电动车变频调速技术实现

1.变频器的组成

由交流异步电机的转速表达式n=60f1（1-s）/P可知，如果均匀地改变定子供电频率f，则可平滑地改变异步电机的同步转速n0这样就可以对电机进行调速。变频调速具有调速范围很大、调速无级平滑、负载性质能根据需要加以控制及节省能量等优点。

但是，由于变频调速所用的电源较为复杂，特别是原先采用的G—M系统（可以无级调速的直流发电机—电动机系统）体积庞大、效率低、成本高而未能实际应用。目前，由电力电子器件所组成的变频装置技术已经成熟，性能亦已完善，成本得以降低，因此由变频器控制的变频调速系统获得日益广泛的应用，这种调速方式在国外先进的电动车辆上已有应用。

图5-18所示为交流电机变频调速的主电路和调速特性。对异步电机而言，当电源频率厂变化时，如果电源电压U不变，将会引起磁通量φ变化。当f小于额定值时，φ就会大于额定值。由于电机在设计制造时φ的额定值已在磁化曲线的饱和段附近，所以φ增大就会引起大的励磁电流。为使φ保持恒定，必须在频率f变化的同时改变电源电压U，即满足U/f=E/f=常数如图5-18所示。

图5-18　变频调速的主电路原理和调速特性

变频器分为两类。一类为交—交变频器（又称直接变频器），它把固定频率和电压的交流电源直接转换成电压可调的交流电源。交—交变频器输出的交流电源的最高频率不会超过电网频率的1/20～1/3，此装置所用的元件数量很多，其优点是使电机以低速直接拖动生产机械，可省去庞大的齿轮减速器。另一类为交—直—交变频器（又称间接变频器）。它先把交流电源整流成直流，再由逆变器转换成频率和电压可调的交流电源。这种变频器实际上是由整流电路、滤波电路和逆变电路三部分组成，如图5-19所示。随着电力电子器件技术的发展，新型的电力器件如功率晶体管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管等正逐步取代晶闸管。图5-19所示为功率晶体管控制的交流脉宽调制（SPWM）的变频器电路。

图5-19　通用型变频器的电路

因为逆变器由交流异步电机的定子绕组作为负载存在无功功率储存的问题，所以在交—直—交变频系统中必须设置储能元件。根据无功能量处理方式的不同，变频器可分为电压源型（VSI）和电流源型（CSI）两种。电压源型变频器是在直流一侧并联大电容，使直流回路呈低阻抗，强制输出交流电压呈矩形波；电流源型变频器在直流一侧串联有大电感缓冲无功能量，使直流回路呈高阻抗，强制输出交流电流呈矩形波。

电动车辆中的蓄电池为直流电源，当电动车辆采用交流电机驱动并采用变频器调速控制时，不需要整流和滤波环节，只需要逆变器和相应的控制环节即可。(www.xing528.com)

2.变频器的基本原理

在逆变器中采用大功率电子器件（如GTR、IGBT）做主元件主回路的电路，如图5-20（a）所示；由微机CPU控制的基极驱动回路产生基极驱动信号，如图5-20b所示；使主元件顺序轮流导通，在A、B、C（输出）端得到矩形波构成的近似正弦波，如图5-20c、d所示，加到电动机的三相绕组上，其电流为三相近似正弦的交流波。输出的交流电频率取决于主元件基极驱动信号（矩形脉冲波）的频率。主电路中的二极管VD1～VD6构成制动再生能量的反馈回路。

图5-20　变频器的基本工作原理

变频器输出电压和频率的控制一般采用脉冲宽度调制（PWM）的逆变方式。通过改变可调电机的转速，频率改变时电机的内部阻抗也会变化。这样，单独改变频率将会造成弱励磁引起的转矩不足和过励磁引起的磁饱和等现象，致使电机的功率因数、效率下降。因此，在改变变频器输出频率的同时应控制其输出电压，以保持磁通不变，即进行U/f控制。变频器的Uf特性可在变频器中预先设定，如图5-21所示。

由变频器供电的异步电机的机械特性如图5-22a所示。它由许多不同电压和不同频率的异步电机的特性构成。

进行U/f控制的电机特性如图5-22b所示。当f为常数时，机械特性较“硬”，与并励直流电机的特性相同，有利于车辆加速；当U为常数时，机械特性较“软”与串励直流电机的特性相同，适合于车辆中高速时负载。

图5-21　变频器的U—f特性

图5-22　变频器供电时异步电机的特性