《电机调速技术》项目三5.29

电机调速技术绪论全课导航项目1认识直流调速系统项目2认识调压调速系统

和串级调速系统项目3认识变频调速系统项目4认识矢量控制调速系统项目5认识直接转矩控制调速系统项目6了解电机调速技术的应用项目三认识变频调速系统变频调速系统基于变频器技术，其通过改变异步电动机的供电频率和电压，实现对异步电动机转速的精确调整，从而适应不同的工作需求。项目导读变频调速系统能够提高生产过程中的效率、稳定性和可靠性，并最大限度地降低能源消耗和维护成本。因此，变频调速系统广泛应用于工业生产、电力输送、交通运输等领域。本项目主要介绍变频调速系统的相关知识。项目导读目标知识目标掌握变频调速系统的控制方式和机械特性。了解变频器的种类、特点及选择。掌握正弦脉宽调制变压变频器的工作原理。了解正弦脉宽调制的限制条件和调制方式。掌握电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理和控制方法。目标技能目标熟悉变频器的参数设置方法。能够正确调试变频器，实现电动机的多段速运行。素质目标树立客观、严谨、细致的工作作风。培育执着专注、踏实认真的职业素质。弘扬精益求精、科学严谨、追求卓越的工匠精神。项目引入一个晴朗的午后，小明走进一个大型商场。在那里，他发现空调和通风系统在控制器的调节下总是在恰到好处地工作，温度不冷不热，让他感到舒适。点击跳过案例项目引入“这个控制器是怎么调节温度的呢？”这个控制器是变频调速系统，它通过改变电源的频率让空调或通风系统以不同的速度运转，从而满足不同的温度需求并节省能源。点击跳过案例项目引入小明恍然大悟，原来变频调速系统就在我们的日常生活中，它让我们的生活更加便利和舒适。现在就让我们一起揭开变频调速系统的神秘面纱。点击跳过案例课堂互动变频调速系统想一想，变频调速系统是怎样工作的？项目引入知识与技能要求项目内容认识直流调速系统学习程度识记理解应用学习任务变频调速系统的控制方式和机械特性

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变频器的种类、特点及选择

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正弦脉宽调制变压变频器的工作原理●

正弦脉宽调制的限制条件和调制方式

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电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理

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电压空间矢量脉宽调制变频调速的控制方法●实训任务利用变频器控制电动机多段速运行

●自我勉励变频调速系统正弦脉宽调制（SPWM）变频调速项目导航空间矢量脉宽调制（SVPWM）变频调速项目实施——利用变频器控制电动机多段速运行项目工单—认识变频调速系统1．学生分组小组成员及分工情况班级

组号

指导教师

小组成员姓名学号小组分工组长

组员

以3～5人为一组，选出组长并进行分工，填入下表中。2．工作计划工作计划查阅相关资料并预习课本，了解变频调速系统的相关知识，并填入下表中。序号工作内容负责人

项目工单—认识变频调速系统3．工作准备实施过程中所需的工具和器材等信息将实施过程中所需的工具和器材等信息填入表中。序号名称规格与型号单位数量备注

项目工单—认识变频调速系统4．工作实施工作实施过程记录表按照工作计划，将实施步骤、实施内容及遇到的问题、解决办法等记录于表中。序号实施步骤实施内容及遇到的问题解决办法

项目工单—认识变频调速系统3.1变频调速系统3.1变频调速系统变频调速的调速范围大、系统效率高，其带恒转矩负载时的转差功率不变，转差功率中的铜耗无论转速高低也基本不变，属于比较经济的调速方式，因此变频调速成为很多领域首选的交流调速方法。变频调速系统为转差功率不变型调速系统。3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性1．变频调速系统的控制方式3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性异步电动机的静态等效电路1．变频调速系统的控制方式3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性异步电动机的静态等效电路1．变频调速系统的控制方式3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性异步电动机的静态等效电路1．变频调速系统的控制方式3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性异步电动机的静态等效电路1．变频调速系统的控制方式3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性变频调速系统的基本控制策略需要根据其频率控制的范围而定。异步电动机的变频调速范围基频以下调速基频以上调速不同的范围采用不同的控制策略。1．变频调速系统的控制方式3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性1）基频以下调速表明，在变频的同时一定要按比例调压，因此，常见的变频调速为恒压频比控制变频调速。1．变频调速系统的控制方式3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性1）基频以下调速恒压频比控制特性曲线1．变频调速系统的控制方式3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性1）基频以下调速恒压频比控制特性曲线1．变频调速系统的控制方式3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性2）基频以上调速1．变频调速系统的控制方式3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性2）基频以上调速2．变频调速系统的机械特性3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性2．变频调速系统的机械特性3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性异步电动机恒压频比控制变频调速时的机械特性曲线2．变频调速系统的机械特性3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性异步电动机恒压频比控制变频调速时的机械特性曲线2．变频调速系统的机械特性3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性异步电动机恒压频比控制变频调速时的机械特性曲线2．变频调速系统的机械特性3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性异步电动机恒压频比控制变频调速时的机械特性曲线2．变频调速系统的机械特性3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性异步电动机恒压频比控制变频调速时的机械特性曲线2．变频调速系统的机械特性3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性异步电动机恒压频比控制变频调速时的机械特性曲线2．变频调速系统的机械特性3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性异步电动机恒压频比控制变频调速时的机械特性簇2．变频调速系统的机械特性3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性异步电动机恒压频比控制变频调速时的机械特性簇2．变频调速系统的机械特性3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性异步电动机恒压频比控制变频调速时的机械特性簇2．变频调速系统的机械特性3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性异步电动机恒压频比控制变频调速时的机械特性簇2．变频调速系统的机械特性3.1.1变频调速系统的控制方式和机械特性异步电动机恒压频比控制变频调速时的机械特性簇头脑风暴额定频率向上调整适用于恒转矩调速还是恒功率调速呢？3.1.2变频器的种类及特点变频器是通过改变交流电动机工作电源频率的方式来控制交流电动机的。变频器功能过流保护过压保护过载保护随着工业自动化程度的不断提高，变频器得到了非常广泛的应用。3.1.2变频器的种类及特点熟悉各种分类方式有利于更好地选择、使用变频器。变频器分类方式变流环节滤波方式电压的调制方式控制方式3.1.2变频器的种类及特点1．按变流环节分类变频器变流环节交-交变频器交-直-交变频器应用较为广泛的变频器3.1.2变频器的种类及特点交-直-交变频器可将交流电经过整流器转换成直流电，再将直流电经过逆变器调制为电压和频率均可调的交流电。如图中所示。1．按变流环节分类1）交-直-交变频器交-直-交变频器的结构框图3.1.2变频器的种类及特点1．按变流环节分类1）交-直-交变频器按照不同的控制方式，交-直-交变频器又可分为以下三种：采用可控整流器调压、逆变器调频。采用不可控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频。采用不可控整流器整流、SPWM逆变器同时调压调频。3.1.2变频器的种类及特点（1）采用可控整流器调压、逆变器调频的交-直-交变频器。如图中所示，电压和频率分别在整流器和逆变器上进行调节，通过控制电路协调配合。1．按变流环节分类1）交-直-交变频器可控整流器调压、逆变器调频3.1.2变频器的种类及特点（2）采用不可控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频的交-直-交变频器。如图中所示，该电路的整流电路采用不可控整流器整流，直流环节添加斩波器，采用脉宽调压、逆变器调频。输入侧采用不可控整流控制方式，使逆变器的功率因数有所提高，但是输出的电流谐波仍然较大。1．按变流环节分类1）交-直-交变频器不可控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频3.1.2变频器的种类及特点（3）采用不可控整流器整流、SPWM逆变器同时调压调频的交-直-交变频器。如图中所示：整流电路采用不可控整流器整流，采用正弦脉宽调制（SPWM）逆变器调压调频。1．按变流环节分类1）交-直-交变频器不可控整流器整流、SPWM逆变器同时调压调频3.1.2变频器的种类及特点（3）采用不可控整流器整流、SPWM逆变器同时调压调频的交-直-交变频器。采用不可控整流器可提高功率因数；采用SPWM逆变器可减少谐波，由于SPWM逆变器为全控式电力电子器件，开关频率在20kHz以上，输出波形非常接近正弦波。这种交-直-交变频器已成为当前常用的变频器之一。1．按变流环节分类1）交-直-交变频器不可控整流器整流、SPWM逆变器同时调压调频3.1.2变频器的种类及特点如图中所示。它只有一个变换环节，能够将恒压恒频（CVCF）的交流电直接转换为电压和频率都可调的交流电，因此它又称为直接变压变频器。1．按变流环节分类2）交-交变频器交-交变频器的结构框图3.1.2变频器的种类及特点交-交变频器所用的元器件数量较多，最高输出频率只有电网频率的1/3～1/2，因此它常用于低转速、大功率的调速系统。1．按变流环节分类2）交-交变频器交-交变频器的结构框图3.1.2变频器的种类及特点1．按变流环节分类3）交-直-交变频器和交-交变频器的特点比较比较内容交-直-交变频器交-交变频器调频范围调节范围大最高输出频率只有电网频率的1/3～1/2换流形式负载谐波换流或者强迫换流电源电压换流换能次数两次换能一次换能功率因数采用可控整流器调压时的功率因数低；采用斩波器或SPWM逆变器调压时的功率因数高较低元器件数量较少较多适用范围各种电力拖动装置和稳频稳压电源低转速、大功率的调速系统3.1.2变频器的种类及特点2．按滤波方式分类变频器滤波方式电压型变频器电流型变频器3.1.2变频器的种类及特点在交-直-交变频器中，当中间的直流环节采用电容器作为滤波元件时，直流电压波形较为平直，在理想情况下相当于一个内阻为零的恒压源，输出的交流电压是阶梯波或矩形波。这类变频装置称为电压型变频器，如图（a）所示。2．按滤波方式分类1）电压型变频器（a）电压型3.1.2变频器的种类及特点在电压型变频器中，由于能量回馈给中间直流环节的电容，使直流电压上升，因此常设有专用的放电电路，以防止换流器件因电压过高而损坏。2．按滤波方式分类1）电压型变频器（a）电压型3.1.2变频器的种类及特点在交-直-交变频器中，当中间的直流环节采用电感器作为滤波元件时，直流电流波形较平直，因此电源内阻很大，对负载来说相当于一个恒流源，输出的交流电流波形是阶梯波或矩形波，电压波形则近似为正弦波。这类变频器称为电流型变频器，如图（b）所示。2．按滤波方式分类2）电流型变频器（b）电流型3.1.2变频器的种类及特点电流型变频器的优点是，当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能再回馈到交流电网较为方便，不需要在主电路内附加其他设备。2．按滤波方式分类2）电流型变频器（b）电流型3.1.2变频器的种类及特点2．按滤波方式分类3）电压型变频器和电流型变频器的特点比较比较内容电压型变频器电流型变频器输出电压波形阶梯波或矩形波决定于负载，对异步电动机负载近似为正弦波输出电流波形取决于负载的功率因数，有较大的谐波分量阶梯波或矩形波输出阻抗小大回馈制动需要在电源侧设置反并联逆变器方便，主电路不需要附加其他设备动态响应速度较慢较快直流电路滤波环节电容器电感器适用范围多电动机拖动、稳压稳频电源单电动机拖动或需要可逆调速的情形3.1.2变频器的种类及特点3．按电压的调制方式分类变频器电压调制方式脉冲幅度调制（PAM）变频器脉冲宽度调制（PWM）3.1.2变频器的种类及特点3．按电压的调制方式分类1）脉冲幅度调制变频器脉冲幅度调制变频器是通过调节直流电压的幅值来实现调压的。其中，逆变器负责调节输出频率，直流斩波器通过调节直流电压来调节输出电压。目前，脉冲幅度调制在中小容量变频器中很少采用。3.1.2变频器的种类及特点3．按电压的调制方式分类2）脉冲宽度调制变频器脉冲宽度调制变频器是通过改变输出脉冲的宽度和占空比来调节输出电压的。在调节过程中，逆变器主要负责控制输出电压的幅值与频率，满足变频调速对电压和频率同时协调控制的要求。3.1.2变频器的种类及特点3．按电压的调制方式分类2）脉冲宽度调制变频器目前，在通用变频器中，脉宽按照正弦规律变化的正弦脉宽调制是一种最常用的调制方式。正弦脉宽调制主要有以下几个特点：主电路结构较简单，只有一个可控的环节。逆变器同时调频调压，与中间直流环节的元件参数无关，因此系统动态响应较快。电路中使用不可控整流器，电网的功率因数与逆变器的输出电压无关。3.1.2变频器的种类及特点4．按控制方式分类变频器控制方式控制变频器转差频率控制变频器矢量控制变频器3.1.2变频器的种类及特点4．按控制方式分类1）控制变频器

控制变频器结构简单，机械特性硬度较好，能够满足平滑调速的要求。但是，在实际的电路中存在定子阻抗压降，控制变频器在低频时可能会有最大输出转矩减小的情况。并且，这种变频器采用的是开环控制方式，其精度较低、动态性能较差。因此，人们又在此基础上研究出转差频率控制变频器。3.1.2变频器的种类及特点4．按控制方式分类2）转差频率控制变频器转差频率控制变频器是对

控制变频器的一种改进。转差频率控制是一种能够限制转差频率的变化范围，且能通过转差频率调节异步电动机电磁转矩的控制方式。在转差频率控制过程中，磁通量保持不变。3.1.2变频器的种类及特点4．按控制方式分类2）转差频率控制变频器转差频率控制变频器的给定输出频率为异步电动机实际速度和所需转差频率之和。与控制变频器相比，其在负载发生较大变化时仍能达到较高的速度精度和较好的转矩特性。3.1.2变频器的种类及特点4．按控制方式分类2）转差频率控制变频器但是，这种变频器要在异步电动机上安装速度传感器，并需要根据异步电动机的特性调节转差频率，所以通用性较差。3.1.2变频器的种类及特点4．按控制方式分类3）矢量控制变频器矢量控制变频器可对异步电动机进行高性能控制。采用矢量控制变频器的调速系统不仅在调速范围上可以媲美直流调速系统，还可以直接控制异步电动机产生的转矩，因此它在许多需要精密控制的领域得到了应用。3.1.2变频器的种类及特点4．按控制方式分类3）矢量控制变频器目前，新型矢量控制变频器有自调整功能，即在驱动异步电动机正常运转之前可以自动对电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法的相关参数，从而对普通异步电动机进行有效的矢量控制。3.1.2变频器的种类及特点4．按控制方式分类4）控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器的特点比较比较内容控制变频器转差频率控制变频器矢量控制变频器转矩控制理论上不可能一般不适用可以控制静止转矩速度控制范围1∶101∶201∶100以上速度控制响应—5～10rad/s30～100rad/s速度控制精度根据负载条件转差频率发生变化与运算控制精度和速度检测精度有关模拟最大值的0.5%加减速特性急加减速控制有限度，过电流抑制能力小急加减速控制有限度（稍大于

控制），过电流抑制能力中等急加减速控制无限度，过电流抑制能力大通用性基本通用根据异步电动机不同的特性需要给定转差频率根据异步电动机不同的特性需要给定转差频率、转矩电流等多个控制量控制构成简单较简单较复杂课堂互动想一想，怎样选择合适的变频器？变频器的选型原则3.1.3变频器的选择变频器的选择种类容量3.1.3变频器的选择1．变频器种类的选择变频器简易型多功能型高性能型3.1.3变频器的选择1．变频器种类的选择其应用原则主要有以下几点:（1）对于风机、泵类负载，负载转矩

和转速

的平方成正比，低速时负载转矩较小，对过载能力和转速的精度要求不高，通常可选择低成本的简易型变频器（2）对于恒转矩负载，如传送带、搅拌机和小型机床等，一般采用多功能型变频器，因为这种变频器低速转矩大、静态特性硬度大，且具有挖土机特性，所以对实现恒转矩负载的恒速运行是比较理想的（3）对于要求高精度和快响应的生产机械，则常采用高性能型变频器3.1.3变频器的选择2．变频器容量的选择下面分别介绍4种不同情况下的变频器容量选择方法。变频器容量选择的决定因素电动机的容量电动机的额定电流和加速时间3.1.3变频器的选择2．变频器容量的选择1）驱动一台电动机时变频器容量的选择驱动一台电动机时，若要求变频器连续运转，则需要同时满足以下三个公式：

3.1.3变频器的选择2．变频器容量的选择1）驱动一台电动机时变频器容量的选择驱动一台电动机时，若要求变频器连续运转，则需要同时满足以下三个公式：

3.1.3变频器的选择2．变频器容量的选择1）驱动一台电动机时变频器容量的选择对于恒转矩负载，所选变频器的容量应不小于电动机功率的80%；对于恒功率负载，所选变频器的容量应不小于电动机功率的65%。3.1.3变频器的选择2．变频器容量的选择2）驱动多台电动机时变频器容量的选择当一台变频器供电给多台电动机并联运行时，要保证变频器的额定输出电流大于所有电动机额定电流的总和。假设电动机加速时间在1min以内，则变频器应满足以下要求：3.1.3变频器的选择2．变频器容量的选择2）驱动多台电动机时变频器容量的选择假设电动机加速时间在1min以上，则变频器应满足以下要求：3.1.3变频器的选择2．变频器容量的选择3）大惯性负载启动时变频器容量的选择当电动机大惯性负载启动时，变频器容量的计算公式为：3.1.3变频器的选择2．变频器容量的选择4）指定加速时间时变频器容量的选择当短时最大电流超过变频器额定电流的150%时，变频器就会开启过流保护或防失速保护而停止加速，以防止转差率过大。其中，防失速功能会延长加速时间。防失速功能下的加减速控制曲线3.1.3变频器的选择2．变频器容量的选择4）指定加速时间时变频器容量的选择在指定加速时间的情况下，变频器所需的容量可用公式表示为：防失速功能下的加减速控制曲线3.1.3变频器的选择2．变频器容量的选择4）指定加速时间时变频器容量的选择为保证加速时间不受防失速功能的影响，变频器的容量应适当增大，以增强变频器输出电流的能力。防失速功能下的加减速控制曲线课堂互动电动机转矩的幅度增大需要哪些操作？点拨如果电流的大幅度增加不能使电动机转矩大幅度增大，那么还需要同时增大电动机的容量。变频器可分为几类？按什么方式分类？比较一下交-直-交变频器和交-交变频器的特点。课堂训练变频调速系统变频调速系统的控制方式和机械特性变频器的种类及特点变频器的选择课堂小结3.2正弦脉宽调制（SPWM）变频调速3.2正弦脉宽调制（SPWM）变频调速目前，脉宽按照正弦规律变化的正弦脉宽调制变频调速是最常用的一种变频调速方式。正弦脉宽调制变频调速可以改进逆变器输出脉冲的波形，使输出脉冲的波形分布较均匀，占空比调节较方便。下面将介绍正弦脉宽调制变频调速的相关知识。3.2.1正弦脉宽调制变压变频器的工作原理正弦脉宽调制变压变频器主电路原理图课堂互动想一想，SPWM控制主要应用于哪些场合？SPWM控制3.2.1正弦脉宽调制变压变频器的工作原理单极式正弦脉宽调制波，即单极式SPWM波。其调制方法是利用正弦波作为基准调制波（modulationwave），以等腰三角形作为载波（carrierwave）。当调制波与载波相交时，其交点决定了逆变器功率开关器件的通断时刻。（a）单极式SPWM波3.2.1正弦脉宽调制变压变频器的工作原理（a）单极式SPWM波正弦脉宽调制变压变频器主电路原理图3.2.1正弦脉宽调制变压变频器的工作原理（a）单极式SPWM波正弦脉宽调制变压变频器主电路原理图3.2.1正弦脉宽调制变压变频器的工作原理（a）单极式SPWM波3.2.1正弦脉宽调制变压变频器的工作原理（b）双极式SPWM波正弦脉宽调制变压变频器主电路原理图3.2.1正弦脉宽调制变压变频器的工作原理当A相调制波电压高于载波电压时，功率开关器件VT1导通，VT4截止，输出电压为；当

低于

时，功率开关器件VT1截止，VT4导通，输出电压为。因此，A相相电压在之间交替变化，形成双极式SPWM波。（b）双极式SPWM波正弦脉宽调制变压变频器主电路原理图3.2.1正弦脉宽调制变压变频器的工作原理（a）单极式SPWM波（b）双极式SPWM波SPWM波同理，控制功率开关器件VT3和VT6的导通和截止可得到B相SPWM波；控制功率开关器件VT5和VT2的导通和截止可得到C相的SPWM波。由和相减，可得到逆变器输出的线电压，其脉冲幅值为。正弦脉宽调制变压变频器主电路原理图课堂互动为何要在两个功率开关器件的通断信号之间设置一段延时时间？由于功率开关器件都存在截止恢复时间，为防止同一桥臂上下两个功率开关器件同时导通而造成逆变颠覆，必须在这两个功率开关器件的通断信号之间设置一段延时时间。延时时间应当根据不同器件的特性进行设置。知识链接3.2.2正弦脉宽调制的限制条件从图中可以看出，在输出电压半周期内，逆变器主电路上的功率开关器件开关次数越多，SPWM波的基波分量越接近于正弦波，对功率开关器件的开关频率要求也越高。因此，在应用正弦脉宽调制变频调速技术时必然会受到一定条件的制约，这主要表现在以下两个方面。（a）单极式SPWM波（b）双极式SPWM波SPWM波1．功率开关器件的开关频率2．最小间歇时间与调制度3.2.2正弦脉宽调制的限制条件1．功率开关器件的开关频率常见的全控式电力电子器件的开关频率全控式电力电子器件开关频率/kHz双极型电力晶体管（BJT）1～5可关断晶闸管（GTO）1～2功率场效应管（P-MOSFET）50绝缘栅双极型晶体管（IGBT）5～203.2.2正弦脉宽调制的限制条件1．功率开关器件的开关频率3.2.2正弦脉宽调制的限制条件1．功率开关器件的开关频率分母即SPWM变频器的最高输出频率3.2.2正弦脉宽调制的限制条件2．最小间歇时间与调制度3.2.2正弦脉宽调制的限制条件2．最小间歇时间与调制度3.2.3正弦脉宽调制的调制方式在产生SPWM波时，根据载波比

N变化情况的不同，可分为以下几种。调制方式同步调制异步调制分段同步调制3.2.3正弦脉宽调制的调制方式在同步调制方式中，载波比

N为常数，变频时正弦调制波的频率与三角载波的频率同步改变，因此逆变器输出电压在半周期内的矩形脉冲数是固定不变的。1．同步调制3.2.3正弦脉宽调制的调制方式1．同步调制若取N等于

3的倍数，则同步调制后逆变器输出的矩形脉冲波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差120°的对称关系。3.2.3正弦脉宽调制的调制方式同步调制方式的主要缺点是，当输出频率较低时，相邻脉冲间的距离增大，谐波会显著增加，使负载电动机产生较大的脉冲转矩和较强的噪声。1．同步调制3.2.3正弦脉宽调制的调制方式2．异步调制异步调制可以克服同步调制在输出频率较低时存在的问题。采用异步调制时，

常数，只改变正弦调制波的频率，三角载波的频率固定不变，因此可以提高低频时的载波比。这时，逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数随输出频率的降低而增加，从而减小负载电动机的转矩脉动和噪声，改善了系统的低频工作性能。3.2.3正弦脉宽调制的调制方式2．异步调制异步调制后，逆变器输出的矩形脉冲波形的正、负半波的脉冲数和相位不能始终保持对称，易引起电动机工作的不平稳。3.2.3正弦脉宽调制的调制方式3．分段同步调制为达到生产要求，需要获取SPWM波的优良性能，此时可以将同步调制和异步调制结合起来，扬长避短，即采用分段同步调制。3.2.3正弦脉宽调制的调制方式3．分段同步调制低频时，可以采用异步调制方式增大载波比，降低电动机噪声，以减小谐波；当频率增加至某一范围内，可以采用同步调制方式，使输出波形三相对称，提高电动机工作的稳定性。目前实际应用的SPWM变压变频器大多采用这种方式。3.2.3正弦脉宽调制的调制方式3．分段同步调制具体来说，分段同步调制就是将逆变器的输出频率划分成多个频段，每一频段内的载波比保持恒定，但不同的频段之间取不同的载波比。频率低时，载波比取大些；反之，载波比取小些。3.2.3正弦脉宽调制的调制方式3．分段同步调制分段同步调制的频率和载波比一般按照等比级数设置，具体如表所示分段同步调制的频率和载波比逆变器的频率/Hz载波比功率开关器件的开关频率/Hz32～6218576～111616～3136576～11168～1572576～10804～7.5144576～1080同步调制的主要缺点是什么？根据载波比

N变化情况的不同，调制方式可分为几种？课堂训练正弦脉宽调制（SPWM）变频调速正弦脉宽调制变压变频器的工作原理正弦脉宽调制的限制条件正弦脉宽调制的调制方式课堂小结3.3空间矢量脉宽调制（SVPWM）变频调速3.3空间矢量脉宽调制（SVPWM）变频调速空间矢量脉宽调制变频调速是一种新的变频调速方法，近年来应用越来越广泛。该方法的优点主要有以下几点：（1）它可与直流电动机相匹配，且对直流电压的利用率更高。（2）它在调制中每次只切换一个功率开关器件，大大降低切换的损耗。（3）它可以采用数字信号处理（digitalsignalprocessing，DSP）技术，快速处理功率开关器件的切换，可以大大提高调速速度。（4）它利用两个空间矢量的线性组合合成，以获得多个等幅、渐进的辅助矢量，可以得到近似圆形的旋转磁场，因此电动机在调速时转矩波动较小、动态和静态特性较好。3.3空间矢量脉宽调制（SVPWM）变频调速前面介绍的正弦脉宽调制着眼于使变压变频器的输出电压接近正弦波，未考虑输出电流的波形及电动机产生的旋转磁场。但是交流电动机输入三相正弦波的目的是在电动机气隙形成圆形的旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。3.3空间矢量脉宽调制（SVPWM）变频调速因此，可将逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器，这种控制方法称为磁链跟踪控制。而磁链跟踪控制是通过交替使用不同电压空间矢量来实现的，所以又称为电压空间矢量脉宽调制。3.3.1电压空间矢量的概念电压空间矢量电压空间矢量是按照电压加在绕组的空间位置来定义的。交流电动机的三相定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系，如图中所示。A、B、C轴分别表示在空间静止不动的三相定子绕组的轴线，它们在空间互差120°。3.3.1电压空间矢量的概念电压空间矢量3.3.1电压空间矢量的概念电压空间矢量3.3.1电压空间矢量的概念电压空间矢量3.3.1电压空间矢量的概念电压空间矢量3.3.1电压空间矢量的概念电压空间矢量3.3.1电压空间矢量的概念电压空间矢量3.3.1电压空间矢量的概念电压空间矢量3.3.1电压空间矢量的概念旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹3.3.1电压空间矢量的概念旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理在常规的脉宽调制变频调速系统中，异步电动机由六拍型逆变器供电，其空间矢量切换方法简单，但输出不是三相对称正弦电压，此时将得到不完全等幅、呈六边形轨迹跳跃的旋转磁场。3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理而电压空间矢量脉宽调制方法既能保持前者切换方法简单的优点，又能减弱其振幅波动这个缺点，还能够得到完全等幅的圆形旋转磁场。3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理电压空间矢量脉宽调制变频调速系统的主电路与六拍型逆变器-异步电动机调速系统主电路基本一样，只是功率开关器件采用的是IGBT。为方便讨论电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理，下面主要介绍六拍型逆变器-异步电动机调速系统的相关知识。3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理如图中所示。其中，6个功率开关器件都用开关符号代替，可以代表任意一种功率开关器件。六拍型逆变器-异步电动机调速系统的主电路3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理如图中所示，由于异步电动机对称工作，逆变器必须三相同时供电，其同一桥臂的功率开关器件处于互补工作状态，不允许同一桥臂上下两器件同时导通，否则会造成直流电源短路。1．功率开关器件的开关状态六拍型逆变器-异步电动机调速系统的主电路3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理电路定义①若桥臂上器件的导通为状态1，则与其相连的下器件断开，定义为状态0；②若桥臂下器件的导通为状态0，则与其相连的上器件断开，定义为状态0。1．功率开关器件的开关状态六拍型逆变器-异步电动机调速系统的主电路3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理从逆变器的电路来看，6个功率开关器件按23排列组合可以构成8个开关状态，即100、110、010、011、001、101、111、000。其中，前6个为有效开关状态，可以向电动机绕组输出电压，称为电压状态；而后2个为无效开关状态，此时不能向异步电动机绕组输出电压，故称为非电压状态或零电压状态。1．功率开关器件的开关状态六拍型逆变器-异步电动机调速系统的主电路3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理对于六拍型逆变器，在其输出的每个周期中，6个有效开关状态各出现一次，逆变器每隔π/3时刻就切换一次开关状态，而在这π/3时刻内则保持不变。1．功率开关器件的开关状态六拍型逆变器-异步电动机调速系统的主电路3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理1．功率开关器件的开关状态1）开关状态为100和110的合成电压空间矢量设工作周期从100开关状态开始，此时VT1、VT2、VT6导通，其等效电路如图中所示。此时，各负载相对于直流电源中点的电压幅值分别为：功率开关器件导通状态为100时的等效电路3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理1．功率开关器件的开关状态1）开关状态为100和110的合成电压空间矢量（a）100开关状态3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理1．功率开关器件的开关状态1）开关状态为100和110的合成电压空间矢量（b）110开关状态3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理1．功率开关器件的开关状态2）每个周期的合成电压空间矢量六拍型逆变器的合成电压空间矢量3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理1．功率开关器件的开关状态2）每个周期的合成电压空间矢量六拍型逆变器的合成电压空间矢量3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理2．电压空间矢量与磁链空间矢量的关系3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理2．电压空间矢量与磁链空间矢量的关系由式可知，在π/3所对应的时间内，施加电压空间矢量为的结果是使磁链空间矢量产生一个增量

，其幅值与成正比，方向与一致，最后得到如图中所示的新的磁链空间矢量，可用公式表示为：3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理2．电压空间矢量与磁链空间矢量的关系合成电压空间矢量与合成磁链空间矢量的关系图3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理2．电压空间矢量与磁链空间矢量的关系综上所述，如果异步电动机仅由常规的六拍型逆变器供电，磁链轨迹为六边形的旋转磁场，而不是正弦波供电时产生的圆形旋转磁场。因此，不能使异步电动机获得恒定转矩而保持匀速运行。合成电压空间矢量与合成磁链空间矢量的关系图3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理2．电压空间矢量与磁链空间矢量的关系之所以如此，是因为在一个周期内逆变器只切换

6次工作状态，形成6个电压空间矢量。如果要获得接近圆形的旋转磁场，则需要形成更多相位不同的电压空间矢量，因此必须对逆变器的控制模式进行改造。合成电压空间矢量与合成磁链空间矢量的关系图3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理3．电压空间矢量脉宽调制控制模式电压空间矢量脉宽调制控制模式的基本思想是按照空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个基本矢量合成更多的、期望的输出矢量。预期电压空间矢量的合成3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理3．电压空间矢量脉宽调制控制模式为此，可以将逆变器的控制模式改造成电压空间矢量脉宽调制，即用6个电压空间矢量中的相邻两个，按照不同的线性比例来组合，形成若干个新的辅助合成矢量，该方法可以增加电压空间矢量的切换次数，使磁链轨迹接近圆形旋转磁场。预期电压空间矢量的合成3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理3．电压空间矢量脉宽调制控制模式预期电压空间矢量的合成3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理3．电压空间矢量脉宽调制控制模式3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理3．电压空间矢量脉宽调制控制模式为方便讨论，可将逆变器的一个工作周期用6个电压空间矢量划分为6个区域，称为扇区（sector），如图中所示的Ⅰ～Ⅵ，每个扇区对应的作用时间均为π/3。由于逆变器在各扇区的工作状态都是对称的，分析一个扇区的方法便可以推广到其他扇区。在常规六拍型逆变器中，一个扇区仅包含两个开关状态。电压空间矢量划分的扇区3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理3．电压空间矢量脉宽调制控制模式电压空间矢量划分的扇区显然，一个扇区内划分的小区间越多，就能获得越多的预期电压空间矢量，合成磁场就越接近圆形。3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理3．电压空间矢量脉宽调制控制模式电压空间矢量划分的扇区3.3.2电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理3．电压空间矢量脉宽调制控制模式电压空间矢量划分的扇区课堂互动扇区的数值是怎样划分的？划分扇区的数值受电路中功率开关器件频率特性的限制，但频率特性好的功率开关器件价格较高。目前，常用功率开关器件的频率为20kHz。根据实际需要，1个扇区常划分的数值有2、4、6、8，则6个扇区可划分为12、24、36、48个小区间。知识链接3.3.3电压空间矢量脉宽调制变频调速的控制方法3.3.3电压空间矢量脉宽调制变频调速的控制方法采用专门的硬件芯片进行控制采用数字处理信号（DSP）芯片进行控制采用中央处理器（CPU）的控制软件进行控制3.3.3电压空间矢量脉宽调制变频调速的控制方法1．采用专门的硬件芯片进行控制3.3.3电压空间矢量脉宽调制变频调速的控制方法1．采用专门的硬件芯片进行控制系统工作时，模块根据编好的控制程序，将6个功率开关器件上下臂所需的控制信号送到相应的控制极，以控制功率开关器件的有序通断，从而获得预期电压空间矢量所对应的电压。3.3.3电压空间矢量脉宽调制变频调速的控制方法2．采用数字处理信号（DSP）芯片进行控制3.3.3电压空间矢量脉宽调制变频调速的控制方法3．采用中央处理器（CPU）的控制软件进行控制这种方法适用于已经熟练掌握CPU汇编语言的用户，其开发速度快且调试时间短。但由于CPU的运算速度比DSP芯片慢得多，因此较难满足对实时控制要求较高的对象。该方法通过8位或16位CPU控制软件，对给定的和相应的值进行计算，最后求出、和。在城市轨道交通绿色低碳发展的背景下，李国庆作为一名从事地铁通风空调设计30余年的科技工作者，通过不断创新，为轨道交通系统实现双碳目标贡献了很多力量。拓展阅读城市轨道交通的探索者：李国庆早在2002年，李国庆便提出拆掉地铁中传统空调的制冷机，通过新型风机变频调速技术，将风与热结合，让地铁在排风的同时带走运行产生的余热。该方案不但可以缩小占地面积和体积，还减少了施工风险和工程投资。2007年10月，北京地铁5号线开通，首次采用全新的地铁暖通空调集成系统，运行情况良好，且车站长度缩短了20m。拓展阅读城市轨道交通的探索者：李国庆很多地铁站的空调系统采用的是固定热舒适模式，其特点是地铁站站厅、站台等不同功能区域空调控制温度采用一样的标准。盛夏时节，当乘客从炎热的室外进入冷气十足的站厅后，很容易有不舒服的感觉。此外，这种模式也不利于能耗控制。拓展阅读城市轨道交通的探索者：李国庆为解决这个问题，李国庆为地铁空调控制系统装上了“智慧大脑”。它可以自动采集室外温度数据，并根据室外温度变化，动态调整车站内部不同区域的温度标准。例如，当室外温度为32℃时，站厅温度调整为30℃，站台温度调整为28℃。这种因体感而变的新模式既符合人体生理学，又大大降低了能耗。拓展阅读城市轨道交通的探索者：李国庆李国庆在专业领域不停跋涉，通过创新突破，推动技术不断迭代升级，研发出了很多节能降耗新产品，开拓了诸多新市场，为国家繁荣和社会进步作出了巨大贡献。拓展阅读城市轨道交通的探索者：李国庆课堂互动地铁空调控制系统是怎样运作的？有哪些优点？空间矢量脉宽调制变频调速有哪些优点？划分扇区的数值受什么限制？课堂训练空间矢量脉宽调制（SVPWM）变频调速电压空间矢量的概念电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理电压空间矢量脉宽调制变频调速的控制方法课堂小结项目实施利用变频器控制电