异步电动机变频调速系统

1、 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五 异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统

2、媲的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广，是本书的重点。美。因此现在应用面很广，是本书的重点。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五w 在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量极磁通量 m 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又

3、会使铁心饱和，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。大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。w 对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿， m 保持不变是很容易做到的。保持不变是很容易做到的。w 在交流异步电机中，磁通在交流异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。通恒定就需要费一些周折了。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五

4、 定子每相电动势定子每相电动势mw11144. 4kNfE （5-1） 式中：式中：E1 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V； 定子频率，单位为定子频率，单位为Hz； 定子每相绕组串联匝数；定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数；基波绕组系数； 每极气隙磁通量，单位为每极气隙磁通量，单位为Wb。 f1N1Kwm（一）（一） 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 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五 由式（由式（5-1）可知，

5、）可知，只要控制好只要控制好 E1 和和 f1 ，便可达到控，便可达到控制磁通制磁通 m 的目的的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。下和基频以上两种情况。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五1. 基频以下调速基频以下调速 由式（由式（5-1）可知，要保持）可知，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 E1 ，使，使 11fE常值常值 （5-2） 即即采用恒电

6、动势频率比的控制方式采用恒电动势频率比的控制方式。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五(1) 恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，绕组中的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，而认为定子相电压可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 U1 E1，则，则得得（5-3） 这是这是恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式。常值11fU 但是，在低频时但是，在低频时 U1 和和 E1都较小，定子阻抗压降所

7、占的份量就比都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 U1 抬高一些，以便抬高一些，以便近近似地补偿定子压降似地补偿定子压降。 带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的 b 线，无补偿的线，无补偿的控制特性则为控制特性则为a 线。线。 (2)带定子压降补偿的恒压频比控制方式带定子压降补偿的恒压频比控制方式 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五 带压降补偿的恒压频比控制特性带

8、压降补偿的恒压频比控制特性OUsf 1图图5-1 恒压频比控制特性恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补带定子压降补偿偿 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五2. 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，向上升高，但定子电压但定子电压Us 却不可能超过额定电压却不可能超过额定电压U1N ，最多只能，最多只能保持保持U1 = U1N ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流

9、电机弱磁升速的情况。当于直流电机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。起，如下图所示。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五 变压变频控制特性变压变频控制特性图图5-2 异步电机变压变频调速的控制特性异步电机变压变频调速的控制特性 f1N恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速Usf1OmN 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2

10、021年10月22日星期五 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化；本上随磁通变化； 按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于也恒定，属于“恒转矩调速恒转矩调速”性质；性质； 在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速恒功率调速”。返回目录返回目录 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯

11、片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五 变频器按装置的结构形式分为交变频器按装置的结构形式分为交-交变频器和交交变频器和交-直直-交变交变频器。目前应用较多的是交频器。目前应用较多的是交-直直-交变频器。交变频器。对异步电动机进行变频调速，就要求为电动机提供一个对异步电动机进行变频调速，就要求为电动机提供一个频率可变的电源，即变频器。频率可变的电源，即变频器。（一）（一） 变频器按装置的结构形式分类变频器按装置的结构形式分类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电源通过整流器变换成交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器

12、变换成可控频率和电压的交流，如图所直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如图所示。示。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五图图5-3 交交-直直-交（间接）变压变频器交（间接）变压变频器 变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC50Hz整流整流 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间有一个“中间直流环节中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。，所以又称间接式

13、的变压变频器。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五交交-直直-交变频器交变频器控制方式控制方式(1) 用可控整流器变压、逆变器变频，即调压和调频分别用可控整流器变压、逆变器变频，即调压和调频分别在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。w 优点：装置结构简单，控制方便。优点：装置结构简单，控制方便。w 缺点：由于输入环节采用可控整流器，当电压和频率调缺点：由于输入环节采用可控整流器，当电压和频率调得较低时，电网端的功率因数较小；另外，输出环节多得

14、较低时，电网端的功率因数较小；另外，输出环节多用由晶闸管组成的三相六拍逆变器用由晶闸管组成的三相六拍逆变器(每周换流六次每周换流六次)，输，输出的谐波较大。出的谐波较大。(2) 用不可控整流器整流、斩波器变压、逆变器变频，即用不可控整流器整流、斩波器变压、逆变器变频，即整流环节采用二极管不可控整流器，再增设斩波器，用整流环节采用二极管不可控整流器，再增设斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但输入功率因数高，脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但输入功率因数高，克服了第一种装置的缺点。输出逆变环节不变，仍有谐克服了第一种装置的缺点。输出逆变环节不变，仍有谐波较大的问题。波较大的问题。 第第 5

15、 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五w 用不可控整流器整流、用不可控整流器整流、PWM逆变器同时变压变频。逆变器同时变压变频。 用不可控整流，则功率因数高；用用不可控整流，则功率因数高；用PWM逆变，则谐波逆变，则谐波可以减少。这样，可以解决上述两种装置的两个缺点。可以减少。这样，可以解决上述两种装置的两个缺点。谐波减少的程度取决于开关频率，而开关频率受器件开谐波减少的程度取决于开关频率，而开关频率受器件开关时间的限制。关时间的限制。w 如果仍采用普通晶闸管，其开关频率比六拍逆变器也高如果仍采用普通晶闸管

16、，其开关频率比六拍逆变器也高不了多少。采用可关断的全控式器件以后，开关频率可不了多少。采用可关断的全控式器件以后，开关频率可以大大提高，输出波形几乎可以得到非常逼近的正弦波，以大大提高，输出波形几乎可以得到非常逼近的正弦波，因而又称正弦波脉宽调制因而又称正弦波脉宽调制(SPWM)逆变器。它是当前最逆变器。它是当前最有前途的一种结构形式，将在下一节做详细介绍。有前途的一种结构形式，将在下一节做详细介绍。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五 普通交普通交-直直-交变压变频器的基本结构交变压变频器的基

17、本结构SCR可控可控整流器整流器六六 拍拍逆变器逆变器DCACAC50Hz调频调频调压调压图图5-5 可控整流器调压、六拍逆变器调频的交可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直直-交变压变频器交变压变频器 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五2. 交交-交变压变频器交变压变频器 交交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成电）的交流电源直接变换成电压和频率都可调的交流电压和频率

18、都可调的交流电VVVF输出，因此又称直接变频输出，因此又称直接变频器。器。 图图5-6 交交-交（直接）变频器交（直接）变频器交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五 常用的交常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、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。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速系统的也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路（

19、下图反并联可逆线路（下图a）。）。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五交交-交变压变频器的基本电路结构交变压变频器的基本电路结构VRVFId-Id+-+a) 电路结构电路结构负负载载50Hz50Hzu0图图5-7-a 交交-交变压变频器每一相的可逆线路交变压变频器每一相的可逆线路 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五(1)交交-交变频器的控制方式交变频器的控制方式w 整半周控制方式整半周控制方式 正

20、、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变正、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的输出电压 u0 ， u0 的幅值决定于各组可控整流装置的控的幅值决定于各组可控整流装置的控制角制角 ， u0 的频率决定于正、反两组整流装置的切换频的频率决定于正、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，如率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如下图下图 b 所示。所示。图图5-7 -b 方波型平均输出电压波形方波型平均输出电压波形u0t正组通正组通反组通反组通正组通正组通反组通反组通 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张

21、幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五w 调制控制方式调制控制方式 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。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：在正向组导通的半个周期中，使控制角 由由 /2（对应于平均电压（对应于平均电压 u0 = 0）逐渐减小到）逐渐减小到 0（对（对应于应于 u0 最大），然后再逐渐增加到最大），然后再逐渐增加到 /2（ u0 再再变为变为0），如下图所示。），如下图所示。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻

22、灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五2AOw t 0 2 BCDEFu0图图5-8 交交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形交变压变频器的单相正弦波输出电压波形输出电压波形输出电压波形 当当 角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中蓝线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是为图中蓝线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。这样。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五 单相交交变频电路输出电压和电流波形单相交交变频电

23、路输出电压和电流波形1OO23456图4-20uoiowtwt 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五(2)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三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成，其个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图所示。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，含如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需36个晶闸个晶闸管，即使采用零式电路也须管，

24、即使采用零式电路也须18个晶闸管。个晶闸管。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五 三相交交变频器的基本结构三相交交变频器的基本结构 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五 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 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五三相桥式三相桥式交交变频电路交交

25、变频电路 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五 因此，这样的交因此，这样的交-交变压变频器虽然在结构上只有一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，看似简单，但所用的个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。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，目前国内有些企业置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已

26、有可靠的产品。已有可靠的产品。 这类交这类交-交变频器的其他缺点是：输入功率因数较低，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、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。去庞大的齿轮减速箱。 第第 5 章章 返回第一张返回

27、第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五表表5-1 交交-直直-交变频器与交交变频器与交-交变频器交变频器主要特点比较表主要特点比较表 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五二二. 交交-直直-交变频器按直流环节直流电源的性质分类交变频器按直流环节直流电源的性质分类w 在交在交-直直-交变频器中，按照中间直流环节直流电源性质交变频器中，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，两的不同，逆变器可以分成电压

28、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什么样的滤波器。种类型的实际区别在于直流环节采用什么样的滤波器。电压源型和电流源型逆变器的示意图如图电压源型和电流源型逆变器的示意图如图5-8。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五在图在图5-8(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，中，直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下相当于一个恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，称为在理想情况下相当于一个恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，称为电压源型逆

29、变器，有时简称为电压型逆变器。电压源型逆变器，有时简称为电压型逆变器。在图在图5-8(b)中，直流环节采用大电感滤波，使直流电流波形比较平直，中，直流环节采用大电感滤波，使直流电流波形比较平直，在理想情况下相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，叫做在理想情况下相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，叫做电流源型逆变器，或简称为电流型逆变器。电流源型逆变器，或简称为电流型逆变器。 逆变器逆变器LdIdCdUdUd+-a) 电压源逆变器b) 电流源逆变器 图图5-8 电压源型和电流源型逆变器示意图电压源型和电流源型逆变器示意图 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上

30、一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五 性能比较性能比较 两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，两类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：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）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异在调速系统中，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，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

31、冲作用，使它不致影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。响到交流电网。 因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件因此，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。（电容器或电感器）来缓冲无功能量。 （2）能量的回馈）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电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。和经常正、反转的生

32、产机械。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五 下面以由晶闸管可控整流器下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流源型串联二极和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器管式晶闸管逆变器CSI构成的交构成的交-直直-交变压变频调速系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统（如下图所示）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。状态。 当电动运行时，当电动运行时，UCR的控制角的控制角 w w ，电动机以转速运行，电功率的传送方向，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图如上图a所示。所示。

33、第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五M3+-UdIdLdCSI 电动Te 逆变UCRa）电动运行电动运行状态电动运行状态 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五w 如果降低变压变频器的输出频率如果降低变压变频器的输出频率 w w1，或从机械上抬高电，或从机械上抬高电机转速机转速 w w ，使，使 w w1 90 ，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态

34、，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压Ud 立即反向，立即反向，而电流而电流 Id 方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图b）。）。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五逆变运行状态逆变运行状态M3+-UdIdLdCSI 90o有源逆变1 ut ，就导通就导通VT1， 如如A相的相的ur ut ，就导通，就导通VT4。 图图5-11 双极性脉宽调制模式双极性脉宽调制模式 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻

35、灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五由图由图5-10和图和图5-11可知，输出电压波形是等幅不等宽而可知，输出电压波形是等幅不等宽而且两侧窄中间宽的脉冲，输出基波电压的大小和频率，且两侧窄中间宽的脉冲，输出基波电压的大小和频率，是通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的。是通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的。调频控制：调频控制：改变正弦参考信号的频率，可以改变输出交流电改变正弦参考信号的频率，可以改变输出交流电的频率。的频率。调压控制：调压控制：改变正弦参考电压的幅值，从而改变总体占空比，可以实现改变正弦参考电压的幅值，从而改变总体占空

36、比，可以实现呈正弦规律的恒幅（呈正弦规律的恒幅（+Ud/2和和-Ud/2均不变）调宽。均不变）调宽。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w 在在SPWM逆变器中，三角波电压频率逆变器中，三角波电压频率ft与参考波电压频与参考波电压频率率(即逆变器的输出频率即逆变器的输出频率)fr之比之比N=ft/fr称为载波比，也称称为载波比，也称调制比。调制比。w 根据调制时载波比的处理，根据调制时载波比的处理，PWM调制方式可分为同步调制方式可分为同步式、异步式和分段同步式。式、异步式和分段同步式。2021年10月22日星期五 第第

37、5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w 1. 同步调制方式同步调制方式w 载波比载波比N等于常数时称同步调制方式。等于常数时称同步调制方式。w 同步调制方式在逆变器输出电压每个周期内所采用的同步调制方式在逆变器输出电压每个周期内所采用的三角波电压数目是固定的，因而所产生的三角波电压数目是固定的，因而所产生的SPWM脉冲数脉冲数是一定的。是一定的。2021年10月22日星期五 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 基本同步调制方式，基本同步调制方式，fr 变化时变化

38、时N不变，信号波一周期内输不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；出脉冲数固定； 三相电路中公用一个三角波载波，且取三相电路中公用一个三角波载波，且取 N 为为3的整数倍，的整数倍，使三相输出对称；使三相输出对称； 为使一相的为使一相的PWM波正负半周镜对称，波正负半周镜对称，N应取奇数；应取奇数； 优点优点:在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。而出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。而且能严格保证逆变器输出三相波形之间具有且能严格保证逆变器输出三相波形之间具有120相位移相位移的对称关系。的

39、对称关系。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 缺点：缺点：fr 很低时，很低时，ft 也很低，由调制带来的谐波不易滤也很低，由调制带来的谐波不易滤除；低频谐波分量显著增大，使负载电动机产生除；低频谐波分量显著增大，使负载电动机产生较大的转矩脉动和噪声。较大的转矩脉动和噪声。fr 很高时，很高时，ft 会过高，使开关器件难以承受。会过高，使开关器件难以承受。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w 2. 异步调制方式异步调制方式w 在逆变器的整个变频范围内

40、，载波比在逆变器的整个变频范围内，载波比N不是一个常数。不是一个常数。优点优点:一般在改变参照波频率一般在改变参照波频率fr时，保持三角波频率时，保持三角波频率ft不不变，因而提高了低频时的载波比，这样逆变器输出电压变，因而提高了低频时的载波比，这样逆变器输出电压每个周期内每个周期内PWM脉冲数可随输出频率的降低而增加，脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了调相应地可减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了调速系统的低频工作特性。速系统的低频工作特性。w 缺点。当载波比缺点。当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能

41、总是它不可能总是3的倍数，势必使输出电压波形及其相位的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电动机工作不平稳。动机工作不平稳。2021年10月22日星期五 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 通常保持通常保持 fc 固定不变，当固定不变，当 fr 变化时，载波比变化时，载波比 N 是变化是变化的；的； 在信号波的半周期内，在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前位

42、也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后后1/4周期的脉冲也不对称；周期的脉冲也不对称； 当当 fr 较低时，较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；对称产生的不利影响都较小； 当当 fr 增高时，增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。脉冲不对称的影响就变大。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w 3. 分段同步调制方式分段同步调制方式w 实际应用中，多采用分段同步调制方式，它克服了同步实际应用

43、中，多采用分段同步调制方式，它克服了同步和异步调制方式的不足，在一定频率范围内采用同步调和异步调制方式的不足，在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点。在低频运行时，使载制，以保持输出波形对称的优点。在低频运行时，使载波比有级地增大，以采纳异步调制的长处，这就是分段波比有级地增大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。同步调制方式。w 具体地说，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频具体地说，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持段内都维持N恒定，而对不同的频段取不同的恒定，而对不同的频段取不同的N值，频值，频率低时，率低时，N值取大些。采用分段同步调制方式，需

44、要增值取大些。采用分段同步调制方式，需要增加调制脉冲切换电路，但在微电子技术迅速发展的今天，加调制脉冲切换电路，但在微电子技术迅速发展的今天，这种调制方式是很容易实现的。这种调制方式是很容易实现的。2021年10月22日星期五 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w SPWM波形的控制需要根据三角载波与正弦调制波的交波形的控制需要根据三角载波与正弦调制波的交点来确定功率器件的开关时刻，从而得到其幅值不变而点来确定功率器件的开关时刻，从而得到其幅值不变而宽度按正弦规律变化的一系列脉冲。宽度按正弦规律变化的一系列脉冲。w 这个任

45、务可以设计模拟电子电路、数字电子电路或专用这个任务可以设计模拟电子电路、数字电子电路或专用的大规模集成电路芯片等硬件电路来完成，也可以用微的大规模集成电路芯片等硬件电路来完成，也可以用微型计算机通过软件生成型计算机通过软件生成SPWM波形。波形。2021年10月22日星期五 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 SPWM波的实现波的实现w 模拟电子电路模拟电子电路 采用正弦波发生器、三角波发生器采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的和比较器来实现上述的SPWM控制；控制；w 数字控制电路数字控制电路n硬件电路；硬件

46、电路；n软件实现。软件实现。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 图图5-12 模拟电路实现模拟电路实现SPWM控制的原理控制的原理w 优点：优点：本方法原理简单，且完成本方法原理简单，且完成ut和和ur信号的比值和确定信号的比值和确定脉冲宽度所用的时间短，几乎是瞬间完成的，不像数字电脉冲宽度所用的时间短，几乎是瞬间完成的，不像数字电路采用软件计算需要一定的时间。路采用软件计算需要一定的时间。w 缺点：缺点：所需硬件较多，而且不够灵活，改变参数和调试所需硬件较多，而且不够灵活，改变参数和调试较麻烦，难以实现现代化控制。较麻烦

47、，难以实现现代化控制。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2021年10月22日星期五采用数字电路的采用数字电路的SPWM逆变器，可采用以软件为基础逆变器，可采用以软件为基础的控制模式。的控制模式。优点：优点：所需硬件少，灵活性好和智能性强；所需硬件少，灵活性好和智能性强；缺点：缺点：需通过计算确定需通过计算确定SPWM的脉冲宽度，有一定的延的脉冲宽度，有一定的延时和响应时间。时和响应时间。 随着高速度、高精度多功能微处理器、微控制器和随着高速度、高精度多功能微处理器、微控制器和SPWM专用芯片的发展，数字化专用芯片的发展

48、，数字化SPWM技术已占主导地位。技术已占主导地位。目前常用的产生控制波的方法主要有两类：一类是用目前常用的产生控制波的方法主要有两类：一类是用微型计算机通过软件生成；另一类是由专用集成芯片产出。微型计算机通过软件生成；另一类是由专用集成芯片产出。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w 自然采样法自然采样法只是把同样的方法数字只是把同样的方法数字化，化， 自然采样法的运算比较复杂；自然采样法的运算比较复杂；w 规则采样法规则采样法在工程上更实用的简化在工程上更实用的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多方法，由于简化方法的

49、不同，衍生出多种规则采样法。种规则采样法。（一）由计算机软件生成（一）由计算机软件生成SPWM逆变器控制波逆变器控制波 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w (1)自然采样法自然采样法w根据根据SPWM逆变器的工作原理，在正弦波逆变器的工作原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关元和三角波的自然交点时刻控制功率开关元件的通断，这种生成件的通断，这种生成SPWM波的方法称为波的方法称为自然采样法。自然采样法。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w

50、 图中，截取了任意一段正弦图中，截取了任意一段正弦波与三角波的一个周期长度内波与三角波的一个周期长度内的相交情况。的相交情况。A点为脉冲发生点为脉冲发生时刻，时刻，B点为脉冲结束时刻，点为脉冲结束时刻，在三角波的一个周期在三角波的一个周期Tc内，内，t2为为SPWM波的高电平时间，波的高电平时间，称作脉宽时间，称作脉宽时间，t1与与t3则为低则为低电平时间，称为间隙时间。显电平时间，称为间隙时间。显然然Tc=t1+t2+t3 。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 自然采样法原理自然采样法原理三角波两个正峰值之间为一个采样周

51、期三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合点（即负峰点）重合 定义参考波与载波的幅值比为调制比定义参考波与载波的幅值比为调制比M=Urm/Utm，设三角载波幅值，设三角载波幅值Utm=1，则参考，则参考波波 ，式中，式中，1为参考波角频率，即为参考波角频率，即输出角频率。输出角频率。tMu1rsinw 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w A、B两点对三角波的中心线来说是不对称的。因此，两点对三角波的中心线来说是不对称的。因

52、此，t2分成的分成的t2和和t2两个时间段是不等的，联立求解两对相两个时间段是不等的，联立求解两对相似直角三角形，则似直角三角形，则w w (5-4)w w (5-5)w 得得w (5-6)2sin12/12ActMTtw2sin12/12BctMTtw)sin(sin21 (211222BActtMTtttww 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w 自然采样法虽能真实地反映脉冲产生与结自然采样法虽能真实地反映脉冲产生与结束的时刻，却难以在实时控制中在线实现束的时刻，却难以在实时控制中在线实现，因为，因为，tA与与tB都是

53、未知数，都是未知数，t1t3，t2t2求时需花费较多的计算时间。即使求时需花费较多的计算时间。即使可先将计算结果存入内存，控制过程中查可先将计算结果存入内存，控制过程中查表定时，也会因参数过多而占用计算机太表定时，也会因参数过多而占用计算机太多内存和时间，所以，此法仅限于调速范多内存和时间，所以，此法仅限于调速范围有限的场合。围有限的场合。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 原理原理 三角波两个正峰值之间为三角波两个正峰值之间为一个采样周期一个采样周期Tc 以三角波正峰值时找到正以三角波正峰值时找到正弦波上的对应点弦波上的

54、对应点D点，得到点，得到ur，用，用ur对三角波采样对三角波采样，得到，得到A、B两点。两点。 可见，在此法中，开关点可见，在此法中，开关点A、B位于正弦波的同一侧，位于正弦波的同一侧，这使所得的脉冲宽度明显这使所得的脉冲宽度明显偏小，从而造成较大的控偏小，从而造成较大的控制误差。制误差。（2）规则采样）规则采样法法 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 （3）规则采样）规则采样法法 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 规则采样法规则采样法原理原理 三角波两

55、个正峰值之间为一个采样周期三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc 自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合负峰点）重合 规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化角波中点为对称，使计算大为简化 在三角波的负峰时刻在三角波的负峰时刻t对正弦信号波采样得点，过对正弦信号波采样得点，过 作水平直线和三角波分别交于作水平直线和三角波分别交于A、B点，在点，在A点时刻点时刻 tA和和B点时刻点时刻 tB控制开关器件的通断控制开关器件的通断 脉冲宽度脉冲宽

56、度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 规则采样法规则采样法原理原理正弦调制信号波正弦调制信号波 式中，式中，M 称为调制度，称为调制度，0 a 1；w w1为参考为参考波角频率。从图中可得波角频率。从图中可得 2/22/sin1cE1TtMwtMu1rsinw 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 因此可得因此可得 三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度三角波一周期内，脉冲两边间隙宽

57、度)sin1 (421E1cctMTTw)sin1 (2 E1ctMTw 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 根据上述采样原理和计算公式，可以用根据上述采样原理和计算公式，可以用计算机实时控制产生计算机实时控制产生SPWM波形，具体波形，具体实现方法有：实现方法有：w 查表法查表法可以先离线计算出相应的脉可以先离线计算出相应的脉宽宽d 等数据存放在内存中，然后在调速等数据存放在内存中，然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、减系统实时控制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。运算求出各相脉宽时间和间隙时间。

58、 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w 实时计算法实时计算法事先在内存中存放正弦函事先在内存中存放正弦函数和数和Tc /2值，控制时先查出正弦值，与调值，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的调制度速系统所需的调制度M作乘法运算，再根作乘法运算，再根据给定的载波频率查出相应的据给定的载波频率查出相应的Tc /2值，由值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。计算公式计算脉宽时间和间隙时间。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 由于由于PWM变压变频器的应用非常

59、广泛，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已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，后来更进一步把它做在微信号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出信号输出口的电机控制用的口的电机控制用的8位、位、16位微机芯片和位微机芯片和DSP。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w (4) 指定谐波消除法指定谐波消除法 以消去某些指定次数谐波以消去某些指定次数谐波(主要的低次谐主要的低次谐波波)为目的，通过计算来确定各脉冲的开为目的，通过计算来确定

60、各脉冲的开关时刻，这种方法称为低次谐波消去法。关时刻，这种方法称为低次谐波消去法。在该法中，已经不用三角载波和正弦参考在该法中，已经不用三角载波和正弦参考波的比较，但其目的仍是使输出波形尽可波的比较，但其目的仍是使输出波形尽可能接近正弦波，因此，也算是能接近正弦波，因此，也算是SPWM波生波生成的一种方法。成的一种方法。 第第 5 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w 例如，消去例如，消去SPWM波中的波中的5次、次、7次谐波次谐波(三相电三相电动机无中线时，动机无中线时，3次和次和3的倍数次谐波无通路，的倍数次谐波无通路，可忽略可