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1、 电梯驱动调速系统直流电动机调速系统直流电动机调速系统交流异步电动机调速系统交流异步电动机调速系统 1、变极调速系统 2、调压调速系统 3、变频调速系统交流同步电动机调速系统交流同步电动机调速系统 永磁同步电动机变频调速系统交流变频调速基础交流变频调速基础1.1 交流调速的发展概况交流调速的发展概况交流调速系统：交流调速系统：由交流电动机由交流电动机拖动拖动、电机转速为、电机转速为控制目标控制目标的电力拖动自动控制系统的电力拖动自动控制系统直流电动机优点：直流电动机优点：调速性能好调速性能好,控制简单控制简单直流电动机缺点：直流电动机缺点：体积大、容量小、制造成本高、有机械换向装置，维护困难体
2、积大、容量小、制造成本高、有机械换向装置，维护困难 l 2020世纪世纪7070年代，研究开发高性能的交流调速系统，期望用它来节约能源。年代，研究开发高性能的交流调速系统，期望用它来节约能源。同期，电力电子技术、大规模集成电路、各种控制理论、计算机控制技术的同期，电力电子技术、大规模集成电路、各种控制理论、计算机控制技术的 飞速发展，为交流调速电力拖动的发展创造了有利条件。飞速发展，为交流调速电力拖动的发展创造了有利条件。交流电动机优点交流电动机优点 ：结构简单可靠，维护少，无机械换向火花，结构简单可靠，维护少，无机械换向火花，制造成本低制造成本低1 交流调速系统概述交流调速系统概述l 202
3、0世纪世纪8080年代，原有的交直流调速拖动系统的分工格局被逐渐打破。年代，原有的交直流调速拖动系统的分工格局被逐渐打破。l 目前的许多交流调速系统在装置容量上、动静态性能上、可四象限运目前的许多交流调速系统在装置容量上、动静态性能上、可四象限运 行的要求上，以至在系统制造成本上都可以与直流调速系统相媲美。行的要求上，以至在系统制造成本上都可以与直流调速系统相媲美。l 2020世纪世纪9090年代，交流调速系统已经占到了调速系统的主导地位。年代，交流调速系统已经占到了调速系统的主导地位。励磁同步电动机励磁同步电动机 1.2交流调速系统的分类交流调速系统的分类交流电动机交流电动机异步电动机异步电
4、动机 永磁同步电动机永磁同步电动机 无刷直流电动机及无刷直流电动机及开关磁阻电动机都满足开关磁阻电动机都满足“定子电流的频率与转定子电流的频率与转速有严格比例关系速有严格比例关系”的的条件，所以也把它归入条件，所以也把它归入同步电动机。同步电动机。当电机转子的转速与当电机转子的转速与定子电流的频率有严格定子电流的频率有严格比例关系的电动机称同比例关系的电动机称同步电动机，无严格比例步电动机，无严格比例关系的电动机称异步电关系的电动机称异步电动机。动机。特种同步电动机特种同步电动机 无刷直流电动机无刷直流电动机开关磁阻电动机开关磁阻电动机直流无换向器电动机直流无换向器电动机交流无换向器电动机交流
5、无换向器电动机 交流电动机是定交流电动机是定子绕组通入交流电子绕组通入交流电(或周期脉冲电流或周期脉冲电流)的电机，其定子磁的电机，其定子磁动势是一个旋转动势是一个旋转(或或步进旋转步进旋转)的磁动势。的磁动势。同步电动机同步电动机 u交流交流调调速系速系统统的分的分类类电动机类别电动机类别调速原理调速原理电力电子变换器电力电子变换器形式形式变换器的变换器的电源特性电源特性异异步步电电动动机机绕线式转子绕线式转子感应电动机感应电动机串级调速（变转差）串级调速（变转差）交直交变频交直交变频（整流有源逆变）（整流有源逆变）交交变频交交变频电流源型电流源型鼠笼式转子鼠笼式转子感应电动机感应电动机调压
6、调速调压调速交流调压交流调压电压源型电压源型变频调速，他控式变频调速，他控式变频调速，矢量控变频调速，矢量控制制交直交变频交直交变频（整流无源逆变）（整流无源逆变）交交变频交交变频电流源型电流源型电压源型电压源型同同步步电电动动机机常规意义常规意义同步电动机同步电动机无换向器无换向器电机电机变频调速，自控式变频调速，自控式交直交变频（可控交直交变频（可控整流有源逆变）整流有源逆变）交交变频交交变频电流源型电流源型无刷直流电动机无刷直流电动机变频调速，自控式变频调速，自控式交直交变频交直交变频电压源型电压源型开关磁阻电动机开关磁阻电动机变频调速，自控式变频调速，自控式交直交，交直交，（单极性脉动
7、电流）（单极性脉动电流）1.3 异步电动机调速系统的分类异步电动机调速系统的分类1.异步电动机功率异步电动机功率(能量能量)图图从定子从定子传传入入转转子的子的电电磁功率磁功率总总机械功率机械功率转转子子铜铜耗耗（转转差功率）差功率）定义：转差功率定义：转差功率 Ps s Pm2.常见的异步电动机调速类别（按主要特征分类）常见的异步电动机调速类别（按主要特征分类）调压调调压调速；速；电电磁磁转转差离合器差离合器调调速；速；绕线转绕线转子子转转子回路串子回路串电电阻阻调调速；速；串串级调级调速；速；变变极极调调速；速；变频调变频调速；速；定子回路串电抗调速。定子回路串电抗调速。3 调速系统按所改
8、变的物理量分类调速系统按所改变的物理量分类（1）变频调速）变频调速（2）变极调速）变极调速（3）变转差率调速）变转差率调速 4.按转差功率按转差功率Ps 去向分类去向分类（1）转差功率消耗型）转差功率消耗型（系统效率较低）（系统效率较低）（2）转差功率回馈型）转差功率回馈型（把部份转差功率送回电网）把部份转差功率送回电网）（系统效率稍高）（系统效率稍高）（3）转差功率不变型）转差功率不变型（系统效率最高）（系统效率最高）2 异步电动机调压调速系统（交调系统）异步电动机调压调速系统（交调系统）2.1 异步电动机调压时的开环机械特性异步电动机调压时的开环机械特性 低转差率电动机调压调速时的低转差率
9、电动机调压调速时的开环机械特性开环机械特性l 当电动机拖动当电动机拖动恒转矩负载恒转矩负载时，尽管电时，尽管电压改变很大，但速度的变化并不大。系统压改变很大，但速度的变化并不大。系统能调速的最大区域只在转差率能调速的最大区域只在转差率 之之间间 l 当电动机拖动当电动机拖动风机、泵类负载风机、泵类负载时不再受时不再受Sm的限制，的限制，异步电动机的固有机械特性方程异步电动机的固有机械特性方程 风机泵类负载风机泵类负载恒转矩负载恒转矩负载l ，为减小损耗，电动机在额定，为减小损耗，电动机在额定点的转差率一般在点的转差率一般在0.020.06之间，最大转之间，最大转矩时的转差率也较小，在矩时的转差
10、率也较小，在0.15左右左右异步异步电动电动机机调压调调压调速速时时的开的开环环机械特性机械特性高高转转差率差率电动电动机机交流力矩交流力矩电动电动机机为为了能在恒了能在恒转转矩矩负载负载下下扩扩大大调压调调压调速的范速的范围围，这这就要求就要求电动电动机有机有较较大的大的Sm可以使用可以使用高高转转差率差率电动电动机机或者或者交流力矩交流力矩电动电动机机，这这两两类电类电机机通过通过增大转子电增大转子电阻阻使电机的使电机的机械特性变软机械特性变软，Sm增大，拓宽了低速运行区增大，拓宽了低速运行区 。u 交流力矩电动机交流力矩电动机允许电动机长期堵转及低速运行，允许电动机长期堵转及低速运行，S
11、m等于等于1，电动机的主要技术，电动机的主要技术参数就是堵转转矩，额定点就是堵转点。参数就是堵转转矩，额定点就是堵转点。u 高转差率电动机高转差率电动机兼顾了高速及低速的性能，额定转差率一般在兼顾了高速及低速的性能，额定转差率一般在0.070.13之间，之间，Sm一般在一般在0.5左右，堵转转矩也较大，堵转转矩等于最大转矩。左右，堵转转矩也较大，堵转转矩等于最大转矩。调压调速主电路调压调速主电路串联分段串联分段电抗器降压电抗器降压 串联飽和串联飽和电抗器降压电抗器降压 l串联饱串联饱和电抗器和电抗器降压降压降压降压调速原理调速原理缺点缺点：需体积庞大且笨重的需体积庞大且笨重的设备，自电力电子技
12、术发展设备，自电力电子技术发展起来已很少采用。起来已很少采用。自耦变压器自耦变压器调压调压 l 现在调压调速设备一般采用由晶闸管构成现在调压调速设备一般采用由晶闸管构成的负载的负载Y接法的接法的晶闸管相控交流调压器晶闸管相控交流调压器 l VVC为为相控交流相控交流调压调压器，由三只双向器，由三只双向晶晶闸闸管或三管或三对对反并反并联联晶晶闸闸管构成，管构成，电动电动机定子机定子绕组绕组接成接成Y接法接法l V VC工作原理工作原理早期的早期的 方法有：方法有：l VR为可控整流桥，制动时用为可控整流桥，制动时用2.2 调压调速系统的系统原理图调压调速系统的系统原理图 异步异步电动电动机速度机
13、速度单闭环调压调单闭环调压调速系速系统统原原理理图图系统控制的对象：系统控制的对象：电动机的端电压电动机的端电压 速度调节器速度调节器ASR的输出：的输出：电压指令信号电压指令信号 交流调压器的输出电压交流调压器的输出电压 U1与移与移相控制角相控制角之间有确定的对应关系，之间有确定的对应关系，U1 与与是一一对应且是唯一的，因此是一一对应且是唯一的，因此速度调节器的输出可直接作为速度调节器的输出可直接作为角的角的指令值而不必再加电压闭环指令值而不必再加电压闭环 l 限流环节限流环节检测异步电检测异步电动机的定子电流，与给定动机的定子电流，与给定的限流值进行比较的限流值进行比较 l GB框内的
14、曲线是其输框内的曲线是其输入输出曲线入输出曲线 带电带电流限流流限流环节环节的的单闭环调压调单闭环调压调速系速系统统2.3 交流调压调速系统的制动交流调压调速系统的制动l 交调系统制动时，通常采用交调系统制动时，通常采用在定子绕组中通入直流电流（能耗制动）在定子绕组中通入直流电流（能耗制动）的方法。的方法。l 可控制整流可控制整流桥桥VR就是就是为为制制动动而而设设置的。置的。1C断开、断开、2C闭闭合、合、VR工作工作时时，异步，异步电动电动机机将将进进入制入制动动状状态态，直到，直到电电机停机停转转。l 通直流时，通直流时，电机绕组的两电机绕组的两种常用接法：种常用接法：l 调节可控整流调
15、节可控整流电路输出电流电路输出电流Id 的大小，就可改的大小，就可改变合成磁势变合成磁势Fs 的的大小大小,就改变了制就改变了制动转矩的大小。动转矩的大小。a)等效等效电电路路图图 b)波形波形图图l 触发触发VT1、VT6工作，恒关断工作，恒关断VT2、VT3、VT4、VT5，则，则A、B两相的绕组反向串联后接在一个半波整流电路的输出端上两相的绕组反向串联后接在一个半波整流电路的输出端上 l 改变控制角的大小，可改变平均制动转矩的大小。改变控制角的大小，可改变平均制动转矩的大小。l 利用交流调压器主电路来实现制动时制动转矩一般较小，转矩脉动较大。利用交流调压器主电路来实现制动时制动转矩一般较
16、小，转矩脉动较大。l 能耗制动时，电源输入的能量消耗在电机的定子绕组上，能耗制动时，电源输入的能量消耗在电机的定子绕组上，拖动系统机械能所转变成的电能都消耗在电机的转子绕组上，拖动系统机械能所转变成的电能都消耗在电机的转子绕组上，l 利用交流调压器的主电路来实现能耗制动利用交流调压器的主电路来实现能耗制动发热严重发热严重。2.4 交流调压调速系统的效率及电机冷却交流调压调速系统的效率及电机冷却当电动机转速降低（当电动机转速降低（s增大）时，电动转子铜耗增加，电动机的增大）时，电动转子铜耗增加，电动机的效率下降效率下降，电动机的，电动机的发热将增加发热将增加。交流力矩电机：交流力矩电机：电动机的
17、设计就允许电机长期堵转运行，电机出厂时就带有他扇冷电动机的设计就允许电机长期堵转运行，电机出厂时就带有他扇冷式的强迫通风系统，对这类电动机不用再考虑发热问题。式的强迫通风系统，对这类电动机不用再考虑发热问题。低转差率电机：低转差率电机：电机只能在转差小于额定转差下连续运行，低速运行时一方面电机电机只能在转差小于额定转差下连续运行，低速运行时一方面电机发热增加，另一方面因转速降低，转轴上风扇的通风效果减弱，使电机会产生过热。发热增加，另一方面因转速降低，转轴上风扇的通风效果减弱，使电机会产生过热。这类电机只能短时间内低速运行，或应重新考虑电动机的散热条件，防止电机过热这类电机只能短时间内低速运行
18、，或应重新考虑电动机的散热条件，防止电机过热而烧毁。而烧毁。高转差率电动机：高转差率电动机：介于上述两种电机之间，使用中根据实际的工况来决定是否需介于上述两种电机之间，使用中根据实际的工况来决定是否需要加强电动机通风冷却系统。要加强电动机通风冷却系统。l 效率及电机发热效率及电机发热l 电机冷却电机冷却25 异步电动机调压调速系统的应用异步电动机调压调速系统的应用缺点：缺点：调速范围不大，调速精度低，调速时电机发热严重调速范围不大，调速精度低，调速时电机发热严重优点：优点：系统结构简单，容易实现，成本低廉系统结构简单，容易实现，成本低廉主主要要的的应应用用领领域域 1需要调速运行的场合需要调速
19、运行的场合2异步电动机异步电动机“软起动软起动”装装置置3风机、泵类的调速节能风机、泵类的调速节能u 交流调压交流调压象限，能耗制动象限，能耗制动象限，配合接触器象限，配合接触器四象限四象限u 因此，需要调速运行的工作机械或负载，理论上都可以使用调速系统因此，需要调速运行的工作机械或负载，理论上都可以使用调速系统来实现来实现，例，例“交调交调”电梯。（注意：选用合适电机，电机冷却问题）电梯。（注意：选用合适电机，电机冷却问题）u 异步电动机的异步电动机的“软起动装置软起动装置”：利用带有限流环节的交流调压器利用带有限流环节的交流调压器 就可实现异步电动机的降压起动，起动电流的最大值可限定。就可
20、实现异步电动机的降压起动，起动电流的最大值可限定。u 若使软起动装置同时带有一定的调速功能，则称之为：若使软起动装置同时带有一定的调速功能，则称之为：异步电动机的异步电动机的“多功能控制器多功能控制器”。u 风机、泵类的调速节能是调压调速系统应用得最多的领域之一。风机、泵类的调速节能是调压调速系统应用得最多的领域之一。3.1 变频时的电压控制方式及控制特性变频时的电压控制方式及控制特性1变频的同时为什么要变压变频的同时为什么要变压 变频时变频时,输出电压也要配合改变，因此，变频调速系统常更输出电压也要配合改变，因此，变频调速系统常更全面地被称为全面地被称为变压变频（变压变频（VVVF）调速系统
21、）调速系统。定子每相电动势的有效值定子每相电动势的有效值:结论结论：频率变化时，若不同时改变电压，：频率变化时，若不同时改变电压，则会使电机的磁通则会使电机的磁通 大幅变化，这将使电机运行不正常甚至损坏电机，所以变频的大幅变化，这将使电机运行不正常甚至损坏电机，所以变频的同时必须变压，其较理想的目标是使磁通同时必须变压，其较理想的目标是使磁通m 基本保持恒定。基本保持恒定。l 变频调速时变频调速时s变化很小，效率最高，性能也最好。变化很小，效率最高，性能也最好。l 变频调速是异步电机交流调速系统的主流。变频调速是异步电机交流调速系统的主流。3 异步电动机变频调速基础异步电动机变频调速基础若若f
22、1，U1不变，则磁通不变，则磁通m，I I不变时不变时T 。若若f1，U1不变，则磁通不变，则磁通m ，I Im 。2基频以下调速时的电压控制方式基频以下调速时的电压控制方式异步电动机在变频调速时，主导变量是频率异步电动机在变频调速时，主导变量是频率常用的电压配合控制方式有如下三种：常用的电压配合控制方式有如下三种：（1）恒压频比控制）恒压频比控制优点优点:容易实现容易实现 缺点缺点:当当 逐步降低时，定子电阻逐步降低时，定子电阻 上的压降所占的上的压降所占的比重越来越大，使比重越来越大，使 的关系被破坏的关系被破坏。使低频时。使低频时的性能很差的性能很差。解决办法解决办法:在低频时使变频器的
23、输出电压抬高，补偿定子电阻上的压降，维持磁通在低频时使变频器的输出电压抬高，补偿定子电阻上的压降，维持磁通基本不变。这种方法称基本不变。这种方法称“定子压降低频补偿的恒压频比控制定子压降低频补偿的恒压频比控制”。（2）恒气隙磁通控制）恒气隙磁通控制（3）恒转子全磁通控制）恒转子全磁通控制 与转子产生转矩的磁通相对应，是气隙磁通与转子产生转矩的磁通相对应，是气隙磁通 减去转子漏感所产生的磁通，称为减去转子漏感所产生的磁通，称为“转子全磁通转子全磁通”，所以这种控制也称，所以这种控制也称“恒转子全磁通控制恒转子全磁通控制”、“恒转子磁链控制恒转子磁链控制”。这种状态下电动机的特性最好，它采用这种状
24、态下电动机的特性最好，它采用“矢量控制矢量控制”实现。实现。E1难于直接控制，所控制的仍是变频器的输出电压难于直接控制，所控制的仍是变频器的输出电压U1。补偿后的结补偿后的结果与上同。果与上同。过补偿问题过补偿问题3基频以上调速时的电压控制方式基频以上调速时的电压控制方式要基本保持磁通不变，应升高电压，但会遇到两个难题要基本保持磁通不变，应升高电压，但会遇到两个难题:可能会使电机及元器件损坏可能会使电机及元器件损坏 变频器的直流母线电压基本不变，经逆变桥输出的变频器的直流母线电压基本不变，经逆变桥输出的交流电压最大值也是确定的，要想再升高很困难交流电压最大值也是确定的，要想再升高很困难。这时使
25、电压值保持最高输出值这时使电压值保持最高输出值 4控制特性控制特性 时时，。保持。保持 不变，则不变，则 不变。不变。这种能输出的最大转矩恒定的调速简称之为这种能输出的最大转矩恒定的调速简称之为“恒转矩调速恒转矩调速”电磁转矩电磁转矩 ，电动机电磁功率，电动机电磁功率 。电动机能输出的最大功率近似不变。电动机能输出的最大功率近似不变。时，时，保持转子有功电流，保持转子有功电流 不变，不变，这种能输出的最大功率恒定的调速简称之为这种能输出的最大功率恒定的调速简称之为“恒功率调速恒功率调速”3.2 变频调速时的机械特性变频调速时的机械特性 1固定电压固定频率时的机械特性固定电压固定频率时的机械特性
26、异步电动机转矩的参数表达式异步电动机转矩的参数表达式：最大电磁转矩：最大电磁转矩：s很小时，略去分母中含很小时，略去分母中含s的项，得：的项，得：s很小时，很小时，是一条与转差率是一条与转差率s成正比的直线（如成正比的直线（如a）s接近于接近于1时，忽略分母中的时，忽略分母中的 ：是对称于原点（是对称于原点（）的一段双曲线，（如）的一段双曲线，（如b）s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段过渡为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段过渡到双曲线段，如到双曲线段，如 c。最大转矩。最大转矩 ，最大转差率，最大转差率 就在过渡线段极值点上就在过渡线段极值点上 对对s求导，并令求导，并令 ，得，
27、得：略去定子电阻影响：略去定子电阻影响：有：有：2恒压频比控制（恒压频比控制（）时的机械特性）时的机械特性 定义变频比定义变频比：得：得：（1）理想空载转速）理想空载转速：（2）直线段斜率）直线段斜率 变频时若要输出转矩变频时若要输出转矩T不变，就应使不变，就应使 不变。而不变。而 ，计及定子电阻影响：计及定子电阻影响：有有：n不变不变直线段的斜率不变。直线段的斜率不变。（3）最大转矩）最大转矩 略去定子电阻的影响，略去定子电阻的影响，常数常数计及定子电阻影响，最大转矩计及定子电阻影响，最大转矩 是随着是随着的降低而降低的降低而降低 则直线段的斜率略为增大，随着频率的降低，特性曲线越来越软则直
28、线段的斜率略为增大，随着频率的降低，特性曲线越来越软 3恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 时的机械特性（如图时的机械特性（如图b）用用E1取取代代U1求求：4恒转子全磁通控制（恒转子全磁通控制（）时的机械特性（如图）时的机械特性（如图c）最大电磁转矩与最大电磁转矩与无关无关 T不变不变s不变不变 n不变不变直线段的斜率不变直线段的斜率不变平行下移的平行下移的一组曲线族一组曲线族 用用Er取取代代U1求求：机械特性曲线是一条直线，不再拐弯。机械特性曲线是一条直线，不再拐弯。不再存在不再存在最大转矩最大转矩 。5基频以上恒电压控制基频以上恒电压控制 时的机械特性时的机械特性 随着频率随着频率 的升高，
29、最大转矩的升高，最大转矩 逐逐步下降，直线段斜率越来越大，特性曲步下降，直线段斜率越来越大，特性曲线越来越软线越来越软 6比较比较采用不同控制方案时，要注意：采用不同控制方案时，要注意：理想空载转速理想空载转速n0直线段斜率直线段斜率最大电磁转矩最大电磁转矩Tmax这三个量的变化情况及原因这三个量的变化情况及原因 3.3 变频调速主电路的分类变频调速主电路的分类1按变换方式分成交按变换方式分成交-交变频与交交变频与交-直直-交变频交变频 直接变换是把工频交流电直接变换成可变频率的交流电，称直接变换是把工频交流电直接变换成可变频率的交流电，称交交-交变频交变频 间接变换是先把交流变换成直流，再把
30、直流逆变成交流，称间接变换是先把交流变换成直流，再把直流逆变成交流，称交交-直直-交变交变频频 2按电源特性分成电压源型与电流源型按电源特性分成电压源型与电流源型 变频电路最后一级变换器的电源特性分，可分为变频电路最后一级变换器的电源特性分，可分为电压源型电压源型与与电流源型电流源型 3按主开关元器件的类别分成由按主开关元器件的类别分成由半可控器件半可控器件构成与由构成与由全可控器件全可控器件构成构成 4按工作方式分成按工作方式分成六拍型逆变器六拍型逆变器与与SPWM逆变器逆变器 这个分类只针对这个分类只针对DC/AC变换的逆变器变换的逆变器 逆变器输出频率逆变器输出频率 （周期（周期 ）的交
31、流电时，若在一个周期内主开关元件）的交流电时，若在一个周期内主开关元件只经历了只经历了6次通断模式转换的工作方式称之为次通断模式转换的工作方式称之为六拍型六拍型 5电压源型逆变器按控制方式可分为电压源型逆变器按控制方式可分为电压控制型电压控制型与与电流控制型电流控制型（电流（电流跟踪型）跟踪型）异步机变频调速系统常用的几种主电路异步机变频调速系统常用的几种主电路常用的主电路形式常用的主电路形式如右表如右表：序号序号变换变换方式方式电电源特性源特性主开关元件主开关元件工作方式工作方式1 1交交-交交变换变换电压电压源型源型晶晶闸闸管（管（SCRSCR）SPWMSPWM型型2 2交交-直直-交交变
32、换变换电电流源型流源型晶晶闸闸管（管（SCRSCR）六拍型六拍型3 3电压电压源型源型晶晶闸闸管（管（SCRSCR）六拍型六拍型4 4SPWMSPWM型型5 5IGBTIGBT等等SPWMSPWM型型1电压源型交电压源型交-交交变频电路变频电路适用低速大容量异步电动机，变频器的输出频率一般不超过电源频率的适用低速大容量异步电动机，变频器的输出频率一般不超过电源频率的1/22电流源型交电流源型交-直直-交变频电路（图交变频电路（图a）VR是可控整流桥，是可控整流桥，VI是无源逆变桥是无源逆变桥，中间的滤波，中间的滤波环节是电抗器环节是电抗器3电压源型晶闸管六拍工作方式的交电压源型晶闸管六拍工作方
33、式的交-直直-交变交变频电路（图频电路（图b）VR是可控整流桥，是可控整流桥，VI是无源逆变桥，逆变桥前是无源逆变桥，逆变桥前面并联有滤波电容面并联有滤波电容C 4电压源型晶闸管电压源型晶闸管SPWM工作方式的交工作方式的交-直直-交变频电路交变频电路VR是不控整流桥是不控整流桥,滤波电容滤波电容C，电容，电容C上的电压是上的电压是基本恒定的直流电压。变频器的变压变频功能都由基本恒定的直流电压。变频器的变压变频功能都由逆变桥逆变桥VI通过通过SPWM工作方式来实现工作方式来实现 5电压源型电压源型IGBT管管SPWM交交-直直-交变频电路交变频电路主开关元件极大部分都采用主开关元件极大部分都采
34、用IGBT，只是在小容量的装置中有采用功率，只是在小容量的装置中有采用功率MOSFET，在特大容量装置中有采用，在特大容量装置中有采用GTO的的。优点：优点：体积小，重量轻，在采用矢量控制时系统性能好体积小，重量轻，在采用矢量控制时系统性能好缺点：不能回馈制动缺点：不能回馈制动 正弦脉宽调制的理论基础正弦脉宽调制的理论基础1正弦脉宽调制的目的正弦脉宽调制的目的变压（变压（PWM调制的首要目的调制的首要目的）削弱或消除有害的高次谐波削弱或消除有害的高次谐波 AC/DC/AC变频器的变频器的变压方案变压方案主要有两种：主要有两种：一种是在整流桥实现，采用可控整流桥变压，一种是在整流桥实现，采用可控
35、整流桥变压，另一种是可控整流桥改成不控整流桥，变压另一种是可控整流桥改成不控整流桥，变压任务将由逆变桥来承担任务将由逆变桥来承担 在调制方式上再做一点工作，使在调制方式上再做一点工作，使PWM调制能把消除或消弱有害谐波的工作一起调制能把消除或消弱有害谐波的工作一起完成以提高调速系统性能，这就是正弦脉宽调制（完成以提高调速系统性能，这就是正弦脉宽调制（SPWM）2电压谐波对电机影响的分析电压谐波对电机影响的分析 次电压谐波的表达式次电压谐波的表达式：Y接电机中，接电机中，3k次谐波电压无害次谐波电压无害，（因有电压而无电流）。（因有电压而无电流）。而（而（3k+1）次谐波电压则会产生谐）次谐波电
36、压则会产生谐波电流，其电流有效值近似为波电流，其电流有效值近似为 异步电动机的漏电感异步电动机的漏电感 变频器输出电压的基波频率变频器输出电压的基波频率 3.4 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM）技术）技术对对(3k-1)次谐波，负转矩，使输出转矩减少，电机损耗增加。次谐波，负转矩，使输出转矩减少，电机损耗增加。对对(3k+1)次谐波，正转矩，转矩很小，损耗并不小次谐波，正转矩，转矩很小，损耗并不小。（3k1）次谐波合成，产生次谐波合成，产生3k次脉动力矩。次脉动力矩。若是三相绕组独立供电的电机，若是三相绕组独立供电的电机，3k次谐波电流能流通，其次谐波电流能流通，其中的中的3次次谐波频率
37、低，有极大危害，必须首先消除。谐波频率低，有极大危害，必须首先消除。3SPWM波形的单极性与双极性波形的单极性与双极性用已调制波用已调制波 的高低逻辑电平经分配与放大后去驱动逆变器的主开的高低逻辑电平经分配与放大后去驱动逆变器的主开关元件，即可使逆变器输出与已调制波相似的关元件，即可使逆变器输出与已调制波相似的SPWM电压波形电压波形 （3k1）次谐波都是有害的谐波，应设法消除或削弱，且对同样电次谐波都是有害的谐波，应设法消除或削弱，且对同样电压幅值的谐波，谐波的频率越低，谐波电流就越大，危害就越大压幅值的谐波，谐波的频率越低，谐波电流就越大，危害就越大 3k次电压谐波次电压谐波Y接电机中，接
38、电机中，3k次谐波电流不能流通，次谐波电流不能流通，3k次谐波电压无害次谐波电压无害。SPWM波形有单极性波形有单极性(下图下图a，b)，双极性，双极性(下图下图c，d)实现单极性波形的主电路如右：实现单极性波形的主电路如右：单极性单极性SPWM波形的数学表达式：波形的数学表达式：实现双极性实现双极性SPWM波形的主电路波形的主电路双极性波双极性波形的数学形的数学表达式表达式4双极性双极性SPWM波形数学分析波形数学分析（1）基波分量大小与调制比）基波分量大小与调制比 把上式展成傅立叶级数，有：把上式展成傅立叶级数，有：记做：记做：u的直流分量；的直流分量；SPWM波形上、下对称，波形上、下对
39、称，u的的 次谐波的幅值次谐波的幅值 u的的 次谐波的相位角次谐波的相位角 定义调制系数定义调制系数M为：为：记载波比记载波比N为：为：当当N15时，计算不同调制系数时，计算不同调制系数M的基波及主的基波及主要高次谐波的相对值要高次谐波的相对值 ，如右图，如右图 得到的结论是：得到的结论是：(a)基波分量与调制系数成正比基波分量与调制系数成正比 只要改变参考正弦波的幅值，就可以改变输出只要改变参考正弦波的幅值，就可以改变输出SPWM波形中基波分量幅值，且该幅值与调制波形中基波分量幅值，且该幅值与调制系数成正比系数成正比（b）小于（）小于（N-2）次的谐波电压全都为零，消除了（）次的谐波电压全都
40、为零，消除了（N-2）次以下的全部）次以下的全部低次谐波低次谐波（1）基波分量大小与调制比）基波分量大小与调制比 基波基波相电压相电压（2）PWM电压波形的谐波不可消除性电压波形的谐波不可消除性对双极性对双极性SPWM波形，可得波形，可得：所有谐波分量平方和的表达式为：所有谐波分量平方和的表达式为：对双极性对双极性SPWM电压波形，基波以外的各次谐波幅值的平方和只与调电压波形，基波以外的各次谐波幅值的平方和只与调制系数有关。从这个意义上来说，制系数有关。从这个意义上来说，PWM电压波形中的谐波是不可消除的电压波形中的谐波是不可消除的 设计设计SPWM调制方案时提供了一个应遵循的原则调制方案时提
41、供了一个应遵循的原则减小或消除危害减小或消除危害大的谐波（如大的谐波（如5、7次），增大无害的谐波（如次），增大无害的谐波（如3倍频的谐波）倍频的谐波）SPWM调制消除谐波调制消除谐波影响的原理：追求影响的原理：追求SPWM电压所产生的电压所产生的电流接近于正弦电流接近于正弦 a)双极性调制双极性调制 b)单极性调制单极性调制 保持载波比保持载波比 常数。常数。5 5同步调制与异步调制同步调制与异步调制同步调制同步调制 异步调制异步调制 一般取一般取N为为3的倍数。这样三相波形可互差的倍数。这样三相波形可互差120，且最大幅值的谐波无害。，且最大幅值的谐波无害。若取若取3的奇数倍，能保证输出波
42、形正、负半波对称。的奇数倍，能保证输出波形正、负半波对称。保持载波频率保持载波频率 不变不变，载波比，载波比N不为常数，不为常数，优点优点：使低频时载波比增大，解决了较低次数的谐波问题。使低频时载波比增大，解决了较低次数的谐波问题。缺点：缺点：一般不能满足一般不能满足N为为3的倍数的要求，电流谐波较大，且难以保持正、的倍数的要求，电流谐波较大，且难以保持正、负半波以及三相之间的对称性，特别在输出的基波频率较高时。负半波以及三相之间的对称性，特别在输出的基波频率较高时。载波频率载波频率 变变 化。化。分段调制分段调制 分段调制是将同步、异步调分段调制是将同步、异步调制相结合，的一种调制方法。制相
43、结合，的一种调制方法。其规律如右图：其规律如右图：这种方式既保持了同步调这种方式既保持了同步调制下波形对称、运行稳定制下波形对称、运行稳定的优点，又解决了低频运的优点，又解决了低频运行时谐波增大的弊病行时谐波增大的弊病 直流电压利用率直流电压利用率：对于某一确定的直流母线电压在某种调制方式下对于某一确定的直流母线电压在某种调制方式下逆变器能输出的最大三相交流线电压的基波分量有效值的大小逆变器能输出的最大三相交流线电压的基波分量有效值的大小。基值的选取方法有：基值的选取方法有：以直流母线电压值以直流母线电压值Ud 作为基值作为基值以逆变器在不同调制方式能输出的最大值为基值以逆变器在不同调制方式能
44、输出的最大值为基值 6直流电压利用率及其提高办法直流电压利用率及其提高办法对三相桥式主电路，对三相桥式主电路，采用采用SPWMSPWM调制，调制，当当M M1 1时，时，SPWM调制虽然改善了输出电流的波形，削弱了有害谐波的影响，调制虽然改善了输出电流的波形，削弱了有害谐波的影响，但它是以降低直流电压利用率为代价但它是以降低直流电压利用率为代价经不控整流电路得到经不控整流电路得到的直流母线电压的直流母线电压 ：六拍方式工作时，是六拍方式工作时，是180 的交流方波电压，的交流方波电压，变频器输入线电压与输出线电压基波之间的关系：变频器输入线电压与输出线电压基波之间的关系：SPWM方式工作使直流
45、电压的利用率降低方式工作使直流电压的利用率降低，通常是在，通常是在M1之后，采之后，采用一定的措施来补充用一定的措施来补充SPWM调制的这个缺点，常用的方法有：调制的这个缺点，常用的方法有：不限制不限制 ，使，使M可以大于可以大于1，则其输出电压波形如图，则其输出电压波形如图 a）所示，当）所示，当M大到大到足够大时，则进入六拍方式工作足够大时，则进入六拍方式工作 在参考正弦波上叠加一个在参考正弦波上叠加一个3次谐波次谐波 用梯形波来替代参考正弦波，逐步加大梯边的斜率，如图用梯形波来替代参考正弦波，逐步加大梯边的斜率，如图 b)用用“馒头波馒头波”来替代正弦波，如图来替代正弦波，如图 c)干脆
46、采用干脆采用N1的方波工作方式（六拍式）的方波工作方式（六拍式）空间电压矢量控制空间电压矢量控制 提高直流利用率的方法提高直流利用率的方法 7SPWM波形的其它调制办法波形的其它调制办法按按SPWM调制的原理大致分类，有：调制的原理大致分类，有：正弦波与三角波比较产生正弦波与三角波比较产生电流跟踪控制（滞环比较）产生电流跟踪控制（滞环比较）产生指定谐波消除法指定谐波消除法空间电压矢量控制空间电压矢量控制（1）电流跟踪控制（滞环比较）电流跟踪控制（滞环比较）基本思路：基本思路：让控制电路直接去对输出电流的波形闭环控制，让其成为一个正弦波让控制电路直接去对输出电流的波形闭环控制，让其成为一个正弦波
47、 用模拟电路实现时，通常用滞环比较器，故又称滞环比较法生成用模拟电路实现时，通常用滞环比较器，故又称滞环比较法生成SPWM。其电路及电压、电流波形如下图：其电路及电压、电流波形如下图：电流跟踪控制时，逆变器仍是电压源型逆变器，只是采用了电流闭环控制而已，电流跟踪控制时，逆变器仍是电压源型逆变器，只是采用了电流闭环控制而已，因此，称电流控制方式的电压源型逆变器因此，称电流控制方式的电压源型逆变器（2）指定谐波消除法）指定谐波消除法图图a)是是180方波，无法调压。方波，无法调压。图图b)在在1/4周期内有一个开关点周期内有一个开关点1，可改变输出电压值，但不能，可改变输出电压值，但不能同时去消除
48、谐波。同时去消除谐波。图图c)在在1/4周期内有两个开关点，周期内有两个开关点，可调压，同时可去消除一个指定可调压，同时可去消除一个指定的谐波。的谐波。若有若有x个开关点，则可调压并消个开关点，则可调压并消去（去（x-1）个指定的谐波）个指定的谐波。以图以图7c)为例，让它满足调制系数为为例，让它满足调制系数为M，并消除并消除 次中的最低次谐波次中的最低次谐波5次谐次谐波。把波形展开成傅立叶级数，有：波。把波形展开成傅立叶级数，有：式中式中：根据要求应使根据要求应使 ，得方程：，得方程：由计算机数值可求得由计算机数值可求得 和和 SPWM波形生成的方法波形生成的方法SPWM波形生成的硬件电路大
49、致有波形生成的硬件电路大致有：由分立的模、数电路构成；由分立的模、数电路构成；主要部件由专用大规模集成主要部件由专用大规模集成IC电路构成；电路构成；由单片机或由单片机或DSP软件产生；软件产生；由上面三种电路的二种或三种混合构成由上面三种电路的二种或三种混合构成。HEF4752V是一个是一个数字电路，内部主要数字电路，内部主要是三个计数器及一个是三个计数器及一个译码器，内部结构框译码器，内部结构框图及其主要的用法如图及其主要的用法如下图所示。采用分段下图所示。采用分段同步调制。同步调制。CW正、反转控制，正、反转控制，0正转，正转，1反转反转 RCT时钟输入，设置最大开关频率时钟输入，设置最
50、大开关频率 OCT输入频率输入频率FCT输入频率输入频率，决定输出频率，决定输出频率 VCT输入频率输入频率，决定输出电压，决定输出电压主要部件由专用大主要部件由专用大规模集成规模集成IC电路构成电路构成 K 与与OCT配合配合L“0”封锁封锁 其输入信号有其输入信号有7个，个，4个输入是脉冲列，个输入是脉冲列，3个输入是开关量：个输入是开关量：设置死区时间设置死区时间在单片机内通过实时计算去求解正弦波与三角波的交点而得到开关点的在单片机内通过实时计算去求解正弦波与三角波的交点而得到开关点的方法称之为方法称之为“自然采样法自然采样法”实际应用中都采用把正弦曲线经过近似简化的实际应用中都采用把正