变频调速技术讲义.doc

变频调速控制技术 神东公司在石圪台矿地面胶带机和井下胶带机采用变频控制技术以来，陆续在锦界矿、补连塔矿和上湾矿采用变频技术控制地面和井下胶带机，在神东公司掀起一股变频控制的热潮。为了使大家对变频控制技术有一个初步的认识，特组织各矿机运队、运转队的操作人员和维修人员对变频控制技术的有关知识进行培训，希望大家对变频调速控制系统有个初步的认识，为今后的工作中更进一步了解、掌握变频控制技术打下基础，做到管好、用好变频器。本培训教材从变频控制技术的基础知识开始，对变频控制的功率元件、变频控制的基本理论和变频控制的实现等方面进行讲述，并接合神东公司变频控制的实际情况，有针对性地介绍西门子公司和ABB公司的变频器。从以下地表格，我们对整个变频器的生产厂家和安装地点有了一个大概的了解。其中地面胶带机均采用空冷中压变频器，为西门子公司的产品，而井下胶带机均为水冷低压变频器，为ABB公司的产品。由于采用了不同供应商的变频器，每种变频器均带有自身的一些特点，像西门子公司在控制上就采用矢量控制技术，而ABB的低压变频器则采用直接转矩控制技术，实现胶带机的控制。使用地点矿井 上仓胶带机主井胶带机大巷（集运）胶带机石圪台矿2.3kV 1X800kW西门子公司2.3kV 2X1000kW西门子公司690V 3X500kWABB公司（12煤北翼集中巷胶带机）690V 4X500kW ABB公司（22煤大巷胶带机）锦界煤矿690V 2X500kW西门子公司2.3kV 3X1600kW西门子公司690V 4X500kW ABB公司(锦界31煤大巷胶带机)补连塔矿690V 6X500kW ABB公司 （12煤四盘区集运胶带机）上湾煤矿690V 3X500kW ABB公司（12煤西二盘区集运胶带机）哈拉沟矿690V 6X500kW ABB公司（顺槽胶带机）石圪台洗煤厂2.3kV 1X800kW 西门子公司石圪台装车站2.3kV 2X800kW 西门子公司变频控制技术在不断发展中，我们需要对该技术的认识和掌握在不断地进行，也由于本人水平有限，书中难免出现纰漏，敬请指点。神东分公司设备管理中心 阴联民第一部分 变频器调速基础理论第一节 概述一变频技术在现代化生产中需要各种频率的交流电源，其主要用途是：（1）标准50Hz电源用于人造卫星、大型计算机等特殊要求的电源设备，对其频率、电压波形和幅值及电网干扰等参数，均有很高的精度要求。（2）不间断电源（UPS）平时电网对蓄电池充电，当电网发生故障停电时，将蓄电池的直流电逆变成50Hz的交流电，对设备临时供电。（3）中频装置广泛用于金属熔炼、感应加热及机械零件的淬火烧火。（4）变频调速用三相变频器产生频率、电压可调的三相变频电源，对三相感应电动机和同步电动机进行变频调速。简单地说，变频技术就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电再把交流电变成直流电等技术的总称。总之，这一切都是电能不发生变化，而只有频率发生变化。变频技术的类型主要有以下几种：1、交直变频技术（即整流技术）它是通过二级管整流、二级管续流或晶闸管、功率晶体管可控整流实现交直流（0Hz）功率转换。这种转换多属于工频整流。2、直直变频技术（即斩波技术）它是通过改变电力电子器件的通断时间即改变脉冲的频率（定宽变频），或改变脉冲的宽度（变频调宽），从而达到调节直流平均电压的目的。3、直交变频技术（即逆变技术）在电子学中，振荡器利用电子放大器件将直流电变成不同频率的交流电甚至电磁波，又称为振荡技术。在变频技术中，逆变器则利用功率开关将直流电变成不同频率的交流电又称为逆变技术。4、交交变频技术（即移相技术）它通过控制电子电子器件的导通与关断时间，实现交流无触点的开关、调压、调速等目的。主要应用于大功率、低速度的场合。二变频技术的发展过程变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。自20世纪60年代以来，电子电子器件从SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管），BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应管）、SIT（静电感应晶体）等、SITH（静电感应晶闸管）、MGT（MOS控制晶体管）、MCT（MOS控制晶闸管）发展到今天的IGBT（绝缘栅双型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管）等，器件的更新促使电子变换技术不断发展。自20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWMVVVF）调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式。20世纪80年代后半期，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。VVVF变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动平滑调速要求，已在生产的各个领域得到了广泛应用。但是，在代应时这种控制方式，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又研究出矢量控制变频调速技术。矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流a、b、c、通过三相二相就换，等效成两相静止坐标系下的交流电流al、bl、，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。1985年，德国鲁尔大学的Blaschke博士和他的同事DePenbrock教授首提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已忧功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制的优点是它直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机转化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算，它不需要模仿直流机的控制，也不需要为耦而简化交流电动机的数学模型。VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容器，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩陈式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容器。它能实现功率因数为1，具有输入电流为正弦能四象限运行，且系统的功率密度大等优点。三我国变频调速技术的发展状况近10年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术已忧为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速起动、制动性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其他许多优点而初国内外公认为最有发展前途的调速方式。电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能、机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能（可节约15%20%或更多），改善产品质量，提高产品。在我国60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上20世纪80年代水平。随着改革开放，经济高速发展，变频调速产品形成一个巨大的市场，它即对国内企业，也对外国公司敞开。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了国内生产和生活需要。国内许多合资公司生产当今国际上最先进的变频调速产品并进行应用软件的开发，为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。在变频调速领域，我国虽然取得了很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性仍较严重。四变频技术的发展方向交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，即要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高电压大电流有关的技术问题，后者要解决控制模块的硬、软件开发问题。其主要发展方向有如下几项。1、实现高水平的控制利用各种控制策略实现高水平控制，包括基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接转矩控制等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参与自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特陈列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。2、开发清洁电能的变流器所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电机的转矩脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的PWM控制是有效的。对大容量的变流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。3、缩小装置的尺寸紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变（如水冷、蒸发冷却和热管）对缩小装置的尺寸也很有效。4、高速度的数字控制以32位高速微处理为基础的数字控制模块有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得软件设计更便捷。图形编程的控制技术也有很大的发展。5、模拟器与计算机辅助设计技术电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。主要的研究开发项目有如下各项。（1）数字控制的大功率交交变频器供电的传动设备。（2）大功率负载换流电流型逆变器供电的传动设备在抽水蓄能电站、大型风机和泵上的推广应用。（3）扩大电压型IGBT、IGCT逆变器的传动设备的功能，改善其性能。如4象限位行，带有电机参数自测量与自设定和电机参数变化的自动补偿以及无传感器的矢量控制、直接转矩控制等。（4）风机和泵用高压电动机的节能调速研究。众所周知，风机和泵改用调速传动后能有效节约电能。特别是高压电动机，容量大，节能效果更显著。研究经济合理的高压电动机调速方法是当今的重大课题。五变频器的分类变频器的种类很多，分类方法也有多种。1按电压的调制方式分类PAM（脉幅调制）。变频器调出电压的大小通过改变直流电的大小来进行调制。在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。PWM（脉宽调制）。变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。目前普遍应用的是占空比按正弦规律变化的脉宽调制（SPWM）方法。2按工作原理分类v/f控制的变频器v/f控制的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使v/f（电压和频率的比）的值保持一定而得到所需的转矩特性。采用v/f控制的变频器控制电路结构简单，成本低，多用于对精度要求不高的通用变频器。转差频率控制变频器转差频率控制方式是对v/f控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。由于通过控制转差频率来控制转矩的电流，与v/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。矢量控制变频器矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式。它的基本思路是：将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），并分别加以控制。由于在这种控制方式或必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即定子电流的矢量，因此这种控制方式被称为矢量控制方式。直接转矩控制变频器直接转矩控制是交流传动中革命性的电动机控制方式，不需在电动机的转轴上安装脉冲编码器来反馈转子的位置，而具有精确转速和转矩，能在零速时产生满载转矩，电路中的PWM调制器不需要分开的电压控制和频率控制，具有这种功能的变频器称为直接转矩控制变频器。3按用途分类通用变频器通常指没有特殊功能、要求不高的变频器。由于分类的界限不很分明，因此，绝大多数变频器都可归这一类中。风机、水泵用变频器其主要特点是：过载能力较低，具有闭环控制PID调节功能，并具有“1控多”的切换功能。高性有变频器通常指具有矢量控制、并能进行四象限运行的变频器，主要用于对机械特性和动态响应要求较高的场合。具有电源再生功能的变频器当变频器中直流母线上的再生电压过高时，能将直流电源逆变成三相交流电反馈给电网，这种变频器主要用于电动机长时间处于再生状态的场合，如起重机械的吊钩电动机等。其他专业变频器如电梯专业变频器，纺织专业变频器、张力控制专业变频器、中频变器等。4、按变换环节分交交变频器。把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。其主要优点是没有中间环节，变频效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下。主要用于容量大、低速的场合。交直交变频器。先把频率固定的交流电变成直流电，再把直流电逆变成频率可调的三相交流电。在此类装置中，用不可控整流电路，则输入功率因数不变；用PWM逆变，则输出谐波减小。PWM逆变器需要全控式电力电子器件，其输出谐波减小的程度取决于PWM的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。采用PMOSFET和IGBT时，开关频率可达20kHz以上，输出波形已经非常接近正弦波，因而又称之为正弦脉宽调制（SPWM）逆变器。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此，这种交直交变频器在频率的调节范围以及改善变频后电动机的特性等方面都具有明显的优势。目前迅速普及应用的主要是这种变频器。5、按直流环节的储能方式分电压源型变频器。在交直交变频器装置中，当中间直流环节采用大容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下，这种变频器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，这类变频装置叫做电压源型变频器。电流源型变频器。当交直交变频器装置中的中间直流环节采用大电感滤波时，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置称为电流源型变频器。第二节常用电力电子器件介绍一晶闸管的结构原理晶闸管是硅晶体闸流管的简称。包括普通晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管、逆导晶闸管和快速晶闸管等。普通晶闸管又叫可控硅，常用SCR表示，国际通用名称为Thyristor，简称为T。1、晶闸管的结构晶闸管是一种四层（P、N、P、N）三端（A、G、K）大功率半导体器件，它有三个PN结：J1、J2、J3。其外形有平板形和螺栓形。三个引出端分别叫做阳极A、阴级K和门极G，门极又叫控制极。晶闸的图形符号见下图所示。 2、晶闸管的工作原理晶闸管是四层（P1、N1、P2、N2）三端器件，有J1、J2、J3三个PN结。如果把中间的N1和P2分为两部分，就构成一个NPN型晶体管和一个PNP型晶体管的复合管，见上图所示。晶闸管具有单向导电特性和正向导通的可控性。需要导通时必须具备以下两个条件：（1）晶闸管的阳极阴极之间加正向电压。（2）晶闸管的门极阴极之间加正向触发电压，且有足够的门极电流。晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管从关断变为导通，必须使承受反向电压的PN结失去阻断作用。每个晶体管的集电极电流是另一个晶体管的基极电流。两个晶体管相互复合，当有足够的门极电流Ig时，就会形成强烈的正反馈，即IgIb2Ic2Ib1Ic1Ib2两个晶体管迅速饱和导通，即晶闸管饱和导通。若使晶闸管关断，应设法使晶闸管的阳极电流减小到维持电流以下。二绝缘栅双极晶体管（IGBT）绝缘栅双极晶体管简称为IGBT，它集MOSFET和GTR的优点于一身，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单、通态电压低、能承受高电压大电流等优点，广泛用于变频器和其他调速电路和中。1、IGBT的结构原理IGBT的结构剖面图如下图所示。它是在MOSFET的基础上增加一个P+层发射极，形成PN结J1，由此引出漏极。门极和源极完全与MOSFET相似。由结构图可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，其等效电路及图形符号见下图所示。 2、IGBT的驱动电路IGBT的输入特性是MOSFET管的特性，所以，适用于MOSFET管的驱动电路均可应用。IGBT的驱动形式多种多样，各自功能也不相同，从隔离方式可分为两类：一类是光电隔离驱劝，另一类是脉冲变压器隔离驱动。（1）分立元件驱动电路。用脉冲变压器隔离，通过二极管整流后直接驱动IGBT管，通过HU光电隔离器隔离，因光电信号较弱，后面再加一级由VT1、VT2、VT3组成的放大器，把驱动信号加以放大，再驱动IGBT。（2）集成模块驱动电路。IGBT的驱动电路和除分立元件以外，常用的还有集成驱动电路。如EXB840/841系列集成驱动模块，具有可靠性高、体积小、驱劝速度高等特点。三集成门极换流晶闸管（IGCT）集成门极换流晶闸管IGCT是一种中压、大功率半导体开关器件。该器件是将门驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体，门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的电力半导体器件，它不仅有GTO的高阻断能力和低通态压降的特点，而且有IGVT的开关性能，集GTO和IGCT的优点一身，是理想的中压（用于6kv和10kv电路）、大功率（兆瓦级）开关器件。IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量达0.5-3MVA，三电平逆变器容量达1-6MVA。若反向二级管不与IGCT集成在一起，二电平逆变器容量可扩至4.5MVA，三电平可扩至9MVA，用此类器件构成的变频器已第列化，IGCT实际应用最高性能参数为4.5kv/4KA，最高研制水平为6kv/4KA。1、IGCT的结构与工作原理GTO是四层三端器件，如下图所示门极换流晶闸管，GCT结构与GTO相似，如图2.12（b）所示。图中左侧是GBT，右侧是与GCT反向并联的二级管。IGCT内部由上知个CGT组成，阳级和门极共用，阴极并联在一起。与GTO的差别是，GCT阳极内侧多了缓冲层，由透明（可穿透）阳极代替GTO的短路阳极。导通原理与GTO完全一样，但关断原理与GTO完全不同，在GCT的关断过程中，GCT能瞬间从导通转到阻断状态，变成一个PNP晶体管以后再关断，所以，它不受外加压电压变化率du/dt限制；而GTO必须经过一个既非导通又非关断的中间不稳定状态进行转换，即“GTO区”，所以GTO需要很大的吸收电路来抑制外加压的变化率du/dt。阻断状态下GCT的等效电路可认为是一个基极开路、低增益PNP晶体管与门极电源的串联电路。2、IGCT的结构特点（1）缓冲层。GCT采用了缓冲层，用较薄的硅片达到同等电压的阻断能力，提高了器件的效率，降低了通态压降和开关损耗，同时，使单片GCT与二级管的组合成为可能。（2）透明阳级。为了降低关断损耗，需要对阳极晶体管的增益加以限制，因而要求阳极的厚度要薄，浓度要低。透明阳极是一个很薄的PN结，其发射效率与电流有关。因为电子穿透阳极就像阳极被短路一样，因此称为透明阳级。采用透明阳极可使GCT的触发电流比传统无缓冲层的GTO降低一个数量级。（3）逆导技术。GCT大多制成逆导型，可与优化续流二级FWD集成在同一芯片上。由于二级管和GCT共用同一阻断结，GCT的P基区与二级管的阳级相连，这样在GCT门极和二级管阳极之间形成电阻性通道。逆导GCT与二级管隔离区中因为有PNP结构，其中总有一个PN结反偏，从而阻断GCT与二级管阳极间的电流流通。（4）门极驱动。IGCT触发功率小，可以把触发及状态监视电路和IGCT管芯做成一个整体，通过两根光纤输入触发信号。IGCT与门极驱动器相距很近（间距15cm），门极驱动器可以容易地装入不同的装置中，可认为该结构是一种通用形式。为了使IGCT的结构更加紧凑和坚固，用门极驱动电路包围GCT，和冷却装置形成一个自然整体，称为环绕型IGCT，其中包括GCT门极驱动电路所需的全部元件。这两种形式都可以使门极电路的电感减小，热耗散、电应力和内部热应力降低。另外，IGCT开关过程一致性好，可以方便地实现串、并联，进一步扩大功率范围。3、IGCT逆变器尽管IGCT逆变器不需要增加限制外加电压变化主du/ut的缓冲电路，但是IGCT本身不能控制电流变化率di/dt，为了限制短路电流上升率，在实际电路中常串入适当电抗。第三节变频调速原理一变频调速的基本原理1变频调速系统的控制方式1）交流异步电动机变频调速原理交流异步电动机的转速公式为式中，f定子供电频率（Hz）P磁极对数；S转差率；N电动机转速（r/min）由上述公式可知，只要平滑地调节异步电动机的供电频率f，就可以平滑地调节异步电动机的转速。2）变频调速系统的控制方式由电机学中的相关知识可知，异步电动机定子绕组的感应电动势E1的有效值为E14.44kr1f1N1m式中，E1气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）f1定子频率（Hz）N1定子每相绕组串联匝数；kr1与绕组有关的结构常数；m每极气隙磁通量（Wb）。由上式可知，如果定子每相电动势的有效值E1不变，改变定子频率时会出现下面两种情况：如果f1大于电动机的额定频率f1N，气隙磁通m就会大于额定气隙磁通Mn，结构是电动机的铁心产生过饱和，从而导致过大的励磁电流，使电动机功率因数、效率下降，严重时会因绕组过热烧不电动机。因此，要实现变频调速，且在不损坏电动机的情况下充分利用电机铁心，应保持每极气隙磁通m不变。（1）基频以下调速。由式（3-2）可知，要保持m不变，当频率f1从额定值f1N向下调时，必须降低E1，使E1/f1常数，即采用电动势与频率这比恒定的控制方式。但绕组中的感应电动势不易直接控制，当电动势的值较高时，可以认为电机输入电压V1E1，则可通过控制V1达到控制E1的目的，即基频以下调速时的机械特性曲线如图3-1所示。如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升允许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。由于在基频以下调速时磁通恒定，所以转矩恒定，其调速属于恒转调速。（2）基频以上的调速。在基频以上调速时，频率可以从f1N向上增加，但电压V1却不能超过额定电压V1N，最大为V1V1N。由式（3-2）可知，由于电压V1V1N不变，当频率升高时，同步转随之升高，气隙磁动势减弱，最大转矩减小，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。2PWM控制技术PWM控制技术是变频技术的核心技术之一，也是目前应用较多的一种技术。PWM控制方式，就是对逆变器电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅直相等而宽度不等的方波脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形，即可改变逆变电路输出电压的大小。目前采用较普遍的变频调速系统是恒幅PWM型变频电路，由二级管整流器、滤波电容和逆变器线成。当交流电压经二极管整流器整流后，得到直流电压，将恒定不变的直流电压输入逆变器，通过调节逆变器的脉冲宽度和输出交流电的频率，实现调压调频，供给负载。1）、PWM逆变原理PWM控制方式是通过改变电力晶体等VT1、VT4和VT2、VT3交替导通的时间，从而改变逆变器输出波形的频率；通过改变每半周内VT1、VT4和VT2、VT3开关器件的通、断时间比，即改变脉冲宽度，来改变逆变器输出电压幅值的大小。如果使开关器件在半个周期内反复通、断多。并使每个矩形波电压下的面积接近于对应正弦波电压下的面积，则逆变器输出脉冲次数增多，即使输出低频时，输出波形也是较为理想的。所以PWM型逆变器特别适用于异步电动机的变频调速的供电电源。2）、单极性正弦波PWM调制原理PWM型逆变器是靠改变脉宽控制其输出电压，通过改变调制稠期来控制其输出频率的，所以脉宽调制方式对PWM型逆变的性能具有根本的影响。脉宽调制的方法很多，从调制脉冲的极性上看，有单极性和双极性之分，从载频信号与参考信号的频率之间的关系来看，又有同步式和异步式两种。参考信号ur为正弦波的脉波的脉宽调制叫做正弦波宽调制（SPWM），产生的调制波是等幅而不等宽的矩形脉冲。SPWM调制波的脉冲宽度基本上成正弦分布，各脉冲与正弦曲线下对应的面积近似成正比。SPWM逆变器输出的基波电压的大小和频率均由参考电压ur来控制。当改变ur幅值时，脉宽随之改变，从而可改变输出电压的大小；当改变ur频率时，输出电压频率随之改变。但正弦波最大幅值必须小于三角形幅值，否则输出电压的大小和频率就将失去所要求的同步关系。对于三相逆变器，必须产生相位上互差120的三相调制波。载频三角波可以共享，但必须有一个三相可变频变幅的正弦波发生器，产生变频变幅三相正弦参考信号，然后分别与三角波相比较，产生三相脉冲调制波。若脉冲调制波在任何输出频率情况下，正、负半周始保持完全对称，即为同步调制式。若载频三角波频率一定，只改变正弦参考信号频率，这时正、负半周的脉冲数和相位就不是始终对称的，这种调制方式叫做异步调制式。3）、双极性正弦波SPWM调制原理PSWM双极性调制和单极性调制一样，输出基波大小和频率也是通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的。用于变频调速时，要保持v/f比恒定。由于是双极性调制，所以不必像单极性调制那样增加倒向控制信号。双极性调制方式也可以采用同步式或异步式的调制方法。3变频器的额定值和频率指标1）输入侧的额定值输入侧的额定值主要是电压和相数。小容量的变频器输入指标有以下几种：380V/50Hz，三相，用于国内设备；230V/50Hz或60Hz，三相，主要用于进口设备；（200-230V）/50Hz，主要用于家用电器。2）输出侧的额定值(1)输出电压最大值UN（V）：由于变频器在变频的同时也要变压，所以输出电压的额定值是指输出电压中的最大值。(2)输出电流最大值IN（A）：是指允许长时间输出的最大电流。(3)输出容量SN（kVA）：SN与UN和IN的关系为SN=3UNIN(4)配用电动机容量PN（KW）：变频器规定的配用电动机容量，适用于长期连续负载运行。（5）超载能力：变频器的超载能力是指输出电流超过额定值的允许范围和时间。大多数变频规定为150%IN、60S、180%IN、0.5S。3）频率指标（1）频率范围：即变频器能够输出的最高频率fmax和最低频率fmin之差。各种变频器规定的频率范围不一样，一般最低工作频率0.1-1Hz，最高工作频率为120-650Hz。（2）频率精度：指变频器输出频率的准确程度。以变频的实际输出和设定频率之间的最大误差与最高工作频率之比的百分数来表示。例如，富士G9S的频率精度为0.01，是指在-10-+15环境下通过参数设定所能达到的最高频率精度。（3）频率分辨出应率的最小改变量，即每相邻两挡频率之间的最小差值。一般分为模拟设定分辨率和数字设定分辨率。4变频器的主电路变频器的主电路由整流电路、中间直流电路和逆变路三部分组成，电压源型交直交叉频器主要电路的基本结构如下图所示。变频器结构图1、交直部分（1）整流电路。整流电路由VD1-VD6组成三相不可控整流桥，将电源的三相交流电全波整流成直流电。整流电路因变频器输出功率大小不同而不同。小功率的，输入电源多用单相220V，整流电路为单相全波整流电桥；功率大的，一般用三相380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。设电源的线压有效值为UL，那么三相全波整流平均直流电压UD的大小是：UD1.35UL。三相电源为380V，整流后的平均直流电压是513V。（2）滤波电容CF。整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压，必须加以滤波。滤波电容CF的作用除了滤除整流后的电压波纹外，还在整流电路和与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，这就给为感性负载的电动机提供了必要的无功功率。CF同时还具有储能作用，所以又叫储能电容。（3）限流电阻RL与开关SL。由于储能电容CF大，加之在接入电源时电容器两端的电压为零，所以当变频器接通电源瞬间，滤波电容CF的充电电流很大。过大的冲击电流能使三相整流桥损坏。为了保证整流桥，在变频器刚接通电源一段时间里，电路串入限流电阻RL，限制电容的充电电流。当滤波电容CF充电到一定程度时，令SL接通，将RL短接，在有些变频器里，SL用晶闸管代替，如图3.10虚线所示。（4）电源指示HL。HL除了指示电源是否接通以外，还有一个功能，即变频器切断电源后，显示滤波电容CF上的电荷是否已经释放完毕。2、直交部分（1）逆交管VT1-VT6。VT1-VT6组成逆变桥，把。VD1-VD6整流后的直流电“逆变”成频率、幅值都可调的交流电。这是变频器实现变频的执行环节，是变频器的核心部分。常功率晶体管（MOSFET）、集成门极换流晶闸管（IGCT）等。（2）续流二级管VD7-VD12。续流二级管VD7-VD12的主要功能是：电动机的绕组是感性的，其电流具有无功分量。续流二极管VD7-VD12为无功分量返回直流电源提供“通道”。当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过续流二极管VD7-VD12返回直流电源。逆变管VT1-VT6共同完成逆变的基本工作过程：同一桥臂的两个逆变管处于不停的交替导通和截止的状态，在交替导通和截止的换相过程中，需要续流二级管VD7-VD12提供通道。（3）缓冲电路。不同型号的变频器，缓冲电路的结构也不尽相同，图3.10是比较典型的一种，它由C01-C06，R01-R06及VD01-VD06构成，其功能如下：逆变管VT1-VT6每次由导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极和发射极间的电压UCE由近乎0V迅速上升至直流电压值UD，这过高的电压增值长率将导致逆变管的损坏。因此，C01-C06的功能是降低VT1-VT6在每次关断时的电压增长率。VT1-VT6放电，此放电电流的初始值是很大的，并且将叠加到负载电流上，导致VT1-VT6损坏。因此电路中增加了R01-R06，其功能是限制逆变管在接通瞬间C01-C06的放电电流。R01-R06的接入，又会影响C01-C06在VT1-VT6关断时，降低电压增长率的效果。在电路中将VD01-VD06接入后，使VT1-VT6的关断过程中R01-R06。这样可以避免R01-R06的接入对C01-C06工作的影响。3、制动电阻和制动单元（1）制动电阻RB。电动机工作频率下降过程中，异步电动机的转子转速超过此时的同步转速时，处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使直流电压UD不断上升，甚至达到危险地步。因此，必须将再生到直流电路和的能量消耗掉，使UD保持在允许范围内。制动电阻RB就是用来消耗这部分能量的。（2）制动单元VTB。制动单元VRB由大功率晶体管GTR及驱动电路构成。其功能是控制流经RB的放电电流IB。三矢量控制通用变频器矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速后的机械特性及动态性能达到了足以和直流电动机调压时的调速性能相媲美的程度，从而使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里处于优势地位。1、矢量控制系统的基本思想交流异步电动机的转子能够旋转的原因，是因为交流动机的定子能够产生旋转磁动势，而旋转磁动势是交流电动机三相对称的静止绕组A、B、C，通过三相平衡的正弦电流所产生的。但是，旋转磁动势并不一定非要三相平衡，在空间位置上互相“垂直”；在时间上互差120电角的两相绕相通以平衡的电流，也能产生旋转磁动势。直流电动机转子能够产生旋转，是因为定子与转子之间磁场相互作用的结果，由于直流电机的电刷位置固定不变，尽管电枢绕组在旋转，但电子枢绕组所产生的磁场与定子的产生的磁场在空间位置上永远互相“垂直”。如果以直流电动机转子为参考点，那么定子所产生的磁场就是旋转磁动势。由此可见，以产生同样的旋转磁动势力准则，三相交流绕组与两相直流绕组可以彼此等效。设等效两相交流电流绕组分别为a和，直流励磁绕组和电枢绕组分别为M和T。彼此关系如下图所示。从整体上看，输入为A、B、C三相电压，输出转速的一台异步电动机。从内部看，经过3/2变换和VR同步旋转变换，变成一台iml和itl输入、输出的直流电动机，其中是等效两相交流电流与直流电动机磁通轴的瞬时夹角。既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，就可以控制异步电动机。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以通过坐标变换实现的控制系统就叫做矢量变换控制系统（Transvector Control System），或称矢量控制系统，所设想的结构如上图所示。图中给定和反馈信号经过类似于直流调速系统所用的控制器，产生励磁电流的给定信号iml*和电枢电流的给定信号itl*，经过反旋转变换VR-1得到ial*和i1*，再经过2/3变换得到iA*、iB和iC*。把这三个电流控制信号和由控制器直接得到的频率控制信号1加到带电流控制器的变频器上，就可以输出异步电动机调速所需的三相变频电流，实现了用模仿直流电动机的控制方法去控制异步电动机，使异步电动机达到了直流电动机的控制效果。一般的矢量控制系统均需速度传感器，速度传感器是整个传动系统中最不可靠的环节，安装也很麻烦。许多新系列的变频器设置了“无速度反馈矢量控制”功能。对于一些在动态性能方面无严格要求的场合，速度反馈可以不用。2、矢量控制通用变频器实际装置举例西门子公司生产的矢量控制通用变频器，由于软件功能的灵活性，可以实现变结构控制、无速度传感器和有速度传感器两种控制方式的变换，而不必改变硬件电路。速度传感器可以采用脉冲式速度传感器。这种矢量控制调速装置，可以精确设定和调节电动机的转矩，亦可实现对转矩的限幅控制，因而性能较高，受电动机参数变化的影响较小。若调速范围不大，在1：10的速度范围内，常采用无速度传感器方式；若调速范围较大，即在极低的转速下也要求具有高动态性能和高转速精度时，才需要速度传感器方式。(1)无速度传感器的矢量控制。它是对异步电动机进行单电动机传动的典型模式。主要性能是：在1：10的速度范围内，速度精度小于0.5%，转速上升时间小于100ms；在额定功率10%的范围内，采用带电流闭环控制的转速开环控制。工作模式可以用软件功能选择。当工作频率高于额定频率的10%时，软件开关S1、S2置于矢量控制方式。进入矢量控制状态。转速的实际值可以利用由微型机支持的对异步电动机进行模拟的仿真模型来计算。对于频率在0-10%额定频率的低速范围内，开关关S1、S2切换到频率控制的位置，这种情况下，斜坡函数发生器发换到直接控制频率的通道。电流的闭环控制或者说电流的施加将同时完成。两种电流设定值可根据需要设定：稳态值必须设定得适合于有效负载转矩；附加设定值只在加速、减速过程中有效，可以设定与加速度或制动转矩相适应。(2)有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制。这种方式的主要特性是：在速度设定值的全范围内，转矩上升时间大约为15ms；速度设定范围大于1：100；对闭环控制而言，转速上升时间不大于60ms。有功电流调节器仅在10%额定频率以上时才运行，在10%以下则不起作用。直流速度传感器或者脉冲速度传感器（脉冲频率为500-2500个脉冲）均可以采用。此种控制方式也可以通过软件来设定。四直接转矩控制直接转矩控制是继矢量控制变频调速技术之后的一种新型的交流变频调速技术。它是利用空间电压矢量PWM（SVPWM）通过磁链、转矩的直接控制、确定逆变器的开关状态来实现的。直接转矩控制还可用于普通的PWM控制，实行开环或闭环控制。直接转矩控制有以下几个主要特点。(1)直接转矩控制技术：是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要模仿直流动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。它省掉了矢量旋转变换等复杂的计算。因此，它需要的信号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。(2)直接转矩控制磁场定向所用的定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。(3)直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。(4)直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。它包含以下两层意思：直接控制转矩：与矢量控制的方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩作为被控制量，直接控制转矩。因此它并不需要极力获得理想的正弦波波形，也不用专门强调磁链的圆形轨迹。相反，从控制转矩的角度出发，它强调的是转矩直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链的轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。对转矩的直接控制：其控制方式是，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小，由频率调节器来控制。因此它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。它的控制既直接又简化。对转矩的这种直接控制方式也称为“直接自控制”。这种“直接自控制”的思想不仅用于转矩控制，也用于磁链量的控制和磁链的自控制，但以转矩为中心来进行综合控制。综上所述，直接转矩控制技术，用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band控制）产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理，没有通常的PWM信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一种具有高静态、动态性能的交流调速方法。五高压变频器需要解决的主要问题由于功率器件受到电压等级限制，为了获得高电压、大功率，如果将低压通用变频器使用的SPWM逆变器主电路结构，单纯依靠低开关器件的串并联来实现，会出现这样的问题：串并联器件的静态和动态均压电路会导致系统复杂，损耗增加，效率下降；输出只有2个电平，电压波动大，产生较大的谐波和过高的电压变化率du/dt，会引起电机绕组绝缘过早老化，并对附近的通讯或其他电子设备产生强烈的电磁干扰；开关器件的串并联在技术上的不确定因素会使逆变器的可靠性明显下降。即使功率器件不受电压等级技术条件的限制，用双电平逆变器实现高压输出，也存在着输出电压波动大的问题。如果采用高低高方式，由于中间环节可以使用低压通用变频器，虽然能避免开关器件的静态和动态均压问题，但是存在中间低压环节电流大、效率低、占地面积大等缺点。如果将多个低压大容量逆变器通过变压器采用多重化技术获得高压大功率，输出电压波形可以接近正弦波，但是也存在着效率低、动态性能不高和占地面积大等缺点。综上所述，人们希望高压逆变器在实现直接高压变换的同时，又能使输出电压波形接近正弦波，这就是高压变频器需要解决的主要问题。六高压大功率变频器的整流电路高压变频器的容量一般较大，如果采用低压变频器常用的二极管（6脉波）整流电路，将会对电网产生严重的谐波污染问题。为了从本质上解决谐波对电网的污染问题，通常采用多重化技术或全控制大功率器件构成的PWM整流电路。1、多重化整流电路为了降低输入谐波电流，将几个桥式整流电路多重连接，可构成12、18和24等脉波结构的多重化整流电路。如果能量不需要回馈电网或变频器不需要作四象限运行。可采用二极管整流电路，反之采用可控制整流电路。整流变压器二次侧分别采用星形和三角形连接，构成相位互差30、大小相等的两组电压，分别给串联在一起的两组整流桥供电，避免了器件的直接串联，大大改善了输入电流波形。虽然12脉波整流电路比6脉波整流电路的输入电流波形更加接近正弦波，但是总谐波电流失真仍大于5%的要求（IEEE19-1992标准规定小于5%），所以12脉波整流电路的输入端一般还要安装输入谐波滤波器，或者采用更高输入脉波数的整流电路。采用大电感进行滤波，形成电流源型整流电路结构，总谐波电流失真为10%左右。在电流源型变频器中，通过调节可控整流电路的整流电压，从而达到控制直流环节电流幅值大小的目的。因其功率因数随着转速的下降而下降，所以一般要安装功率因数补偿器。不可控整流电路，采用大电容进行滤波，形成电压源型整流电路结构。在电压源型变频器中，由于采用二极管不可控整流，换相更加缓慢，使高次谐波电流小于晶闸管整流电流。谐波电流失真为7%左右，接近标准要求。如果电网对谐波失真的要求不高，可不安装输