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1、1本章主要内容本章主要内容变压变频调速的基本控制方式变压变频调速的基本控制方式异步电动机电压频率协调控制异步电动机电压频率协调控制时的机械特性时的机械特性电力电子变压变频器的主要类型电力电子变压变频器的主要类型变压变频调速系统中的脉宽调制变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)(PWM)技术技术 基于异步电动机稳态模型的变压基于异步电动机稳态模型的变压变频调速系统变频调速系统第1页/共262页2学习要点：1、变频调速的基本控制方式：基频以下，恒压频比控制，实现恒转矩调速；基频以上，恒压升频控制，实现恒功率调速；2异步电动机电压频率协调控制的稳态机械特性：CVCF时的机械特性，电压频率协调控制下的
2、机械特性：（1）Us/1=恒值控制，（2）恒Eg/1控制，（3）恒Er/1控制。重点、难点:异步电动机改变电压时机械特性的变化规律 第2页/共262页36.1 6.1 变压变频调速的基本控制方式变压变频调速的基本控制方式 在进行电机调速时，希望保持电在进行电机调速时，希望保持电机中每极磁通量机中每极磁通量 m m 为额定值不变。为额定值不变。-如果磁通太弱，没有充分利如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；用电机的铁心，是一种浪费；-如果过分增大磁通，又会使如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。严重时
3、会因绕组过热而损坏电机。第3页/共262页4异步电动机等效电路异步电动机等效电路UsLmI0EgEsEr第4页/共262页5 定子每相电动势定子每相电动势 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有气隙磁通在定子每相中感应电动势的有 效值效值(V)；定子频率(Hz)；定子每相绕组串联匝数；定子基波绕组系数；每极气隙磁通量(Wb)。第5页/共262页6 1.基频以下调速基频以下调速 要保持要保持 m 不变，当频率不变，当频率 f1从额定从额定值值 f1N 向下调节时，必须同时降低向下调节时，必须同时降低 Eg ，使，使 常值-即即采用电动势频率比为恒值的控制方采用电动势频率比为恒值的控制方式式。第6页/
4、共262页7 恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 ，则，则 这是恒压频比的控制方式这是恒压频比的控制方式。第7页/共262页8 注：注：电压补偿电压补偿(转矩补偿转矩补偿)在低频时在低频时 Us和和 Eg 都较小，定子阻都较小，定子阻抗压降所占的份量比较显著，不能忽抗压降所占的份量比较显著，不能忽略。略。这时，需要人为地把电压这时，需要人为地把电压 Us抬高抬高一些，以便近似地补偿定子压降。一些，以便近似
5、地补偿定子压降。第8页/共262页9 带电压补偿的恒压频比控制特性带电压补偿的恒压频比控制特性0UsUsNf 1f 1Na 无补偿 b 带定子压降补偿 第9页/共262页10 2.2.基频以上调速基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从在基频以上调速时，频率应该从 f1N向上升高，但定子电压向上升高，但定子电压Us却不可却不可能超过额定电压能超过额定电压UsN，最多只能保持，最多只能保持Us=UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。况。第10页/共262页11 变压变频控制特性变压变频控制特性f1N图
6、6-2 异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速mUsf1O第11页/共262页126.2 异步电动机电压频率协调控制异步电动机电压频率协调控制 时的机械特性时的机械特性恒压恒频正弦波供电时的机械特性恒压恒频正弦波供电时的机械特性基频以下电压频率协调控制的机械特性基频以下电压频率协调控制的机械特性基频以上恒压变频控制的机械特性基频以上恒压变频控制的机械特性第12页/共262页131.恒压恒频正弦波供电时的机械特性恒压恒频正弦波供电时的机械特性 最大转矩第13页/共262页14 机械特性机械特性nn0smsTemaxTe010TeTemax第14页/共262页152.
7、基频以下电压频率协调控制时的特基频以下电压频率协调控制时的特性性 由机械特性方程式（由机械特性方程式（6-46-4）可以看出，）可以看出，对于同一组转矩对于同一组转矩 Te 和转速和转速 n（或转差率或转差率s）的要求，的要求，电压电压 （Us）和和频率频率 1 可以可以有多种配合，因此可以有不同方式的电有多种配合，因此可以有不同方式的电压频率协调控制。压频率协调控制。第15页/共262页16 （1）恒压频比控制恒压频比控制（Us/1）在恒压频比的条件下改变频率在恒压频比的条件下改变频率 1 1 时，机时，机械特性基本上是平行下移，它们和直流他励械特性基本上是平行下移，它们和直流他励电动机变压
8、调速时的情况基本相似。电动机变压调速时的情况基本相似。最大转矩最大转矩 Temax 随着随着 1 的降低而减小，的降低而减小，频率很低时，频率很低时，Temax 太小将限制电机的带载能太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，可以增强带载能力。力，采用定子压降补偿，可以增强带载能力。第16页/共262页17 恒压频比机械特性恒压频比机械特性0n补偿定子压降后的特性第17页/共262页18（2）恒恒 Eg/1 控制控制 如果在电压频率协调控制中，恰如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压当地提高电压 Us，使它在克服定子阻，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持抗压降以后，能维持 Eg/1 为恒值
9、，则为恒值，则无论频率高低，每极磁通无论频率高低，每极磁通 mm 均为常值。均为常值。第18页/共262页19异步电动机等效电路异步电动机等效电路UsLmI0EgEsEr第19页/共262页20恒恒 Eg/1机械特性机械特性最大转矩当Eg/1 为恒值时，Temax 恒定不变。第20页/共262页21 机械特性曲线机械特性曲线0nTemax恒 Eg/1控制的稳态性能优于恒 Us/1控制，它正是恒 Us/1控制中补偿定子压降所追求的目标第21页/共262页22（3）恒恒 Er/1 控制控制 这时的机械特性是一条这时的机械特性是一条直线，和直流他励电动机直线，和直流他励电动机机械特性相同。机械特性相
10、同。0s1ab c恒Er/1控制恒Eg/1控制恒Us/1控制0Te第22页/共262页23 转子全磁通的感应电动势转子全磁通的感应电动势 Er 对应于对应于转子全磁通幅值转子全磁通幅值 rm ：按照转子全磁通为恒值进行控制，按照转子全磁通为恒值进行控制，就可以获得就可以获得 E Er r/1 1恒定，这正是恒定，这正是矢量控矢量控制系统制系统所遵循的原则。所遵循的原则。第23页/共262页24小结恒压频比（Us/1=恒值）控制最容易实现，变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能满足一般的调速要求，但低速带载能力有限，须对定子压降实行补偿。恒Eg/1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿，可以
11、在稳态时达到m 恒定，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。恒Er/1控制可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性，按照rm恒定进行控制即得Er/1=恒值，在动态中也尽可能保持恒定是矢量控制系统所追求的目标，当然实现起来是比较复杂的。第24页/共262页253.3.基频以上恒压变频时的机械特性基频以上恒压变频时的机械特性 最大转矩最大转矩第25页/共262页26基频以上恒压变频机械特性基频以上恒压变频机械特性0恒功率调速 当电源频率当电源频率 提高时，同提高时，同步转速随之提步转速随之提高，最大转矩高，最大转矩减小，机械特减小，机械特性上移，而形性上移，而形状
12、基本不变。状基本不变。第26页/共262页27 由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。最后，应该指出，以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗。因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。第27页/共262页28恒流正弦波供电时的机械特性 在变频调速时，保持异步电机定子电流的幅值恒定，叫作恒流控制，电流幅值恒定是通过带PI调节器的电流闭环控制实现的，这种系统不仅安全可靠而且具有良好的动静态性能。恒流供电时的机械特性与上面
13、分析的恒压机械特性不同，现进行分析。第28页/共262页29转子电流计算设电流波形为正弦波，即忽略电流谐波，由异步电动机等效电路图所示的等效电路在恒流供电情况下可得第29页/共262页30转子电流计算（续）电流幅值为（6-22）第30页/共262页31电磁转矩公式将式（6-22）代入电磁转矩表达式得（6-23）第31页/共262页32最大转矩及其转差率 取dTe/ds=0，可求出恒流机械特性的最大转矩值（6-24）产生最大转矩时的转差率为（6-25）第32页/共262页33机械特性曲线 按上式绘出不同电流、不同频率下的恒流机械特性示于图6-8。图6-8 恒流供电时异步电动机的机械特性TeOn第
14、33页/共262页34性能比较 第5章式（5-4）和（5-5）给出了恒压机械特性的最大转差率和最大转矩，现再录如下：（5-4）（5-5）第34页/共262页35性能比较（续）比较恒流机械特性与恒压机械特性，由上述表达式和特性曲线可得以下的结论：（1）恒流机械特性与恒压机械特性的形状相似，都有理想空载转速点（s=0，Te=0）和最大转矩点（sm，Temax）。第35页/共262页36性能比较（续）（3）恒流机械特性的最大转矩值与频率无关，恒流变频时最大转矩不变，但改变定子电流时，最大转矩与电流的平方成正比。（2）两类特性的特征有所不同，比较式（6-25）和式（5-4）可知，由于 Lls Lm，所
15、以，sm|sm|因此恒流机械特性的线性段比较平，而最大转矩处形状很尖。Is=const.Us=const.第36页/共262页37性能比较（续）Is=const.Us=const.（4）由于恒流控制限制了电流 Is，而恒压供电时随着转速的降低Is会不断增大，所以在额定电流时 Temax|的要比额定电压时的Temax|小得多，用同一台电机的参数代入式（6-24）和式（5-5）可以证明这个结论。但这并不影响恒流控制的系统承担短时过载的能力，因为过载时可以短时加大定子电流，以产生更大的转矩，参看图6-8。第37页/共262页38作业：6-1、6-2 第38页/共262页396.3 6.3 电力电子变
16、压变频器电力电子变压变频器的主要类型的主要类型本节提要交-直-交和交-交变压变频器电压源型和电流源型逆变器第39页/共262页40学习要点：1.静止式变频装置；间接变频交直交变频装置直接变频交交变频装置电压源和电流源变频器；2.正弦脉宽调制（SPWM）逆变器工作原理。重点、难点:1.正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器的控制方式。第40页/共262页41引言如前所述，对于异步电机的变压如前所述，对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配供的是恒压恒频的电源，因此应
17、该配置变压变频器，又称置变压变频器，又称VVVFVVVF（Variable Voltage Variable Variable Voltage Variable FrequencyFrequency）装置。）装置。第41页/共262页42交-直-交和交-交变压变频器从从整整体体结结构构上上看看，电电力力电电子子变变压压变变频频器器可可分分为为交交-直直-交交和和交交-交交两两大大类。类。1.1.交交-直直-交变压变频器交变压变频器 交交-直直-交变压变频器先将工频交流交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，逆变器
18、变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。如下图所示。第42页/共262页43交-直-交变压变频器基本结构变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)逆变DCACAC50Hz整流第43页/共262页44由于这类变压变频器在恒频交流由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个电源和变频交流输出之间有一个“中中间直流环节间直流环节”，所以又称间接式的变，所以又称间接式的变压变频器。压变频器。具体的整流和逆变电路种类很多，具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件组成的脉宽整流器和由功率开关器件组成的脉宽调制
19、（调制（PWMPWM）逆变器，简称）逆变器，简称PWMPWM变变压变频器，如下图所示。压变频器，如下图所示。第44页/共262页45交-直-交PWM变压变频器基本结构变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)PWM逆变器DCACAC50Hz调压调频C第45页/共262页46 PWMPWM变变压压变变频频器器的的应应用用广广泛泛，具具有有如如下下的的优优点：点：（1 1）只有逆变单元可控，它同时调节电压和频率，结构简单。）只有逆变单元可控，它同时调节电压和频率，结构简单。（2 2）采用）采用PWMPWM控制技术，正弦基波的比重较大，因而转矩脉动小，提高了系控制技术，正弦基波的比重较大，
20、因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。统的调速范围和稳态性能。（3 3）逆逆变变器器同同时时实实现现调调压压和和调调频频，动动态态响响应应不不受受中中间间直直流流环环节节滤滤波波器器参参数数的的影影响。响。（4 4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变器输出电）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变器输出电压大小的影响。压大小的影响。第46页/共262页47 PWMPWM变压变频器常用的功率开变压变频器常用的功率开关器件有：关器件有：P-MOSFETP-MOSFET，IGBTIGBT，GTOGTO和替代和替代GTOGTO的电压控制器件如的电压控制
21、器件如IGCTIGCT、IEGTIEGT等。等。受到开关器件额定电压和电流的限受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调制，对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管速仍只好采用半控型的晶闸管(SCR(SCR），并用可控整流器调压、六），并用可控整流器调压、六拍逆变器调频的交拍逆变器调频的交-直直-交变压变频器，交变压变频器，见下图。见下图。第47页/共262页48普通交-直-交变压变频器的基本结构SCR可控整流器六拍逆变器DCACAC50Hz调频调压第48页/共262页492.交-交变压变频器 交交-交变压变频器的基本结构交变压变频器的基本结构如下图所示，它只
22、有一个变换环节，如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（把恒压恒频（CVCFCVCF）的交流电源）的交流电源直接变换成直接变换成VVVFVVVF输出，因此又称输出，因此又称直接式变压变频器。直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（作周波变换器（CycloconveterCycloconveter）。）。第49页/共262页50交交-交变压变频器的基本结构交变压变频器的基本结构交交变频AC50HzACCVCFVVVF 常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调
23、速系统的反并联可逆线路（下图a）。第50页/共262页51交交-交变压变频器的基本电路结交变压变频器的基本电路结构构VRVFId-Id+-+a)每相电路结构负载50Hz50Hzu0第51页/共262页52交交-交变压变频器的控制方式交变压变频器的控制方式整半周控制方式整半周控制方式 正、反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，u0 的幅值决定于各组可控整流装置的控制角 ，u0 的频率决定于正、反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，如下图 b 所示。第52页/共262页53方波型平均输出电压波形tu0正组通反组通正组通反组通输出电压波形输出电压
24、波形第53页/共262页54控制方式（2）调制控制方式 要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。例如例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角 由/2（对应于平均电压 u0=0）逐渐减小到 0（对应于 u0 最大），然后再逐渐增加到 /2（u0 再变为0），如下图所示。第54页/共262页552AO t=0 2=BCDEFu0交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形输出电压波形第55页/共262页56 当 角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中虚线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。第56页/共262页57单相交交变频电路输出电压和单相交交变频电路输出
25、电压和电流波形电流波形第57页/共262页58三相交交变频电路三相交交变频电路 三相交交变频电路可以由3个单相交-交变频电路组成，其基本结构如下图所示。如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。第58页/共262页59三相交交变频器的基本结构三相交交变频器的基本结构第59页/共262页60输出星形联结方式三相交交变频电路输出星形联结方式三相交交变频电路第60页/共262页61三相桥式交交变频电路第61页/共262页62 因此，这样的交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看
26、似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。第62页/共262页63 这类交-交变频器的其他缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的1/3 1/2，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。第63页/共262页64 近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，类似于 PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次
27、谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行，但当输出电压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.866。目前这类变压变频器尚处于开发阶段，其发展前景是很好的。第64页/共262页65电压源型和电流源型逆变器 在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。第65页/共262页66两种类型逆变器结构两种类型逆变器结构LdIdCdUdUd+-a)电压源逆变器b)电流源逆变器电压源型和电流源型逆变器示意图第66页/共262页67电压源型
28、逆变器电压源型逆变器（Voltage Source Voltage Source Inverter-VSI Inverter-VSI），），直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。第67页/共262页68电流源型逆变器电流源型逆变器（Current Source Current Source Inverter-CSIInverter-CSI），），直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。第68页/共262页69性能比较 两类
29、逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现如下：（1）无功能量的缓冲在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。第69页/共262页70 因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。（2）能量的回馈用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。第70页/共262页71
30、下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSI构成的交-直-交变压变频调速系统（如下图所示）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。第71页/共262页72电动运行状态电动运行状态电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态第72页/共262页73 当电动运行时，UCR的控制角 ，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图a所示。第73页/共262页74电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI 90o有源逆变1 发电Te整流UCR逆变运行状态逆变运行状态Pb）逆变运行第74页/共262页75如果降低变压变频器的输出频率 1，或从机械上抬
31、高电机转速 ，使 1 90 ，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压Ud 立即反向，而电流 Id 方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图b）。第75页/共262页76 与此相反，采用电压源型的交-直-交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与UCR反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这样做，设备要复
32、杂多了。第76页/共262页77性能比较（续）性能比较（续）（3）动态响应 正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。（4）输出波形 电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流波形为方波（见下表）。第77页/共262页78性能比较（续）性能比较（续）表6-1 两种逆变器输出波形比较第78页/共262页79性能比较（续）性能比较（续）（5 5）应用场合）应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减
33、速的场合。采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。第79页/共262页80小小 结结 (1)变压变频调速的基本控制方式(2)变压变频调速的控制系统。第80页/共262页816.4 变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术第81页/共262页82早期六拍阶梯逆变器存在的主要问题采用半控式的晶闸管采用半控式的晶闸管开关频率较低开关频率较低主电路两个变流器需要协调控制。主电路两个变流器需要协调控制。电压（直流环节）变化动态响应慢。电压（直流环节）变化动态响应慢。交流输入侧功率因数差。交流输入侧功率因数差。逆变器输出谐波分量大。逆变器输出谐波分量大。
34、第82页/共262页83 逆变器一个工作周期中，其开关元件根据目标函数要求按一定规律作多次开工作，称为基于PWM控制技术的逆变器。前提：全控式电力电子开关的出现解决途径应用PWM控制技术。第83页/共262页84控制目标控制目标电压正弦波 SPWM 电流正弦波 CHBPWM消除指定次数谐波 SHEPWM圆形旋转磁场 SVPWM第84页/共262页85正弦波脉宽调制(SPWM)技术1.PWM调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（角波作为载波（Carrier waveCarrier wav
35、e），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation waveModulation wave），），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。等幅不等宽的矩形波。第85页/共262页862.PWM逆变器主电路及输出波形三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWN
36、NC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2第86页/共262页87三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 1 tOOOOUd2-Ud21 t1 t1 t1 turaurburcutuAO-Ud2Ud2-Ud2-UdUd2UduCOuBOuAB第87页/共262页88在模拟电子电路中，采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制；改成数字控制后，开始时只是把同样的方法数字化，称作“自然采样法”。自然采样法的运算比较复杂，在工程上更实用的是简化后的“规则采样法”。由于PWM变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发
37、生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出口的电机控制用的8位、16位微机和DSP芯片。第88页/共262页89消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM)控制技术 脉宽调制（PWM）的目的是使变压变频器输出的电压波形尽量接近正弦波，减少谐波，以满足交流电机的需要。要达到这一目的，除了上述采用正弦波调制三角波的方法以外，还可以采用直接计算下图中各脉冲起始与终了相位1,2,2m的方法，以消除指定次数的谐波，构成近似正弦的PWM波形（Selected Harmonics Elimination PWMSHEPWM）。第89页/共262页90特定谐波消去法的输出波形图6-21变压
38、变频器输出的相电压PWM波形第90页/共262页91 对图6-21的PWM波形作傅氏分析可知，其k次谐波相电压幅值的表达式为 （6-26）式中 Ud变压变频器直流侧电压；i以相位角表示的PWM波形第i个起始或终了时刻。第91页/共262页92第92页/共262页93 上述5 5个方程中共有1 1，2 2 ，5 5，这5 5个需要求解的开关时刻相位角，一般采用数值法迭代求解。这样的数值计算法在理论上虽能消除所指定次数的谐波，但更高次数的谐波却可能反而增大，不过它们对电动机电流和转矩的影响已经不大，所以这种控制技术的效果还是不错的。由于上述数值求解方法的复杂性，而且对应于不同基波频率应有不同的基波
39、电压幅值，求解出的脉冲开关时刻也不一样。所以这种方法不宜用于实时控制，须用计算机离线求出开关角的数值，放入微机内存，以备控制时调用。第93页/共262页94 应用应用PWMPWM控制技术的变压变频器一般都是电压控制技术的变压变频器一般都是电压源型的，它可以按需要方便地控制其输出电压，为源型的，它可以按需要方便地控制其输出电压，为此前面两小节所述的此前面两小节所述的PWMPWM控制技术都是以输出电压控制技术都是以输出电压近似正弦波为目标的。近似正弦波为目标的。但是，在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波但是，在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正
40、弦电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。第94页/共262页95电流滞环跟踪控制的A相原理图1.滞环比较方式电流跟踪控制原理 第95页/共262页96滞环比较方式的指令电流和输出电流 a)电流波形b)电压波形第96页/共262页97三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形 第97页/共262页98 电流跟踪控制的精度与滞
41、环的环宽有关，同时还受到功率开关器件允电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。许开关频率的制约。当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。这是一对矛盾的因素，实用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正这是一对矛盾的因素，实用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽可能小的环宽。确地选择尽可能小的环宽。第98页/共262页99小 结 电电流流滞滞环环跟跟踪
42、踪控控制制方方法法的的精精度度高高，响响应应快快，且且易易于于实实现现。但但受受功功率率开开关关器器件件允允许许开开关关频频率率的的限限制制，仅仅在在电电机机堵堵转转且且在在给给定定电电流流峰峰值值处处才才发发挥挥出出最最高高开关频率，在其他情况下，器件的允许开关频率都未得到充分利用。开关频率，在其他情况下，器件的允许开关频率都未得到充分利用。为为了了克克服服这这个个缺缺点点，可可以以采采用用具具有有恒恒定定开开关关频频率率的的电电流流控控制制器器，或或者者在在局局部范围内限制开关频率，但这样对电流波形都会产生影响。部范围内限制开关频率，但这样对电流波形都会产生影响。只只须须改改变变电电流流给
43、给定定信信号号的的频频率率即即可可实实现现变变频频调调速速，无无须须再再人人为为地地调调节节逆逆变变器电压器电压第99页/共262页100电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术 （或称磁链跟踪控制技术）本节提要问题的提出空间矢量的定义电压与磁链空间矢量的关系六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制 第100页/共262页101问题的提出问题的提出 把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电 压 空 间 矢 量 PWM（SVPWM，Spac
44、e Vector PWM）控制”。第101页/共262页1021.空间矢量的定义 交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以如图所示，定义为空间矢量uA0，uB0，uC0。电压空间矢量 第102页/共262页103 电压空间矢量的相互关系定子电压空间矢量：uA0、uB0、uC0 的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也是120。合成空间矢量：由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量 us 是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压值的3/2倍。第103页/共26
45、2页104电压空间矢量的相互关系（续）当电源频率不变时，合成空间矢量 us 以电源角频率1 为电气角速度作恒速旋转。当某一相电压为最大值时，合成电压矢量 us 就落在该相的轴线上。用公式表示，则有（7-39）与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量 Is 和s。第104页/共262页1052.电压与磁链空间矢量的关系 三相的电压平衡方程式相加，即得用合成空间矢量表示的定子电压方程式为（6-40）式中 us 定子三相电压合成空间矢量；Is 定子三相电流合成空间矢量；s 定子三相磁链合成空间矢量。第105页/共262页106 近似关系 当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式（6-
46、40）中所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为（6-41）（6-42）或 第106页/共262页107 磁链轨迹 当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（一般简称为磁链圆）。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示。（6-43）其中 m是磁链s的幅值，1为其旋转角速度。第107页/共262页108由式（6-41）和式（6-43）可得（6-44）上式表明，当磁链幅值一定时，us的大小与 1（或供电电压频率）成正比，其方向则与磁链矢量s正交，即磁链圆的切线方向，第108页/共262页109 磁场轨迹与
47、电压空间矢量运动轨迹的关系 如图所示，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹第109页/共262页1103.六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场（1）电压空间矢量运动轨迹 在常规的 PWM 变压变频调速系统中，异步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时的电压空间矢量运动轨迹是怎样的呢？为了讨论方便起见，再把三相逆变器-异步电动机调速系统主电路的原理图绘出，图6-27中六个功率开关器件都用开关符号代替，可以代表任意一种开关器件。第110页/共2
48、62页111 主电路原理图三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图 第111页/共262页112 开关工作状态 如果，图中的逆变器采用180导通型，功率开关器件共有8种工作状态（见附表），其中6 种有效开关状态；2 种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）：u上桥臂开关 VT1、VT3、VT5 全部导通u下桥臂开关 VT2、VT4、VT6 全部导通第112页/共262页113开关状态表第113页/共262页114 开关控制模式 对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中6 种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔/3 时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这/3 时刻内则保持不变。第114
49、页/共262页115（a）开关模式分析 设工作周期从100状态开始，这时VT6、VT1、VT2导通，其等效电路如图所示。各相对直流电源中点的电压都是幅值为 UAO=Ud/2 UBO=UCO=-Ud/2O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2第115页/共262页116（b）工作状态100的合成电压空间矢量由图可知，三相的合成空间矢量为 u1，其幅值等于Ud，方向沿A轴（即X轴）。u1uAO-uCO-uBOABC第116页/共262页117（c）工作状态110的合成电压空间矢量 u1 存在的时间为/3，在这段时间以后，工作状态转为110，和上面的分析相似，合成空间矢量变成图中的 u2，它在空
50、间上滞后于u1 的相位为/3 弧度，存在的时间也是/3。u2uAO-uCOuBOABC第117页/共262页118（d）每个周期的六边形合成电压空间矢量 u1u2u3u4u5u6u7 u8 依此类推，随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转/3，直到一个周期结束。这样，在一个周期中 6 个电压空间矢量共转过 2 弧度，形成一个封闭的正六边形，如图所示。第118页/共262页119（2）定子磁链矢量端点的运动轨迹 电压空间矢量与磁链矢量的关系 一个由电压空间矢量运动所形成的正六边形轨迹也可以看作是异步电动机定子磁链矢量端点的运动轨迹。对于这个关系，进一步说明如下：第119