第3章 异步电动机变压变频调速31-323

1、第第3章章 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速n3.1变压变频调速的基本原理、机械特性变压变频调速的基本原理、机械特性 及电压补偿控制及电压补偿控制n3.2电力电子变压变频器电力电子变压变频器n3.3转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统n3.4转速闭环转差频率控制的变压变频调转速闭环转差频率控制的变压变频调 速系统速系统3.1变压变频调速的基本原理、变压变频调速的基本原理、 机械特性机械特性 及电压补偿控制及电压补偿控制n变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化种调速方法，同步转速随频率而变化n （3

2、.1）ppnnfn260601113.1.1 变压变频调速的基本原理变压变频调速的基本原理n异步电动机的实际转速异步电动机的实际转速 （3.2）l其中稳态速降其中稳态速降 随负载大小变化随负载大小变化1111(1)ns nnsnnn1snn 异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通n三相异步电动机定子每相电动势的有效值三相异步电动机定子每相电动势的有效值式中：式中：uEg-气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值uNs-定子每相绕组串联匝数定子每相绕组串联匝数ukNS-定子基波绕组系数定子基波绕组系数uF Fm-每极气隙磁通量每极气隙磁通量n忽略定子绕组电阻

3、和漏磁感抗压降忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N k气隙磁通气隙磁通控制控制n只要控制好只要控制好Eg和和f114.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N k便可控制气隙磁通便可控制气隙磁通F Fm 1. 基频以下调速基频以下调速 l当异步电动机在基频（额定频率）以下运当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时行时:l如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；一种浪费；l如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时

4、还会因绕组过热而损坏大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。电机。l最好是保持每极磁通量为额定值不变。最好是保持每极磁通量为额定值不变。1. 基频以下调速基频以下调速 l当频率从额定值向下调节时，必须使当频率从额定值向下调节时，必须使 14.44SgsNmNEN kf常值基频以下应采用基频以下应采用: 电动势频率比为恒值的控制方式电动势频率比为恒值的控制方式。1. 基频以下调速基频以下调速 l恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，认为感压降，认为USEg, 则得则得l这就是恒压频比的控制方式这就是恒压频比的控制方

5、式 常值1fUS1. 基频以下调速基频以下调速 l低频补偿（低频转矩提升）低频补偿（低频转矩提升）u低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。较显著，不能再忽略。u人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。抗压降。u负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。样。1. 基频以下调速基频以下调速 l通常在控制软件中通常在控制软件中备有不同斜率的补备有不同斜率的补偿特性，以供用户偿特性，以供用户选择。选择。ua-无补偿无补偿u b-带定子电压补偿带定子电压补偿图图3-

6、1 恒压频比控制特性恒压频比控制特性2.基频以上调速基频以上调速 l在基频以上调速时，频率从在基频以上调速时，频率从f1N向上升高，向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。电压不变。l这将导致磁通与频率成反比地降低，使得这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。异步电动机工作在弱磁状态。14.44SsgsmNUEf N k变压变频调速变压变频调速 图图3-2 异步电动机变压变频调速的控制特性异步电动机变压变频调速的控制特性把基频以下和基把基频以下和基频

7、以上两种情况频以上两种情况的控制特性画在的控制特性画在一起，如右图所一起，如右图所示。示。n如果电机在不同转速时所带的负载都能使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电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，电力拖动原理，u在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速恒转矩调速”性质，性质，u而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于属于“恒功率调速恒功率调速”。3.1.2 变压变频调速时的机械特

8、性变压变频调速时的机械特性l基频以下采用恒压频比控制时，异步基频以下采用恒压频比控制时，异步电动机机械特性方程式改写为电动机机械特性方程式改写为22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT2rs2122rs1r2spe)()(3llLLsRsRsRUnT基频以下调速基频以下调速l当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项，各项，sRsUnTrspe1213或或 2113sperUnTRs22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT基频以下调速基频以下调速l对于同一转矩，转速降落基本不变对于同一转矩，转速降落基本不变在恒压频比的条

9、件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。2111210602reeppsR TnsnsTnnU 26060111ppnnfn基频以下调速基频以下调速l临界转矩临界转矩 随着频率的降低而减小。随着频率的降低而减小。l当频率较低时，电动机带载能当频率较低时，电动机带载能 力减弱，采用低频定子压降补偿，力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载适当地提高电压，可以增强带载能力。能力。221121)(123lrlsssspemLLRRUnT)(232rs212ss12spellmLLRRUnT基频以下调速基频以下调速l转差功率转差功率 与转速无关，故称作转差功率不变型转差功率

10、不变型。21213resmespR TPsPsTUn2113sperUnTRs基频以上调速基频以上调速l电压不能从额定值再向上提高，只能保持电压不能从额定值再向上提高，只能保持Us=UsN不变，机械特性方程式可写成不变，机械特性方程式可写成l临界转矩表达式临界转矩表达式 2212212)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT221212)(123lrlssssNpemLLRRUnT2rs2122rs1r2spe)()(3llLLsRsRsRUnT基频以上调速基频以上调速l临界转差临界转差 l当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项各项 2212)(lrlssr

11、mLLRRs213sNeprUsTnR或或21123repsNR Tsn U2212212)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT基频以上调速基频以上调速l带负载时的转速降落带负载时的转速降落 l对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。磁调速相似。21112210602reppsNR TnsnsnnU 21123repsNR Tsn U基频以上调速基频以上调速l转差功率转差功率 l带恒功率负载运行时带恒功率负载运行时221123resmepsNR TPsPsTn

12、 U转差功率基本不变。转差功率基本不变。221eT常数21123repsNR Tsn U变压变频调速时的机械特性变压变频调速时的机械特性图图3-3异步电动机变压变频调速机械特性异步电动机变压变频调速机械特性变压变频调速变压变频调速l在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于矩也恒定，属于“恒转矩调速恒转矩调速”方式。方式。l在基频以上，转速升高时磁通减小，允许在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，由于转速上升，允输出转矩也随之降低，由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于许输出功率基本恒定，属于“近似的恒功近似的恒功率调速率调速”方

13、式。方式。3.1.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l在基频以下运行时，采用恒压频比的控在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。制方法具有控制简便的优点。l但负载的变化时定子压降不同，将导致但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。磁通改变，须采用定子电压补偿控制。l根据定子电流的大小改变定子电压，以根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。保持磁通恒定。3.1.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l为了使参考极为了使参考极性与电动状态性与电动状态下的实际极性下的实际极性相吻合，感应相吻合，感应电动势采用电电动势采用电压

14、降的表示方压降的表示方法，由高电位法，由高电位指向低电位。指向低电位。 图图3-4 异步电动机等值电路和感应电动势异步电动机等值电路和感应电动势三种磁通三种磁通l气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势 14.44SgsmNEf N kl定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 l转子全磁通在转子每相绕组中的感应电动势转子全磁通在转子每相绕组中的感应电动势 14.44SssmsNEf N k14.44SrsmrNEf N k1. 恒定子磁通恒定子磁通F Fms控制控制 l保持定子磁通恒定：保持定子磁通恒定： 定子电动势不好直接

15、控制，能够直接控制定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压，按的只有定子电压，按l补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。通。 1/ fEssssEIRU1常值常值14.44SssmsNEf N k恒定子磁通恒定子磁通F Fms控制控制 l忽略励磁电流，转子电流忽略励磁电流，转子电流l电磁转矩电磁转矩 2212)(lrlsrsrLLsREI22122 121221221)(3)(3lrlsrrsprlrlsrspeLLsRRsEnsRLLsREnT恒定子磁通恒定子磁通F Fms控制控制 恒压频比控制时的转矩式恒压频比控制时的转矩式 l两式相比可知，

16、恒定子磁通控制时转矩表达式两式相比可知，恒定子磁通控制时转矩表达式的分母小于恒压频比控制特性中的同类项。的分母小于恒压频比控制特性中的同类项。l当转差率当转差率s相同时，采用恒定子磁通控制方式相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于恒压频比控制方式。的电磁转矩大于恒压频比控制方式。22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT2rs2122rr121pe)()(3llSLLsRRsEnT恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l临界转差率临界转差率 l临界转矩临界转矩 )(1lrlsrmLLRs)(12321lrlsspemLLEnT可见，频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒

17、定不变可见，频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变 。2rs2122rr121pe)()(3llSLLsRRsEnTl将上式对s求导，并令dTe/ds=0,可求出恒定子磁通控制恒定子磁通控制 比较可知比较可知l恒定子磁通控制的临界转差率大恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方式。于恒压频比控制方式。l恒定子磁通控制的临界转矩也大恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。于恒压频比控制方式。2.恒气隙磁通恒气隙磁通f fm控制控制 l保持气隙磁通恒定：保持气隙磁通恒定： l定子电压定子电压l要维持要维持Eg/ 1为恒定，除了补偿定子电阻为恒定，除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定

18、子漏抗压降。压降外，还应补偿定子漏抗压降。 1/gEglsssEILjRU11)(常值常值恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 2212lrrgrLsREI2 2122 12122122133lrrrgprlrrgpeLsRRsEnsRLsREnT恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 l临界转差率临界转差率 l临界转矩临界转矩 l与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。特性更硬。 1lrrmLRs21123lrspemLEnT2r2122rr121

19、pe)(3lgLsRRsEnTn将上式对将上式对s求导，并令求导，并令dTe/ds=0,可求出3.恒转子磁通控制恒转子磁通控制 l保持转子磁通恒定：保持转子磁通恒定： l定子电压定子电压l除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子和转子漏抗压降。子和转子漏抗压降。 1/rE11()sslslrrURjLLIE常值常值14.44SrsmrNEf N k恒转子磁通控制恒转子磁通控制 l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 sREIrrr/12122133rrprrrpeRsEnsRsREnT恒转子磁通控制恒转子磁通控制 l机械特性完全是一条直线，可以获机械特性完全是一条直

20、线，可以获得和直流电动机一样的线性机械特得和直流电动机一样的线性机械特性，性，l这正是高性能交流变频调速所要求这正是高性能交流变频调速所要求的稳态性能。的稳态性能。不同控制方式下的机械特性不同控制方式下的机械特性 图图3-5 异步电动机在不同控制方式下的机械特性异步电动机在不同控制方式下的机械特性a）恒压频比控制）恒压频比控制b）恒定子磁通控制）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制）恒气隙磁通控制d）恒转子磁通控制）恒转子磁通控制不同控制方式的比较不同控制方式的比较 l恒压频比控制最容易实现，它的变频机械恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能特性基本上是平行下移，

21、硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低速时需适当提够满足一般的调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。不同控制方式下的比较不同控制方式下的比较l恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。杂一些。l恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性能。但机械特性还是非线性改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。的，仍受到临界转矩的限制。l恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励恒转

22、子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。电动机一样的线性机械特性，性能最佳。3.2 电力电子变压变频器电力电子变压变频器l异步电动机变频调速需要电压与频率均可调异步电动机变频调速需要电压与频率均可调的交流电源，的交流电源，l常用的交流可调电源是由电力电子器件构成常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为的静止式功率变换器，一般称为变频器。变频器。3.2 电力电子变压变频器电力电子变压变频器l交交-直直-交变频器：交变频器：l先将恒压恒频的交流电整成直流，先将恒压恒频的交流电整成直流，l再将直流电逆变成电压与频率均为可调的交流，再将直流电逆变成

23、电压与频率均为可调的交流，称作称作间接变频间接变频。l交交-交变频器：将恒压恒频的交流电直接变交变频器：将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均为可调的交流电，换为电压与频率均为可调的交流电，l无需中间直流环节，称作无需中间直流环节，称作直接变频直接变频。3.2 电力电子变压变频器电力电子变压变频器图图3-6 变频器结构示意图变频器结构示意图a）交）交-直直-交变频器交变频器b）交）交-交变频器交变频器 脉冲宽度调制技术脉冲宽度调制技术l现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（调制（Pulse Width Modulation），简称），简称PWM

24、。l基本思想是基本思想是l控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，l输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，的脉冲序列，l用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。3.2.1 PWM变频器主回路变频器主回路图图3-7 交交-直直-交变频器主回路结构图交变频器主回路结构图3.2.1 PWM变频器主回路变频器主回路n左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压。电压。n右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调

25、的交流右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电。电。n中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。3.2.1 PWM变频器主回路变频器主回路n主回路只有一套可控功率级，具有结构、主回路只有一套可控功率级，具有结构、控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小。输出谐波分量小。n缺点是缺点是u当电动机工作在回馈制动状态时能量不能回馈当电动机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网，造成直流侧电压上升，称作至电网，造成直流侧电压上升，称作泵升电压泵升电压。直流母线供电直流母线供电n采用直流母线供电

26、给多台逆变器，可以减采用直流母线供电给多台逆变器，可以减少整流装置的电力电子器件，少整流装置的电力电子器件，u逆变器从直流母线上汲取能量，还可以通过直逆变器从直流母线上汲取能量，还可以通过直流母线来实现能量平衡，提高整流装置的工作流母线来实现能量平衡，提高整流装置的工作效率。效率。u当某个电动机工作在回馈制动状态时，直流母当某个电动机工作在回馈制动状态时，直流母线能将回馈的能量送至其他负载，实现能量交线能将回馈的能量送至其他负载，实现能量交换，有效地抑制泵升电压。换，有效地抑制泵升电压。直流母线供电直流母线供电图图3-8 直流母线方式的变频器主回路结构图直流母线方式的变频器主回路结构图3.2.

27、2正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术n以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调调制波，制波，n以频率比期望波高得多的等腰三角波作为以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波载波。n由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，序列，u这种调制方法称作这种调制方法称作正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse Width Modulation，简称，简称SPWM）。）。3.2.2 正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽

28、调制技术图图3-9 三相三相PWM逆变器双极逆变器双极性性SPWM波形波形a) 三相正弦调制波与双极三相正弦调制波与双极性三角载波性三角载波b）、）、c）、）、d）三相电压）三相电压e）输出线电压）输出线电压f）电动机相电压）电动机相电压*3.2.3 消除指定谐波消除指定谐波PWMl普通的普通的SPWM变频器输出电压带有一定的变频器输出电压带有一定的谐波分量，为降低谐波分量，减少电动机转谐波分量，为降低谐波分量，减少电动机转矩脉动，可以采用直接计算各脉冲起始与终矩脉动，可以采用直接计算各脉冲起始与终了相位的方法，以消除指定次数的谐波。了相位的方法，以消除指定次数的谐波。l在在SPWM的基础上衍

29、生出的的基础上衍生出的“消除指定次消除指定次数谐波数谐波PWM”（SHEPWM，Selected Harmonics Elimination PWM）控制技术。）控制技术。* 3.2.3 消除指定谐波消除指定谐波PWM图图3-10 变压变频器输出的相电压变压变频器输出的相电压PWM波形波形* 3.2.3 消除指定谐波消除指定谐波PWMl要消除第要消除第k次谐波分量，只须令次谐波分量，只须令1212( 1) cos01midkmiiUUkkkl基波幅值为所要求的电压值基波幅值为所要求的电压值11212( 1) cosmidmiiUU期望值3.2.4 见另一个文件3.2.4 电流跟踪电流跟踪PWM

30、（CFPWM）控制技术）控制技术n电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM，Current Follow PWM）的控制方法是：在原来）的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。实际电流快速跟随给定值。n在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的形，这就能比电压控制的SPWM获得更好获得更好的性能。的性能。n在交流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电在交流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正

31、弦电流，才能在空间建立圆形磁链轨迹，从而正弦电流，才能在空间建立圆形磁链轨迹，从而产生恒定的电磁转矩，不含脉动分量。产生恒定的电磁转矩，不含脉动分量。 n因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。能。 n常用的一种电流闭环控制方法是电流跟踪常用的一种电流闭环控制方法是电流跟踪PWMPWM（Current Follow PWM Current Follow PWM CFPWMCFPWM）控制。）控制。3.2.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术图

32、图3-11 电流滞环跟踪控制的电流滞环跟踪控制的A相原理图相原理图3.2.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术n电流控制器是带滞环的比较器，环宽为电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将。将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差超过给定电流与输出电流进行比较，电流偏差超过h时，经滞环控制器时，经滞环控制器HBC控制逆变器上（或下）控制逆变器上（或下）桥臂的功率器件动作。桥臂的功率器件动作。图图a) 电流波形电流波形1. t0时刻时刻, ia i*a ，且，且 ia =i*a - ia h，滞环控制器滞环控制器 HBC输出正电平，输出正电平， -VT1导通，变压变频器导通，

33、变压变频器输出正电压，使输出正电压，使ia增大。增大。2.2. 当当ia = i*a时，时，虽然虽然ia =0，但但HBC仍保持正电平输出，仍保持正电平输出，保持导通，使继续增大保持导通，使继续增大. .3.3.t=t1时刻，达到时刻，达到ia = i*a + h ， ia = h ，使滞环翻转，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断输出负电平，关断VT1 ，并经延时后驱动，并经延时后驱动VT4。图图b) 电压波形电压波形n但此时但此时VTVT4 4未必能够导通。未必能够导通。 由於电机绕组的电感作用，电流不会反向，由於电机绕组的电感作用，电流不会反向，而是通过二极管而是通过二极管VD4 VD4

34、续流，使受到反向钳位而不续流，使受到反向钳位而不能导通。此后，能导通。此后， i ia a逐渐减小，直到逐渐减小，直到t=tt=t2 2时，时， ia = i*a - h ，到达滞环偏差的下限值，使，到达滞环偏差的下限值，使HBCHBC再翻转，又重复使再翻转，又重复使VT1VT1导通。导通。n这样，这样，VT1VT1与与VD4VD4交替工作，使输出电流交替工作，使输出电流i ia a与给定与给定值值i i* *a a之间的偏差保持在之间的偏差保持在 h h 范围内，在正弦波范围内，在正弦波i i* *a a上下作锯齿状变化。从电流波形图中可以看到，上下作锯齿状变化。从电流波形图中可以看到，输出

35、电流是十分接近正弦波的。输出电流是十分接近正弦波的。3.2.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术图图3-12 电流滞环跟踪控制时的三相电流电流滞环跟踪控制时的三相电流波形与相电压波形与相电压PWM波形波形1.电流滞环跟踪控制方电流滞环跟踪控制方法的精度高、响应快，法的精度高、响应快，且易于实现。且易于实现。2.但功率开关器件的开但功率开关器件的开关频率不定。关频率不定。3.2.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控）控 制技术的有关问题制技术的有关问题1.电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的同时还

36、受到功率开关器件允许开关频率的制约。制约。2.当环宽选得较大时，开关频率低，但电流当环宽选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波分量高；波形失真较多，谐波分量高；3.如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频率却增大了。率却增大了。4.实际使用中，应在器件开关频率允许的前实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的环宽。提下，尽可能选择小的环宽。小小 结结n优点：优点：u电流滞环跟踪控制方法的精度高，响应快，电流滞环跟踪控制方法的精度高，响应快， 且易于实现。且易于实现。n缺点：缺点：u但 受 功 率 开 关 器 件 允 许 开 关 频 率 的

37、 限 制 ，但 受 功 率 开 关 器 件 允 许 开 关 频 率 的 限 制 ， 仅 在 电 机 堵 转 且 在 给 定 电 流 峰 值 处 才 发 挥仅 在 电 机 堵 转 且 在 给 定 电 流 峰 值 处 才 发 挥 出最高开关频率，在其他情况下，器件的允出最高开关频率，在其他情况下，器件的允 许开关频率都未得到充分利用。许开关频率都未得到充分利用。n为了克服这个缺点，可以采用具有恒定开关频率为了克服这个缺点，可以采用具有恒定开关频率的电流控制器，或者在局部范围内限制开关频率，的电流控制器，或者在局部范围内限制开关频率，但这样对电流波形都会产生影响。但这样对电流波形都会产生影响。3.2

38、.5 电压空间矢量电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术）控制技术n经典的经典的SPWMSPWM控制着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近控制着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并没顾及输出电流的波形。输出电流的波形会受负正弦波，并没顾及输出电流的波形。输出电流的波形会受负载参数的影响，电动机电流谐波不仅使损耗增加，还会产生载参数的影响，电动机电流谐波不仅使损耗增加，还会产生脉动转矩，影响电动机性能。脉动转矩，影响电动机性能。n电流滞环跟踪控制直接控制输出电流，使之在正弦波附近变电流滞环跟踪控制直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，比只要求正弦电压前进了一步。化，比只要求正弦电压前进

39、了一步。n把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称：所以又称： u电压空间矢量电压空间矢量PWMPWM（SVPWMSVPWM，Space Vector PWMSpace Vector PWM）控制。）控制。空间矢量的定义空间矢量的定义1.交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时

40、间变化的，如果考虑到它们理量都是随时间变化的，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。量。2.定义三相定子电压空间矢量定义三相定子电压空间矢量 2AOjBOjCOkukuekueAOBOCOuuu32k为待定系数为待定系数 空间矢量的合成空间矢量的合成l三相合成矢量三相合成矢量2jjAOBOCOkukuekuesAOBOCOuuuu图图3-13 电压空间矢量电压空间矢量000AOBOCOuuu的合成矢量的合成矢量 空间矢量的定义空间矢量的定义l定子电流空间矢量定子电流空间矢量 2jjAOBOCOkikiekiesAOBOCOiiii2jjAOB

41、OCOkkekesAOBOCOl定子磁链空间矢量定子磁链空间矢量 空间矢量表达式空间矢量表达式 l空间矢量功率表达式空间矢量功率表达式 2222222p =Re()Re()()()Re()s sjjjjAOBOCOAOBOCOAO AOBO BOCO COjjjBO AOCO AOAO BOjjjCO BOAO COBO COkuueueiieiekuiuiuikuieuieuieuieuieuieu iss、ii共轭矢量共轭矢量 空间矢量表达式空间矢量表达式 考虑到考虑到 0AOBOCOiii232233p =()22AO AOBO BOCO COkuiuiuik pp=AO AOBO BO

42、CO COuiuiuil三相瞬时功率三相瞬时功率 l按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则 23k空间矢量表达式空间矢量表达式 22()3jjAOBOCOuueuesu22()3jjAOBOCOiieiesi22()3jjAOBOCOees空间矢量表达式空间矢量表达式 l当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量相合成矢量112111224cos()cos()cos()33332jjmmmjtjtmsUtUteUteU eU esAOBOCOuuuu空间矢量表达式空间矢量表达式 l以电源角频率为角速度作恒速旋转的空以

43、电源角频率为角速度作恒速旋转的空间矢量，幅值间矢量，幅值 l在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度在空间作恒速旋转。在空间作恒速旋转。32smUU电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 l合成空间矢量表示的定子电压方程式合成空间矢量表示的定子电压方程式 l忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为磁链空间矢量的近似关系为dtdRssssiudtdssu d

44、tssu或或电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 l当电动机由三相平衡正弦电压供电时，当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（简称为磁链圆）。形（简称为磁链圆）。l定子磁链矢量定子磁链矢量)(1tjsesl定子电压矢量定子电压矢量111()()()211()jtsjtjtssdedtjeesu电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 图图3.14 旋转磁场与电压空旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹间矢量的运动轨迹图图3.15 电压矢量圆

45、轨迹电压矢量圆轨迹电压空间矢量电压空间矢量 l直流电源中点直流电源中点O和交流电动机中点和交流电动机中点O的电位的电位不等，但合成电压矢量的表达式相等。不等，但合成电压矢量的表达式相等。l因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。222222()32()()()322(1)()33jjAOBOCOjjAOOBOOCOOjjjjjjABCOOABCuueueuuuueuueuu eu eueeuu eu esAOBOCOuuuu8个基本空间矢量个基本空间矢量lPWM逆变器共有逆变器共有8种工作状态种工作状态 当当 100ABCSSSuuu222dddABCU

46、UU2423322(1)(1)3 23 2224242(1 coscos)(sinsin)3 233333jjjjddddUUeeeeUjU1u8个基本空间矢量个基本空间矢量依此类推，可得依此类推，可得8个基本空间矢量个基本空间矢量 。当当 1 10ABCSSSuuu222dddABCUUU2423332(1)(1)3 2222424(1 coscos)(sinsin)3 2333322(13)3 23jjjjdddjddUUeeeeUjUjU e2u8个基本空间矢量个基本空间矢量l2个零矢量个零矢量l6个有效工作矢量个有效工作矢量07uu、16uu幅值为幅值为 23dU空间互差空间互差 3基

47、本电压空间矢量图基本电压空间矢量图图图3.16 基本电压空间矢量图基本电压空间矢量图正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l6个有效工作矢量完成一个周期，输出基波个有效工作矢量完成一个周期，输出基波电压角频率电压角频率 l6个有效工作矢量个有效工作矢量16uu每个有效工作矢量作用每个有效工作矢量作用 3顺序分别作用顺序分别作用t时间，并使时间，并使 13tt31正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 k=1,2,3,4,5,6 l定子磁链矢量的增量定子磁链矢量的增量 tss = u(1)3( )( )23sskjdkktUt e ul定子磁链矢量运动方向与电压矢量相同，定子磁链矢量运动方

48、向与电压矢量相同，增量的幅值等于增量的幅值等于23dUt正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l定子磁链矢量的运动轨定子磁链矢量的运动轨迹为迹为 图图3.17 定子磁链矢量增量定子磁链矢量增量(1)( )( )( )( )ssssskkkkk t u正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 图图3-18 正六边形定子磁链轨迹正六边形定子磁链轨迹l在一个周期内，在一个周期内，6个有效工作矢量个有效工作矢量顺序作用一次，顺序作用一次，定子磁链矢量是定子磁链矢量是一个封闭的正六一个封闭的正六边形。边形。正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l正六边形定子磁链的大小与直流侧电压成正六边形定子磁

49、链的大小与直流侧电压成正比，而与电源角频率成反比。正比，而与电源角频率成反比。 1|( )| |( )| | ( )|2233 3ssddkkktUUt u正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 122|( )| |( )| | ( )|33 3dssdUkkktUt ul在基频以下调速时，应保持正六边形定子在基频以下调速时，应保持正六边形定子磁链的最大值恒定。磁链的最大值恒定。l若直流侧电压恒定，则若直流侧电压恒定，则1越小时，越小时， t越越大，势必导致大，势必导致 增大。增大。正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 1dU常数l要保持正六边形定子磁链不变，必须使要保持正六边形定子磁链

50、不变，必须使 l在变频的同时必须调节直流电压，造成了控在变频的同时必须调节直流电压，造成了控制的复杂性。制的复杂性。正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l有效的方法是插入零矢量有效的方法是插入零矢量l当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量表明定子磁链矢量停留不动。表明定子磁链矢量停留不动。 0s =正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l有效工作矢量作用时间有效工作矢量作用时间当 tt1l零矢量作用时间零矢量作用时间10ttt1110()3ttt l定子磁链矢量的增量为定子磁链矢量的增量为(1)31012( )( )3kjssdkkttUt e u0正六

51、边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l在时间在时间t1段内，定子磁链矢量轨迹沿着有段内，定子磁链矢量轨迹沿着有效工作电压矢量方向运行。效工作电压矢量方向运行。l在时间在时间t0段内，零矢量起作用，定子磁链段内，零矢量起作用，定子磁链矢量轨迹停留在原地，等待下一个有效工作矢量轨迹停留在原地，等待下一个有效工作矢量的到来。矢量的到来。l正六边形定子磁链的最大值正六边形定子磁链的最大值112|( )| |( )| |( )|3sssdkkktUt u正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l在直流电压不变的条件下，要保持在直流电压不变的条件下，要保持l输出频率越低，输出频率越低，t越大，零矢量作

52、用时间越大，零矢量作用时间t0也越大，定子磁链矢量轨迹停留的时间越也越大，定子磁链矢量轨迹停留的时间越长。长。l由此可知，由此可知，零矢量的插入有效地解决了定子零矢量的插入有效地解决了定子磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾。| )(|ks恒定，只要使恒定，只要使t1为常数即可。为常数即可。期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 l六边形旋转磁场带有较大的谐波分量，这将六边形旋转磁场带有较大的谐波分量，这将导致转矩与转速的脉动。导致转矩与转速的脉动。l要获得更多边形或接近圆形的旋转磁场，就要获得更多边形或接近圆形的旋转磁场，就必须有更多的空间位置不同的电压空间矢量必须

53、有更多的空间位置不同的电压空间矢量以供选择。以供选择。lPWM逆变器只有逆变器只有8个基本电压矢量，能否用个基本电压矢量，能否用这这8个基本矢量合成出其他多种不同的矢量呢？个基本矢量合成出其他多种不同的矢量呢？期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 l按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量，的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量，这就是电压空间矢量这就是电压空间矢量PWM（SVPWM）的基）的基本思想。本思想。l按按6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区，当期望输出电压矢量

54、落在某称的六个扇区，当期望输出电压矢量落在某个扇区内时，就用与期望输出电压矢量相邻个扇区内时，就用与期望输出电压矢量相邻的的2个有效工作矢量等效地合成期望输出矢量。个有效工作矢量等效地合成期望输出矢量。期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 图图3-19 电压空间矢量的电压空间矢量的6个扇区个扇区l按按6个有效工个有效工作矢量将电压作矢量将电压矢量空间分为矢量空间分为对称的六个扇对称的六个扇区，每个扇区区，每个扇区对应对应3期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 l基本电压空间矢量基本电压空间矢量图图3-20期望输出电压矢量的合成期望输出电压矢量的合成l期望输出电压矢量期望输出电压

55、矢量与扇区起始边的夹角与扇区起始边的夹角 的线性组合构成期望的的线性组合构成期望的电压矢量电压矢量 1u2usu期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 l在一个开关周期在一个开关周期 T0图3-21 期望输出电压矢量的合成的作用时间的作用时间 1u2u1t的作用时间的作用时间 2t121200123002233sjddttTTttUU eTTuuul合成电压矢量合成电压矢量期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 l由正弦定理可得由正弦定理可得解得解得 120022332sinsin()sin33ddsttUUTTus012sin()3du TtUs022usindTtUl零矢量的作

56、用时间零矢量的作用时间 2100ttTt期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 l两个基本矢量作用时间之和应满足两个基本矢量作用时间之和应满足当当 l输出电压矢量最大幅值输出电压矢量最大幅值 ss1202u2usin()sin cos()136ddttTUU6120ttTsmax2dUu期望电压空间矢量的期望电压空间矢量的合成 l当定子相电压为三相平衡正弦电压时，当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量幅值三相合成矢量幅值 l基波相电压最大幅值基波相电压最大幅值 l基波线电压最大幅值基波线电压最大幅值 32smUUmaxmax3lmmdUUUmaxmax233dmsUUu期望电压空

57、间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 lSPWM的基波线电压最大幅值为的基波线电压最大幅值为 两者之比两者之比 lSVPWM方式的逆变器输出线电压基波最大方式的逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比值为直流侧电压，比SPWM逆变器输出电压逆变器输出电压最多提高了约最多提高了约15%。23maxdlmUU1.1532maxmaxlmlmUUSVPWM的实现的实现 l通常以开关损耗和谐波分量都较小为通常以开关损耗和谐波分量都较小为原则，来安排基本矢量和零矢量的作用原则，来安排基本矢量和零矢量的作用顺序，一般在减少开关次数的同时，尽顺序，一般在减少开关次数的同时，尽量使量使PWM输出波型对称，以减

58、少谐波输出波型对称，以减少谐波分量。分量。 零矢量集中的实现方法零矢量集中的实现方法 l按照对称原则，将两个基本电压矢量的作按照对称原则，将两个基本电压矢量的作用时间平分为二后，安放在开关周期的首端用时间平分为二后，安放在开关周期的首端和末端。和末端。l零矢量的作用时间放在开关周期的中间，零矢量的作用时间放在开关周期的中间，并按开关次数最少的原则选择零矢量。并按开关次数最少的原则选择零矢量。l在一个开关周期内，有一相的状态保持不在一个开关周期内，有一相的状态保持不变，从一个矢量切换到另一个矢量时，只有变，从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状态发生变化，因而一相状态发生变化，因而开关次数少，

59、开关开关次数少，开关损耗小损耗小。 零矢量集中的实现方法零矢量集中的实现方法 图图3.22 零矢量集中的零矢量集中的SVPWM实现实现零矢量分散的实现方法零矢量分散的实现方法 l将零矢量平均分为将零矢量平均分为4份，在开关周期份，在开关周期的首、尾各放的首、尾各放1份，在中间放两份。份，在中间放两份。l将两个基本电压矢量的作用时间平分将两个基本电压矢量的作用时间平分为二后，插在零矢量间。为二后，插在零矢量间。l按开关次数最少的原则选择矢量。按开关次数最少的原则选择矢量。零矢量分散的实现方法零矢量分散的实现方法 图图3-23 零矢量分布的零矢量分布的SVPWM实现实现零矢量分散的实现方法零矢量分

60、散的实现方法 l每个周期均以零矢量开始，并以零每个周期均以零矢量开始，并以零矢量结束。矢量结束。l从一个矢量切换到另一个矢量时，从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状态发生变化。只有一相状态发生变化。l在一个开关周期内，三相状态均各在一个开关周期内，三相状态均各变化一次，开关损耗略大于零矢量变化一次，开关损耗略大于零矢量集中的方法。集中的方法。SVPWM控制的定子磁链控制的定子磁链 l将占据将占据/3的定子磁链矢量轨迹等分为的定子磁链矢量轨迹等分为N个个小区间，每个小区间所占的时间小区间，每个小区间所占的时间 NT103l定子磁链矢量轨迹为正定子磁链矢量轨迹为正6N边形，轨迹更边形，轨迹更接