8.1 间接交流变流电路

市电 S 油机 1 2
整流器
逆变器 负载 蓄 电 池
图 8-11
用 柴 油 发 电 机 作 为 后 备 电 源 的 UPS
旁路电源 市电 S1 油机 1 2 蓄 电 池
图 8 - 12 具 有 旁 路 电 源 系 统 的 UP S
整流器
逆变器
负载 3 4 S2 转换开关 CVCF电源
U PS 主 电 路 结 构
1． 恒 压 频 比 控 制
为避免电动机因频率变化导致磁饱和而造成励磁电流增大，引起功率因数和效率的降低， 需对变频器的电压和频率的比率进行控制，使该比率保持恒定，即恒压频比控制，以维持气 隙磁通为额定值。 恒 压 频 比 控 制 是 比 较 简 单 ，被 广 泛 采 用 的 控 制 方 式 。该 方 式 被 用 于 转 速 开 环 的 交 流 调 速 系 统，适用于生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场合。
转差频率控制方式可达到较好的静态性能，但这种方法是基于稳态模型的，得不到理想的 动态性能。
3． 矢 量 控 制
异步电动机的数学模型是高阶、非线性、强耦合的多变量系统。传统设计方法无法达到理 想的动态性能。 矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的动态模型，将定子电流分解为励磁分量和 与此垂直的转矩分量， 参照直流调速系统的控制方法， 分别独立地对两个电流分量进行控制，
8.1
间接交流变流电路
间接交流变流电路主要按电压型、电流型进行分类。 间 接 交 流 变 流 电 路 ， 其 逆 变 部 分 多 采 用 P WM 控 制 。
8.1.1
8.1.1
间接交流变流电路原理
1． 电 压 型 间 接 交 流 变 流 电 路
电 压 型 间 接 交 流 变 流 电 路 在 负 载 能 量 反 馈 到 中 间 直 流 电 路 时 ，将 导 致 电 容 电 压 升 高 ，称 为 泵升电压，如果能量无法反馈回交流电源，泵升电压会危及整个电路的安全。
Id AC 电源 AC 负载
Ud
UL
再生反馈 输送功率 功率流向
图 8-6 采用可控整流的电流型间接交流变流电路
整 流 和 逆 变 均 为 PWM 控 制 的 电 流 型 间 接 交 流 变 流 电 路 通 过 对 整 流 电 路 的 PWM 控 制 使 输 入 电 流 为 正 弦 波 ， 并 使 输 入 功 率 因 数 为 1。
2． 转 差 频 率 控 制
在稳态情况下，当稳态气隙磁通恒定时，异步电机电磁转矩近似与转差角频率成正比。因 此 ， 控 制 s 就 相 当 于 控 制 转 矩 。 采 用 转 速 闭 环 的 转 差 频 率 控 制 ， 使 定 子 频 率 1 = r + s ， 则
1 随 实 际 转 速 r 增 加 或 减 小 ， 得 到 平 滑 而 稳 定 的 调 速 ， 保 证 了 较 高 的 调 速 范 围 。
AC （电源）
AC （负载）
图 8-1
不能再生反馈的电压型间接交流变流电路
为使电路具备再生反馈电力的能力，可采用： 带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路 当 泵 升 电 压 超 过 一 定 数 值 时 ， 使 V0 导 通 ， 把 从 负 载 反 馈 的 能 量 消 耗 在 R0 上 。 利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路 当负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，将电能反馈回电网。 整 流 和 逆 变 均 为 PWM 控 制 的 电 压 型 间 接 交 流 变 流 电 路 整 流 和 逆 变 电 路 的 构 成 完 全 相 同 ， 均 采 用 PWM 控 制 ， 能 量 可 双 向 流 动 。 输入输出电流均为正弦波，输入功率因数高，且可实现电动机四象限运行。
M
u、f 指令 u*co
转速给定
ug t
uab s
电压及频率控制 电机动正、反 转
PWM 生成
驱动
给定积分 器
绝对值变换器
图 8-9
采用恒压频比控制的变频调速系统框图
在给定信号之后设置的给定积分器，将阶跃给定信号转换为按设定斜率逐渐变化的斜
坡 信 号 ugt， 从 而 使 电 动 机 的 电 压 和 转 速 都 平 缓 地 升 高 或 降 低 ， 避 免 产 生 冲 击 。 给定积分器输出的极性代表电机转向，幅值代表输出电压、频率。绝对值变换器输出 ugt 的 绝 对 值 uabs， 电 压 频 率 控 制 环 节 根 据 uabs 及 ugt 的 极 性 得 出 电 压 及 频 率 的 指 令 信 号 ， 经 P W M 生 成 环 节 形 成 控 制 逆 变 器 的 P W M 信 号 ， 再 经 驱 动 电 路 控 制 变 频 器 中 IG B T 的 通 断 ， 使变频器输出所需频率、相序和大小的交流电压，从而控制交流电机的转速和转向。
类似直流调速系统中的双闭环控制方式。 控制系统较为复杂，但可获得与直流电机调速相当的控制性能。
4． 直 接 转 矩 控 制
直接转矩控制方法同样是基于动态模型的，其控制闭环中的内环，直接采用了转矩反馈，并采 用砰—砰控制，可以得到转矩的快速动态响应。并且控制相对要简单许多。
8.1.3
恒 压 恒 频 （ CVCF ） 电 源
AC 电源
V0 R0
AC 负载
图 8-2
带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路
AC 电源
AC 负载
图 8-3
利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路
AC 电源
AC 负载
图 8-4
整 流 和 逆 变 均 为 PWM 控 制 的 电 压 型 间 接 交 流 变 流 电 路
2． 电 流 型 间 接 交 流 变 流 电 路
整流
Ld
VT1
逆变
VT3 VT5
M 3 C
VT4 VT6 VT2
图 8-7
电 流 型 交 —直 —交 PWM 变 频 电 路
a 电源 b c
U V 负载 W
图 8-8
整 流 和 逆 变 均 为 PWM 控 制 的 电 流 型 间 接 交 流 变 流 电 路
8.1.2
交直交变频器
晶 闸 管 直 流 电 动 机 传 动 系 统 存 在 一 些 固 有 的 缺 点 ： (1 ) 受 使 用 环 境 条 件 制 约 ； (2 ) 需 要 定 期 维 护 ； (3 ) 最 高 速 度 和 容 量 受 限 制 等 。 交 流 调 速 传 动 系 统 除 了 克 服 直 流 调 速 传 动 系 统 的 缺 点 外 还 具 有 ：(1 ) 交 流 电 动 机 结 构 简 单 ， 可 靠 性 高 ； (2 ) 节 能 ； (3 ) 高 精 度 ， 快 速 响 应 等 优 点 。 采 用 变 频 调速 方 式 时 ，无 论电 机 转 速高 低 ，转 差 功 率的 消 耗基 本 不 变 ，系 统效 率 是 各种 交 流调速方式中最高的，具有显著的节能效果，是交流调速传动应用最多的一种方式。 笼 型 异 步 电 动 机 的 定 子 频 率 控 制 方 式 ，有 ：(1 ) 恒 压 频 比（ U/ f ）控 制 ；(2 ) 转 差 频 率 控 制 ； ( 3 ) 矢 量 控 制 ； (4 ) 直 接 转 矩 控 制 等 。
整流器 市电
斩波器 DCL
直流 滤波器 逆变器
交流 交流 滤波器 开关 负载
蓄电池
图 8 - 13 小 容 量 UPS 主 电 路
蓄电池 晶闸管开关 整流器 市电
GTO 逆变器
逆变器用 变压器 晶闸管开关 交流 负载 滤波器 晶闸管开关
Байду номын сангаас
旁路电源
图 8 - 14 大 功 率 UPS 主 电 路
市 电 正 常 时 ， 由 市 电 供 电 ， 市 电 经 整 流 器 整 流 为 直 流 ， 再 逆 变 为 50Hz 恒 频 恒 压 的 交 流 电向负载供电。同时，整流器输出给蓄电池充电，保证蓄电池的电量充足。 此时负载可得到的高质量的交流电压，具有稳压、稳频性能，也称为稳压稳频电源。 市 电 异 常 乃 至 停 电 时 ，蓄 电 池 的 直 流 电 经 逆 变 器 变 换 为 恒 频 恒 压 交 流 电 继 续 向 负 载 供 电 ， 供电时间取决于蓄电池容量的大小。 为了保证长时间不间断供电，可采用柴油发电机（简称油机）作为后备电源。 增加旁路电源系统，可使负载供电可靠性进一步提高。
C VCF 电 源 主 要 用 作 不 间 断 电 源 （ U P S ） 。 UPS 广 泛 应 用 于 各 种 对 交 流 供 电 可 靠 性 和 供 电 质 量要求高的场合。
整流器 市电 蓄 电 池
逆变器 负载
图 8 - 10 UPS 基 本 工 作 原 理 是 ，
UPS 基 本 结 构 原 理 图
小 容 量 的 UPS， 整 流 部 分 使 用 二 极 管 整 流 器 和 直 流 斩 波 器 （ PFC） ，可获得较高的输入 功 率 因 数 ， 逆 变 器 部 分 使 用 IGB T 并 P W M 控 制 ， 可 获 得 良 好 的 控 制 性 能 。 大 容 量 U P S 主 电 路 。采 用 PW M 控 制 的 逆 变 器 开 关 频 率 较 低 ，通 过 多 重 化 联 结 降 低 输 出 电压中的谐波分量。
整流电路为不可控的二极管整流时，电路不能将负载侧的能量反馈到电源侧。 为使电路具备再生反馈电力的能力，可采用：
整流电路采用晶闸管可控整流电路。 负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，使中间直流电压反极性。
AC 电源
AC 负载
图 8-5
不能再生反馈电力的电流型间接交流变流电路
工作原理：