交流變頻調速系統(tǒng)

1、第三章 交壓變頻調速系統(tǒng) 第一節(jié)第一節(jié) 變頻調速技術的發(fā)展及應用變頻調速技術的發(fā)展及應用第二節(jié)第二節(jié) 變頻調速系統(tǒng)的工作原理變頻調速系統(tǒng)的工作原理第四節(jié)第四節(jié) 晶閘管變頻調速系統(tǒng)晶閘管變頻調速系統(tǒng)第五節(jié)第五節(jié) 正弦波脈寬調制技術正弦波脈寬調制技術第三節(jié)第三節(jié) 變頻調速系統(tǒng)無逆變電路變頻調速系統(tǒng)無逆變電路第一節(jié)第一節(jié) 變頻技術的發(fā)展及應用變頻技術的發(fā)展及應用什么叫變頻什么叫變頻?變頻器有什么特點？變頻器有什么特點？變頻調速就是通過變頻器將固定頻率和固定電壓變頻調速就是通過變頻器將固定頻率和固定電壓的交流電源轉化為能在寬廣的范圍內電壓和頻率的交流電源轉化為能在寬廣的范圍內電壓和頻率均可調的變頻電源

2、。均可調的變頻電源。優(yōu)點：調速范圍寬，自身損耗少，系統(tǒng)的功率因優(yōu)點：調速范圍寬，自身損耗少，系統(tǒng)的功率因數(shù)和效率高，節(jié)電效果明顯。數(shù)和效率高，節(jié)電效果明顯。缺點：價格昂貴，輸出信號非正弦，含各種諧波，缺點：價格昂貴，輸出信號非正弦，含各種諧波，會出現(xiàn)發(fā)熱、振動和噪聲等一系列不良影響。會出現(xiàn)發(fā)熱、振動和噪聲等一系列不良影響。0.1-130Hz0.1-130Hz范圍內可調范圍內可調為什么頻率和電壓均可調，而我們所需要的為什么頻率和電壓均可調，而我們所需要的其實只是頻率，能不能只變頻率呢？其實只是頻率，能不能只變頻率呢？22cosmTkI11 14.44uf N k上述兩種情況實際運行中都不允許出現(xiàn)

3、。上述兩種情況實際運行中都不允許出現(xiàn)。因此，變頻器不能只改變因此，變頻器不能只改變f f1 1一個物理量！一個物理量！解決方法: 頻率f1和供電電壓u1配合調節(jié)f f1 1增大則磁通減小，從而會使得增大則磁通減小，從而會使得電磁轉矩減小，對于恒轉矩負載電磁轉矩減小，對于恒轉矩負載則會出現(xiàn)而帶不動負載的現(xiàn)象。則會出現(xiàn)而帶不動負載的現(xiàn)象。如果如果f f1 1減小，則會使得主磁通趨于飽和從而使減小，則會使得主磁通趨于飽和從而使得勵磁電流急劇增大。得勵磁電流急劇增大。變頻調速的現(xiàn)狀：變頻調速的現(xiàn)狀：風機、泵類所用風機、泵類所用55kW55kW變頻器市場價變頻器市場價1800018000元，元，160k

4、W:52000160kW:52000元左右，元左右，280kW:90000280kW:90000元左右，平均元左右，平均320320350350元元/kW/kW，如果系統(tǒng)的節(jié)電率是，如果系統(tǒng)的節(jié)電率是30%30%，半年，半年內可收回投資，內可收回投資， 進步快，成績大，產品可靠性和工藝水平與國進步快，成績大，產品可靠性和工藝水平與國外有較大差距，自行開發(fā)和生產的能力較弱，外有較大差距，自行開發(fā)和生產的能力較弱，中小功率的變頻器臺數(shù)多，總體容量不大。中小功率的變頻器臺數(shù)多，總體容量不大。國內市場上流行的通用變頻器多達幾十種，如歐國內市場上流行的通用變頻器多達幾十種，如歐美國家的品牌有西門子、美國

5、家的品牌有西門子、ABBABB、SchneiderSchneider（施耐（施耐德）、德）、SIEISIEI（西威）等；日本產的品牌有富士、（西威）等；日本產的品牌有富士、三菱、日立、松下、東芝、等；韓國生產的三菱、日立、松下、東芝、等；韓國生產的LGLG、三星、現(xiàn)代等；三星、現(xiàn)代等；港澳臺地區(qū)的品牌有普傳、臺安、臺達、東元、正港澳臺地區(qū)的品牌有普傳、臺安、臺達、東元、正頻、寧茂、九德松益、愛德利等；國產的品牌有康頻、寧茂、九德松益、愛德利等；國產的品牌有康沃、安邦信、惠豐、森蘭、阿爾法、時代、格立特、沃、安邦信、惠豐、森蘭、阿爾法、時代、格立特、海利、佳靈、富凌、英威騰等。海利、佳靈、富凌、

6、英威騰等。常見的變頻器產品及特點常見的變頻器產品及特點歐美國家的產品以性能先進、適應環(huán)境性強而著稱；歐美國家的產品以性能先進、適應環(huán)境性強而著稱；日本產品則以外形小巧、功能多而聞名；日本產品則以外形小巧、功能多而聞名；港澳臺地區(qū)的產品以符合國情、功能簡單實用而流行；港澳臺地區(qū)的產品以符合國情、功能簡單實用而流行；國產變頻器則以大眾化、功能簡單、專用、價格低的國產變頻器則以大眾化、功能簡單、專用、價格低的優(yōu)勢而獲得廣泛應用。優(yōu)勢而獲得廣泛應用。變頻器的發(fā)展趨勢：變頻器的發(fā)展趨勢：低電磁噪音化低電磁噪音化：變頻器都要求在抗干擾和抑制：變頻器都要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合高次諧波方面符合EMC

7、EMC國際標準國際標準 專用化專用化：更好發(fā)揮變頻器的獨特功能并盡可能：更好發(fā)揮變頻器的獨特功能并盡可能地方便用戶地方便用戶 主控一體化主控一體化：使逆變功率和控制電路達到一體化：使逆變功率和控制電路達到一體化 小型化小型化：就是向發(fā)熱挑戰(zhàn)，功率器件發(fā)熱的改善：就是向發(fā)熱挑戰(zhàn)，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術的發(fā)展已成為小型化的重要原因和冷卻技術的發(fā)展已成為小型化的重要原因系統(tǒng)化系統(tǒng)化：通用變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、：通用變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多功能向集中型發(fā)展多功能向集中型發(fā)展功率部件：高電壓，大電流功率部件：高電壓，大電流控制部件：數(shù)字化及軟硬件電路的開發(fā)控制部件：數(shù)字化及軟硬

8、件電路的開發(fā)總結起來就是兩個部分：總結起來就是兩個部分：第二節(jié)第二節(jié) 變頻調速的原理及基本控制方式變頻調速的原理及基本控制方式一一.原理及控制方式的分類原理及控制方式的分類1.1.異步電動機的轉速：異步電動機的轉速：1160(1)(1)pfnnssn改變電源頻率，同步轉速發(fā)生改變，從而改變電改變電源頻率，同步轉速發(fā)生改變，從而改變電動機的轉速。動機的轉速。由電機學知由電機學知11114.44Ef N K/22cosemmTCI如果忽略定子上的電阻壓降，則有如果忽略定子上的電阻壓降，則有 11 1111114.44UR IEEf N K111111114.444.44EUf N Kf N K2

9、2、變頻調速的基本控制方式、變頻調速的基本控制方式由上面推導出來的式子可知，只要控制好由上面推導出來的式子可知，只要控制好 U U1 1 和和 f f1 1 ，便可達到控制磁通，便可達到控制磁通 的目的，的目的，對此，需要考慮對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下基頻（額定頻率）以下和和基基頻以上頻以上兩種情況。兩種情況。a、基頻以下的變頻控制方式、基頻以下的變頻控制方式即：氣隙磁通感應電勢與頻率之比為常數(shù)即：氣隙磁通感應電勢與頻率之比為常數(shù) 基頻基頻以下以下常采用常采用恒磁通恒磁通變頻控制方式。變頻控制方式。（1）保持）保持不變，則當頻率不變，則當頻率f1從額定值從額定值f1e向下調節(jié)時，向下調

10、節(jié)時，須同時降低須同時降低U1，使，使U1 /f1=常數(shù)。常數(shù)。（2）因感應電勢難以直接控制，忽略定子壓降，認為定子）因感應電勢難以直接控制，忽略定子壓降，認為定子相電壓相電壓U1E1， 則則U1/f1=常數(shù)。這就是恒壓頻比的變頻控制常數(shù)。這就是恒壓頻比的變頻控制方式。基頻以下如果采用恒電壓的控制方式，因為頻率和方式?；l以下如果采用恒電壓的控制方式，因為頻率和磁通的變化趨勢相反，頻率低于基頻就會使得磁通趨于飽磁通的變化趨勢相反，頻率低于基頻就會使得磁通趨于飽和磁通，從而引起過大的勵磁電流，因此只能采用恒磁通和磁通，從而引起過大的勵磁電流，因此只能采用恒磁通的控制方式。的控制方式。 b b、基

11、頻以上的變頻控制方式、基頻以上的變頻控制方式在基頻以上時，頻率可從在基頻以上時，頻率可從f f1N1N往上增高，但電壓往上增高，但電壓U U1 1卻卻不能增加得比額定電壓不能增加得比額定電壓U U1N1N大，一般保持大，一般保持U U1 1= =U U1N1N，使，使磁通與頻率成反比地降低，相當于直流電機弱磁升磁通與頻率成反比地降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。速的情況。 NffNNmKNfU11111144. 4恒電壓的控制方式用于基頻以上的變頻系統(tǒng)中，此時恒電壓的控制方式用于基頻以上的變頻系統(tǒng)中，此時電壓恒定，磁通會從額定值電壓恒定，磁通會從額定值N向下調節(jié)。向下調節(jié)。c、恒電流的變頻控

12、制方式、恒電流的變頻控制方式如果在變頻調速的過程中，如果始終保持定子的如果在變頻調速的過程中，如果始終保持定子的電流幅值恒定，即：電流幅值恒定，即：I I1 1=const=const，這種控制方式稱，這種控制方式稱為恒電流控制方式。為恒電流控制方式。該控制方式的過載能力比較差而不太常用。該控制方式的過載能力比較差而不太常用。二二.各控制方式的機械特性各控制方式的機械特性1.1.恒磁通控制方式的機械特性恒磁通控制方式的機械特性 分析機械特性通常需要求出該情況下的最大分析機械特性通常需要求出該情況下的最大電磁轉矩電磁轉矩T Tm m及對應的臨界轉差率及對應的臨界轉差率S Sm m。根據(jù)表達式。根

13、據(jù)表達式來畫出調頻調速的機械特性曲線族。來畫出調頻調速的機械特性曲線族。2p12me22m12111203/n U rsPTrrXXs異步電動機電磁轉矩一般方程為：異步電動機電磁轉矩一般方程為：求解求解0edTds2221120+mrsrxx1201xxr求得：求得：2p1m221112034+1n UTfrrxx當運行的頻率較高時，參數(shù)當運行的頻率較高時，參數(shù)22p1p1m120120334()4*2()111n Un UTfxxff LLp2121203*()8()1nUCONSTLLf即當系統(tǒng)的頻率較高時，電磁轉矩的最大值保持恒定即當系統(tǒng)的頻率較高時，電磁轉矩的最大值保持恒定212112

14、012060602()2 ()pprfrf LLnLLn21211221201120+mr nr nns nxxrxx可以看出轉速降與頻率的大小無關，調速特性可以看出轉速降與頻率的大小無關，調速特性曲線是相互平行的。曲線是相互平行的。電動機的轉速降為：電動機的轉速降為：1201xxr當運行的頻率較低時，參數(shù)當運行的頻率較低時，參數(shù)22p1p1m121133*4*2811n UnUTffrrf最大電磁轉矩隨著頻率的降低而減少。最大電磁轉矩隨著頻率的降低而減少。此時的轉速降此時的轉速降212111160*mpr nrfns nrrn轉速降隨頻率的增大而增大。轉速降隨頻率的增大而增大。但此時機械特性

15、曲線的但此時機械特性曲線的斜率并不發(fā)生改變：斜率并不發(fā)生改變：mnconstT根據(jù)上面的推導，得出變頻調速基頻下調速根據(jù)上面的推導，得出變頻調速基頻下調速時的機械特性曲線族如下：時的機械特性曲線族如下：但是前面的推導只是頻率較大時最大電磁轉但是前面的推導只是頻率較大時最大電磁轉矩不變化，而頻率較小時，最大電磁轉矩隨矩不變化，而頻率較小時，最大電磁轉矩隨頻率減小而降低。頻率減小而降低。因此得出的機械特性曲線修改如下：因此得出的機械特性曲線修改如下：nN0n01n02n03n0eT1N1113121312111N對于恒轉矩性質的負載則希望對于恒轉矩性質的負載則希望T Tm m保持不變。保持不變。為

16、什么低頻的時候為什么低頻的時候T Tm m會隨頻率的變化而變化呢會隨頻率的變化而變化呢? ?由于低頻時定子相電阻上的壓降相對增大，從由于低頻時定子相電阻上的壓降相對增大，從而無法保持電動機的氣隙磁通保持恒定，啟動而無法保持電動機的氣隙磁通保持恒定，啟動的時候啟動轉矩也減小，有時候還會出現(xiàn)帶不的時候啟動轉矩也減小，有時候還會出現(xiàn)帶不動負載的現(xiàn)象。動負載的現(xiàn)象。解決方法：解決方法：在控制回路中加入一個函在控制回路中加入一個函數(shù)發(fā)生器，補償定子電阻數(shù)發(fā)生器，補償定子電阻上的壓降，從而提升上的壓降，從而提升U U1 1.OU1f 1U1Nf 1Na 無補償無補償 b 帶定子壓降補償帶定子壓降補償 補償

17、定子壓降后的特性nN0n01n02n03n0eT1N1113121312111N補償后盡量保持不同轉速下的最大電磁轉矩值相同。補償后盡量保持不同轉速下的最大電磁轉矩值相同。從而也提高了系統(tǒng)帶負載的能力。從而也提高了系統(tǒng)帶負載的能力。2.恒電壓控制方式的機械特性恒電壓控制方式的機械特性 在基頻在基頻f f1N1N以上變頻時，電壓以上變頻時，電壓U U1 1= =U U1N1N不變。其機械不變。其機械特性同樣來分析最大電磁轉矩、相應的轉差率及特性同樣來分析最大電磁轉矩、相應的轉差率及轉速降。轉速降。 2221120+mrsrxx2p1m221112034+1n UTfrrxx電壓恒定電壓恒定當運行

18、的頻率較高時當運行的頻率較高時122pp12m2120120331*()4()8()N11n Un UTfxxLLf轉速降任然是與頻率大小無關的常數(shù)。轉速降任然是與頻率大小無關的常數(shù)。但是此時但是此時21mnfT說明調速機械特性的曲線斜率隨著頻率的升高而增大。說明調速機械特性的曲線斜率隨著頻率的升高而增大。得出相對應的機械特性曲線如下圖：得出相對應的機械特性曲線如下圖： 由圖可見，當頻率由圖可見，當頻率1提高時，同步轉速隨之提高時，同步轉速隨之提高，最大轉矩減小，提高，最大轉矩減小，機械特性上移；轉速降機械特性上移；轉速降落隨頻率的提高而增大，落隨頻率的提高而增大，特性斜率稍變大，其它特性斜率

19、稍變大，其它形狀基本相似。形狀基本相似。當電壓當電壓U U1 1=U=U1N1N時的變頻調速具有近似恒功率的特性時的變頻調速具有近似恒功率的特性1c1b1c1b1a1NOutOut等幅不等寬的脈沖序列等效正弦波的方式等幅不等寬的脈沖序列等效正弦波的方式調制方式的分類：調制方式的分類：按載波分：有三角波和鋸齒波兩類按載波分：有三角波和鋸齒波兩類按調制波分：有正弦波、梯形波和鞍形波按調制波分：有正弦波、梯形波和鞍形波其中三角波調制又稱為雙極性調制其中三角波調制又稱為雙極性調制 鋸齒波調制稱為單極性調制鋸齒波調制稱為單極性調制按調制信號和載波信號的頻率關系來分：分為按調制信號和載波信號的頻率關系來分

20、：分為同步調制和異步調制。同步調制和異步調制。在一個調制信號周期內所包含的載波的個數(shù)為在一個調制信號周期內所包含的載波的個數(shù)為載波頻率比，記為載波頻率比，記為N N三相電路中每相之間相差三相電路中每相之間相差120120，我們?yōu)榱吮ＷC三，我們?yōu)榱吮ＷC三相之間的相互對稱，載波頻率比相之間的相互對稱，載波頻率比N N通常取通常取3 3的整數(shù)倍。的整數(shù)倍。通過改變脈沖的不同寬度可以控制逆變器輸出交流通過改變脈沖的不同寬度可以控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值，通過改變調制周期可以控制其輸基波電壓的幅值，通過改變調制周期可以控制其輸出頻率，從而同時實現(xiàn)變壓和變頻。出頻率，從而同時實現(xiàn)變壓和變頻。一、取樣

21、脈寬調制方式一、取樣脈寬調制方式1、單極性調制和雙極性調制、單極性調制和雙極性調制單極性調制：調制過程中調制波和載波始終保持單極性調制：調制過程中調制波和載波始終保持同極性的關系。同極性的關系。鋸齒波的極性始終保持為正值，調制波鋸齒波的極性始終保持為正值，調制波(通常為正弦通常為正弦波波)正半周期時與載波同極性，負半周期時，則要先正半周期時與載波同極性，負半周期時，則要先通過倒相器將調制波變?yōu)檎?，再與載波同極性進通過倒相器將調制波變?yōu)檎担倥c載波同極性進行單極性調制。行單極性調制。單極性調制的正弦脈寬調制波形圖：單極性調制的正弦脈寬調制波形圖：urucuOtOtuouofuoUd- Ud表

22、示uo的基波分量調制信號的幅值不能超過載波的幅值，否則得調制信號的幅值不能超過載波的幅值，否則得不到脈寬與其對應正弦波下的積分面積成正比不到脈寬與其對應正弦波下的積分面積成正比的脈沖信號。的脈沖信號。調制波大于載波時輸出正的脈沖信號；調制波大于載波時輸出正的脈沖信號；調制波小于載波時輸出零信號或者負的脈沖信號。調制波小于載波時輸出零信號或者負的脈沖信號。單極性調制時，為了保證每相波形的正負半波對稱，單極性調制時，為了保證每相波形的正負半波對稱，載波頻率比載波頻率比N N必須是偶數(shù)，否則的話，會出現(xiàn)波形正負必須是偶數(shù)，否則的話，會出現(xiàn)波形正負辦波不對稱，而出現(xiàn)偶次諧波。辦波不對稱，而出現(xiàn)偶次諧波

23、。雙極性調制的正弦脈寬調制波形圖：雙極性調制的正弦脈寬調制波形圖：三角波為載波時為雙極性調制，即載波型號與調三角波為載波時為雙極性調制，即載波型號與調制信號的極性隨時間不斷正、負變化。制信號的極性隨時間不斷正、負變化。urucuOtOtuouofuoUd- Ud為了保證雙極性調制的正負半波對稱，載為了保證雙極性調制的正負半波對稱，載波頻率比必須為奇數(shù)波頻率比必須為奇數(shù)雙極性調制的三相雙極性調制的三相SPWMSPWM波形波形逆變器的載波比逆變器的載波比N定義定義為載波頻率為載波頻率ft與調制波頻率與調制波頻率f r之比。即之比。即N=rtff2.SPWM逆變器的同步調制和異步調制逆變器的同步調制

24、和異步調制視載波比的變化與否，有同步調制與異步調制之分。視載波比的變化與否，有同步調制與異步調制之分。a、同步調制：在改變、同步調制：在改變f r的同時成正比地改變的同時成正比地改變ft，使載，使載波比波比N=常數(shù)；常數(shù)；b、異步調制：整個變頻范圍內，載波比、異步調制：整個變頻范圍內，載波比N不等于常數(shù)。不等于常數(shù)。c、分段同步調制：將同步調制和異步調制結合起來，、分段同步調制：將同步調制和異步調制結合起來，成為分段同步調制方式成為分段同步調制方式載波比載波頻率f fc c與調制信號頻率fr之比，NN= = fc / fr載波和信號波是否同步及載波比的變化情況異步調制PWM調制方式分為同步調制

25、a. 異步調制載波信號和調制信號不同步的調制方式當信號頻率增高時，N減小，一周期內的脈沖數(shù)減少，使得輸出PWM波和正弦波差異變大通常保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的在信號波的半周期內，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱.(缺點)當信號頻率較低時，N較大，一周期內脈沖數(shù)較多，PWM波形接近正弦波.(優(yōu)點)ucur Uur Vur WuuU N uV N uW N uU NuU VUd- UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud32 Udb. 同步調制載波比N等于常數(shù)，在變頻時使載波與信號波保

26、持同步的調制方式，為使一相的PWM波正負半周對稱， N應取奇數(shù)在基本同步調制方式中，fr變化時N不變，信號波一周期內輸出脈沖數(shù)是固定，脈沖相位也是固定的三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出波形嚴格對稱圖6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Udl當逆變電路輸出頻率很低時，fc也很低， fc過低時由調制帶來的諧波不易濾除l當逆變電路輸出頻率很高時，同步調制時的載波頻率fc會過高，使開關器件難以承受分段同步調制分段同步調制把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持N恒定，不同頻段的N不同在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率

27、不致過高，限制功率開關器件允許的范圍在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低而對負載產生不利影響00.40.81.21.62.02.410 20 30 40 50 60 70 802011479969453321圖6-11fr /Hzfc /kHzl為防止載波頻率在切換點附近來回跳動，采用滯后切換的方法l在不同的頻率段內，載波頻率的變化范圍基本一致，fc大約在1.42.0KHz之間 二、二、SPWMSPWM的實現(xiàn)方法的實現(xiàn)方法1、自然采樣法、自然采樣法2、規(guī)則采樣法、規(guī)則采樣法3、指定諧波消除法、指定諧波消除法調制深度：調制波和載波的峰值之比，記為調制深度：調制波和載波的峰值之比，記為M

28、 M。改變調制深度即可調節(jié)輸出電壓的幅值。改變調制深度即可調節(jié)輸出電壓的幅值。自然采樣法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率開關的通斷，這種生成SPWM波形的方法規(guī)則采樣法工程實用方法，效果接近自然采樣法，計算量比自然采樣法小得多缺點：實時計算工作量較大缺點：實時計算工作量較大,占用計算機的內存和時間。占用計算機的內存和時間。1 1、自然采樣法：、自然采樣法：按照按照SPWMSPWM控制的基本原理產控制的基本原理產生的生的PWMPWM波的方法，其求解波的方法，其求解復雜，難以在實時控制中在復雜，難以在實時控制中在線計算，工程應用不多。線計算，工程應用不多。脈沖中點

29、不和三角波脈沖中點不和三角波(負峰負峰點點)重合。重合。 規(guī)則采樣法原理原理2、規(guī)則采樣法、規(guī)則采樣法工程實用方法，效果接近自工程實用方法，效果接近自然采樣法，計算量小得多。然采樣法，計算量小得多。三角波兩個正峰值之間為三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期一個采樣周期T Ts s規(guī)則采樣法脈沖中點和三角波規(guī)則采樣法脈沖中點和三角波負峰點重合，大為減化計算。負峰點重合，大為減化計算。在在t tA A和和t tB B時刻控制開關器件的時刻控制開關器件的通斷。通斷。脈沖寬度脈沖寬度和用自然采樣法得和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。到的脈沖寬度非常接近。規(guī)則采樣法計算公式推導規(guī)則采樣法計算公式推導正

30、弦調制信號波r1sinuMt三角波一周期內，脈沖兩邊間隙寬度SS1 D1(1sin)24TTMtM稱為調制度調制度，0M1；1為信號角頻率從圖中可得,1 DS1sin2/ 2/ 2MtTs1 D(1sin)2TMt是是SPWMSPWM控制模式中比較有意義的算法。與前兩種控制模式中比較有意義的算法。與前兩種方法的思路截然不同。這種算法先確定變頻器要方法的思路截然不同。這種算法先確定變頻器要消除哪些指定的諧波，以這些次諧波為消除哪些指定的諧波，以這些次諧波為0 0作為約束作為約束條件，再通過解方程求解開關點，生成條件，再通過解方程求解開關點，生成SPWMSPWM波形。波形。3、指定諧波消除法、指定

31、諧波消除法缺點是方程十分難于求解。缺點是方程十分難于求解。下面舉例說明下面舉例說明例如上圖所示，只需要產生三脈沖波的單極性例如上圖所示，只需要產生三脈沖波的單極性SPWMSPWM波形，約束條件是消除波形，約束條件是消除5 5、7 7次諧波。次諧波。輸出三脈沖波的富氏級數(shù)為輸出三脈沖波的富氏級數(shù)為：其其k次諧波相電壓幅值的表達式為次諧波相電壓幅值的表達式為mkkUU1iiidkmcos) 1(212要消除第要消除第k k次諧波分量，只須令上式次諧波分量，只須令上式Ukm=0Ukm=0，并滿并滿足基波幅值為所要求的電壓值足基波幅值為所要求的電壓值常常希望消除影響最大的常常希望消除影響最大的 5 5

32、、7 7、1111、1313 次諧波，次諧波，就讓這些諧波電壓的幅值為零，并令基波幅為需要就讓這些諧波電壓的幅值為零，并令基波幅為需要值，代入下式可得一組三角函數(shù)的聯(lián)立方程。值，代入下式可得一組三角函數(shù)的聯(lián)立方程。需要值54321dm1cos2cos2cos2cos2cos212UU05cos25cos25cos25cos25cos215254321dm5UU07cos27cos27cos27cos27cos217254321dm7UU由于上述由于上述數(shù)值求解方法的復雜性數(shù)值求解方法的復雜性，而且對應于不同基，而且對應于不同基波頻率應有不同的基波電壓幅值，求解出的脈沖開關波頻率應有不同的基波電

33、壓幅值，求解出的脈沖開關時刻也不一樣，所以這種方法時刻也不一樣，所以這種方法不宜用于實時控制不宜用于實時控制，須，須用計算機離線求出開關角的數(shù)值，放入微機內存，以用計算機離線求出開關角的數(shù)值，放入微機內存，以備控制時調用。備控制時調用。梯形波脈寬調制：調制信號為梯形波。梯形波脈寬調制：調制信號為梯形波。之前介紹的調制信號都是正弦波，正弦波調制輸之前介紹的調制信號都是正弦波，正弦波調制輸出信號的諧波含量比較大。出信號的諧波含量比較大。優(yōu)點：高效率的抑制逆變器輸出諧波。優(yōu)點：高效率的抑制逆變器輸出諧波。當梯形波幅值和三角波幅值相等時，梯形波所含的基當梯形波幅值和三角波幅值相等時，梯形波所含的基波分

34、量幅值更大。波分量幅值更大。正弦波調制的三相正弦波調制的三相PWMPWM逆變電路，調制度逆變電路，調制度M M為為1 1時，輸時，輸出線電壓的基波幅值為出線電壓的基波幅值為 ，直流電壓利用率為，直流電壓利用率為0.8660.866，實際還更低。，實際還更低。dU) 2/ 3(ucurUurVurWuuUNOtOtOtOtuVNuUV梯形波為調制信號的PWM控制梯形波調制可以分為六個區(qū)域，從而方便寫出每梯形波調制可以分為六個區(qū)域，從而方便寫出每相在各個區(qū)域的表達式。相在各個區(qū)域的表達式。梯形波調制的缺點：梯形波調制的缺點：輸出波形中含輸出波形中含5 5次、次、7 7次等低次諧波次等低次諧波鞍形波

35、調制：逆變器輸出的電壓波形諧波得到進一步鞍形波調制：逆變器輸出的電壓波形諧波得到進一步改善，變頻器線性輸出線電壓幅值比正弦波調制時提改善，變頻器線性輸出線電壓幅值比正弦波調制時提高高15%15%，即最大的輸出線電壓能夠等于電網(wǎng)的輸入線電，即最大的輸出線電壓能夠等于電網(wǎng)的輸入線電壓壓脈寬調制專用芯片脈寬調制專用芯片SA866SA866SA866SA866是專為感應電機的是專為感應電機的PWMPWM控制設計的。它除了能控制設計的。它除了能產生合乎要求的產生合乎要求的PWMPWM脈沖外，還集成了完備的過流、脈沖外，還集成了完備的過流、過壓保護功能，并可在緊急情況如短路、過熱時快過壓保護功能，并可在緊

36、急情況如短路、過熱時快速關斷速關斷PWMPWM脈沖，保護逆變器和電機。它的最大特脈沖，保護逆變器和電機。它的最大特點是可以獨立運行，無需微處理器。它的輸出頻率點是可以獨立運行，無需微處理器。它的輸出頻率及加減速的快慢都可由外接電位器在線連續(xù)調節(jié)。及加減速的快慢都可由外接電位器在線連續(xù)調節(jié)。所有需定義的參數(shù)如載波頻率、死區(qū)時間、最小脈所有需定義的參數(shù)如載波頻率、死區(qū)時間、最小脈寬、調制波形等均存儲在外接的串行寬、調制波形等均存儲在外接的串行EEPROMEEPROM中，上中，上電時自動讀入電時自動讀入SA866SA866。 第五節(jié)第五節(jié) 跟蹤型脈寬調制技術跟蹤型脈寬調制技術取樣法：取樣法： 從電源

37、角度出發(fā)，考慮如何生成一個可從電源角度出發(fā)，考慮如何生成一個可調頻調壓的三相對稱正弦波。調頻調壓的三相對稱正弦波。跟蹤法：跟蹤法： 從電動機的角度出發(fā)，考慮如何讓電動從電動機的角度出發(fā)，考慮如何讓電動機獲得理想的電流或磁場。機獲得理想的電流或磁場。根據(jù)跟蹤的目標不同有：電流跟蹤型和磁鏈跟蹤型。根據(jù)跟蹤的目標不同有：電流跟蹤型和磁鏈跟蹤型。跟蹤型跟蹤型PWMPWM變流電路中，電流跟蹤控制應用最多。變流電路中，電流跟蹤控制應用最多。1 1、滯環(huán)電流跟蹤型、滯環(huán)電流跟蹤型一、電流跟蹤型一、電流跟蹤型PWMPWM變頻變頻電流跟蹤型電流跟蹤型PWMPWM單相電路單相電路負載L+圖6-22-iii*VD1

38、VD2V1V22Ud2Ud基本原理基本原理把指令電流把指令電流i i* *和實際輸出電流和實際輸出電流i i的偏差的偏差i i* *- -i i作為滯環(huán)比較器的輸入。作為滯環(huán)比較器的輸入。V V1 1（或（或VDVD1 1）通時，）通時，i i增大增大V V2 2（或（或VDVD2 2）通時，）通時，i i減小減小通過環(huán)寬為通過環(huán)寬為2 2I I的滯環(huán)比較器的控制，的滯環(huán)比較器的控制，i i就就在在i i* *+ + I I和和i i* *- - I I的范圍內，呈鋸齒狀地的范圍內，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流跟蹤指令電流i i* *。這樣的電路又稱為電流控制型電壓源這樣的電路又稱為電流控制型電壓源

39、PWMPWM逆變器，逆變器，它兼有電流源型和電壓源型逆變器的優(yōu)點。它兼有電流源型和電壓源型逆變器的優(yōu)點。tOiii*+ D Ii*-D Ii*參數(shù)的影響參數(shù)的影響環(huán)寬過寬時，開關頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過窄時，環(huán)寬過寬時，開關頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過窄時，跟蹤誤差小，但開關頻率過高，開關損耗增大。跟蹤誤差小，但開關頻率過高，開關損耗增大。L L大時，大時，i i的變化率小，跟蹤慢；的變化率小，跟蹤慢；L L小時，小時，i i的變化率大，開關頻率過高。的變化率大，開關頻率過高。電源電壓電源電壓E E越大電流上升和下降的速度越快，頻率越高越大電流上升和下降的速度越快，頻率越高三相電流跟蹤型PWM

40、逆變電路輸出波形 三相電流跟蹤型PWM逆變電路采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWMPWM變流電路有變流電路有如下如下特點特點：（1 1）硬件電路簡單，工作可靠。硬件電路簡單，工作可靠。 （2 2）實時控制，電流響應快，諧波小。）實時控制，電流響應快，諧波小。（3 3）不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波。）不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波。 （4 4）和計算法及調制法相比，相同開關頻率時輸出）和計算法及調制法相比，相同開關頻率時輸出 電流中高次諧波含量多。電流中高次諧波含量多。 （6 6）閉環(huán)控制，是各種跟蹤型）閉環(huán)控制，是各種跟蹤型PWMPWM變流電

41、路的共同特點變流電路的共同特點 （5 5）系統(tǒng)運行不受負載參數(shù)的影響，實現(xiàn)方便。）系統(tǒng)運行不受負載參數(shù)的影響，實現(xiàn)方便。把逆變器和交流電動機視為一體，按照跟蹤圓形把逆變器和交流電動機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉磁場來控制逆變器的工作，這種控制方法稱旋轉磁場來控制逆變器的工作，這種控制方法稱作作“磁鏈跟蹤控制磁鏈跟蹤控制”，磁鏈的軌跡是交替使用不，磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱同的電壓空間矢量得到的，所以又稱“電壓空間電壓空間矢量矢量PWMPWM（SVPWMSVPWM，Space Vector PWMSpace Vector PWM）控制）控制”。二、磁鏈跟蹤型二、磁鏈跟蹤

42、型PWMPWM變頻變頻保持定子磁鏈不變化，即實現(xiàn)定子磁鏈對給定值保持定子磁鏈不變化，即實現(xiàn)定子磁鏈對給定值的動態(tài)跟蹤。的動態(tài)跟蹤。ssss()rdtuIssTkIssssddrtuI保持磁通不變則可通過調節(jié)定子電流來改變電磁轉矩從保持磁通不變則可通過調節(jié)定子電流來改變電磁轉矩從而控制電機的轉速。而控制電機的轉速。定子電流的調節(jié)又可以通過改變定子繞組端電壓來實現(xiàn)定子電流的調節(jié)又可以通過改變定子繞組端電壓來實現(xiàn)s s開開關關模模式式選選擇擇PWM逆變逆變器器M計算器計算器（比較（比較器）器）IsUss sTT控制系統(tǒng)的原理框圖為：控制系統(tǒng)的原理框圖為：)2( jm1jm1jms111eej)e(d

43、dttttussss()rdtuIt1jmset dssut ddssu 磁場軌跡與電壓空間矢量運動軌跡的關系磁場軌跡與電壓空間矢量運動軌跡的關系 如圖所示，當磁如圖所示，當磁鏈矢量在空間旋轉一周鏈矢量在空間旋轉一周時，電壓矢量也連續(xù)地時，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運按磁鏈圓的切線方向運動動2 2 弧度，其軌跡與磁弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。鏈圓重合。 這樣，電動機旋這樣，電動機旋轉磁場的軌跡問題就可轉磁場的軌跡問題就可轉化為電壓空間矢量的轉化為電壓空間矢量的運動軌跡問題運動軌跡問題。 六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉磁場在常規(guī)的在常規(guī)的 PWM PWM 變壓變頻調速系統(tǒng)中，異步變壓變

44、頻調速系統(tǒng)中，異步電動機由六拍階梯波逆變器供電，這時的電動機由六拍階梯波逆變器供電，這時的電壓空間矢量運動軌跡是怎樣的呢？電壓空間矢量運動軌跡是怎樣的呢？ 開關工作狀態(tài)開關工作狀態(tài) 如果，圖中的逆變器采用如果，圖中的逆變器采用180180導通型，功率導通型，功率開關器件共有開關器件共有8 8種工作狀態(tài)，其中種工作狀態(tài)，其中l(wèi)6 6 種有效開關狀態(tài)；種有效開關狀態(tài)；l2 2 種無效狀態(tài)（因為逆變器沒有輸出電壓）：種無效狀態(tài)（因為逆變器沒有輸出電壓）： 上橋臂開關上橋臂開關 VT1VT1、VT3VT3、VT5 VT5 全部導通全部導通下橋臂開關下橋臂開關 VT2VT2、VT4VT4、VT6 VT6

45、 全部導通全部導通開關狀態(tài)表開關狀態(tài)表 開關控制模式開關控制模式 對于六拍階梯波的逆變器，在其輸出的每個對于六拍階梯波的逆變器，在其輸出的每個周期中周期中6 6 種有效的工作狀態(tài)各出現(xiàn)一次。逆變器種有效的工作狀態(tài)各出現(xiàn)一次。逆變器每隔每隔 /3 /3 時刻就切換一次工作狀態(tài)（即換相），時刻就切換一次工作狀態(tài)（即換相），而在這而在這 /3 /3 時刻內則保持不變。時刻內則保持不變。 u1u2u3u4u5u6u7 u8這樣，在一個周期中這樣，在一個周期中 6 6 個電壓空間矢量共轉過個電壓空間矢量共轉過 2 2 弧度，形成一個封弧度，形成一個封閉的正六邊形，如圖所閉的正六邊形，如圖所示。示。 隨著

46、逆變器工作狀態(tài)的切換，電壓空間隨著逆變器工作狀態(tài)的切換，電壓空間矢量的幅值不變，而相位每次旋轉矢量的幅值不變，而相位每次旋轉 /3/3 ，直到一個周期結束。，直到一個周期結束。六拍逆變器供電時電動機電壓六拍逆變器供電時電動機電壓空間矢量與磁鏈矢量的關系空間矢量與磁鏈矢量的關系 電壓空間矢量的6個扇區(qū)電壓空間矢量的放射形式和電壓空間矢量的放射形式和6 6個扇區(qū)個扇區(qū) u3(010) u4(011)u6(101)u1(100)u5(001) u0(000)u7(111)t1t2Uoutu2(110) 開關狀態(tài)順序原則開關狀態(tài)順序原則 在實際系統(tǒng)中，應該盡量減少開關狀態(tài)變在實際系統(tǒng)中，應該盡量減少開

47、關狀態(tài)變化時引起的開關損耗，因此不同開關狀態(tài)的順化時引起的開關損耗，因此不同開關狀態(tài)的順序必須遵守下述原則：序必須遵守下述原則：每次切換開關狀態(tài)時，每次切換開關狀態(tài)時，只切換一個功率開關器件，以滿足最小開關損只切換一個功率開關器件，以滿足最小開關損耗。耗。 第六節(jié)第六節(jié) 采用單片機控制的變頻調速系統(tǒng)采用單片機控制的變頻調速系統(tǒng)80C196MC80C196MC單片機單片機TMS320F2407A(TMS320F2407A(DSPDSP) )一般而言，一般而言，PWMPWM算法占用較多算法占用較多CPUCPU時間，若用軟件時間，若用軟件直接生成直接生成PWMPWM信號，需要采用多字長、運算速度高信

48、號，需要采用多字長、運算速度高的微處理器來實現(xiàn)高質量的信號輸出。本節(jié)介紹的微處理器來實現(xiàn)高質量的信號輸出。本節(jié)介紹兩種高性能微處理器的兩種高性能微處理器的PWMPWM信號生成方法：信號生成方法：80C196MC80C196MC是是IntelIntel公司專為三相電機變頻調速設公司專為三相電機變頻調速設計的計的1616位單片機。位單片機。 地址和數(shù)據(jù)總線都為地址和數(shù)據(jù)總線都為1616位位晶振頻率可達晶振頻率可達16M16M有有64K64K字節(jié)的程序存貯器和數(shù)據(jù)存貯器空間字節(jié)的程序存貯器和數(shù)據(jù)存貯器空間片內包括片內包括512512字節(jié)的字節(jié)的RAMRAM，160160字節(jié)的特殊功能寄字節(jié)的特殊功能

49、寄存器組存器組 1313路模擬輸入通道，路模擬輸入通道，2 2個個1616位定時器位定時器1 1個三相波形發(fā)生器（個三相波形發(fā)生器（WFGWFG）三相三相SPWMSPWM波形是由波形是由U U、V V、W W三個單相三個單相SPWMSPWM波形波形發(fā)生器生成。發(fā)生器生成。 外部中斷外部中斷保護請求保護請求外 部 中 斷 輸外 部 中 斷 輸入入各載波周期各載波周期中斷請求中斷請求U+tdtdU -td三角波發(fā)生三角波發(fā)生U相脈沖相脈沖比較及生成比較及生成脈寬值設定脈寬值設定死區(qū)時間死區(qū)時間發(fā)生器發(fā)生器死區(qū)互鎖，脈死區(qū)互鎖，脈沖分配與輸出沖分配與輸出方式控制方式控制保護電路保護電路系統(tǒng)的組成框圖

50、如下：系統(tǒng)的組成框圖如下：u限流電阻R0u為了避免大電容為了避免大電容C C在通電瞬間產在通電瞬間產生過大的充電電流，在整流器和濾生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時，先限阻（或電抗），通上電源時，先限制充電電流，再延時用開關制充電電流，再延時用開關K K將其將其短路，以免長期接入時影響變頻器短路，以免長期接入時影響變頻器的正常工作，并產生附加損耗。的正常工作，并產生附加損耗。泵升限制電路泵升限制電路由于二極管整流器不能為異步電機的再生制動提由于二極管整流器不能為異步電機的再生制動提供反向電流的通路，所以除特殊情況外，通用變供反向電流的通路，所以除特殊情況外，通用變頻器一般都用電阻吸收制動能量。減速制動時，頻器一般都用電阻吸收制動能量。減速制動時，異步電機進入發(fā)電狀態(tài)，首先通過逆變器的續(xù)流異步電機進入發(fā)電狀態(tài)，首先通過逆變器的續(xù)流二極管向電容二極管向電容C充電，當中間直流回路的電壓充電，當中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時，通過（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時，通過泵升限制電路使開關器件導通，將電機釋放的動泵升限