（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的通用变频器的研究和开发.pdf

l 海人学硕_ = 学位论史 a b s t r a c t i nt h is p a p e r ，as p e c i m e n o ft h ec o n v e r t e ru s e dd s pa si t s c o n t r o l l e ri s d e s i g n e d ，t h ec o n t r o lp r i n c i p l e isc o n s t a n tv fa n d t e c h n i q u eo fs p a c ev o l t a g ev e c t o rp w m a r eu s e d i ti ss u i t a b l ef o rt h e w i n dm o t o ra n dw a t e rp u m pt h a tt h er e q u es to fd y n a m i cp e r f o r m a n c ei s n o tv e r yh i g h s o m ek e yq u e s t i o n sa r ea n a l y z e da n dt h er e a l i z a t i o n m e t h o d sa r ea l s og i v e n t h em a i nc o n t e n ti nt h i sp a p e ri s ： 1 t w od i f f e r e n tg e n e r a t i n gm o d e so fs v p w m ( t h eo n ew h o s ez e r o v e c t o ri s e v e n l yd i s t r i b u t e d ，t h e o t h e rw h o s ez e r ov e c t o ri s c o n c e n t r a t e d ) a r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e i rm o d e l sa r eb u i l ti nm a t l a b ， b e s i d e s ，t h e i rr e s p e c t i v em e r i t sa n dd e m e r i t sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t e st h a tt h et w om o d e l s h a v en og r e a td i f f e r e n c ei na m p l i t u d eo fs t a t o rf l u xa n d h a r m o n i cw a v e o fo u t p u tc u r r e n tw h e nt h e ya r ei nh i g hf r e q u e n c ys t a g e ，b u ti nl o w f r e q u e n c ys t a g e ，t h e yh a v ed i f f e r e n tm e r i t sa n dd e m e r i t s ，t h em o d e w h o s ez e r ov e c t o risc o n c e n t r a t e dh a sh i g h e rv o l t a g eu t i l i z a t i o nr a t i o t h a nt h em o d ew h o s ez e r ov e c t o ri s e v e n l yd is t r i b u t e d ，b u tt h ef o r m e r m o d e sh a r m o n i cc o m p o n e n tism o r et h a nt h el a t t e rm o d e s 2 t h ed s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ao ft iisu s e da sc o n t r o l l e ra n dd e s i g n t h eh a r d w a r eo fc o n t r o lc i r c u i ta n ds o f t w a r e s o m el o g i c a lf u n c t i o n s a r er e a l i z e d 3 t h ed e a d - t i m ec o m p e n s a t i o no ft h es y s t e mb a s e do nd i r e c t i o no f c u r r e n tisi n t r o d u c e da f t e ra n a l y z i n gt h ed e a d t i m eo fs y s t e ma n dt h e i n f l u e n c eo no u t p u tw a v e f o r mi nd e t a i l 4 t h er e s u l t so fl i g h tl o a de x p e r i m e n t a t i o ns h o w e dt h ec o r r e c t n e s s 0 ft h em e t h o du s e di nt h i ss p e c i m e n k e y w o r d s ：c o n v e r t e r ，s v p w m ，d s p ，d e a d t i m ee o m p e n s a t i o n v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：节乒匝日期：型! ? 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：号书面导师签名：日期：椰多，乎 海大学硕i 。学位论文 第一章绪论 1 1 交流调速系统的发展 电气传动技术以电机为控制对象，以微电子装置为控制核心，以电力电子 功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成电气传动控制系统， 以达到控制电机转速或位置的目的。 电机可分为直流电机和交流电机两大类。一般来说，直流电机控制起来简 单，但造价高，维修较困难。而交流电机，特别是笼型电机，由于其结构简单， 制造成本低廉、运行方便可靠、环境适应能力强等优点，在实际中有广泛的应 用，但其数学模型复杂，对它的控制相对困难。1 。随着控制理论的发展，诸多 新型异步电机控制技术不断被提出，具有代表性的是矢量控制与直接转矩控制， 使得交流传动控制系统的性能达到直流电气传动控制的水平。近年来，又出现 了智能控制，它具有不依赖于被控对象以及自学习的特点，使得传动控制系统 又进入了一个崭新的发展阶段”。 1 2 电力电子技术和数字控制技术是现代交流调速的物质基 础 随着现代科技的进步，近几十年来，电力电子技术及计算机数字控制技术 得到了飞速发展，它为交流电气传动控制的进步提供了技术保障。同时，控制 理论的发展，为电气传动控制系统提供了理论依据。因此，交流电气传动控制 技术得到了前所未有的发展。如今，电气传动控制技术已经发展成为多门技术、 多学科相互交叉的新学科“1 。 1 2 1 电力电子技术的发展 电力电子技术是研究如何利用电力电子器件对电能进行控制、变换和传输 的学科。由电力电子器件构成电力电子变换器，起到弱电控制强电的纽带作用。 海人学硕i 学位论文 电力电子器件是电力电子技术的物质基础和技术关键，是现代交流调速装置的 支柱，其发展直接决定和影响交流调速的发展。 自从1 9 5 7 年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管( s c r ) 以来，标志着电 力电子技术诞生了。从此开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 晶闸管属于半控型器件，关断时需要的强迫换相电路。到2 0 世纪8 0 年代，信 息电子技术和电力电子技术在各自发展上相结合而产生了一代高频化、全控型、 采用集成电路制造工艺的电力电子器件，有门极可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶 体管( g t r ) ，电力场效应晶体管( m o s f e t ) 和绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 等几种代 表型件，它不再需要强迫换相电路。随后又发展了智能模块i p m ( i n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l e ) ，其主要采用工g b t 作为功率开关，含有电流传感器、驱动电 路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我 保护等多种智能功能，既减少了体积、减轻了重量，又提高了可靠性，使用、 维护都更加方便，随着技术的进步，保护功能将进一步日臻完善。这就为实现 系统小型化，专用化，高性能，低成本方面又推进了一步。是功率器件的重要 发展方向。 现在的电力电子变换器装置中，用于控制直流电机的主要是晶闸管相控整 流器，以及由全控型器件构成的斩波器或p w m 变换器。用于控制交流电机的 主要是变压变频器。目前主要采用的变换器控制技术是p w m 调制技术，脉宽 调制控制技术作为这些系统的共用及核心技术，引起人们的高度重视，并得到 深入的研究。所谓p w m 技术就是利用电力电子器件的开通和关断把直流电压 变成一定形状的电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达 到变压变频目的的一种控制技术。1 。 12 2 数字控制技术的发展 数字控制缘于电子管和晶体管开关状态的应用，最早出现的是由数字电子 电路组成的逻辑控制。2 0 世纪5 0 年代初，受到当时运算速度不快和价格高昂 的限制，它只用于慢过程控制的大型生产设备。随着半导体器件和微电子技术 的进步，由晶体管发展到集成电路，再到大规模和超大规模集成电路( l s i 和 ：海人学硕卜学位论文 v l s i ) ，到了7 0 年代就制成体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠 性高的微型计算机。至今，属于快过程的电力拖动系统已经实现了全数字控制， 而微型计算机的应用已经遍及各行各业。 从性能上看，微型计算机的发展是沿着加快运算速度和增多字节位数的路 线前进的。 ( 1 ) 最小微机系统 由微处理器作为c p u ，配以r o m 、r a m 、定时计数器、i o 、a d 、d a 等芯片组成。 f 2 1 单片机 在一块芯片上集成上述主要部件，一块芯片就是一台计算机，于是，大大 缩小了体积和降低了成本。从2 0 世纪7 0 年代中期到8 0 年代中期，单片机的开 发应用非常兴旺，用于控制的主要有8 位和1 6 位字长，一个指令周期的执行时 间缩短到l g s ，乃至1 2 5 n s ( 不含乘除法) 。 ( 3 ) 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o qd s p ) 为了提高运算速度，在8 0 年代初期出现了数字信号处理器，其改进措施有： 改变集成电路结构、提高时钟频率、支持浮点运算、采用指令列排队方式以提 高运行效率、集成了硬件乘法器使乘法运算也能在一个指令周期内完成等等。 d s p 的位数主要是1 6 位和3 2 位( 包括定点和浮点运算) ，指令周期缩短到1 6 0 n s ， 乃至3 5 n s ( 含乘法) 。开始应用时，只作为快速运算的数据处理器，本身i o 接 口很少，不适于单独作控制器用，随着产品性能的提高，增多了i o 和其他控 制接口( 如p w m 输出等) ，已经成为一类高速的单片机，占据了高性能微处理 器的主要市场。 ( 4 ) 精简指令集计算机( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r , r i s c ) r i s c 在8 0 年代后期问世，是计算机体系结构上的又一次革命，使微处理 器在运行性能上获得了质的飞跃。r i s c 把着眼点放在经常使用的基本指令的执 行效率上，依靠硬件与软件的优化组合来提高速度。此外，r i s c 是- z o o 矢量 处理器，一个周期内可以并行执行多条指令，因而不能再简单地用指令执行时 间来衡量其运算速度，而改为“每秒百万指令数”( m e g ai n s t r u c t i o n s p e rs e c o n d ， 1 ：海人学顾| 。学位论文 m s ) 。 ( 5 ) 高级专用集成电路( a d v a n c e ds p e c i a l i z e d i n t e g r a t e d c i r c u i t s ，a s i c ) 能完成特定功能的初级专用集成电路早已商品化，例如交流电机变压变频 控制用的s p w m 序列波发生器有h e f 4 7 5 2 、s l e 4 5 2 0 、z p s 一1 0 1 等产品。现代 高级专用集成电路的功能远远超过一块发生器，它能包含一种特定功能的控制 器，例如，德国应用微电子研究所( i a m ) 在1 9 9 4 年推出的v e c o n ，是一个 交流伺服系统的单片矢量控制器，包含调节器、能完成矢量运算的d s p 协处理 器、p w m 定时器、以及其他外围和接口电路，都集成在一块芯片内，使可靠 性大为提高，成本大为降低，且有助于专利技术的保密。 ( 6 ) 专门用于电机控制的微处理器 为了能更好地将微处理应用于电机控制领域，近年来，出现了许多专门为 电机控制而设计的微处理器。如m s c 一1 9 6 ，t m s 3 2 0 x 2 4 0 等。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是美国t i ( 德州仪器) 公司一种专为电机控制而优化设计的底价格、高性能1 6 位定点数字信号处理器“”“。它与一般d s p 一样，采用程序与数据总线分离的 哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的d s p 指 令，使l f 2 4 0 7 a 具有卓越的数据处理能力；同时它又在其片内集成了专为电机 控制而优化的事件管理器( e v ) 功能单元，能够直接输出三相脉宽调制波形， 从而为电机控制系统的开发和设计提供了巨大的便利。本课题变频器的实验系 统所用的微处理器就是采用t i 的产品，型号为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。 与模拟控制相比，以微处理器为核心的数字控制的优越性表现在以下几个方面： a 、控制器硬件电路地标准化程度高，成本低，可靠性高。 b 、控制软件可以按需要更换、修改或移植，灵活性大。 c 、消除了模拟控制中温度漂移的影响，稳定性好。 d 、信息存储、监控、故障诊断以及分级控制的能力不断提高。 e 、随着微机运算速度和存储容量的提高，各种新型的比较复杂的控制策略都能 够实现。 f 、强大的数据通信功能可以将各类控制系统与中央控制计算机联成工业网络， 使远程操作和生产过程的管理自动化成为可能。 海人学顾l 。学位论文 1 3 异步电机的控制策略与发展概况 电气传动是指以各类电机为动力的传动装置与系统。因电机种类的不同， 有直流电动机传动( 简称直流传动) 、交流电动机传动( 简称交流传动) 、步进 电动机传动( 简称步进传动) 、伺服电动机传动( 简称伺服传动) 等等。众所周 知，直流电机因其调速性能好，一直在调速传动领域中占据主导地位。然而， 近1 0 年来，由于电力电子技术的迅速发展，使交流调速传动迅猛发展，又由于 交流电机结构简单、成本低、维修保养费用低，电气传动交流化的新时代已经 到来”。 交流电机主要分异步电机和同步电机两大类。交流异步电机调速系统可以 分为三类：转差功率消耗型调速系统、转差功率回馈型调速系统和转差功率不 变型调速系统。转差功率消耗型调速系统就是将全部的转差功率都转换成热能 消耗在转子磁链上，如降电压调速、电磁转差离合器调速和绕线转子异步电机 转子回路串电阻调速等；转差功率回馈型调速系统是将转差功率的一部分消耗 掉，而大部分则通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用，转速越 低，回收的功率也越多，例如绕线转子异步电机串级调速、双馈式调速等；转 差功率不变型调速系统中虽然不可避免地要在转子铜损中消耗掉一部分转差功 率，但无论转速高低，该系统转差功率的消耗是基本不变的，因此效率最高。 变压变频调速系统主要可分为： 1 、转速开环的电压频率协调控制 八十年代开始，变频器调速作为交流电机有效调速的主要装置逐步走向市 场，渗透到各行各业中去，如今已在普及和推广当中，并逐步取代了传统的直 流调速系统。变频调速系统目前最广泛的是恒压频比控制的调速系统，也称为 恒v f 控制，这种调速方法采用恒压频比控制方案，其控制系统结构最简单， 成本最低，虽然v f 恒定控制原理简单，相对于其它控制方式动态性能较差， 但在调速性能要求不高的场合( 如风机、水泵等) ，具有一定的实用价值，所以 这种产品在目前的市场上仍然具有良好的前景。 2 、转速闭环转差频率控制 海人学倾f 。学位论文 转速闭环转差频率控制实质是在保持气隙磁通幅值恒定的条件下，将转差 角频率控制在最大范围内，动态过程中通过控制转差角频率达到间接控制转矩 的目的。转速闭环控制使得转速在负载扰动下没有静差，控制效果较转速丌环 的电压一频率协调控制有所提高，但由于其基本的控制规律仍从电机的稳态数学 模型中导出的，因此动态性能与直流双闭环调速系统相比仍有一定的差距。 3 、矢量控制 矢量控制是基于异步电机动态数学模型的高性能控制系统。它根据坐标变 换理论，采用按转子磁场定向，把定子电流矢量分解为在同步旋转坐标系中的 两个互相垂直的励磁电流分量与转矩电流分量，实现了定子电流励磁分量与转 矩分量的解耦；通过控制转子磁链和电磁转矩，得到了与他励直流电动机一样 的线性机械特性。采用矢量控制技术的交流调速系统的动、静态性能达到了直 流双闭环调速系统的水平“。 实现矢量控制的关键是按转子磁场定向，即要找到同步旋转坐标系的d 轴 ( 即控制基准轴) 与静止坐标系a 轴之间的夹角( 即转子磁链的空间角度) 。磁场定 向控制需要获得电机转子磁链。电机转子磁链可直接检测，或用磁链观测器得 到。直接检测磁链需要在电机内部埋置磁敏元件，在实际应用中存在一些缺陷， 很少采用。磁链观测器实际上是磁链仿真器，它根据转子磁链模型，利用电机 的电压、电流、转速等信息解算出磁链幅值与角度，其准确性受电机参数影响 “1 。在矢量控制中，如果定向不准，将会影响系统的性能。 4 、直接转矩控制 直接转矩控制也是一种高动态性能的交流调速系统，是在静止的两相坐标 系中直接控制定子磁链幅值与电磁转矩。直接转矩控制系统根据定子磁链幅值 偏差的符号s1 l r 和电磁转矩偏差的符号s t 以及定子磁链所在的区间，直接产生 定子电压矢量“。 由于采用了b a n g b a n g 控制，不需要精确计算定子电压矢量的两个分量， 只要根据偏差的符号确定调节的方向，再根据定子磁链所在的区间，在八个 p w m 逆变器输出电压矢量中寻找最为接近的空间矢量作为定子电压。因此， 直接转矩控制系统不需要定子磁链的精确定向，只要确定定子磁链所在的区间 6 海大学颤l 学位论文 就可完成控制。然而，直接转矩控制因采用了磁链和转矩的b a n g b a n g 控制 引起转矩和转速的脉动，低速时尤为严重，因而限制了系统的调速范围。 1 4 通用变频器的特点及研究意义 八十年代开始，通用变频器作为交流电机有效调速的主要装置逐步走向市 场，渗透到各行各业中去，如今己在普及和推广当中，并逐渐取代了传统的直 流调速系统。通用变频器目前应用最广泛的是恒压频比控制的调速系统，也称 为恒v 佰控制，这种调速方法采用恒压频比的控制方案，其控制系统结构最简 单，成本最低，虽然v f 恒定控制原理简单，相对于其它控制方式动态性能较 差，但在对调速性能要求不高的场合( 如风机、水泵等) 具有一定的实用价值， 目前这种通用变频器的经济性和通用性深受市场的青睐 通用变频器最主要的特点是最大范围应用于各种场合，同时适用于最广泛 的用户，而专用变频器一般只用在某一特定的场合，功能单一。变频器控制电 机最基本的两个输出量是频率和转矩，因此，在通用变频器中设计了灵活而充 分的频率设定功能和频率控制接口。应各种负载的要求，通用变频器中有上千 条的功能指令参数，外部拥有基本的控制端子和可编程的控制端子。根据负载 机械的具体要求，可选择多种启动和停机方式、频率上下限设定、多段速运行 设定等。频率输出值可用数字键盘设定，或利用输入模拟控制端子来控制电机 的速度。具有完善的保护功能，可使电机与变频器同时获得多种可靠的保护。 其中还没置了一些对电机运动控制的重要功能：滑差补偿功能、自动节能功能、 点动运行方式、多种v 厄运行功能、制动方式选择、转矩提升功能、矢量控制 选择、频率跳跃功能、载波频率设定、良好的人机界面、监控接口、故障自诊 断及记录等。 在功率管丌关电路中，由于功率管在开通和关断的过程有一个时间上的延 时，尤其是关断的过程，所以在一个桥臂上，当一个功率管已关断，而另一个 功率末开通之前，存在一个被称作死区的时间段。死区可以避免桥臂丌关管同 时导通的故障，但死区时间使系统输出电压的能力降低，并目出现相位偏差， 由其引起的高次谐波还会使电机损耗增加，转矩出现脉动。这个缺点对变频调 海大学顺i 。学位论文 速系统的影响十分显著，随着变频器输出频率的降低，死区的影向将越来越大。 在这种情况下，为了保证系统的正常运行，就必须对死区进行补偿。所以对于 死区补偿的研究很有必要。本文采用基于电流极性判断的死区补偿方法对输出 脉冲进行死区补偿。 1 5 研究背景及研究内容 恒压频比控制( v f ) 是通用变频器中应用最广泛的一种控制方式，采用这 种控制方式研制的变频器控制系统结构简单，成本低廉，适用于风机、水泵等 对调速系统动态性能要求不高的场合。目前这种通用变频器的经济性和通用性 深受市场的青睐。基于此，本文在基于d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的基础上，采用 恒压频比变频调速方式，应用s v p w m 方法研制了原理样机。主要内容如下： 1 系统阐述了变频调速的基本原理。 2 详细阐述了空间电压矢量控制和具体算法，比较分析了s v p w m 两种生 成方法的差异。 3 采用t i 公司生成的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字信号处理器( d s p ) 作为数字 控制器，给出了变频器控制系统的硬件电路和软件流程图。 4 在实现变频调速的基础上，为了实现通用变频器的通用性，给出了一些 逻辑功能的实现方法。 5 分析了死区产生的机理和死区对输出波形的影响，并根据电流极性进行 了相应的死区补偿，并在原理样机上进行了实验，给出了实验波形，从实验波 形的结果证明了本文方法的可行性。 一海人学颤 学位论文 第二章通用变频器的基本理论 2 1 通用变频器的基本拓朴结构 通用变频器装置主要由主电路和控制电路两部分组成，其主电路主要分为 两种，一种是交一交结构( 直接变频) ，另一种是交一直一交结构形式( 间接变 频) 。交交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压可控制的交流，而交直交 变频器是先将工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成变频、 电压均可调的交流电，所以一般通用变频器主要采用交直交结构形式。这种结 构主要包括整流环节，中间环节和逆变环节，如图2 1 所示。其中间整流环节 是储能元件，用于负载和直流电源之间的无功功率交换，根据此储能元件是电 容还是电感，将变频器分成电压型和电流型两大类。“1 。“” 图2 1 通用变频器的结构 图2 2 绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。在图2 2 a 中，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，是电压源型逆变器( v s i ，v o l t a g e s o u r c ei n v e r t e r ) ，有时简称电压型逆变器。这种逆变器的主电路中间环节主要 采用大电容进行储能、滤波。其直流波形比较平直，理想状态下电压内阻为零， 对负载而言是恒压源，由于大电容的平波作用，主电路的直流电压比较平稳， 其电压无法迅速反向。因此，电压源型逆变器无法实现回馈制动。而对于负载 而言，电压源型逆变器相当是一个电压源，电压控制响应慢，不易波动，所以 可以同时带多台电机运行。本文所研究与实现的通用变频器是电压源型变频器 在图2 2 b 中，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，叫做电流源型逆变器( c s i ， c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r ) ，或简称电流型逆变器。这种逆变器的主电路中间环节 用大电感作为储能和滤波时，直流电流波形比较平直，电源内阻交大，对负载 卜海大学硕j 。学位论文 来说相当是恒流源，其显著优点是容易实现回馈制动，便于四象限运行，适合 于需要回馈制动和经常正反转的生产机械。但由于电流源型逆变器属于恒流源， 对系统负载电流的变化反映慢，不宜带多台电动机同步运行，只能带单台电机 运行。 0 _ _ _ 卜_ 1 一卜o _ _ _ _ j l _ _ 卜一。 o _ _ _ 整流 l 二二i 逆变 b ，一i 整流 。 逆变厂- ： r - jr l 一j 【一 。i 。 。l 广j ( a ) 电压源型( b ) 电流源型 图2 - 2 电压源型和电流源型逆变器示意图 2 2 异步电机的机械特性 三相交变电流进入异步电动机的定子绕组后，产生一个旋转磁场。这个旋 转磁场与由其产生的转子电流相互作用，才产生了异步电机的电磁转矩，拖动 转子以一定的速率旋转“”“。这个旋转磁场的转速n 。由下式计算： ：咝 却 ( 2 1 ) 其中厂：是电机定子电流频率，饰是旋转磁场的磁极数。 。也称为同步转速。 同步转速h 。与转子转速的差a n 成为转差，即a n = 一n 。转差与同步转速之 比成为转差率，用5 表示， j ：竺：! ! 二塑( 2 2 ) n 0n 0 旋转磁场同时也切割定子绕组，产生一个反电动势e ，其有效值的大小 是： 巨= 4 4 职九m 唾k ( 2 3 ) 式中是与定子绕组结构有关的常数，是每相定子绕组匝数。 电磁转矩的大小反应了电机的拖动能力，其计算公式为： ：海人学顾卜学位论文 ，。= 世，中”，：c 。s 妒：= j 元i i ；i j i i ；( 2 - - 4 ) 式中饰是磁极对数、u ，是电源相电压、m 。是定子主磁通、，：是转子电流。 根掘式( 2 2 ) 和( 2 4 ) 可以作出n t 曲线，即异步电机的自然机械特 性，如图2 3 所示： n 玎0 0 s 0 、 ， ，厂 图2 3 异步电机的机械特性 2 3 变压变频调速基本原理 由异步电动机转速公式为 。：盟( 1 一。) 跑。 ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 可知，如果均匀地改变异步电动机的定子供电频率 ，就可以平 滑地调节电动机的转速，z 。 交流调速与直流调速的要求一样，在调速的工程中，既要实现平滑地调节 电动机的转速门。同时还要求调速系统具有良好的机械特性。即在基频以下调 速时，磁通不能太弱，否则没有充分利用铁心，造成浪费，另外，随着电机最 大转矩的下降，有可能造成电机的堵转。反之，如果磁通上升，又会使电机磁 路饱和，励磁电流将迅速上升，导致电机铁损大量增加，造成电机铁心严重过 热，不仅会使电机输出效率大大降低，而且由于电机过热，造成电机绕阻绝缘 j ：海火学硕l ：学位论文 降低，严重时，有烧毁电机的危险。因此，在基频以下保持磁通不变，为恒转 矩调速。在基频以上调速时，由于一般电机不允许过压，但允许有一定的超速， 可以考虑保持额定电压不变而采取弱磁升速的方法，即恒功率调速。 在交流异步电动机中，可知要保持主磁通不变，从式( 2 3 ) 可以看出，中。 由巨和正共同决定，x , j - e ，和进行适当的控制，就可以使保持额定值不变。但 是这种控制也要受到基频f b ( 电机额定频率) 的影响，在厂，c 五和_ r ， 时， e 。的变化规律并不样，下面就这两种情况加以说明。 2 3 1 基频以下恒压频比( v v v f ) 控制 当定子电流频率在基频以下( f 。c f b ) 时，为保持电机负载能力，应使主 磁通巾。不随六的变化而变化，这就要求在降低供电频率的同时也降低定子感 应电动势e ，保持e 。f ：= 常数。这种控制称为恒磁通变频调速，属于恒转矩 调速方式。 但是，e 难以直接检测和控制，在el 和正的值较高时，可以忽略定子漏阻抗压 降，用定子相电压u ，近似e ，只需保持u f = 常数即可，这就是恒压频比控 制方式，是近似的恒磁通控制，其机械特性如图2 - - 4 所示。 若正继续降低，e ，也越来越小，当e 小到一定程度时，定子漏阻抗压降不 能再忽略，这时可以适当提高定子电压以补偿该压降的影响，使m 。基本保持 不变。实际装置中，u 兀的函数关系有很多种，可以根据负载情况加以选择。 缸人学蛳i 学位论文 图2 4 恒压频比控制时变频调速的机械特性 2 3 2 基频以上变频控制方式 当定子电流频率在基频以上时( f ， ) ，频率应该从，。向上升高，但定 子电压u 。受额定电压乩的限制不能再升高，只能保持u 。= 玑。不变，这必然使 主磁通巾。随f 的上升而减少，相当于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似 的恒功率调速方式，其机械特性如图2 m 5 所示。此时，电机的电磁转矩减小， 负载能力下降，但是电机吸取电源的功率基本不变具有“恒功率”的性质。 毛 图2 5 基频以上弱磁调速机械特性 在整个调速过程中将基频以下和基频以上两种情况结合起来，得到图2 - 6 所示的异步电动机变频调速控制特性。 海人学顾 学位论文 图2 6 异步电动机变频调速控制特- | 生 总之，异步电动机的变频调速必须以一定的规律同时改变其定子电压和频 率，这就是所谓的v v v f ( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 调速控制。 怎样实现v v v f ，是变频器必须解决的重要课题之一”1 。 2 4 变压变频调速系统中的脉宽调制( p w m ) 技术 p w l v l ( 脉宽调制) 控制技术利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压 变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的，或者通 过控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频的目的。 变频器的p w m 控制方法很多，从最初的追求电压正弦，到电流波形正弦， 再到磁通正弦，p w m 技术得到不断完善。空间电压矢量调制算法是利用磁通 正弦原理的一种p v c m 方法，与p w m 相比直流电压利用率有很大提高，更易 于数字化实现。“”3 2 4 1s p w m 基本原理 所谓正弦脉宽调制( s p w m ) 波形，就是与正弦波等效的一系列等幅不等 宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波 分成n 等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面 积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一 等分的中点相重台。这样，由”个等幅不等宽的矩形脉冲组成的波形就与正弦 海人学顾i 。学位论文 波的半周等效，称作s p w m 波形。从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以 严格用计算方法求得，作为控制逆变器中各开关器件通断的依据。但较为实用 的方法是引用通讯技术中的“调制”的概念，以三角波作为载波，所期望的正 弦波作为调制波，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉 冲宽度正比于该盐线函数值的矩形脉冲。 s p w m 控制技术有单极性控制和双极性控制两种方式”1 。如果在正弦调制 波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的s p w m 波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。如果在正弦调制波半个 周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则s p w m 波也在正负之间变化， 叫做双极性控制方式。图2 7 为三相桥式p w m 逆变器的双极性s p w m 波形 u d 2 0 u d 2 “b o f 图2 7 三相桥式p w m 逆变器的双极性s p w m 波形 2 4 2s v p w