交流電動機速度控制系統
長期以來，由于直流調速系統的性能指標優于交流調速系統，因此直流調速系統一直在-調速領域內占居首位c但因其存在機械換向這一致命點，使得直流電動機維護不便，應用環境受到限制，且制造成本高。但交流電動機(特別是異步電動機)具有結構簡單、堅固、運行可靠的特點，在單機容量、供電電壓和速度極限等方面也均優于直流電動機，因此，交流電動機在國民經濟各部門得到了廣泛地應用。
隨著電力電子器件、微電子技術、電動機和控制理論的發展，近年來交流電動機調速系統也有了很大發展。電磁調速異步電動機，晶閘管低同步串級調速裝置，變頻、變壓調速系統獲得，廣泛應用；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變頻調速系統投入了工業運行，具備了制造幾千千瓦無換向器電動機的能力；微型計算機、矢量變換控制技術在高性能交流傳動系統應用中取得了根本性突破；歷來以恒速傳動的風機、泵類負載，從節能的需要出發，已大量采用交流調速系統；傳統上采用直流調速的軋鋼、造紙、提升機械以及加工機床、機器人所用的伺服系統等，也已經應用高性能交流調速代替直流調速：現在它已進人與直流調速傳動相媲美，相競爭的時代，并有取而代之的趨勢．
幾種交流異步電動機調速系統介紹
下面分別介紹根據這幾種調速方法而發展起來的幾種工業上常用的異步電動機調速系統。
1．異步電動機交流調壓調速系統
對于三相異步電動機而言，電動機的電磁轉矩與定子繞組電壓的平方成正比，因此。在轉矩不變的情況下，改變加到定子繞組上的外加電壓就可以改變異步電動機的轉差率，從而改變轉速。所以交流調壓調速實質上是調轉差率s調速。
交流調壓調速是一種比較簡單的調速方法。通常采用在異步電動機定子繞組中串人 飽和電抗器以及在定子側加調壓變壓器的方法實現調速(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，實現降壓調速。飽和電抗器和調壓變壓器體積大，非常笨重，且動態特性差，所以現在一般都采用晶閘管調壓器。
晶閘管交流調壓器采用三個反并聯的晶閘管，它們的一端分別接在三相電源上，另一端接在異步電動機的定子繞組接線端，通過調節晶閘管的導通角來控制異步電動機的端電壓，從而達到調速的目的。從第1章的“三相異步電動機的調速”一節中的內容可知，異步電動機改變電壓調速時對籠型異步電動機調速范圍很窄，而繞線轉子異步電動機雖然調速范圍可以大一些，但其機械特勝較軟，負載變化時靜差率又太大，所以一般采用開環調速很難滿足要求。為此常采用轉速負反饋組成閉環調速系統，如圖5-16所示。
晶閘管調壓調速系統具有電路簡單，體積小，價格低的優點。其缺點為轉差功率消耗在轉子電路中，低速運行時電動機發熱嚴重，效率較低。目前這種系統大都用在通風機、紡織機和造紙機等調速裝置上。
2．繞線轉子異步電動機的串級調速系統
繞線轉子異步電動機的結構特點是轉子的三相繞組可通過集電環引出來。對于繞線轉子異步電動機的調速，過去廣泛采用轉子串電阻的調速方法，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，經濟性差，其效率隨調速范圍的增大而降低；調速時機械特性變軟，降低了靜態調速精度。如果在轉子回路不串人電阻，而是串人一附加電動勢，通過改變在電動機轉子中串入的附加電動勢以改變轉差率從而實現了轉速調節，這種調速方式稱為串級調速。采用這種方式的調速系統即為串級調速系統，它具有較高效率及良好的調速性能。
(1)串級調速的一般原理在異步電動機的外加定子電壓U1及負載轉矩T恒定的情況下，電動機的轉子電流近似為常數，即
現在設想在轉子回路中引入一個可控的交流附加電動勢Eadd它的頻率和轉子電動勢sE20的頻率相同，而相位相同或相反，此時轉子電流就同這兩個電動勢的代數和有關，即
考慮到異步電動機運行時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，所以當改變附加電動勢Eadd若仍保持式(5一10)成立，則只有轉差s改變了，即電動機的速度發生變化，從而實現調速。
若附加電動勢Eadd與轉子電動勢Eadd(O 若附加電動勢Eadd與轉子電動勢sE20相位相同，此時Eadd取正號，隨著Eadd的增加，轉差率將減小，電動機的轉速上升，當Eadd增加到某個數值后，轉差率s將等于零，電動機達到同步速度。如果更進一步增加Eadd，s開始變負，電動機的轉速將超過同步轉速，故為同步轉速以上的調速方法。
(2)繞線轉子異步電動機串級調速系統的實現 在串級調速系統中進行串級調速時，為了使調速裝置簡化且容易實現，一般的做法是把轉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行疊加，控制直流附加電動勢的大小，就可以調節電動機的速度了。
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轉子的轉差功率，并加以利用，譬如把能量回饋電網，以提高調速系統的效率。選用工作在逆變狀態的晶閘管可控整流器作為產生附加直流電動勢的電源，既可以滿足調速的要求，又可以滿足能量回饋的要求。
圖5—17是根據前面討論而組成的一種異步電動機電氣串級調速系統的原理圖。圖中M為繞線轉子異步電動機，以轉差率s在運行，其轉子電動勢sE20經三相不可控整流器uR整流，輸出直流電壓Ud。工作在逆變狀態的三相可控整流uI裝置除提供一可調的直流電壓u．作為調速所需的附加電壓外，還可將經uR整流后輸出的電動機轉差功率回饋到交流電網。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．異步電動機變頻器調速系統
上面討論的兩種異步電動機調速的方式是通過調節差率s來進行。通過調節電源頻率來調節異步電動機的轉速，這就是異步電動機的變頻調速。
異步電動機變頻調速具有調速范圍廣、、平滑性較高、機械特性較硬的優點，可以方便地實現恒轉矩或恒功率調速，其調速特性與直流電動機調壓調速和弱磁調速十分相似，并可與直流調速和媲美。H前交流變頻調速已成為異步電動機主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用，隨著一些新技術、新理論在異步電動機變頻調速巾的應用，如矢量控制、無速度傳感器技術等，它將向更高性能、更大容量以及智能化等方向發展。
(1)變頻調速的一般原理從第1章討論過的異步電動機的定于繞紺電壓方程式(1—6)
可知，若變頻調速時電動機的定子繞組電壓u1不變，則隨著f1的升高，氣隙磁通φ將減小。義從異步電動機的轉矩公式(1-14)
可以看出，中的減小，勢必導致電動機允許輸出轉矩的減小，同時電動機的****轉矩也將降低，影響過載能力，嚴重時會使電動機堵轉。
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，電動機定子繞組燒毀。
因此，變頻調速僅僅改變頻率f1是不夠的，在調頻時必須同時調節定子繞組電壓U1，以維持氣隙磁通φ不變。這就存在調頻和調壓協調控制的問題，即保持f1和U1之間成比例地變化，就是要求U1／f1=常數。
U1／f1=常數控制方式下的機械特性如圖5-1 8所示。
(2)變頻調速的基本調節方式
1)工頻(額定頻率fN)以下調速在基頻以下調速降低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低，使U1／f1=常數，采用這種調速方式一般稱為恒定電壓頻率比控制方式。這樣的調速方式保持r氣隙磁通不變，從而使電動機的轉矩近似不變，所以這種調速方式為恒轉矩調速。
2)工頻(額定頻率fN)以上調速在基頻以上調速，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，這時頻率越高，磁通φ越低，這實際上相當直線電動機的弱磁調速的情況屬于恒功率調速。
綜合上述分析，異步電動機變頻調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，屬于恒轉矩調速性質；在工頻以上是維持U1=UN、，增加頻率，減小磁通φ的恒功率調速性質的控制。
(3)異步電動機變頻器的幾種常用結構形式 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節的交流電壓，實現所謂的vvvF調速控制。變頻器是變頻調速系統中最主要的部件。
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點，但由于下述的缺點限制了它的廣泛應用：
1)輸出電壓的****頻率受到電網電壓頻率的限制，一般不能超過電網電壓頻率的1／2，所以只能從額定轉速向下調速，且調速范圍小于2。
2)所用開關器件多，比如三相橋式反并聯電路就需要36個晶閘管，元器件數量多，控制也復雜。
3)功率因數低，特別是低速輸出時輸出電壓低，功率因數更低。
所以交交變頻器一般只適用于低速、大容量的場合，如大型軋鋼設備和電力機車等變頻調速。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用的場合要廣泛得多，除作變頻調速外，還可以用來構成穩頻穩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速系統：
交直一交變頻器有主要以下三種結構。
第一種，用可控整流調壓，用逆變器變頻(見圖5—19)。
第二種，用不可控整流，斬波調壓，用逆變器變頻（見圖5-20）
第三種，用不可控整流，用脈寬調制逆變器同時調壓變頻(見圖5 -21)。
圖5—21所示結構的變頻器，由于用不可控整流，功率因數高，用脈寬調制(PwM)逆變，諧波減小，采用可控的全關斷器件IGBT，開關頻率得以提高，輸出波形非常接近正弦波。當前應用的正弦波脈寬調制(sPwM)逆變器已經成為最有前途的主流逆變器結構。為此，我們專門在下一節的內容中給予詳細的介紹。
二 sPwM脈寬調制型變頻器異步電動機調速系統
1。SPwM脈寬調制信號的產生
sPwM脈寬調制就是正弦波脈寬調制，正弦波脈寬調制是用一系列寬度可變的矩形脈沖來等效正弦波。等效的條件是對應時間間隔內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，每個周期內的脈沖個數越多，等效精度就越高，諧波成分就越小。從理論上可以計算出各分段矩形脈沖的寬度，對應脈沖寬度上的每時刻作為控制逆變器各開關器件的導通觸發或關斷的時間，那么在負載上得到的電壓波形將與控制電壓的波形完全相同，即負載上得到的是一等效正弦電壓。
在實際應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，調節它的幅值大小，就可以調節輸出脈沖的寬度，也就是調節了逆變器輸出等效交流電壓的幅值。所以通過調節參考信號電壓ur，既可調頻，又可調幅。這就是為什么sPwM控制同時能夠完成調頻、調幅的原因。
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都是相同的，即為同步式sPWM調制；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，則產生的正負半周的脈沖信號個數和相位就不能隨時對稱，為非同步式SPWM調制。同步式沒有偶次諧波，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，產生的脈沖個數較多，有利于改善低頻輸出特性。
實用的sPwM調制信號主要有兩種形式：單極式和雙極式。下面將分別進行介紹。
(1)單極式sPwM調制信號單極式正弦波脈寬調制波形如圖5—24所示。它的特點是在每半個周期內的調制信號三角波電壓uc的方向都一致，或正或負，輸出脈沖也是如此。在半個周期內，中間的脈沖寬，兩邊的脈沖窄，脈寬呈正弦分布，正負半周完全對稱。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，才能產生三相調制波。
(2)雙極式sPWM調制信號單極式調制在半個周期內脈沖的極性不改變，正負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均有正負兩種極性。載波信號電壓uc為有正、負兩個方向的三角波，不像單極式調制波，載波信號為單方向三角波。三相雙極式正弦波脈寬調制波形如圖5 25所示。
2．SPWM脈寬調制變頻器電路結構
一個典型的sPwM脈寬調制變頻器電路結構如圖5—26所示，該電路結構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有大容量電容c(通常采用電解電容）。因此，加在電動機上電壓值不受負載的影響，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供交流電，變頻器的輸出阻抗小，所以運轉時基本上不受電動機功率因數、換流電感等影響，這是它的優點。另一方面，負載端發生短路，或者在變頻器運轉狀態下投入負載電動機，則產生過大的電流，所以需要在極短的時間內進行保護，保護困難是它的缺點。
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、負載短路等引起的過電流等，保護可靠性高。電流型變頻器除上述控制性、保護性優良之外，主電路結構簡單、換流電容無需充電電源，可使裝置體積小、運轉效率高也是它的優點。但由于電流型變頻器作為電流源而工作，所以空載時不能運行.另外，負載特性改變時，輸出電壓波形等也改變.因此對于電流型變頻器，必須考慮負載特性來進行換流回路等主電路的設計.
不論電壓型變頻器還是電流型變頻器，其主電路的結構大致相同，變頻和調壓的原理相同。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調制信號驅動下分別進行分析。
(1)單極式sPwM逆變器電路分析為了便于理解，現以單相的正弦脈寬調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動信號就是圖5 24中所示的單極式sPwM調制脈沖電壓波形。但是在每半個周期分別加在V1、V4和V3、V2管上的基極驅動信號電壓都應為正。
從電路圖中不難分析出，當等效正弦波正半周時(見圖5 24)，晶體管基極在sPwM調制脈沖電壓的驅動下，v1、v4反復導通和關斷，在負載上的電壓u的脈沖寬度按正弦規律變化，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，負載電壓正半周電路的工作情況如圖5—27a所示，其輸出負載電壓波形如圖5—28所示，它同驅動信號的波形完全一致。
在等效正弦波負半周時，v1、v4管截止，在這段時間V3、V2反復導通和關斷，其工作過程同正半周時完全相同，負載上的電壓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半個周期內工作，而在另半個周期處于截止狀態。在每半個周期內晶體管的開通和關斷的次數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，每個晶體管按正弦脈寬規律導通和截止。圖5—29給出的是每只晶體管在三相正弦電壓下導通的區間。
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，另加一只續流二極管導通。
(2)雙極式SPWM逆變器電路分析雙極式三相SPWM逆變器電路結構同單極式電路完全相同(見圖5—26)，但采用雙極式調制方式。
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調制波，載波信號電壓uc正、負兩個方向的三角波，所以同參考電壓ur調制的結果使得輸出調制脈沖電壓n在整個等效正弦電壓周期上都有按正弦規律分布的等幅不等寬、正負交錯的脈沖。而單極式調制脈沖電壓。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(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調制脈沖信號的正脈沖驅動V1、V4管，用反相后的SPWM調制脈沖信號的負脈沖驅動v1和v2管的話，則在負載上會得到同圖5—30所示信號波形完全相同，幅值為UDC的SPWM調制脈沖輸出電壓。
可以看出，雙極式逆變器產生負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遠遠大于單極式逆變器。因為雙極式逆變器的工作模式決定了每個載波周期都要出現一次同一橋臂的上下開關的切換，而單極式逆變器是在調制正弦波的半個周期才出現一次切換。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，晶體管的導通和截止的時間十分接近，這對異步電動機的低速運行是十分有利的，故在高精度變頻調速系統中廣泛應用。然而單極式逆變器輸出電壓越低，晶體管導通時間
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低速運行抖動的現象。
在三相逆變器中，雙極式SPwM調制逆變器各晶體管的導通區間和續流規律同單極式sPwM調制逆變器分析方法大致相同，所不同的是單極式sPwM調制逆變器同一橋臂上、下晶體管導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調制變頻器調速系統
交一直一交sPwM調制變頻器調速系統由速度給定、正弦波和三角波形成三部分電路組成。原理結構圖如圖5—31所示。
速度給定電路的作用是產生正反轉速度給定信號，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、負信號，它們與電動機的正、反轉相對應。加速度限制電路將速度給定電位器調節時輸出的階躍信號轉變為諧波信號，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信號轉變為單一的正信號，其****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和電壓函數發生器uFG提供輸入正信號。極性判別電路PD將速度給定信號轉變為高低電平，正信號為高電平，負信號為低電平。高電平與正反轉驅動電路配合使電動機正轉，低電平與正反轉驅動電路配合使電動機反轉。
壓控振蕩器u／f輸出控制正弦波發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。
電壓函數發生器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電路的輸出應產生保證電壓、頻率比值的函數關系，并且同電壓檢測電路uD的信號作用以后，輸入到電壓調節器電路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，由它產生正弦波參考電壓的頻率；另一路經電壓函數發生器uFG轉換后，產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，正弦波發生器就能產生三相正弦波參考電壓，最后與三角波發生器信號一起形成SPWM的調制脈沖，再經正反轉控制和驅動電路去驅動三相橋逆變電路以實現變頻調速。
4-變頻調遮器的應用
變頻調速器自20世紀80年代進入實際應用以來，主要以交流電動機節能應用為主。但進入20世紀90年代后，隨著計算機技術和電力電子技術的發展，變頻器也得到了迅猛發展。由于交流異步電動機結構簡單、堅固耐用、無需換向裝置，可適應各種環境，所以以通用變頻器為核心的變頻交流調速系統得到廣泛應用。特別是近年來，大規模集成電路32位數據處理器(DSP)和矢量控制理論的應用，使得變頻器的性能得到很大提高，正逐步取代直流調速系統，而成為傳動系統的主流。通用變頻器可以滿足大多數工業控制的應用需要．具體體現在以下幾個方面：
1)適用于節能應用的風機和泵類負載方面的應用。利用變頻器對風機和泵進行控制，主要通過對其流量的控制而有效地節能，這是通用變頻器****泛的應用。
2)無速度傳感器矢量控制變頻器、高動態性能的帶速度傳感器矢量控制變頻器和具有高品質轉矩特性的直接轉矩控制變頻器在一般工業控制和民用家電中的應用。
3)具有四象限運行特性的變頻器在位能型負載上的應用。
4)適用于多臺電動機傳動的公共直流母線方式的變頻器在紡織工業中的應用。
綜上所述，變頻調速器主要的應用有兩方面：一方面是為了滿足生產工藝調速要求而進行的變頻器應用；另一方面是為了節能需要而進行的變頻器應用。現在通用變頻器已經在機械、冶金、石化、化工、紡織、印刷、醫藥、造紙、建材行業和一些民用家電上得到廣泛應用。
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