測(cè)控電路--第08章-連續(xù)信號(hào)控制電路.

1、第八章第八章 連續(xù)信號(hào)控制電路連續(xù)信號(hào)控制電路 連續(xù)信號(hào)控制電路n將交流信號(hào)連續(xù)變換成直流信號(hào)，或者將直流信號(hào)連續(xù)變換成交流信號(hào)來(lái)達(dá)到控制的目的，實(shí)現(xiàn)這種控制的電路稱為連續(xù)信號(hào)控制電路。n在實(shí)際應(yīng)用中，連續(xù)信號(hào)控制電路主要是指直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速、交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速和功率電源控制中的導(dǎo)電角控制電路、脈寬調(diào)制控制電路、變頻控制電路和電源程控電路等。 第一節(jié)第一節(jié) 脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（PWM）控制電路控制電路第二節(jié)第二節(jié) 導(dǎo)電角控制逆變器導(dǎo)電角控制逆變器第二節(jié)第二節(jié) 脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（PWM）控制電路控制電路n一、脈寬調(diào)制控制電路的工作原理一、脈寬調(diào)制控制電路的工作原理 n二、典型脈寬調(diào)制電路二、典型脈寬

2、調(diào)制電路n三、三、PWM功率轉(zhuǎn)換功率轉(zhuǎn)換電路電路n四、同步式與異步式脈寬調(diào)制控制電路四、同步式與異步式脈寬調(diào)制控制電路一、脈寬調(diào)制控制電路的工作原理一、脈寬調(diào)制控制電路的工作原理+N-R2R3RPR1RLUPu0ukUbECULVVD圖9-8 PWM控制電路原理圖9-9 鋸齒波脈寬調(diào)制波形圖 a)b)c)ttttttttOOOOOtOOOOTTTuPuPuPubububuP+uk+u0uP+uk+u0uP+uk+u0kmk121uuT式中 ukm控制信號(hào)uk的最大值。 圖9-10 PWM控制負(fù)載的波形圖tt2T2TTTT+T+OOuLuLULULEE二、典型脈寬調(diào)制電路二、典型脈寬調(diào)制電路n脈

3、寬（脈沖寬度）調(diào)制器是一個(gè)自動(dòng)的電壓脈寬（脈沖寬度）調(diào)制器是一個(gè)自動(dòng)的電壓-脈寬變換器脈寬變換器(亦稱亦稱V/W電路電路)。對(duì)它的基本要求。對(duì)它的基本要求是死區(qū)要小，調(diào)寬脈沖的前后沿的斜率要大，是死區(qū)要小，調(diào)寬脈沖的前后沿的斜率要大，也就是比較器的靈敏度要足夠高。也就是比較器的靈敏度要足夠高。n在設(shè)計(jì)脈寬調(diào)制器的實(shí)際電路時(shí)，應(yīng)使其簡(jiǎn)單、在設(shè)計(jì)脈寬調(diào)制器的實(shí)際電路時(shí)，應(yīng)使其簡(jiǎn)單、可靠，且不受外界干擾。比較器的靈敏度與系可靠，且不受外界干擾。比較器的靈敏度與系統(tǒng)的控制模式、實(shí)際控制系統(tǒng)的具體要求等有統(tǒng)的控制模式、實(shí)際控制系統(tǒng)的具體要求等有關(guān)，應(yīng)綜合考慮，否則在整個(gè)系統(tǒng)的線路處理關(guān)，應(yīng)綜合考慮，否則

4、在整個(gè)系統(tǒng)的線路處理上會(huì)帶來(lái)一定困難。同時(shí)還需考慮與功率轉(zhuǎn)換上會(huì)帶來(lái)一定困難。同時(shí)還需考慮與功率轉(zhuǎn)換電路的耦合問(wèn)題。電路的耦合問(wèn)題。典型電路典型電路n (一一) 鋸齒波脈寬調(diào)制器鋸齒波脈寬調(diào)制器 n (二二)三角波脈寬調(diào)制器三角波脈寬調(diào)制器 n (三三)數(shù)字式脈寬調(diào)制器數(shù)字式脈寬調(diào)制器 (一一) 鋸齒波脈寬調(diào)制器鋸齒波脈寬調(diào)制器51V26TRTHNE5554R7ct8V+N-+R1EcR2R3R4R5RPR7R6R8R9C1C2C3u0ukub圖9-11 鋸齒波脈沖寬度調(diào)制器(二二) 三角波脈寬調(diào)制器三角波脈寬調(diào)制器+-N1+N2-+R3R1R2CRPR5R6R7R9R8R10R13R11R1

5、4R12R15R16R17R18VS1VS2VD1VD2baV1V2V3V4V5uk+Ecuo1-Ecuo2uPR4圖9-12 三角波脈寬調(diào)制器電路 +1.2V-1.2VtttttttttOOOOOOOOOuo1uo1uo1uo2uo2uo2uk-uPuk-uPuk-uPukuk圖9-13 單極性脈寬調(diào)制器輸出波形 a) uk=0 b) uk0 c) uk1314PWM輸出D7D0D0A0A0A1A1PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0PC7A BUcUcUc三、三、PWM功率轉(zhuǎn)換功率轉(zhuǎn)換電路電路n根據(jù)調(diào)制脈沖的極性可分為單極式和雙根據(jù)調(diào)制脈沖的極性可分為單極式和雙極式調(diào)制兩種；極式調(diào)制

6、兩種；n根據(jù)載波信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的頻率之間的根據(jù)載波信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的頻率之間的關(guān)系，又可分為同步式和異步式兩種。關(guān)系，又可分為同步式和異步式兩種。 n (一一) 簡(jiǎn)單的不可逆簡(jiǎn)單的不可逆PWM控制電路控制電路n (二二) 制動(dòng)不可逆制動(dòng)不可逆PWM控制電路控制電路 n (三三) H型雙極式可逆型雙極式可逆PWM控制電路控制電路n (四四) T型雙極式可逆型雙極式可逆PWM控制電路控制電路 (一一) 簡(jiǎn)單的不可逆簡(jiǎn)單的不可逆PWM控制電路控制電路 VD1M-ubVD2V+iaED+ECiaua,EuaUaEDia圖9-15 簡(jiǎn)單不可逆PWM控制電路及其波形 a） 電路原理圖 b） 電流和電壓波形

7、n在這種簡(jiǎn)單的在這種簡(jiǎn)單的PWM控制電路中，電動(dòng)機(jī)控制電路中，電動(dòng)機(jī)的電樞電流是不能反向流動(dòng)的，即無(wú)制的電樞電流是不能反向流動(dòng)的，即無(wú)制動(dòng)工作狀態(tài)，一般僅適用于快速性要求動(dòng)工作狀態(tài)，一般僅適用于快速性要求不高的場(chǎng)合。而且，這種電路在輕載不高的場(chǎng)合。而且，這種電路在輕載(或或空載空載)情況下還可能出現(xiàn)電樞電流斷續(xù)的情況下還可能出現(xiàn)電樞電流斷續(xù)的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 (二二) 制動(dòng)不可逆制動(dòng)不可逆PWM控制電路控制電路+-Ea)BMV1V2VD1VD2ACEDub1ub21234b)ub1=-ub2ub1ub2TtOV1V1VD2tTEEDUaiaia,u112Oiaa)電路原理圖b) 電動(dòng)狀態(tài)電壓和電流

8、波形c)tTOtTub2ub1ub1=-ub2VD1VD1V2V2OEEDUaia3344ia,ud)tOia34121Tt1t24圖9-16 制動(dòng)不可逆PWM控制電路及其波形c) 制動(dòng)狀態(tài)電壓和電流波形d) 電動(dòng)和制動(dòng)交替狀態(tài)電流波形(三三) H型雙極式可逆型雙極式可逆PWM控制電路控制電路n H型控制電路在控制方式上分雙極式、型控制電路在控制方式上分雙極式、單極式和受限單極式三種。單極式和受限單極式三種。ub1,ub4411-E2211tttttOOOOOub2,ub3TEiauABia3ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13（重載）（輕載）4

9、圖9-17 H型雙極式PWM控制電路及其波形a） 電路原理圖 b） 電壓電流波形 (四四) T型雙極式可逆型雙極式可逆PWM控控制電路制電路圖9-18 T型雙極式PWM控制電路VD2+EM3241V2V1VD1ABub1ub2-E四、同步式與異步式脈寬調(diào)制控制電路四、同步式與異步式脈寬調(diào)制控制電路n定義：調(diào)制控制中，若載波信號(hào)為等腰定義：調(diào)制控制中，若載波信號(hào)為等腰三角波，基準(zhǔn)信號(hào)采用正弦波，則稱為三角波，基準(zhǔn)信號(hào)采用正弦波，則稱為正弦波脈寬調(diào)制，簡(jiǎn)稱正弦波脈寬調(diào)制，簡(jiǎn)稱SPWM。圖9-20 單極性正弦波脈寬調(diào)制a)b)UAB倒相器正弦波基準(zhǔn)信號(hào)振蕩器三角波振蕩器半波整流電路比較器V1M半波整

10、流電路比較器V2V3V4ECABuPuc-ucE-ucucuPuOO-Ettn單極性單極性: 指載波信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)始終保持指載波信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)始終保持同極性的關(guān)系，即正弦波處于正半周時(shí)，同極性的關(guān)系，即正弦波處于正半周時(shí)，載波信號(hào)在正值范圍內(nèi)變化，產(chǎn)生正的載波信號(hào)在正值范圍內(nèi)變化，產(chǎn)生正的調(diào)制脈沖列。而正弦波處于負(fù)半周時(shí)，調(diào)制脈沖列。而正弦波處于負(fù)半周時(shí)，產(chǎn)生負(fù)的調(diào)制脈沖列。產(chǎn)生負(fù)的調(diào)制脈沖列。 n采用正弦波調(diào)制后的輸出電壓脈沖采用正弦波調(diào)制后的輸出電壓脈沖UAB具具有以下特點(diǎn)：在半個(gè)周期內(nèi)，兩邊的脈有以下特點(diǎn)：在半個(gè)周期內(nèi)，兩邊的脈沖寬度小，中間的脈沖寬度大，各脈沖沖寬度小，中間的脈沖寬度大

11、，各脈沖的寬度基本上按正弦分布。它比單極性的寬度基本上按正弦分布。它比單極性直流脈寬調(diào)制的輸出電壓波形更接近于直流脈寬調(diào)制的輸出電壓波形更接近于正弦。正弦。 n定義載波頻率定義載波頻率fp與調(diào)制波頻率與調(diào)制波頻率fk之比為載之比為載波比波比N，即即N=fp/fk。用三角波用三角波up幅值幅值Upm與正弦波與正弦波uk幅值幅值Ukm之比之比m=Upm/Ukm表示表示調(diào)節(jié)脈沖寬度的能力，調(diào)節(jié)脈沖寬度的能力，m愈大，愈大，uk幅值就幅值就愈小，則等高不等寬脈沖寬度變窄，輸愈小，則等高不等寬脈沖寬度變窄，輸出電壓減小。根據(jù)載波比的變化與否可出電壓減小。根據(jù)載波比的變化與否可分為同步式調(diào)制控制與異步式調(diào)

12、制控制。分為同步式調(diào)制控制與異步式調(diào)制控制。 （一）同步式調(diào)制控制（一）同步式調(diào)制控制n在同步式調(diào)制控制方式中，在同步式調(diào)制控制方式中，N為常數(shù)，即變頻為常數(shù)，即變頻時(shí)控制電路的三角載波頻率與正弦調(diào)制波的頻時(shí)控制電路的三角載波頻率與正弦調(diào)制波的頻率要同步變化，從而保持脈寬調(diào)制信號(hào)波形數(shù)率要同步變化，從而保持脈寬調(diào)制信號(hào)波形數(shù)和相位不變。如果取和相位不變。如果取N等于等于3的倍數(shù)，則同步的倍數(shù)，則同步調(diào)制控制能保證逆變器輸出波形的正、負(fù)半波調(diào)制控制能保證逆變器輸出波形的正、負(fù)半波始終保持對(duì)稱，對(duì)于三相逆變器能嚴(yán)格保證三始終保持對(duì)稱，對(duì)于三相逆變器能嚴(yán)格保證三相輸出波形間具有互差相輸出波形間具有互

13、差120的對(duì)稱關(guān)系。的對(duì)稱關(guān)系。n但是，當(dāng)輸出頻率很低時(shí)，由于相鄰兩脈沖間但是，當(dāng)輸出頻率很低時(shí)，由于相鄰兩脈沖間的間距增大，諧波會(huì)顯著增加，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)的間距增大，諧波會(huì)顯著增加，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較強(qiáng)的噪聲，這是同步產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較強(qiáng)的噪聲，這是同步式調(diào)制控制方式的主要缺點(diǎn)。式調(diào)制控制方式的主要缺點(diǎn)。（二）異步式調(diào)制控制（二）異步式調(diào)制控制n 當(dāng)三角載波信號(hào)頻率一定時(shí)，若只改變當(dāng)三角載波信號(hào)頻率一定時(shí)，若只改變正弦波基準(zhǔn)信號(hào)的頻率，即讓載波比正弦波基準(zhǔn)信號(hào)的頻率，即讓載波比N不不為常數(shù)，同樣可以改變輸出電壓的頻率，為常數(shù)，同樣可以改變輸出電壓的頻率，這樣正、負(fù)半周的脈沖

14、數(shù)和相位在不同這樣正、負(fù)半周的脈沖數(shù)和相位在不同的輸出頻率下，就不完全對(duì)稱，把這種的輸出頻率下，就不完全對(duì)稱，把這種控制方式稱為異步式脈寬調(diào)制控制方式。控制方式稱為異步式脈寬調(diào)制控制方式。 n由于正、負(fù)半周輸出脈沖不對(duì)稱，會(huì)出現(xiàn)偶次由于正、負(fù)半周輸出脈沖不對(duì)稱，會(huì)出現(xiàn)偶次的高次諧波，但是在低頻輸出時(shí)，每周內(nèi)所包的高次諧波，但是在低頻輸出時(shí)，每周內(nèi)所包含的脈沖數(shù)增多，相應(yīng)地可減少負(fù)載電動(dòng)機(jī)的含的脈沖數(shù)增多，相應(yīng)地可減少負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善了低頻工作的特性。在改善低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善了低頻工作的特性。在改善低頻工作的同時(shí)，異步式調(diào)制不會(huì)失去同步式調(diào)頻工作的同時(shí)，異步式調(diào)制不會(huì)失去同步式調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)

15、，即在半個(gè)周期內(nèi)，各脈沖的寬度基制的優(yōu)點(diǎn)，即在半個(gè)周期內(nèi)，各脈沖的寬度基本上按正弦分布。但當(dāng)載波比隨著輸出頻率的本上按正弦分布。但當(dāng)載波比隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，使逆變器輸出電壓的波形降低而連續(xù)變化時(shí)，使逆變器輸出電壓的波形及其相位都發(fā)生變化，很難保持三相輸出間的及其相位都發(fā)生變化，很難保持三相輸出間的對(duì)稱關(guān)系，因而引起電動(dòng)機(jī)工作的不平穩(wěn)。對(duì)稱關(guān)系，因而引起電動(dòng)機(jī)工作的不平穩(wěn)。 n 一、一、120導(dǎo)電角控制逆變器導(dǎo)電角控制逆變器n 二、二、180導(dǎo)電角控制逆變器導(dǎo)電角控制逆變器 第二節(jié)第二節(jié) 導(dǎo)電角控制逆變器導(dǎo)電角控制逆變器逆變是整流的逆變換，就是把直流電變成交流電，常用于交流電動(dòng)機(jī)的

16、調(diào)速系統(tǒng)和不間斷電流裝置中。在交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，需要用導(dǎo)電角控制電路來(lái)控制逆變器晶閘管或功率晶體管的開(kāi)關(guān)順序和導(dǎo)通時(shí)間。 晶閘管或功率晶體管在一個(gè)變化周期中導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)的相位角稱為導(dǎo)通角或?qū)щ娊?，?dǎo)電角控制逆變器n逆變器的基本概念 逆變器是一種將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔艿脑O(shè)備。分有源逆變器和無(wú)源逆變器：（1）有源逆變器：把變換的交流電回饋到工頻交流電網(wǎng)中（2）無(wú)源逆變器：把變換的交流電能供給負(fù)載的逆變器無(wú)源逆變器的工作原理無(wú)源逆變器換流的工作原理n晶閘管的關(guān)斷特性：在逆變器中，要正常工作必須保持晶閘管之間的可靠換流。也就是說(shuō)，晶閘管的可靠關(guān)斷必須滿足以下條件，即當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極電流下降到零值

17、以后，仍需承受足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，承受反向電壓的時(shí)間T0應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間Tq。晶閘管的關(guān)斷時(shí)間Tq是指晶閘管電流降至零值后到它恢復(fù)正向阻斷能力所需的時(shí)間；無(wú)源逆變器換流的工作原理n換流裝置的作用：其作用是迫使原先導(dǎo)通的晶閘管（或功率管）中的電流降至零而被關(guān)斷，為能使此晶閘管可靠地關(guān)斷，換流裝置能使它承受一定時(shí)間地反壓，并同時(shí)使負(fù)載電流換流到下一個(gè)導(dǎo)通地晶閘管（或功率管）無(wú)源逆變器換流的工作原理n換流裝置的類型：換流裝置按其工作原理可分為三種類型： （1）換流使通過(guò)導(dǎo)通元件本身阻值的提高，即相當(dāng)于電路中串入一高阻抗（如可關(guān)斷晶閘管，大功率三級(jí)管）實(shí)現(xiàn)換流。 （2）換流是通過(guò)在晶閘管電路中

18、串入一反向電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。 （3）通過(guò)晶閘管K1的旁路電容C在輔助晶閘管K2導(dǎo)通是加在K1兩端的反向電壓實(shí)現(xiàn)換流。無(wú)源逆變器換流的工作原理?yè)Q流裝置的類型換流裝置按其工作原理可分為三種類型： （1）換流是通過(guò)導(dǎo)通元件本身阻值的提高，即相當(dāng)于電路中串入一高阻抗（如可關(guān)斷晶閘管，大功率三級(jí)管）實(shí)現(xiàn)換流。 無(wú)源逆變器換流的工作原理?yè)Q流裝置的類型（2）換流是通過(guò)在晶閘管電路中串入一反向電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。 無(wú)源逆變器換流的工作原理?yè)Q流裝置的類型（3）通過(guò)晶閘管K1的旁路電容C在輔助晶閘管K2導(dǎo)通時(shí)加在K1兩端的反向電壓實(shí)現(xiàn)換流。 無(wú)源逆變器換流的工作原理電容強(qiáng)迫換流K1 為主晶閘管K2為輔助晶閘管R為負(fù)載電阻C為換

19、流電容無(wú)源逆變器換流的工作原理負(fù)載諧振式換流負(fù)載電阻R,線路中的L,C元件組成調(diào)諧回路。利用它們之間的諧振特性，可強(qiáng)迫晶閘管關(guān)斷。1200導(dǎo)通逆變器特點(diǎn)：（1）每隔600依次得到觸發(fā)脈沖輪流觸發(fā)（2）每個(gè)主晶閘管（晶體管）導(dǎo)通持續(xù)1200導(dǎo)電角，對(duì)晶閘管要求觸發(fā)脈沖寬度大于900，最大1200（3）在任何瞬間最多只有兩個(gè)晶閘管同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，而且分別在共陰極和共陽(yáng)極橋臂，晶閘管換流在各自的橋臂中進(jìn)行，也就是說(shuō)，共陰極橋臂和共陽(yáng)極橋臂的晶閘管之間不進(jìn)行換流。一、一、120導(dǎo)電角控制導(dǎo)電角控制逆變器逆變器 MVD3 AB CEAC1AVD1VD5V5V3V1V4VD4V6VD6V2VD2圖9-1

20、 晶體管三相橋式逆變器 V1V6為大功率晶體管 VD1VD6為續(xù)流二極管 b)a)斷通斷通斷V1斷通120斷斷通通斷通通通斷斷斷通斷斷斷通通tttttttttOOOOOOOOV4V3V6V5V2240480360600OUCUBUA-E/2E/2E/2E/2-E/2-E/2c)tttE/2OOOUA-BUC-AUB-CEEE-E-E/2-E-E/2E/2-E-E/2E/2圖9-2 120導(dǎo)通型逆變器輸出電壓波形a) 晶體管開(kāi)關(guān)V1V6的通斷狀態(tài) b) 輸出相電壓 c) 輸出線電壓 圖9-3 120導(dǎo)電角控制電路原理圖Ub5Ub4Ub1Ub3Ub2Ub6DDQSD1DQQDSD2SD3DQD4S

21、QDQRD5RD6光電耦合驅(qū)動(dòng)電路 STARTLDUb11111100011110001111111001110011100111二、二、180導(dǎo)電角控制逆變器導(dǎo)電角控制逆變器圖9-4 晶閘管三相橋式逆變器 V10V4V7V1VD1V12V6VD6V8V2VD2MV3V9VD3V11V5VD5EIAICCALAALBCBBLCCCC1VD4Cn180導(dǎo)通型逆變器正常工作的必要條件是可靠地?fù)Q流。即每一相上、下橋臂主晶閘管交換導(dǎo)通時(shí)，必須經(jīng)過(guò)短暫的全關(guān)斷狀態(tài)，以避免上、下兩個(gè)主晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的情況。根據(jù)180導(dǎo)通型開(kāi)關(guān)狀態(tài)的工作順序，讓微處理機(jī)通過(guò)一個(gè)并口周期輸出開(kāi)關(guān)狀態(tài)值，驅(qū)動(dòng)晶閘管導(dǎo)通或關(guān)斷，

22、即可讓逆變器工作。 n由于逆變器的輸入是直流，一般晶閘管不能通過(guò)控制門極電壓將它關(guān)斷換流，因此必須采用強(qiáng)迫換流的方法。 圖9-5 180導(dǎo)通型逆變器輸出電壓波形a)b)斷21345通斷斷通通斷5斷通通7810911通斷斷1122 34tttttttttOOOOOOOOOV1V4V6V3V2V56UAUBUC-E/3E/3-E/3-E/3E/3E/32E/32E/32E/3-2E/3-2E/3斷通通斷通通-2E/3tOUA-BE-Ec)ttOOUC-AUB-CE-E-EE圖9-7 換流過(guò)程波形圖 iVD1,Im相負(fù)載電流AiciV1iV1IAiVD4tttt3t3t3t4t4t2t2t1t1t0

23、t0iVD1icIAIm-IAIAOOO83 變頻控制電路n變頻調(diào)速變頻調(diào)速(VVVF)(VVVF)器在交流調(diào)速系統(tǒng)中以其卓越的節(jié)器在交流調(diào)速系統(tǒng)中以其卓越的節(jié)能效果，較寬的調(diào)速范圍等一系列優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛能效果，較寬的調(diào)速范圍等一系列優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用。n交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速裝置是機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速裝置是機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)品，也是當(dāng)代電動(dòng)機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、品，也是當(dāng)代電動(dòng)機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和功率半導(dǎo)體技術(shù)的結(jié)晶。微電子技術(shù)和功率半導(dǎo)體技術(shù)的結(jié)晶。n本節(jié)主要介紹變頻控制的基本原理、控制方式和幾本節(jié)主要介紹變頻控制的基本原理、控制方式和幾

24、種常見(jiàn)的變頻器及控制電路。種常見(jiàn)的變頻器及控制電路。9.3.1 基本原理和分類同步電動(dòng)機(jī)、磁阻式電動(dòng)機(jī)等的轉(zhuǎn)速為同步電動(dòng)機(jī)、磁阻式電動(dòng)機(jī)等的轉(zhuǎn)速為:n式中式中P 電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；n F 定子電源頻率定子電源頻率(Hz)；n n0 同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速(rmin)。pfn600而對(duì)于籠型或繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為而對(duì)于籠型或繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 式中式中s為為 轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率因此，改變極對(duì)數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率因此，改變極對(duì)數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率s和調(diào)節(jié)頻和調(diào)節(jié)頻率都可以調(diào)速。率都可以調(diào)速。)1 (600spfnn但對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，在運(yùn)行中改變極對(duì)數(shù)會(huì)引起失步，因而只能采用調(diào)頻調(diào)速。n對(duì)于異步電動(dòng)

25、機(jī)，以上三種方法雖均可以采用，但是變極調(diào)速是有級(jí)調(diào)速。以改變轉(zhuǎn)差率為手段的各種調(diào)速方法都是耗能型調(diào)速方法，只有變頻調(diào)速是最為理想的調(diào)速方法。n變頻調(diào)速：是以變頻器向交流電動(dòng)機(jī)供電，并構(gòu)成開(kāi)環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)的一種調(diào)速控制方式。n變頻器是無(wú)源逆變電路，它是一種把固定電壓、固定頻率的交流電(例如工頻50Hz)變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電的變換器。n在交流變頻調(diào)速傳動(dòng)中，常用變頻器來(lái)進(jìn)行“功率變頻”。但變頻的同時(shí)也必須協(xié)調(diào)地改變電動(dòng)機(jī)的端電壓，否則電動(dòng)機(jī)將出現(xiàn)過(guò)勵(lì)磁或欠勵(lì)磁現(xiàn)象。n用于交流調(diào)速系統(tǒng)中的變頻器實(shí)際上是變壓變頻器，其控制方式一般分為兩種：n一種是把變壓與變頻分開(kāi)完成，即在把交流電整流為直流

26、電的同時(shí)進(jìn)行相控調(diào)壓，而后逆變?yōu)榭烧{(diào)頻率的交流電。這種在前面環(huán)節(jié)改變直流電壓的幅值，在后面環(huán)節(jié)改變頻率的方式稱為PAM控制方式。n另一種是把變壓與變頻集中于逆變器一起完成，即前面為不可控整流器，它輸出恒定的直流電壓，而后面由逆變器既完成變頻又完成變壓的控制方式。這種方式稱為脈沖寬度調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱PWM方式。9.3.2 控制方式和特性n在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，常常希望保持每極磁通量為額定值不變。n如果磁通量太弱，就沒(méi)有充分利用電動(dòng)機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)。n如果太大，又會(huì)使鐵心飽和，導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，使產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的有功電流減小，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)繞組。電動(dòng)機(jī)每相的反電動(dòng)勢(shì)為：電動(dòng)機(jī)每相的反電動(dòng)勢(shì)為：式中 E

27、1 一 定子相電動(dòng)勢(shì)(V)；n N1 定子相繞組串聯(lián)總匝數(shù)；n k1 基波繞組系數(shù)(VsWb-1)n 每極氣隙磁通(Wb)。11144. 4kfNE 顯然，當(dāng)電源電壓U1不變時(shí)，隨著電源頻率的增加，氣隙磁通將減小。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程，磁通的減小將引起電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的減小，嚴(yán)重時(shí)會(huì)拖不動(dòng)負(fù)載。因此，在改變頻率時(shí)要同時(shí)控制改變電源電壓U1，以維持近似不變。具體的控制方法有以下三種： 11144. 4kfNU n1、 保持保持 U1U1f f 為常數(shù)的控制方式為常數(shù)的控制方式n可見(jiàn)，當(dāng)可見(jiàn)，當(dāng)U1/f U1/f 成比例變化時(shí)，可維持成比例變化時(shí)，可維持不變。但是，在低頻不變。但是，在低頻時(shí)定子繞組電阻

28、已不能忽略，時(shí)定子繞組電阻已不能忽略，U1=E U1=E 的條件已不成立，電動(dòng)機(jī)的條件已不成立，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩將隨的最大轉(zhuǎn)矩將隨的減小而減小。這種變頻調(diào)速的機(jī)械特性的減小而減小。這種變頻調(diào)速的機(jī)械特性在低頻時(shí)很不理想。在低頻時(shí)很不理想。11144. 4kNfU2 2保持保持 ElElf f 為常數(shù)的控制方式為常數(shù)的控制方式n若能保持若能保持ElElf f為常數(shù)，則磁通為常數(shù)，則磁通將不變，這就保持了電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的不變。將不變，這就保持了電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的不變。這種控制方式在變頻調(diào)速時(shí)，相同的轉(zhuǎn)矩有相同的電流，而與頻率無(wú)關(guān)。也就是這種控制方式在變頻調(diào)速時(shí)，相同的轉(zhuǎn)矩有相同的電流，而與頻率無(wú)關(guān)。

29、也就是只要保持磁通額定，變頻調(diào)速特性上都可以得到額定轉(zhuǎn)子電流時(shí)的額定轉(zhuǎn)矩，因只要保持磁通額定，變頻調(diào)速特性上都可以得到額定轉(zhuǎn)子電流時(shí)的額定轉(zhuǎn)矩，因此是屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。它的調(diào)速特性和調(diào)速性質(zhì)與直流它勵(lì)式電動(dòng)機(jī)改變電樞電此是屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。它的調(diào)速特性和調(diào)速性質(zhì)與直流它勵(lì)式電動(dòng)機(jī)改變電樞電壓調(diào)速相似。壓調(diào)速相似。3 3保持保持 U U1=1=U UN N 為常數(shù)的控制方式為常數(shù)的控制方式n在在 ffn ffn 時(shí)要保持時(shí)要保持U U1=1=U UN N 。根據(jù)式。根據(jù)式(9-3)(9-3)，將減小并引起轉(zhuǎn)矩的減小，得到將減小并引起轉(zhuǎn)矩的減小，得到近似于恒功率的特性。這種方式是一種弱磁升速的變頻調(diào)速

30、方式。近似于恒功率的特性。這種方式是一種弱磁升速的變頻調(diào)速方式。9.3.3 AC- AC 變頻器 nACACACAC變頻器：變頻器：n 又稱直接變頻器或周期變頻器，循環(huán)變頻又稱直接變頻器或周期變頻器，循環(huán)變頻器，相控變頻器等。它是一種不通過(guò)中間直流器，相控變頻器等。它是一種不通過(guò)中間直流環(huán)節(jié)，直接將電網(wǎng)固定頻率的交流電變換為電環(huán)節(jié)，直接將電網(wǎng)固定頻率的交流電變換為電壓、頻率可調(diào)的交流電的變頻系統(tǒng)。壓、頻率可調(diào)的交流電的變頻系統(tǒng)。n這種變頻器可以把一定頻率的單相或三相交流這種變頻器可以把一定頻率的單相或三相交流電變成頻率可調(diào)，電壓也能改變的單相或三相電變成頻率可調(diào)，電壓也能改變的單相或三相交流電

31、。交流電。下圖所示是一種三相異步電動(dòng)機(jī)供電用的AC-AC變頻器原理電路。9.3.4 AC-DC-AC變頻器nAC-DC-ACAC-DC-AC變頻器：變頻器：n又稱間接變頻器，它首先將電網(wǎng)交流電整流為可控的又稱間接變頻器，它首先將電網(wǎng)交流電整流為可控的直流電，然后再由逆變器將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，因直流電，然后再由逆變器將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，因此此AC-DC-ACAC-DC-AC變頻器由整流器和逆變器兩部分組成變頻器由整流器和逆變器兩部分組成。nAC-DC-ACAC-DC-AC變頻器的控制方式主要有電流型、電壓型和變頻器的控制方式主要有電流型、電壓型和PWMPWM型三大類。型三大類。9.3.4.1

32、 電流型變頻器9.3.4.2 電壓型變頻器9.3.5 脈寬調(diào)制型變頻控制電路n上述的電流型變頻器和電壓型變頻器均由逆變上述的電流型變頻器和電壓型變頻器均由逆變器調(diào)頻，由可控整流器調(diào)壓，需要兩個(gè)控制電器調(diào)頻，由可控整流器調(diào)壓，需要兩個(gè)控制電路和兩個(gè)可控的功率級(jí)，因此系統(tǒng)較復(fù)雜。路和兩個(gè)可控的功率級(jí)，因此系統(tǒng)較復(fù)雜。n脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM)(PWM)型變頻器的特點(diǎn)是調(diào)頻和調(diào)壓型變頻器的特點(diǎn)是調(diào)頻和調(diào)壓都由逆變器實(shí)現(xiàn)，并由二極管整流提供恒定的都由逆變器實(shí)現(xiàn)，并由二極管整流提供恒定的電流電壓。電流電壓。下圖是一種電壓型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的最小系統(tǒng)示意圖n這種形式的主電路的主要特點(diǎn)是：這種形式的主電

33、路的主要特點(diǎn)是：n主要電路只有一個(gè)功率控制級(jí)逆變器主要電路只有一個(gè)功率控制級(jí)逆變器UIUI，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；n由于使用了不可控整流橋由于使用了不可控整流橋UVUV，電網(wǎng)的功率因數(shù)跟逆變，電網(wǎng)的功率因數(shù)跟逆變器的輸出大小無(wú)關(guān)；器的輸出大小無(wú)關(guān)；n逆變器逆變器UIUI在調(diào)頻時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，與中間直流環(huán)節(jié)的元件在調(diào)頻時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無(wú)關(guān)，加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。參數(shù)無(wú)關(guān)，加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。n目前，產(chǎn)生目前，產(chǎn)生PWMPWM信號(hào)的常用方法主要有正弦和三角波交點(diǎn)信號(hào)的常用方法主要有正弦和三角波交點(diǎn)法、軟件生成法和專用集成電路法三種。法、軟件生成法和專用集成電路法三種。n1 1正弦

34、和三角波交點(diǎn)法：這是一種用正弦波與三角波相正弦和三角波交點(diǎn)法：這是一種用正弦波與三角波相交來(lái)產(chǎn)生交來(lái)產(chǎn)生PWMPWM信號(hào)的方法，亦即信號(hào)的方法，亦即SPWMSPWM法。法。n2 2軟件生成法：目前常采用以微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字電軟件生成法：目前常采用以微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字電路，并在微機(jī)控制下用軟件處理來(lái)生成路，并在微機(jī)控制下用軟件處理來(lái)生成SPWMSPWM信號(hào)的方法，信號(hào)的方法，如表格型如表格型SPWMSPWM法和采樣型法和采樣型SPWMSPWM法等。法等。n3 3專用集成電路（專用集成電路（ASICASIC）法：）法：9.4 程控電源n隨著微機(jī)的廣泛應(yīng)用和各類大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，隨著微機(jī)

35、的廣泛應(yīng)用和各類大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，電源系統(tǒng)及設(shè)備正迅速朝著智能化方向發(fā)展。以微機(jī)作為電源系統(tǒng)及設(shè)備正迅速朝著智能化方向發(fā)展。以微機(jī)作為可編程控制器并與可編程控制器并與D DA A轉(zhuǎn)換器、集成運(yùn)放等電路相配合，轉(zhuǎn)換器、集成運(yùn)放等電路相配合，再編制相應(yīng)的控制軟件，即可組成微機(jī)程序控制的電壓源、再編制相應(yīng)的控制軟件，即可組成微機(jī)程序控制的電壓源、電流源以及各類功率信號(hào)源。電流源以及各類功率信號(hào)源。n目前，微機(jī)在電源系統(tǒng)中的應(yīng)用主要分為程控相控型電源、目前，微機(jī)在電源系統(tǒng)中的應(yīng)用主要分為程控相控型電源、程控交流穩(wěn)定電源、程控直流穩(wěn)定電源及特種電源、程控程控交流穩(wěn)定電源、程控直流穩(wěn)定電源及特種電

36、源、程控不停電電源不停電電源(UPS(UPS電源電源) )等幾種。等幾種。9.4.1 程控相控型電源n相位控制型電源的輸出電壓是通過(guò)改變晶閘管的門極相位控制型電源的輸出電壓是通過(guò)改變晶閘管的門極信號(hào)的控制角信號(hào)的控制角來(lái)控制的，當(dāng)來(lái)控制的，當(dāng)=0 =0 時(shí)輸出電壓最大，時(shí)輸出電壓最大，隨著隨著的增大輸出電壓減小。在這種電源中，微機(jī)利的增大輸出電壓減小。在這種電源中，微機(jī)利用少量的硬件可產(chǎn)生晶閘管的門極觸發(fā)信號(hào)，從而省用少量的硬件可產(chǎn)生晶閘管的門極觸發(fā)信號(hào)，從而省去了原來(lái)模擬系統(tǒng)中的多套控制線路。去了原來(lái)模擬系統(tǒng)中的多套控制線路。9.4.2 程控直流穩(wěn)定電源n直流穩(wěn)定電源是直流穩(wěn)壓源、直流穩(wěn)流源和具有某種穩(wěn)定直流穩(wěn)定電源是直流穩(wěn)壓源、直流穩(wěn)流源和具有某種穩(wěn)定性能直流電源的總稱。程控直流穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源就是要求性能直流電源的總稱。程控直流穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源就是要求按照預(yù)