—27a所示，其輸出負(fù)載電壓波形如圖5—28所示，它同驅(qū)動信號的波形完全一致。
在等效正弦波負(fù)半周時，v1、v4管截止，在這段時間V3、V2反復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷，其工作過程同正半周時完全相同，負(fù)載上的電壓u的方向右“+”，左“一”，同正半周時完全相反(見圖5—27b)，其輸出負(fù)載電壓波形如圖5 28所示。
從上面的分析可知，對于單極式的sPwM調(diào)制的控制方式，主電路中的每個晶體管只在參考電壓ur半個周期內(nèi)工作，而在另半個周期處于截止?fàn)顟B(tài)。在每半個周期內(nèi)晶體管的開通和關(guān)斷的次數(shù)決定于載波信號三角波電壓的頻率。
在分析過單相sPwM逆變電路的工作原理后，對于三相的sPwM逆變電路(見圖5—26)工作原理的理解就比較容易了。對于單極式的sPwM控制，需要搞清楚的是工作在每半個周期內(nèi)每個晶體管的工作順序。從電路圖可以看出，u相橋臂的上、下管為V1和V4，V相橋臂的上、下管為v3和v6，w相橋臂的上、下管為V5和V5。像單相逆變電路一樣，同一橋譬上、下管像單相各工作半個周期，在這半個周期內(nèi)，每個晶體管按正弦脈寬規(guī)律導(dǎo)通和截止。圖5—29給出的是每只晶體管在三相正弦電壓下導(dǎo)通的區(qū)間。
從圖中可以看出，電路在三相工作時，單極式SPWM逆變器每時刻有三只晶體管同時工作。當(dāng)某相上、下管切換工作時，就只有兩只晶體管工作，另加一只續(xù)流二極管導(dǎo)通。
(2)雙極式SPWM逆變器電路分析雙極式三相SPWM逆變器電路結(jié)構(gòu)同單極式電路完全相同(見圖5—26)，但采用雙極式調(diào)制方式。
下面還是以單相逆變器為例，利用圖5—27的電路說明雙極式SPWM逆變器電路的工作原理。
首先觀察如圖5—30所示的單相雙極式SPWM調(diào)制波，載波信號電壓uc正、負(fù)兩個方向的三角波，所以同參考電壓ur調(diào)制的結(jié)果使得輸出調(diào)制脈沖電壓n在整個等效正弦電壓周期上都有按正弦規(guī)律分布的等幅不等寬、正負(fù)交錯的脈沖。而單極式調(diào)制脈沖電壓。在等效正弦電壓的前半個周期所有脈沖都為正，后半個周期所有脈沖都為負(fù)(見圖5 28)。
對于圖5 27所示的單相逆變電路，如果用圖5—30所示的雙極式SPWM調(diào)制脈沖信號的正脈沖驅(qū)動V1、V4管，用反相后的SPWM調(diào)制脈沖信號的負(fù)脈沖驅(qū)動v1和v2管的話，則在負(fù)載上會得到同圖5—30所示信號波形完全相同，幅值為UDC的SPWM調(diào)制脈沖輸出電壓。
可以看出，雙極式逆變器產(chǎn)生負(fù)載電流的路徑同單極式完全相同。不同的是雙極式逆變器同一橋臂上的晶體管切換的次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單極式逆變器。因?yàn)殡p極式逆變器的工作模式?jīng)Q定了每個載波周期都要出現(xiàn)一次同一橋臂的上下開關(guān)的切換，而單極式逆變器是在調(diào)制正弦波的半個周期才出現(xiàn)一次切換。所以雙極式逆變器的換向條件比單極式逆變器要嚴(yán)峻得多。但雙極式逆變器在輸出幅值很低的交流電壓時，晶體管的導(dǎo)通和截止的時間十分接近，這對異步電動機(jī)的低速運(yùn)行是十分有利的，故在高精度變頻調(diào)速系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。然而單極式逆變器輸出電壓越低，晶體管導(dǎo)通時間
越短，截止時問越長，這種寬度很窄的脈沖電壓會造成異步電動機(jī)低速運(yùn)行抖動的現(xiàn)象。
在三相逆變器中，雙極式SPwM調(diào)制逆變器各晶體管的導(dǎo)通區(qū)間和續(xù)流規(guī)律同單極式sPwM調(diào)制逆變器分析方法大致相同，所不同的是單極式sPwM調(diào)制逆變器同一橋臂上、下晶體管導(dǎo)通切換周期是參考信號電壓ur(也是輸出等效正弦電壓)的周期，而且每次切換的時間間隔都一樣；而雙極式sPwM調(diào)制逆變器同一橋臂上、下晶體管切換周期是載波信號電壓ue(三角波信號)的周期，但每次切換的時間間隔不盡相同。
3．sPwM調(diào)制變頻器調(diào)速系統(tǒng)
交一直一交sPwM調(diào)制變頻器調(diào)速系統(tǒng)由速度給定、正弦波和三角波形成三部分電路組成。原理結(jié)構(gòu)圖如圖5—31所示。
速度給定電路的作用是產(chǎn)生正反轉(zhuǎn)速度給定信號，并給予必要的變換。它由速度給定電位器，加速度限制電路AL、****值電路AD和極性判別電路PD所組成。速度給定電位器可輸出正、負(fù)信號，它們與電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn)相對應(yīng)。加速度限制電路將速度給定電位器調(diào)節(jié)時輸出的階躍信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹C波信號，以限制變頻器輸出頻率突變。****值電路將加速度限制電路輸出的正或負(fù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏恼盘枺?***值大小不變。****值電路的作用是給輸入必須為正信號的壓控振蕩器u／f和電壓函數(shù)發(fā)生器uFG提供輸入正信號。極性判別電路PD將速度給定信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩碗娖剑盘枮楦唠娖�，�?fù)信號為低電平。高電平與正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路配合使電動機(jī)正轉(zhuǎn)，低電平與正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路配合使電動機(jī)反轉(zhuǎn)。
壓控振蕩器u／f輸出控制正弦波發(fā)生器電路頻率變化的方波脈沖信號電壓，它的頻率與速度給定信號電壓成正比。
電壓函數(shù)發(fā)生器uFG電路的輸入信號與u／f的輸入信號一樣，也由速度給定電路的****值電路給出。uFG電路的輸出應(yīng)產(chǎn)生保證電壓、頻率比值的函數(shù)關(guān)系，并且同電壓檢測電路uD的信號作用以后，輸入到電壓調(diào)節(jié)器電路YT。
正弦波形成電路有兩路輸入信號，一路是由壓控振蕩器u／f來的頻率信號，由它產(chǎn)生正弦波參考電壓的頻率；另一路經(jīng)電壓函數(shù)發(fā)生器uFG轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生與頻率成比例的電壓信號，由它形成正弦波參考電壓的幅值。綜合兩路信號后，正弦波發(fā)生器就能產(chǎn)生三相正弦波參考電壓，最后與三角波發(fā)生器信號一起形成SPWM的調(diào)制脈沖，再經(jīng)正反轉(zhuǎn)控制和驅(qū)動電路去驅(qū)動三相橋逆變電路以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。
4-變頻調(diào)遮器的應(yīng)用
變頻調(diào)速器自20世紀(jì)80年代進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用以來，主要以交流電動機(jī)節(jié)能應(yīng)用為主。但進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器也得到了迅猛發(fā)展。由于交流異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、無需換向裝置，可適應(yīng)各種環(huán)境，所以以通用變頻器為核心的變頻交流調(diào)速系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。特別是近年來，大規(guī)模集成電路32位數(shù)據(jù)處理器(DSP)和矢量控制理論的應(yīng)用，使得變頻器的性能得到很大提高，正逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)，而成為傳動系統(tǒng)的主流。通用變頻器可以滿足大多數(shù)工業(yè)控制的應(yīng)用需要．具體體現(xiàn)在以下幾個方面：
1)適用于節(jié)能應(yīng)用的風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載方面的應(yīng)用。利用變頻器對風(fēng)機(jī)和泵進(jìn)行控制，主要通過對其流量的控制而有效地節(jié)能，這是通用變頻器****泛的應(yīng)用。
2)無速度傳感器矢量控制變頻器、高動態(tài)性能的帶速度傳感器矢量控制變頻器和具有高品質(zhì)轉(zhuǎn)矩特性的直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器在一般工業(yè)控制和民用家電中的應(yīng)用。
3)具有四象限運(yùn)行特性的變頻器在位能型負(fù)載上的應(yīng)用。
4)適用于多臺電動機(jī)傳動的公共直流母線方式的變頻器在紡織工業(yè)中的應(yīng)用。
綜上所述，變頻調(diào)速器主要的應(yīng)用有兩方面：一方面是為了滿足生產(chǎn)工藝調(diào)速要求而進(jìn)行的變頻器應(yīng)用；另一方面是為了節(jié)能需要而進(jìn)行的變頻器應(yīng)用。現(xiàn)在通用變頻器已經(jīng)在機(jī)械、冶金、石化、化工、紡織、印刷、醫(yī)藥、造紙、建材行業(yè)和一些民用家電上得到廣泛應(yīng)用。
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