改善火电厂热工自动控制：变频调速系统原理简析

随着新型电力电子器件的发展，交流变频调速技术正在崛起，它几乎和计算机控制一样成为现代交流传动调速技术领域的主要标志之一。这项新技术已在控制领域广泛推广。

变频调速在火电厂热工自动控制系统中的最初应用是从给粉机调速开始的。给粉机原使用转差电动机调速系统，由于转差电动机及给粉机所处环境恶劣，给粉机跑粉常使转差电动机与给粉机之间的间隙被煤粉塞满，造成硬连接，使转速不可控（或称调速非线性），电磁线圈在被煤粉堵塞时不能散热也容易被烧坏。故障发生后，自动控制失灵，手动操作也非常困难，只好减负荷，停止给粉机进行检修。由于转差离合器不易拆卸，工人劳动强度增大，检修时间加长，对锅炉的安全稳定燃烧非常不利。而且转差电动机不但不节能，还不能有效地控制给粉机低转速运行。这样，当锅炉低负荷运行时，由于不能再降低转速减少给粉量，所以很难保证自动的稳定投入与锅炉的安全和经济运行。

变频调速是一种直接调速的控制方式，它克服了以往转差电动机的缺点，是火电厂锅炉给粉机转速控制的新手段。

需要说明的是，书中所指的电动机为感应式交流电动机，在工业中所使用的大部分电动机均为此类型电动机。感应式交流电动机（以后简称为电动机）的旋转速度近似地取决于电动机的极数和频率。由电动机的工作原理决定电动机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，如极数为2、4、6），所以一般不适合通过改变该值来调整电动机的速度。

另外，频率能够在电动机的外面调节后再供给电动机，这样电动机的旋转速度就可以被自由地控制。因此，以控制频率为目的的变频器是作为电动机调速设备的优选设备。

1.交流异步电动机的调速原理

按照交流异步电动机的基本工作原理，从定子传入的电磁功率P_m可分为两部分：一部分P₂=（1-s）P_m是拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率P_s=sP_m，它与转差率s成正比。从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，显然是评价调速系统效率高低的一种标志。

交流电动机的调速原理，可以从交流电动机的供电频率f、电动机极对数p、转差率s和转速n之间的关系来分析。

n=n₀（1-s）=60f（1-s）/p （8-3-1）

s=0时为同步转速，n=n₀，由式（8-3-1）可知，电动机运行转速n由电源频率f、电动机极对数p和转差率s来决定，改变这3种参数均能进行调速。这里的n₀为同步转速。

改变极对数p是以控制旋转磁场的同步速度控制转子转速，转差率s不变，转差损耗少，方法简单，但调速为有级调速，应用场合有限。

转差电动机调速是采用改变转差率s的调速方法，在同步转速n₀不变的情况下改变转子电路的励磁电流。该方法无法利用电动机转差功率，功率因数比较低，全部转差功率都以转换成热能的形式而消耗掉，即以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载时），越向下调速，效率越低。

改变频率f的调速属于转差率不变，转差功率的消耗基本不变的调速。所以变频调速的功率因数和效率都较高，调速准确度也高，并且具有很硬的机械特性和较宽的调速范围，易实现闭环自动控制，是交流电动机调速中最节能的调速方法，它代表了当代交流传动调速的控制水平。

变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电动机出现过电压（过励磁），导致电动机可能被烧坏。输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电动机的额定电压。

例如，为了使电动机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V。

通常的电动机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速（T=T_e，P≤P_e）。变频器输出频率大于50Hz频率时，电动机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。

当电动机以大于50Hz频率速度运行时，电动机负载的大小必须要给予考虑，以防止电动机输出转矩的不足。

例如，电动机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速（P=U_e·I_e）。

对一个特定的电动机来说，其额定电压和额定电流是不变的，如变频器和电动机额定值都是15kW/380V/30A，电动机可以工作在50Hz以上。

当频率为50Hz时，变频器的输出电压为380V，电流为30A，这时如果增大输出频率到60Hz，变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A，很显然输出功率不变，所以称之为恒功率调速，这时的转矩情况怎样呢？

因为P=ωT（ω：角速度，T：转矩），因为P不变，ω增加了，所以转矩会相应减小。

还可以再换一个角度来看：电动机的定子电压U=E+I·R（I为电流，R为电子电阻，E为感应电动势）。

可以看出，U，I不变时，E也不变。

而E=k·f·X（k：常数，f：频率，X：磁通），所以当f由50Hz变到60Hz时，X会相应减小。

对于电动机来说，T=k·I·X（k：常数，I：电流，X：磁通），因此转矩T会跟着磁通X减小而减小。

同时，频率小于50Hz时，由于I·R很小，所以U/f=E/f不变时，磁通（X）为常数，转矩T和电流成正比。这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载（转矩）能力，并称为恒转矩调速（额定电流不变→最大转矩不变）。

因此可以得出结论：当变频器输出频率从50Hz以上增加时，电动机的输出转矩会减小。

2.变频调速系统构成

由三相异步电动机的转速公式可知：调节了三相交流电的频率，也就调节了同步转速，也就调节了异步电动机转子的转速。因此，用半导体电力电子器件构成的变频器，把50（或60）Hz的交流电变成频率可调的交流电，供给交流电动机，用以改变交流电动机的运转速度的技术，称为交流电动机的变频调速技术。

变频调速系统也称变频调速器或变频调速装置，它主要由变频器（或称主电路）和控制器（控制电路）两大部分组成，如图8-3-1所示。变频器接收三相电源（380V、50Hz），并将其变换为频率可调节的三相电源，即变频调速系统的基本原理是根据电动机转速与输入频率的关系特性式（图8-3-1）。通过改变供给电动机三相电源的频率值达到改变电动机转速的目的。

图8-3-1 变频调速系统结构图

a）变频器 b）控制器

常用的变频器有交—直—交电压型变频器、交—直—交电流型变频器、交—交变频器和脉宽调制（PWM）变频器。

交—交变频器是直接将电网的交流电变换为电压和频率都可调的交流电，电路构成简单，效率高，低速大容量时经济，最高频率一般只能达到电源频率的1/2～1/3，适用于低频大容量的调速系统。

交—直—交电流型变频器的特点是在逆变器的直流侧串联平波电抗器，使得直流电平直，形成电流源，可以方便地实现负载能量向电网回馈，可以快速、频繁地实现四象限运行，同时可以实现电流的闭环控制，提高了装置的可靠性。适用于单机快速调速系统。

交—直—交电压型变频器在直流侧并联大容量滤波电容以缓冲无功功率，直流电源阻抗小，形成电压源；能量回馈电网较难，只能能耗制动，适用于小容量和频率不高的调速系统。

整流器功能：将交流电变换成直流电的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波。

逆变器功能：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦。

PWM变频器的特点是调频和调压都由逆变器完成，二极管整流提供恒定的直流电压；变频功率因数高，调节速度快；输出电压和电流波形接近正弦波，改善了由矩形波引起的电动机发热、转矩降低等电动机运行性能，适用于单台或多台电动机并联运行，动态性能要求高的调速系统。

（1）变频器

变频器根据其变频的原理分为直接变频和间接变频。直接变频为交—交变频，间接变频为交—直—交变频。间接变频是指将交流经整流器后变为直流，然后再经逆变器调制为频率可调的交流电。

图8-3-2为通用交—直—交变频器基本电路，它由整流器、中间滤波环节（器）、逆变器三部分组成。

整流器，它是一个晶闸管三相桥式电路，其作用为将定压定频的交流电变换为可调直流电，然后作为逆变器的直流供电电源。逆变器也是三相桥式整流电路，但它的作用与整流器相反，它将直流电变换（调制）为可调频率的交流电，它是变频器的主要组成部分。

中间滤波器由电抗器或电容器组成，其作用是对整流后的电压或电流进行滤波。采用电容器进行滤波的称为电压型变频器，其特点为电源阻抗很小，类似于电压源，其输出的电压波形为一比较直的矩形波，而输出的电流波形是由矩形波电压与电动机正弦感应电动势之差形成的。采用直流电抗器进行滤波的称为电流型变频器，电流型变频器输出电流为矩形波，输出电压近似为正弦波。电流型变频器输出频率一般由逆变电路控制，供给交流电动机的交流功率则由可调电压的直流电源（即由整流器）输出控制。一般在改变输出频率时，输出电压也随之改变。

逆变器的作用与整流器相反，它将直流电变换（调制）为可调频率的交流电，它是变频器的主要组成部分。

逆变与整流相对应，将直流电（DC）变成交流电（AC），它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。在逆变器未出现以前，DC/AC变换是通过直流电动机—交流发电机来实现的，称为旋转变流器。随着电力电子技术的高速发展，大功率开关器件和集成控制电路的研发成功，利用半导体技术就可以完成DC/AC变换，这种变换装置称为静止变流器。通常所说的逆变器均指静止变流器。

图8-3-2 通用交—直—交变频器基本电路

1—整流部分 2—滤波部分 3—逆变部分 4—控制部分 5—负载

现在应用的逆变器一般都采用大功率晶体管模块构成，对于小容量系统可使用六单元晶体管模块，以简化系统。对于中等容量系统，则采用三个两单元晶体G管模块构成功率逆变器。图8-3-2所示的逆变器利用6个晶闸管形成开关交互通道，输出不同的电压与频率。若在一个周期360°内，使每个晶体管导通180°，且当同一桥臂上的奇数编号的器件导通时，偶数编号的器件必须关断，即任何一相的上下晶闸管禁止同时导电，且各相保持相差120°的电气角，线电压的波峰值是电容上的直流电压值。

1）单相逆变电路 单相逆变电路的工作原理如图8-3-3所示，逆变器通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率，通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序。

图8-3-3 单相逆变电路工作原理示意图

a）原理电路 b）等效电路

图8-3-3a中S₁与S₂、S₃与S₄由两对互补的信号控制，防止同一桥壁上的两个开关管直通，造成电源短路而烧毁功率器件。其等效电路如图8-3-3b所示，当负载为纯阻性负载时，负载u_o和i_o的波形与相位相同；当负载为感性负载时，i_o相位滞后于u_o，波形也不同。当S₁与S₄导通时，负载上得到的是上正下负的电压；当S₂与S₃导通时，负载上得到的是上负下正的电压。

2）三相逆变电路工作原理 三相逆变电路的工作原理如图8-3-4所示，三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。应用最广的是三相桥式逆变电路，它可看成由三个半桥逆变电路组成。

每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120°，任一瞬间有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。

图8-3-4 三相逆变电路工作原理

三相逆变电路存在以下缺点：

①输出电压的谐波分量太大；

②电动机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电动机；

③转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳。

这些缺点直到从通信技术中采用PWM调制才大大地得到缓解。(www.xing528.com)

变频器进行有源逆变的基本条件是：必须有可以把直流电逆变为频率可调的交流电的大功率电子器件，即必须有开关元件。这种开关元件必须耐高电压、大电流，并且开关频率高。

在变频器中所用的晶闸管或晶体管均作为开关元件使用，因此要求它们具有可靠的开通和关断能力。随着电力电子技术的迅猛发展，晶闸管和晶体管的制造容量越来越大，目前已成熟地制造出耐压4500V、通流2500A的门极关断（GTO）晶闸管和耐压1200V、通流600A的功率晶体管（GTR）以及耐压3200V、通流600A的绝缘栅双极型晶体管（IGBT），以及集成门极换流晶闸管（IGCT）、功率MOS场效应晶体管（P-MOSFET）、静电感应晶闸管（SITH）、MOS控制晶闸管（MCT）、智能电力模块等开关元件。采用GTO和GTR作为开关元件，采用斩波器调压、逆变器调频和脉宽调制（PWM）逆变器同时调频调压的变频，使输出波形谐波小，具有高功率因数和正弦波形，不仅高次谐波少，对电网污染小，而且使电动机的谐波损耗也相应减小，中小容量的通用变频器几乎全部采用PWM方式（PWM逆变器），已逐步成为交流变频调速的主要发展方向。

（2）控制器

如图8-3-1所示，控制器是变频调速系统的核心，它产生脉宽调制（PWM）波形，驱动主电路中的功率开关管，输出正弦三相交流电，使电动机以规定转速运行。控制器输出脉冲的宽度是按正弦规律变化的，即各个矩形脉冲波下的面积接近于正弦波下的面积，如图8-3-5所示。这样逆变器的输出电压就接近于正弦波。

由傅里叶氏变换可知，矩形波电压含有较大的谐波成分。用矩形电压波供电的电动机，其效率将下降5%～7%。功率因数下降8%左右，而电流却增大10%左右。如果在逆变器的输出端采用滤波器来消除低次谐波分量，不仅非常不经济，而且增大逆变器的输出阻抗，使逆变器的输出特性变坏。因此实际使用中较少使用方波输出的逆变器，而广泛使用脉宽调制（正弦波输出）的逆变器。

图8-3-5 控制器输出的脉宽调制波形

脉宽调制逆变器利用逆变器具有的开关元件，由控制电路按一定的规律控制开关元件的通断，从而在逆变器的输出端获得一系列等幅不等宽的矩形脉冲电压U_m波形，来近似等效于正弦电压波。如图8-3-6所示正弦波的正半周，并将其分为N等分（图中N=12）。每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等幅矩形脉冲所代替。这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形与正弦波的正半周等效。正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。

从理论上，可以严格地计算出各段矩形脉冲的宽度，作为控制逆变器开关元件导通的依据。这可以由数字电路来实现。在实施方案中，可采用正弦波与三角波相交的方案来确定各分段矩形脉冲的宽度。

三角波是上下宽度线性变化的波形，任何一个平滑的曲线与三角波相交时，都会得到一组等幅的、脉冲宽度正比于该函数值的矩形脉冲。当用正弦波和三角波相交（U_r-U_c）时，如图8-3-7a所示，便可得到幅值为U_m，而宽度按正弦规律变化的矩形脉冲，如图8-3-7b所示。

图8-3-6 与正弦波等效的矩形脉冲列

图8-3-7 脉宽调制方法与输出电压波形

脉宽调制PWM是这样实现的，在开关元件的控制端加上三角载波U_c和正弦调制波U_r两种信号，电路框图如图8-3-8所示。

当正弦调制波U_r的值在某点上大于三角载波U_c的值时，开关元件导通，输出矩形脉冲，反之，开关元件截止。改变正弦调制波U_r的幅值（注意不能超过三角载波U_c的幅值），可以改变输出电压脉冲的宽窄，从而改变输出电压在相应时间间隔内的平均值的大小；改变正弦调制波U_r的频率，可以改变输出电压的频率。

图8-3-8 PWM变频器的控制电路框图

如果用这一组矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号，则在逆变器输出端可以获得一组类似的矩形脉冲，其幅值为逆变器的直流侧电压U_d，而宽度按正弦规律变化。这一组矩形脉冲可用正弦波来等效，如图8-3-7b中虚线所示。对于正弦波的负半波，必须用相应的负值三角波进行调制。

当逆变器输出端需要升高电压时，只要增大正弦波相对三角波的幅值，这时逆变器输出的矩形脉冲幅值不变而宽度相应增大，达到了调压的要求。当逆变器的输出端要求变频时，只要改变正弦波的频率就可以了。

变频控制器输出PWM波形的频率由控制器或DCS来的控制信号（0～10V或4～20mA）设定，工作频率范围通常为2～120Hz，准确度为0.5%，电压/频率曲线（相应于电动机负载特性）及频率变化斜率均可随意设定，以满足各种电气传动装置的需要。控制器还具有过载保护功能，当检测到过电压、过电流、短路等故障信号时，即能自动切断变频电源，从而保护主电路功率开关管和电动机免受损坏。

变频控制器的主控部件主要采用微处理器完成运算、控制、指令及正弦波PWM波的生成。目前主要采用8位机MCS-51和22位机MCS-96。近年来又发展为32位的数字信号处理机（DSP）和精简指令系统计算机（RISC），DSP与CPU最大不同之处是处理指令的能力，CPU是分时地进行数据处理，而DSP却能并行地进行数据处理，加快了计算速度，由它来完成运算、控制、指令及正弦波PWM波的生成。

上述通过决定开关器件（晶闸管）动作顺序和时间分配规律的控制方法称为脉宽调制（PWM）方法。用这种方法通过改变矩形脉冲的宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制矩形脉冲波形的频率（或周期）可以控制交流基波电压的频率，这样，能满足变频调速对电压与频率协调控制的要求。

（3）PWM型变频器的两种基本控制方式

通用的PWM型变频器是一种交—直—交变频，通过整流器将工频交流电整流成直流电，经过中间环节再由逆变器将直流电逆变成频率可调的交流电，供给交流负载。异步电动机调速时，供电电源不但频率可变，而且电压大小也必须能随频率变化，即保持压频比基本恒定。

PWM型变频器一般采用电压型逆变器。根据供给逆变器的直流电压是可变的还是恒定的，变频器可分成两种基本控制方式。

1）变幅PWM型变频器 这是一种对变频器输出电压和频率分别进行调节的控制方式，其基本电路如图8-3-9所示。中间环节是滤波电容器。

晶闸管整流器用来调压，与一般晶闸管调压系统一样，采用相位控制，通过改变触发脉冲的触发延迟角α来获得与逆变器输出频率相对应的不同大小的直流电压。逆变器只作输出频率控制，它一般是由6个开关器件组成，按脉冲调制方式进行控制。

图8-3-9 变幅PWM型变频器

图8-3-10是另一种直流电压可调的PWM变频电路。它采用二极管不可控整流桥，把三相交流电变换为恒定的直流电。分立斩波器电路，来改变输出直流电压的大小，通过逆变器输出三相交流电。

图8-3-10 利用斩波器的变频电路图

以上两种调压式变频电路，都需要两极可控功率级，相比较，采用晶闸管整流桥可以获得更大功率的直流电，由于可控整流桥采用相位控制，输入功率因数将随输出直流电压的减小而降低；而斩波式调压，输入功率变流级采用的是二级管整流桥，所以输入端有很高的功率因数，代价是多了一个斩波器。另外，就动态响应的快速性来说后者比前者好。

2）恒幅PWM型变频器 恒幅脉宽调制PWM式变频电路如图8-3-11所示，它由二极管整流桥、滤波电容和逆变器组成。逆变器的输入为恒定不变的直流电压，通过调节逆变器的脉冲宽度和输出交流电压的频率，既实现调压又实现调频，变频变压都是由逆变器承担。此系统是目前使用较普遍的一种变频系统，其主电路简单，只要配上简单的控制电路即可。它具有下列主要优点：

图8-3-11 恒幅PWM型变频器

①简化了主电路和控制电路的结构。由二极管整流器对逆变器提供恒定的直流电压。在PWM逆变器内，在变频的同时控制其输出电压。系统只有一个控制功率级，从而使装置的体积小，重量轻，造价低，可靠性好。

②由二极管整流器代替晶闸管整流器，提高了装置的功率因数。

③改善系统的动态性能。PWM型逆变器的输出功率和电压，都在逆变器内控制和调节。因此，调节速度快，调节过程中频率和电压配合好，系统动态性能好。

④对负载有较好的供电波形。PWM型逆变器的输出电压和电流波形接近正弦波，从而解决了由于以矩形波供电引起的电动机发热和转矩降低问题，改善了电动机运行性能。

PWM型逆变器存在如下缺点：

①在调制频率和输出频率之比固定的情况下，特别是在低频时，高次谐波影响较大，因而电动机的转矩脉动和噪声都较大。

②在调制频率和输出频率之比作有级变化的情况下，往往使控制电路比较复杂。

③器件的工作频率与调制频率有关。有些器件的开关损耗和换相电路损耗较大，而且需要采用导通和关断时间短的高速开关器件。

图8-3-12 单相逆变器（0为直流电源的理论中心点）

（4）PWM型逆变器的基本工作原理 图8-3-12为单相逆变器的主电路，其波形如图8-3-13所示。PWM控制方式是通过改变电力晶体管VT₁、VT₄和VT₂、VT₃交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率；改变每半周期内VT₁、VT₄或VT₂、VT₃开关器件的通、断时间比，即通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小。

图8-3-13 电路的等效输出波形

a）180°通电型输出方波电压波形 b）脉宽调制型逆变器输出波形

如果使相应开关器件在半个周期内反复通、断多次，并使每个输出矩形脉冲电压下的面积接近于对应正弦波电压下面积，则逆变器输出电压就将很接近于基波电压，高次谐波电压将大为削减。若采用快速开关器件，使逆变器输出脉冲数增多，即使输出低频时，输出波形也是比较好的。所以PWM型逆变器特别适用于异步电动机变频调速的供电电源，实现平滑起动、停车和高效率宽范围调速。

（5）SPWM型变频器的控制方式

1）控制原理 调制信号为正弦波的脉宽调制叫做正弦波脉宽调制（SPWM），产生的脉宽调制波是等幅而不等宽的脉冲列，脉宽调制的方法很多，从脉宽调制的极性上看，有单极性和双极性之分；从载波和调制波的频率之间的关系来看，又有同步调制、异步调制和分段同步调制。图8-3-14为SPWM逆变器的主电路。

图8-3-14 SPWM逆变器的主电路

图8-3-15为双极性脉宽调制波形，图中三角波u_C为载波，正弦波u_M为调制波，当载波与调制波曲线相交时，在交点的时刻产生控制信号，用来控制功率开关器件的通断，就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲u_d。

SPWM逆变器输出基波电压的大小和频率均由调制电压来控制。当改变调制电压的幅值时，脉宽随之改变，即可改变输出电压的大小；当改变调制电压的频率时，输出电压频率随之改变。但正弦调制波最大幅值必须小于三角波的幅值，否则输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。

图8-3-15 双极性脉宽调制波形

2）SPWM信号的产生 产生SPWM调制信号主要有以下三种方法：

①采用分立元件的模拟电路法，缺点是准确度低、稳定性差、实现过程复杂以及调节不方便等，该方法目前基本不用。

②采用专用集成电路芯片产生SPWM信号，如常用的HE4752芯片等这些芯片的应用使变流器的控制系统得以简化，但由于这些芯片本身的功能存在不足之处，致使它们的应用受到限制。

③单片机数字编程法，其中高档单片机将SPWM信号发生器集成在单片机内，使单片机和SPWM信号发生器融为一体，从而较好地解决了波形准确度低、稳定性差、电路复杂、不易控制等问题，并且可以产生多种SPWM波形，实现各种控制算法和波形优化。例如In-tel公司的16位8XC196MC就是一种具有高性能的特别适用于PWM控制技术应用的单片机。