变频驱动异步电机再生制动及馈电技术.docx

变频驱动异步电机再生制动及馈电技术目录第一章牵引电机的调速方法 21、 变极调速： 22、 变转差率调速： 23、 牵引电机的变频调速 33.1变频器与逆变器、斩波器 33.2变频器分类 4第二章牵引电机的特性调节 81. 基频调速： 81.1基频以下调速 81.2基频以上调速 112. V/F控制与V/F曲线 11第三章变频驱动异步电机再生制动及能量反馈 141. 当电机工作于再生发电状态时 142. 再生能量回馈状态下的理论计算 153. 再生能量回馈系统设计 184. 实验结果 205. 结论 21参考文献： 22摘要针对通用变频器不能直接用于快速启动、制动和频繁正反转调速场合问题， 探讨了变频调速系统中的再生能量产生机理，尤其是对再生能量回馈状态下 惯性体的运动能量，有源逆变回馈能量、制动转矩进行了定量分析，揭示了 各物理量之间的关系，设计了一种通用变频器能量回馈控制系统实验表明， 该系统馈送电流谐波小，功率因数高，能够有效地实现能量回收和精确制动； 该系统使得变频器可以实现四象限运行，节能效果明显关键词异步电动机;结构原理;调速方法;能量回馈;再生制动;并网技术1引言变频调速技术涉及电子、电工、信息与控制等多个学科领域。

采用变频调速 技术是节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量的重要途径，已在应用中 取得了良好的效果和显著的经济效益但是,人们往往忽视了进一步挖掘变频调 速系统节能潜力和提高效率的问题事实上，除了通过变频调速技术及其优化控 制技术实现“按需供能”，即在满足生产机械速度、转矩和动态响应要求的前提 下,尽量减少变频装置的输入能量外，将由生产机械中储存的动能或势能转换而 来的电能及时地、高效地“回收”到电网，也是不可忽略的一个途径在工业生 产中，有许多工艺要求拖动系统能快速起动、制动和频繁正反转，如高速电梯、矿 用提升机、大型龙门刨床、水泥破碎机等此类系统要求电机四象限运行，当电 机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态，如果处理不 当，将在直流侧出现过高的泵升电压，限制了通用变频器的应用范围［1-2］比较 理想的方式是通过有源逆变装置将再生能量回馈到交流电网，在能源资源日趋紧 张的今天，这项研究具有十分重要的现实意义本文在分析变频调速系统中的再 生能量产生机理，揭示再生制动下各物理量之间的关系的基础上，设计了一种新 型能量回馈控制系统第一章牵引电机的调速方法指当负载不变时，利用人工的方法改变转子的转速。

它与电动机自动适应负 载变化而改变转速不同1、 变极调速：就是改变电动机定子绕子的极对数p来调速从式3-1可见，如果电源频率 匕固定不变，只要改变定子绕组的极对数p，则同步转速和转子转速n也会随着 改变而且，电机的同步转速气与级数对p成反比变化，例如当f =50HZ时，把 极对数从p=1变到p=2，得到的同步转速将为n1=3000r/min两种变极调速的异步电动机一般采用鼠笼式转子，因为鼠笼式转子的极对数能自 动地随着定子极对数的改变而改变，转子磁场的极对数总是相等而产生平均电磁 转矩变极调速的常用方法是在定子上只装一套绕组，而利用改变绕组接法来获得 两种或多种极对数，称为绕组变极变极调速的优点是:设备简单，运行可靠变极调速的缺点是：不平滑调速，而是一级一级的分段调速2、 变转差率调速：就是改变电动机的转差率s来调速的当恒转矩负载调速时，从电磁转矩关 系式4-2可见，改变转差率s有下面几种方法：电磁转矩计算公式3-2：P——极对数U 1 ——电动机相电压 f ——定子频率 ,41 ——定子绕组的电阻和电抗 9%一一转子绕组的折算电阻和电抗由式3-2可知：(1) 在转子回路中串入电阻，电感，电容，以及改变9%。

转子变电阻调速)（2） 改变定子绕组端电压定子调压调速）（3） 在定子回路串入外加电阻或电抗，以改变个Xai串极调速）（4）（电磁转差离合器调速）异步电动机电磁转差离合器调速系统以恒定转速运转的异步电动机为原动 机，通过改变电磁转差离合器的励磁电流进行速度调节这一方法的缺点是：转子回路中接入附加电阻后，将使转子铜耗增加，降低电动 机效率但由于此法比较简单，在中小容量的电动机中用得比较多3、牵引电机的变频调速由前面的分析可以知道，对异步电动机而言，用变级调速少，且不能平滑调 速；用转子回路串联电阻改变转差率s调速则损耗较大在后面我们着重阐述引 电机的变频调速优点，方法及原理交流变频调速系统一般由三相交流异步电动机、变频器及控制器组成，它与 直流调速系统相比具有以下显著优点：（1）异步电动机比直流电 动机结构简单，重量轻，价格低，它 T = 3 pu 12一/ S 没有结构简单，重量轻，价格低，匕 2兀f ［（ r + r' / s ）2 + （x + x' ）2］没有1 1 2 1换向器，运行可靠；（2） 控制电路比直流调速系统简单，易于维护；（3） 变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质 好，而且节能显著，是目前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技 术，因而在国际上获得了广泛的应用。

3.1变频器与逆变器、斩波器变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统变频器是 把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异步电动机变频调速的控制装置逆变器是将固定直流电压变换成固定的或可 调的交流电压的装置（DC-AC变换）将固定直流电压变换成可调的直流电压 的装置称为斩波器（DC-DC变换）变压变频调速（VVVF）在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量 为额定值，并保持不变如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输 出转矩，由 TM=KTM gCOS中式3-3式3-3中TM：电磁转矩，M：主磁通，I2 :转子电流，COS中：转子回路功率 因素，KT ：比例系数）电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小由于电机设计时，电机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电 机铁心出现饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁 损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机因此，在改变电机频率时，应对电机的电压进行协调控制，以维持电机磁通 的恒定为此，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压（Variable Voltage， 简称VV）变频（Variable Frequency，简称VF）器，即VVVF。

所以，通常也把 这种变频器叫作VVVF装置或VVVF根据异步电动机的控制方式不同，变压变频调速可分为恒定压频比（V/F）控制 变频调速、矢量控制（FOC）变频调速、直接转矩控制变频调速等3.2变频器分类⑴从变频器主电路的结构形式上可分为交一直一交变频器和交一交变频器交一直一交变频器首先通过整流电路将电网的交流电整流成直流电，再由逆变电 路将直流电逆变为频率和幅值均可变的交流电交一直一交变频器主电路结构如 下图ACDCAC整流逆变恒压恒频中间直流环节变压变频交一交变频器把一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电，中间不 经过直流环节，又称为周波变换器它的基本结构如下图所示常用的交一交变频器输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的 可逆线路正、反向两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压 U0输出电压U0的幅值决定于各组整流装置的控制角，输出电压U0的频率决定 于两组整流装置的切换频率如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，要 的到正弦波输出，就在每一组整流器导通期间不断改变其控制角对于三相负载， 交一交变频器其他两相也各用一套反并联的可逆线路，输出平均电压相位依次相 差。

交一交变频器由其控制方式决定了它的最高输出频率只能达到电源频率的75%〜80%，不能高速运行，这是它的主要缺点但由于没有中间环节，不需换流， 提高了变频效率，并能实现四象限运行，因而多用于低速大功率系统中，如回转 窑、轧钢机等⑵从变频电源的性质上看，可分为电压型变频器和电流型变频器对交一直一交变频器，电压型变频器与电流型变频器的主要区别在于中间直 流环节采用什么样的滤波器电压型变频器的主电路典型形式如下在电路中中间直流环节采用大电容滤 波，直流电压波形比较平直，使施加于负载上的电压值基本上不受负载的影响， 而基本保持恒定，类似于电压源，因而称之为电压型变频器电压型变频器逆变输出的交流电压为矩形波或阶梯波，而电流的波形经过电 动机负载滤波后接近于正弦波，但有较大的谐波分量由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以主要优点是 运行几乎不受负载的功率因素或换流的影响；缺点是当负载出现短路或在变频器 运行状态下投入负载，都易出现过电流，必须在极短的时间内施加保护措施电流型变频器与电压型变频器在主电路结构上基本相似，所不同的是电流型 变频器的中间直流环节采用大电感滤波，见下图，直流电流波形比较平直，使施 加于负载上的电流值稳定不变，基本不受负载的影响，其特性类似于电流源，所 以称之为电流型变频器。

AC整流DC逆变AC1】Ld中间直流环节电流型变频器逆变输出的交流电流为矩形波或阶梯波，当负载为异步电动机 时，电压波形接近于正弦波电流型变频器的整流部分一般采用相控整流，或直流斩波，通过改变直流电 压来控制直流电流，构成可调的直流电源，达到控制输出的目的电流型变频器由于电流的可控性较好，可以限制因逆变装置换流失败或负载 短路等引起的过电流，保护的可靠性较高，所以多用于要求频繁加减速或四象限 运行的场合一般的交一交变频器虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压 源的性质，也属于电压型变频器也有的交一交变频器用电抗器将输出电流强制 变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，属于电流型变频器⑶交一直一交变频器根据VVVF调制技术不同，分为PAM和PWM两种PAM是把VV和VF分开完成的，称为脉冲幅值调制(Pulse Amplitude Modulation)方式，简称PAM方式PAM调制方式又有两种：一种是调压采用可控整流，即把交流电整流为直 流电的同时进行相控整流调压，调频采用三相六拍逆变器，这种方式结构简单， 控制方便，但由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得较低时，电网端功率因素较低，而输出环节采用晶闸管组成的三相六拍逆变器，每周换相六次， 输出的谐波较大。

其基本结构见图a；另一种是采用不控整流、斩波调压，即整 流环节采用二极管不控整流，只整流不调压，再单独设置PWM斩波器，用脉宽 调压，调频仍采用三相六拍逆变器，这种方式虽然多了一个环节，但调压时输入 功率因素不变，克服了上面那种方式中输入功率因数低的缺点而其输出逆变环 节未变，仍有谐波较大的问题其基本结构见图bPWM是将VV与VF集中于逆变器一起来完成的，称为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)方式，简称 PWM 方式PWM调制方式采用不控整流，则输入功率因素不变，用PWM逆变同时进行调 压和调频，则输出谐波可以减少其基本结构见图c调频调压AC可控整流DC三相六拍逆变AC . 调压调频图a图c在VVVF调制技术发展的早期均采用PAM方式，这是由于当时的半导体器件是普 通晶闸管等半控型器件，其开关频率不高，所。