變頻驅(qū)動異步電機再生制動及饋電技術(shù)

1、 西南交通大學課程設計變頻驅(qū)動異步電機再生制動及饋電技術(shù)目錄第一章 牽引電機的調(diào)速方法21、變極調(diào)速：22、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：23、牽引電機的變頻調(diào)速33.1變頻器與逆變器、斬波器33.2變頻器分類4第二章 牽引電機的特性調(diào)節(jié)81.基頻調(diào)速：81.1基頻以下調(diào)速81.2基頻以上調(diào)速112.V/F控制與V/F曲線11第三章 變頻驅(qū)動異步電機再生制動及能量反饋141.當電機工作于再生發(fā)電狀態(tài)時142.再生能量回饋狀態(tài)下的理論計算153.再生能量回饋系統(tǒng)設計184.實驗結(jié)果205.結(jié)論21參考文獻:22摘 要針對通用變頻器不能直接用于快速啟動、制動和頻繁正反轉(zhuǎn)調(diào)速場合問題,探討了變頻調(diào)速系統(tǒng)中的再生能量

2、產(chǎn)生機理,尤其是對再生能量回饋狀態(tài)下慣性體的運動能量，有源逆變回饋能量、制動轉(zhuǎn)矩進行了定量分析,揭示了各物理量之間的關系,設計了一種通用變頻器能量回饋控制系統(tǒng)。實驗表明,該系統(tǒng)饋送電流諧波小,功率因數(shù)高,能夠有效地實現(xiàn)能量回收和精確制動;該系統(tǒng)使得變頻器可以實現(xiàn)四象限運行,節(jié)能效果明顯。關鍵詞 異步電動機;結(jié)構(gòu)原理;調(diào)速方法;能量回饋;再生制動;并網(wǎng)技術(shù)1引言變頻調(diào)速技術(shù)涉及電子、電工、信息與控制等多個學科領域。采用變頻調(diào)速技術(shù)是節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要途徑,已在應用中取得了良好的效果和顯著的經(jīng)濟效益。但是,人們往往忽視了進一步挖掘變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能潛力和提高效率的問題。

3、事實上,除了通過變頻調(diào)速技術(shù)及其優(yōu)化控制技術(shù)實現(xiàn)“按需供能”,即在滿足生產(chǎn)機械速度、轉(zhuǎn)矩和動態(tài)響應要求的前提下,盡量減少變頻裝置的輸入能量外,將由生產(chǎn)機械中儲存的動能或勢能轉(zhuǎn)換而來的電能及時地、高效地“回收”到電網(wǎng),也是不可忽略的一個途徑。在工業(yè)生產(chǎn)中,有許多工藝要求拖動系統(tǒng)能快速起動、制動和頻繁正反轉(zhuǎn),如高速電梯、礦用提升機、大型龍門刨床、水泥破碎機等。此類系統(tǒng)要求電機四象限運行,當電機減速、制動或者帶位能性負載重物下放時,電機處于再生發(fā)電狀態(tài),如果處理不當,將在直流側(cè)出現(xiàn)過高的泵升電壓,限制了通用變頻器的應用范圍1-2。比較理想的方式是通過有源逆變裝置將再生能量回饋到交流電網(wǎng),在能源資源日

4、趨緊張的今天,這項研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。本文在分析變頻調(diào)速系統(tǒng)中的再生能量產(chǎn)生機理,揭示再生制動下各物理量之間的關系的基礎上,設計了一種新型能量回饋控制系統(tǒng)。第一章 牽引電機的調(diào)速方法指當負載不變時，利用人工的方法改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。它與電動機自動適應負載變化而改變轉(zhuǎn)速不同。1、變極調(diào)速：就是改變電動機定子繞子的極對數(shù)p來調(diào)速。從式3-1可見，如果電源頻率固定不變，只要改變定子繞組的極對數(shù)p，則同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n也會隨著改變。而且，電機的同步轉(zhuǎn)速與級數(shù)對p成反比變化，例如當=50HZ時，把極對數(shù)從p=1變到p=2，得到的同步轉(zhuǎn)速將為n1=3000r/min兩種。 變極調(diào)速的異步電動機一般采

5、用鼠籠式轉(zhuǎn)子，因為鼠籠式轉(zhuǎn)子的極對數(shù)能自動地隨著定子極對數(shù)的改變而改變，轉(zhuǎn)子磁場的極對數(shù)總是相等而產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩。 變極調(diào)速的常用方法是在定子上只裝一套繞組，而利用改變繞組接法來獲得兩種或多種極對數(shù)，稱為繞組變極。 變極調(diào)速的優(yōu)點是:設備簡單，運行可靠。 變極調(diào)速的缺點是：不平滑調(diào)速，而是一級一級的分段調(diào)速。2、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：就是改變電動機的轉(zhuǎn)差率s來調(diào)速的。當恒轉(zhuǎn)矩負載調(diào)速時，從電磁轉(zhuǎn)矩關系式4-2可見，改變轉(zhuǎn)差率s有下面幾種方法：電磁轉(zhuǎn)矩計算公式3-2：P極對數(shù) 電動機相電壓 定子頻率 定子繞組的電阻和電抗 轉(zhuǎn)子繞組的折算電阻和電抗由式3-2可知： (1)在轉(zhuǎn)子回路中串入電阻，電感，電容

6、，以及改變。(轉(zhuǎn)子變電阻調(diào)速) (2)改變定子繞組端電壓。(定子調(diào)壓調(diào)速) (3)在定子回路串入外加電阻或電抗，以改變。(串極調(diào)速)(4)(電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速) 異步電動機電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)以恒定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)的異步電動機為原動機，通過改變電磁轉(zhuǎn)差離合器的勵磁電流進行速度調(diào)節(jié)。這一方法的缺點是：轉(zhuǎn)子回路中接入附加電阻后，將使轉(zhuǎn)子銅耗增加，降低電動機效率。但由于此法比較簡單，在中小容量的電動機中用得比較多。3、牽引電機的變頻調(diào)速由前面的分析可以知道，對異步電動機而言，用變級調(diào)速少，且不能平滑調(diào)速；用轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)電阻改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速則損耗較大。在后面我們著重闡述引電機的變頻調(diào)速優(yōu)點，方法及原理。交流

7、變頻調(diào)速系統(tǒng)一般由三相交流異步電動機、變頻器及控制器組成，它與直流調(diào)速系統(tǒng)相比具有以下顯著優(yōu)點： （1）異步電動機比直流電動機結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，價格低，它沒有換向器，運行可靠； （）控制電路比直流調(diào)速系統(tǒng)簡單，易于維護； （）變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，能平滑調(diào)速，其調(diào)速靜態(tài)精度及動態(tài)品質(zhì)好，而且節(jié)能顯著，是目前世界公認的交流電動機的最理想、最有前途的調(diào)速技術(shù)，因而在國際上獲得了廣泛的應用。3.1變頻器與逆變器、斬波器 變頻調(diào)速是以變頻器向交流電動機供電，并構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。變頻器是把固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電的變換器，是異步電動機變頻調(diào)速的控制裝置。逆變器是將固

8、定直流電壓變換成固定的或可調(diào)的交流電壓的裝置（DCAC變換）。將固定直流電壓變換成可調(diào)的直流電壓的裝置稱為斬波器（DCDC變換）。變壓變頻調(diào)速（VVVF）在進行電機調(diào)速時，通常要考慮的一個重要因素是，希望保持電機中每極磁通量為額定值，并保持不變。如果磁通太弱，即電機出現(xiàn)欠勵磁，將會影響電機的輸出轉(zhuǎn)矩，由 TMKTMCOSj式3-3 2 式3-3中TM：電磁轉(zhuǎn)矩，M：主磁通，I2 ：轉(zhuǎn)子電流，COS：轉(zhuǎn)子回路功率因素，KT ：比例系數(shù))電機磁通的減小，勢必造成電機電磁轉(zhuǎn)矩的減小。由于電機設計時，電機的磁通常處于接近飽和值，如果進一步增大磁通，將使電機鐵心出現(xiàn)飽和，從而導致電機中流過很大的勵磁電流

9、，增加電機的銅損耗和鐵損耗，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。 因此，在改變電機頻率時，應對電機的電壓進行協(xié)調(diào)控制，以維持電機磁通的恒定。為此，用于交流電氣傳動中的變頻器實際上是變壓（Variable Voltage，簡稱VV）變頻（Variable Frequency，簡稱VF）器，即VVVF。所以，通常也把這種變頻器叫作VVVF裝置或VVVF。根據(jù)異步電動機的控制方式不同，變壓變頻調(diào)速可分為恒定壓頻比（V/F）控制變頻調(diào)速、矢量控制（FOC）變頻調(diào)速、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速等。3.2變頻器分類從變頻器主電路的結(jié)構(gòu)形式上可分為交直交變頻器和交交變頻器。交直交變頻器首先通過整流電路將電網(wǎng)的交流電整流

10、成直流電，再由逆變電路將直流電逆變?yōu)轭l率和幅值均可變的交流電。交直交變頻器主電路結(jié)構(gòu)如下圖。 交交變頻器把一種頻率的交流電直接變換為另一種頻率的交流電，中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)，又稱為周波變換器。它的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。 常用的交交變頻器輸出的每一相都是一個兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。正、反向兩組按一定周期相互切換，在負載上就獲得交變的輸出電壓u0。輸出電壓u0的幅值決定于各組整流裝置的控制角，輸出電壓u0的頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。如果控制角一直不變，則輸出平均電壓是方波，要的到正弦波輸出，就在每一組整流器導通期間不斷改變其控制角。對于三相負載，交交變頻器其他兩相也各用一套反并聯(lián)的

11、可逆線路，輸出平均電壓相位依次相差。交交變頻器由其控制方式?jīng)Q定了它的最高輸出頻率只能達到電源頻率的75%80%，不能高速運行，這是它的主要缺點。但由于沒有中間環(huán)節(jié)，不需換流，提高了變頻效率，并能實現(xiàn)四象限運行，因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn)窯、軋鋼機等。從變頻電源的性質(zhì)上看，可分為電壓型變頻器和電流型變頻器。 對交直交變頻器，電壓型變頻器與電流型變頻器的主要區(qū)別在于中間直流環(huán)節(jié)采用什么樣的濾波器。 電壓型變頻器的主電路典型形式如下。在電路中中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，直流電壓波形比較平直，使施加于負載上的電壓值基本上不受負載的影響，而基本保持恒定，類似于電壓源，因而稱之為電壓型變頻器。 電

12、壓型變頻器逆變輸出的交流電壓為矩形波或階梯波，而電流的波形經(jīng)過電動機負載濾波后接近于正弦波，但有較大的諧波分量。由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動機提供交流電功率，所以主要優(yōu)點是運行幾乎不受負載的功率因素或換流的影響；缺點是當負載出現(xiàn)短路或在變頻器運行狀態(tài)下投入負載，都易出現(xiàn)過電流，必須在極短的時間內(nèi)施加保護措施。 電流型變頻器與電壓型變頻器在主電路結(jié)構(gòu)上基本相似，所不同的是電流型變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，見下圖，直流電流波形比較平直，使施加于負載上的電流值穩(wěn)定不變，基本不受負載的影響，其特性類似于電流源，所以稱之為電流型變頻器。 電流型變頻器逆變輸出的交流電流為矩形波或階梯波，

13、當負載為異步電動機時，電壓波形接近于正弦波。電流型變頻器的整流部分一般采用相控整流，或直流斬波，通過改變直流電壓來控制直流電流，構(gòu)成可調(diào)的直流電源，達到控制輸出的目的。電流型變頻器由于電流的可控性較好，可以限制因逆變裝置換流失敗或負載短路等引起的過電流，保護的可靠性較高，所以多用于要求頻繁加減速或四象限運行的場合。一般的交交變頻器雖然沒有濾波電容，但供電電源的低阻抗使它具有電壓源的性質(zhì)，也屬于電壓型變頻器。也有的交交變頻器用電抗器將輸出電流強制變成矩形波或階梯波，具有電流源的性質(zhì)，屬于電流型變頻器。交直交變頻器根據(jù)VVVF調(diào)制技術(shù)不同，分為PAM和PWM兩種。PAM是把VV和VF分開完成的，稱

14、為脈沖幅值調(diào)制（Pulse Amplitude Modulation）方式，簡稱PAM方式。PAM調(diào)制方式又有兩種：一種是調(diào)壓采用可控整流，即把交流電整流為直流電的同時進行相控整流調(diào)壓，調(diào)頻采用三相六拍逆變器，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，但由于輸入環(huán)節(jié)采用晶閘管可控整流器，當電壓調(diào)得較低時，電網(wǎng)端功率因素較低，而輸出環(huán)節(jié)采用晶閘管組成的三相六拍逆變器，每周換相六次，輸出的諧波較大。其基本結(jié)構(gòu)見圖a；另一種是采用不控整流、斬波調(diào)壓，即整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流，只整流不調(diào)壓，再單獨設置PWM斬波器，用脈寬調(diào)壓，調(diào)頻仍采用三相六拍逆變器，這種方式雖然多了一個環(huán)節(jié)，但調(diào)壓時輸入功率因素不變，克服了上

15、面那種方式中輸入功率因數(shù)低的缺點。而其輸出逆變環(huán)節(jié)未變，仍有諧波較大的問題。其基本結(jié)構(gòu)見圖b。PWM是將VV與VF集中于逆變器一起來完成的，稱為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）方式，簡稱PWM方式。PWM調(diào)制方式采用不控整流，則輸入功率因素不變，用PWM逆變同時進行調(diào)壓和調(diào)頻，則輸出諧波可以減少。其基本結(jié)構(gòu)見圖c。在VVVF調(diào)制技術(shù)發(fā)展的早期均采用PAM方式，這是由于當時的半導體器件是普通晶閘管等半控型器件，其開關頻率不高，所以逆變器輸出的交流電壓波形只能是方波。而要使方波電壓的有效值隨輸出頻率的變化而改變，只能靠改變方波的幅值，即只能靠前面的環(huán)節(jié)改變中間直流電壓的

16、大小。隨著全控型快速半導體開關器件BJT、IGBT、GTO等的發(fā)展，才逐漸發(fā)展為PWM方式。由于PWM方式具有輸入功率因數(shù)高、輸出諧波少的優(yōu)點，因此在中小功率的變頻器中，幾乎全部采用PWM方式，但由于大功率、高電壓的全控型開關器件的價格還較昂貴，所以為降低成本，在數(shù)百千瓦以上的大功率變頻器中，有時仍需要使用以普通晶閘管開 關器件的PAM方式。第二章 牽引電機的特性調(diào)節(jié)前面講在進行電機調(diào)速時，為保持電動機的磁通恒定，需要對電機的電壓與頻率進行協(xié)調(diào)控制。那么應該怎樣對電機的電壓與頻率進行協(xié)調(diào)控制呢？對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況?；l，即基本頻率f 1，是變頻器對電動機進行恒

17、轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制的分界線，應按電動機的額定電壓（指額定輸出電壓，是變頻器輸出電壓中的最大值，通常它總是和輸入電壓相等）進行設定，即在大多數(shù)情況下，額定輸出電壓就是變頻器輸出頻率等于基本頻率時的輸出電壓值，所以，基本頻率又等于額定頻率f N（即與電動機額定輸出電壓對應的頻率）。異步電動機變壓變頻調(diào)速時，通常在基頻以下采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上采用恒功率調(diào)速。1.基頻調(diào)速：1.1基頻以下調(diào)速在一定調(diào)速范圍內(nèi)維持磁通恒定，在相同的轉(zhuǎn)矩相位角的條件下，如果能夠控制電機的電流為恒定，即可控制電機的轉(zhuǎn)矩為恒定，稱為恒轉(zhuǎn)矩控制，即電機在速度變化的動態(tài)過程中，具有輸出恒定轉(zhuǎn)矩的能力。由于恒定U 1 / f

18、1控制能在一定調(diào)速范圍內(nèi)近似維持磁通恒定，因此恒定U 1 / f 1控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制。嚴格地說，只有控制E g / f 1 恒定才能控制電機的轉(zhuǎn)矩為恒定。 恒定氣隙磁通M控制（恒定E g / f 1控制）根據(jù)異步電動機定子的感應電勢 Eg =4.44f1N1KN1M 式4-1 （式中 E g為氣隙磁通在每相定子感應的電動勢，f 1為電源頻率，N 1為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)，K N1為與繞組結(jié)構(gòu)有關的常數(shù)，M為每極氣隙磁通），可知，要保持M不變，當頻率f 1變化時，必須同時改變電動勢E g的大小，使 E g / f 1常值 式4-2即采用恒定電動勢與頻率比的控制方式。（恒定E g / f 1控制

19、） 又，電機定子電壓 U 1E g + ( r 1 + j x 1 ) I 1 式4-3（式中 U 1為定子電壓，r 1為定子電阻，x 1為定子漏磁電抗，I 1為定子電流），如果在電壓、頻率協(xié)調(diào)控制中，適當?shù)靥岣唠妷篣 1，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持E g / f 1為恒值，則無論頻率高低，每極磁通M均為常值，就可實現(xiàn)恒定E g / f 1控制。恒定E g / f 1控制的穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于下面講的恒定U 1 / f 1控制，它正是恒定U 1 / f 1控制中補償定子壓降所追求的目標。恒定壓頻比控制（恒定U 1 / f 1控制）根據(jù)上面的公式，在電動機正常運行時，由于電動機定子電阻r 1和定

20、子漏磁電抗x 1的壓降較小，可以忽略，則電機定子電壓U 1與定子感應電動E g近似相等，即 U 1E g 式4-4則得 U 1 / f 1常值 式4-5這就是恒壓頻比的控制方式。（恒定U 1 / f 1控制） 由于電機的感應電勢檢測和控制比較困難，考慮到在電機正常運轉(zhuǎn)時電機的電壓和電勢近似相等，因此可以通過控制U 1 / f 1恒定，以保持氣隙磁通基本恒定。恒定U 1 / f 1控制是異步電動機變頻調(diào)速的最基本控制方式，它在控制電動機的電源頻率變化的同時控制變頻器的輸出電壓，并使二者之比U 1 / f 1為恒定，從而使電動機的磁通基本保持恒定。恒定U 1 / f 1控制的出發(fā)點是電動機的穩(wěn)態(tài)數(shù)

21、學模型，它的控制效果只有在穩(wěn)態(tài)時才符合要求。在過渡過程中，電動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩需要按照電動機的動態(tài)數(shù)學模型進行分析計算。因此恒定U 1 / f 1控制的電動機系統(tǒng)難以滿足動態(tài)性能的要求。在起動時，為了使系統(tǒng)能滿足穩(wěn)態(tài)運行的條件，頻率的變化應盡可能緩慢，以避免電動機出現(xiàn)失速現(xiàn)象，即電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相差很大?；钤龃?，造成電動機中流過很大的電流，電動機輸出的轉(zhuǎn)矩將減小。恒定U 1 / f 1控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，突出優(yōu)點是可以進行電機的開環(huán)速度控制。恒定U 1 / f 1控制存在的主要問題是低速性能較差。這是由于低速時異

22、步電動機定子電阻壓降所占比重增大，已不能忽略，電機的電壓和電勢近似相等的條件已不滿足，仍按U 1 / f 1恒定控制已不能保持電機磁通恒定。電機磁通的減小，電機電磁轉(zhuǎn)矩的減小。因此，在低頻運行的時候，要適當?shù)募哟骍 1 / f 1的值，以補償定子壓降。若采用開環(huán)控制，則除了定子漏阻抗的影響外，變頻器橋臂上下開關元件的互鎖時間也是影響電機低速性能的重要原因。對電壓型變頻器，考慮到電力半導體器件的導通和關斷均需一定時間，為防止上下元件在導通/關斷切換時出現(xiàn)直通，造成短路而損壞，在控制導通時設置一段開關導通延遲時間。在開關導通延遲時間內(nèi)，橋臂上下電力半導體器件均處于關斷狀態(tài)，因此又將開關導通延遲時間

23、稱為互鎖時間。互鎖時間的長短與電力半導體器件的種類有關。由于互鎖時間的存在，變頻器的輸出電壓將比控制電壓低。在低頻的時候，變頻器的輸出電壓比較低，PWM逆變脈沖的占空比比較小，這時互鎖時間的影響就比較大，從而導致電機的低速性能降低。互鎖時間造成的壓降還會引起轉(zhuǎn)矩脈動，在一定條件下將會引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴重時變頻器不能運行。對磁通進行閉環(huán)控制是改善U 1 / f 1恒定控制性能的十分有效的方法。采用磁通控制后，電機的電流波形的到明顯改善，氣隙磁通更加接近圓形。恒定轉(zhuǎn)子磁通r控制（恒定E r / f 1控制）如果把電壓、頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓U 1進一步再提高一些，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，便

24、的到恒定E r / f 1控制，其機械特性是一條直線。顯然，恒定E r / f 1控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機一樣的線性機械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的性能。問題是，怎樣控制變頻器的電壓和頻率才能獲得恒定E r / f 1的呢？按照電動勢與磁通的關系 E g =4.44 f 1 N 1 K N1 F M 式4-6 可以看出，當頻率恒定時，電動勢與磁通成正比。在上式中，氣隙磁通E g的感應電動勢對應于氣隙磁通F M，那么，轉(zhuǎn)子磁通的感應電動勢E r就應該對應于轉(zhuǎn)子磁通F r E r =4.44 f 1 N 1 K N1 F r 式4-7由此看見，只要能夠按照轉(zhuǎn)子磁通 F r恒

25、值進行控制，就可獲得恒定E r / f 1控制。這正是矢量控制系統(tǒng)所遵循的原則。1.2基頻以上調(diào)速當電機的電壓隨著頻率的增加而升高時，若電機的電壓已達到電機的額定電壓，繼續(xù)增加電壓有可能破壞電機的絕緣。為此，在電機達到額定電壓后，即使頻率增加仍維持電機電壓不變。這樣，電機所能輸出的功率由電機的額定電壓和額定電流的乘積所決定，不隨頻率的變化而變化。具有恒功率特性。在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從基頻往上增加，但電壓卻不能超過額定電壓，此時，電機調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。電機在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，磁通與頻率成反比地降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。2.V/F控制與V/F曲線V/F控制在恒定U 1 / f 1控制

26、中，頻率f 1下降時，定子電阻壓降在U 1中所占比例增大，造成氣隙磁通F M和轉(zhuǎn)矩下降，采取適當提高U 1 / f 1的方法，來低償定子電阻壓降的增大，而保持F M恒值，最終使電動機的轉(zhuǎn)矩得到補償。這種方法稱為轉(zhuǎn)矩補償，因為它是通過提高U 1 / f 1而得到的，故又稱V/F控制或電壓補償。許多書中則直譯為轉(zhuǎn)矩提升（Torque boost）。基本V/F曲線U 1 / f 1恒值時的V/F曲線稱為基本V/F曲線（見下圖中曲線a），它表明了沒有補償時的電壓U 1和頻率f 1之間的關系。它是進行V/F控制時的基準線。全補償V/F曲線 不論f 1為多大（在f 1f N的范圍內(nèi)），通過補償，都能保持F

27、 M恒值，稱為完全補償V/F曲線，簡稱全補償V/F曲線（見下圖中曲線b）。 全補償V/F曲線與電動機的參數(shù)有關，而電動機的型號規(guī)格很多，其全補償V/F曲線各不相同，即使是同一型號、同一規(guī)格的電動機，應用場合的不同，其全補償V/F曲線各不相同。這是因為轉(zhuǎn)矩補償?shù)膶嵸|(zhì)是用提高電壓的方法來補償定子阻抗壓降的。而定子阻抗壓降的大小是和定子電流I 1的大小有關的，定子電流的大小又與負載有關。因此，電動機的負載大小不同，所需的補償電壓（從而全補償V/F曲線）也不一樣。過分補償有的用戶認為，補償小可能會帶不動負載，補償大了沒問題，故而在設定V/F曲線時“寧小毋大”，或在設定V/F曲線時，只根據(jù)最重負載的要求

28、來設定，則在輕載或空載時，就會出現(xiàn)補償過分。補償過分，說明電壓U 1提升過多，使電動勢E g在U 1中的比例相對減小，則定子電流I 1增加。但電動機的負載與轉(zhuǎn)速均未變，故定子電流I 1增大，勵磁電流I 0必增大，其結(jié)果是磁通F M增加。磁通增加，將使鐵心達到飽和，F(xiàn) M的波形將逐漸地由正弦波變成平頂波，而勵磁電流I 0則為尖頂波。補償越過分，鐵心的飽和程度越深，I 0的峰值也越高，甚至引起變頻器因過電流而跳閘。異步牽引電動機變頻調(diào)速是一種合理和理想的調(diào)速方法，實現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置叫變頻器，交直交變頻器按無功能量處理方式分為電壓型和電流型。在即將投入運營的SZ1地鐵列車上，采用了一種新型變頻變壓(

29、VVVF)逆變器牽引和制動系統(tǒng)。之所以稱它是“新型”系統(tǒng)，是因為以下三個原因:其一，采用大功率電力電子器件IGBT模塊。復合型IGBT是以單極型MOSFET為驅(qū)動元件，雙極型GTR為主導元件的達林頓結(jié)構(gòu)元件，它綜合了前者輸入阻抗高、驅(qū)動功率小(電壓型)、電路簡單、開關頻率高、熱穩(wěn)定性好和后者安全工作區(qū)寬、電流密度高、導通壓降低的優(yōu)點;其二，單臺牽引電機額定功率較之目前國內(nèi)外已投入運營的同類產(chǎn)品(4M2T)大，因而使這類地鐵列車有更大的牽引功率和電制動功率;其三，VVVF逆變器采用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，這是除矢量控制系統(tǒng)之外的另一種新的高動態(tài)性能的、但更簡單適用的變頻變壓調(diào)速系統(tǒng)。因此，這種“新型”

30、系統(tǒng)體現(xiàn)了現(xiàn)代電力電子器件、電路及其控制技術(shù)方面的特點:集成度高，工作頻率高，全控化，電路控制簡單、靈活、準確，多功能化和智能化。這將大大提高地鐵列車VVVF逆變器系統(tǒng)的可靠性、可維修性以及經(jīng)濟性等，具有廣闊的發(fā)展前景。第三章 變頻驅(qū)動異步電機再生制動及能量反饋1.當電機工作于再生發(fā)電狀態(tài)時電機內(nèi)部將發(fā)生以下變化過程:變頻器拖動電機降速,電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度超過給定頻率下的同步轉(zhuǎn)速,也即超過電機內(nèi)部同步旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。造成轉(zhuǎn)子切割磁力線的方向反向,轉(zhuǎn)子導體上感應電勢以及感應電流的方向反向。由于轉(zhuǎn)子電流中的勵磁分量不會發(fā)生變化(電機不可能使勵磁電流反向,因為它需要從變頻器側(cè)吸收勵磁電流以建立電機內(nèi)

31、部磁場,維持電機的運轉(zhuǎn)),所變化的只是轉(zhuǎn)子電流中的轉(zhuǎn)矩分量,而轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)矩分量的變化又引起了定子電流轉(zhuǎn)矩分量的變化。其結(jié)果是:定子電流的合成量(即平時所說的定子電流)和電機的轉(zhuǎn)矩反向,從坐標上看,即電機的機械特性曲線從第一象限運動到第二象限。3變頻調(diào)速器再生能量的產(chǎn)生機理圖1所示為變頻器拖動電機運行時泵升電路的等值電路3-5。為說明泵升電壓產(chǎn)生機理,假定電容電壓Uc、繞組反電動勢E、電阻r、電感L為常數(shù)?？傻没芈贩匠?。電動狀態(tài)時:再生發(fā)電狀態(tài)時:電動狀態(tài)時E和I反向,回路電壓為Uc-E,若I保持不變,泵升時間t隨E的升高而增大;再生發(fā)電狀態(tài)時E和I同向,回路電壓為Uc+E,在I相等的情況下,泵

32、升時間t隨E的升高而減少。從能量關系看,電動狀態(tài)時Uc和E同時吸收電感放出的電能;而再生發(fā)電狀態(tài)時只有Uc吸收能量,它不僅吸收電感放出的電能,而且連制動時產(chǎn)生的電能也一并吸收了。如果沒有吸收再生能量的環(huán)節(jié),將導致電容上電壓升高,升高的那一部分電壓就稱為泵升電壓。2.再生能量回饋狀態(tài)下的理論計算2.1慣性體的運動能量計算設n為旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速(r/m in),J和GD為旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動慣量(kg m2),且GD=4J,則旋轉(zhuǎn)體具有的運動能量為當速度從n1減速到n2(r/m in)時釋放出的能量為2.2變頻器驅(qū)動電機再生制動時的能量計算再生能量是由電機機械系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)化而來,可表達為試中:為機械系統(tǒng)的動能

33、；為儲存在電機電感中的電磁能;為機械阻力所消耗的等效電能,M f(t)為機械阻力矩函數(shù),(t)為電機角速度函數(shù);W0為其他損耗。為簡化計算,假定電感中所存儲的能量與機械阻力能和各種損耗相抵消,即機械系統(tǒng)的動能都轉(zhuǎn)化為再生能量回饋變頻器直流側(cè),則有:所以電機再生發(fā)電功率(W):2.3制動轉(zhuǎn)矩計算電動機要加速時,就要增大其運動能量;相反,要減速時,必須釋放其運動能量。其加速和減速所需要的轉(zhuǎn)矩表達為2.4變頻器參數(shù)設定與制動能力分析異步電動機轉(zhuǎn)速可以表示為其中f1為電動機定子頻率,s為轉(zhuǎn)差率,np為電機極對數(shù)。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中,s和np可以看作常數(shù)。將式(9)兩邊分別取導數(shù)由式(7)、(8)和(10

34、),整理得其中為實際生產(chǎn)工藝要求的減速時間,f為變頻器頻率輸出的變化量。式(11)(13)反映了電動機再生制動時發(fā)電功率、制動轉(zhuǎn)矩與變頻器基本參數(shù)相互之間的定量關系。由上述各式可得以下結(jié)論:1)電機制動時回饋能量的大小與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)速、機械阻力、電機繞組電感等因素有關;2)假定電感中所存儲的能量可與機械阻力能及各種損耗相抵消,則電機的發(fā)電功率大小由電機的轉(zhuǎn)動慣量GD、電機轉(zhuǎn)速n、減速時間決定;3)在t=0時刻,電機剛開始回饋時若轉(zhuǎn)速為n1,變頻器減速時間已設定的情況下,設df1/dt=-W(k>0)。則最大發(fā)電功率為式中n0為給定電源頻率下的同步轉(zhuǎn)速;負號表示能量由電機側(cè)流向變頻器

35、直流側(cè);4) 若變頻器的頻率變化及減速時間參數(shù)確定,可以求出確定的制動轉(zhuǎn)矩。當要求的減速時間越短電動機的發(fā)電功率越大,提供的制動轉(zhuǎn)矩也越大。同時電機再生制動時最大發(fā)電功率與制動轉(zhuǎn)矩的關系,可由式(13)得到:顯然,Pmax與制動轉(zhuǎn)矩T、電機轉(zhuǎn)速n1成正比;5)制動轉(zhuǎn)矩的大小與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量成正比,與減速時間成反比。2.5回饋能量計算設有源逆變停止時直流側(cè)電壓為U1,正常工作時為Ue,則回饋過程電網(wǎng)需吸收的能量為其中C為變頻器及有源逆變器中間環(huán)節(jié)電解電容的電容量。在能量回饋過程中由于直流側(cè)電壓的平均值Ua為一定值,故回饋功率的大小僅由回饋電流決定。設回饋電流時直流側(cè)的電流平均值為IL,電網(wǎng)相電壓

36、有效值為U2,則能量回饋平均功率P fa約為為保證電機的制動效果,電網(wǎng)回饋功率Pf應不小于電動機再生發(fā)電過程中可能出現(xiàn)的最大發(fā)電功率Pm ax,否則直流側(cè)電壓將持續(xù)升高;同時P fa還應不大于變頻調(diào)速系統(tǒng)的額定功率P e。由能量守恒定律可得P fa=Wf,即該式即為有源逆變時電網(wǎng)側(cè)回饋能量的表達式。由上式可以得到下述結(jié)論:1)對于一個確定的系統(tǒng)(轉(zhuǎn)動慣量一定),若電機轉(zhuǎn)速n、電網(wǎng)電壓U2和逆變停止電壓U1一定,則回饋電流IL與制動時間成反比;2)在電網(wǎng)電壓U2、直流側(cè)電壓U1和回饋電流IL不變的情況下,轉(zhuǎn)動慣量GD越大,則制動所需時間越長;轉(zhuǎn)動慣量GD越小,則所需制動時間越短。3.再生能量回饋

37、系統(tǒng)設計如前所述,再生能量及時高效的回饋電網(wǎng),使通用變頻器可四象限運行,并實現(xiàn)節(jié)能降耗。本文在對變頻調(diào)速系統(tǒng)電機再生制動分析理論指導下,設計了一種新型的通用變頻器能量回饋控制系統(tǒng),整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2。主電路主要由三相IPM逆變橋和相關外圍電路組成。逆變橋的輸出端通過三個扼流電抗器L1、L2、L3與變頻器輸入端子R、S、T相連,輸入端則通過兩個隔離二極管D1、D2接變頻器的直流側(cè)P、N端,以保障能量在變頻器有源逆變橋電網(wǎng)方向上的單向流動。C3、C4為濾波電解電容,R3、R 4為電容均壓電阻,R 5為電容充電限流電阻,J2為用于切除限流電阻的繼電器。霍爾電流傳感器H負責檢測回饋電流,為系統(tǒng)實現(xiàn)

38、回饋電流控制提供準確可靠的反饋信號。扼流電抗器L1、L2、L3的作用是平衡壓差、限流以及濾波。系統(tǒng)工作過程是:當電機電動運行時,逆變器開關管VT1VT6全被封鎖,處于關斷狀態(tài);當電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)時,能量由電機側(cè)回饋直流側(cè),導致直流母線電壓升高。當直流母線電壓超過電網(wǎng)線電壓峰值時,整流橋由于承受反壓而關斷;當直流母線電壓繼續(xù)升高并超過啟動逆變器工作電壓VDLH時,逆變器開始工作,將能量從直流側(cè)回饋電網(wǎng)。當直流母線電壓下降到關閉逆變器工作電壓VDLL時,關閉逆變器。一個完善的能量回饋控制系統(tǒng)應滿足相位、電壓、電流等三方面的控制條件3,這要求回饋過程必須與電網(wǎng)相位保持同步關系;只有直流母線電壓超過一定值時才啟動有源逆變裝置;系統(tǒng)應該能夠控制回饋電流的大小,從而可以控制電機的制動轉(zhuǎn)矩,實現(xiàn)精確制動?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2,主要包含同步電路、電壓檢測控制電路、電流檢測控制電路和故障檢測、保護電路等部分,整個系統(tǒng)由微處理器進行監(jiān)控?；仞侂娏鞯馁|(zhì)量是整個系統(tǒng)的關鍵和難點,本文設計的系統(tǒng)采用SP