第一章：牽引傳動(dòng)裝置及技術(shù)

1、1 牽引傳動(dòng)控制技術(shù)牽引傳動(dòng)控制技術(shù)第一章列車電氣裝備與系統(tǒng)2交流調(diào)速技術(shù)交流調(diào)速技術(shù)交流傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展電力傳動(dòng)系統(tǒng)的分類變頻調(diào)速異步電機(jī)的控制方式交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)3一、交流傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展 電力傳動(dòng)誕生于19世紀(jì)，20世紀(jì)初被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸和日常生活中。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，則稱為直流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，則稱為交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng) 根據(jù)負(fù)載對(duì)象的運(yùn)行要求，電氣傳動(dòng)可分為恒速系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)4 20世紀(jì)30年代，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到變頻調(diào)速是交流電動(dòng)機(jī)一種最理想的調(diào)速方法； 60年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和變頻調(diào)速裝置的研制成功，交流調(diào)速技術(shù)成為電動(dòng)機(jī)調(diào)速的發(fā)展

2、方向； 70年代中期，在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)能源危機(jī)，節(jié)約能源成為人們關(guān)注的問題；許多過去不調(diào)速的傳動(dòng)裝置，如風(fēng)機(jī)、水泵等，也都采用了調(diào)速傳動(dòng)；5 90年代以來，隨著大功率電力電子器件和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論和控制技術(shù)的應(yīng)用，交流傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展，逐步具備了調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快以及可作四象限運(yùn)行等優(yōu)良的技術(shù)性能。 目前，交流傳動(dòng)已經(jīng)作為一種完全被肯定的系統(tǒng)，大舉進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域。6二、電力傳動(dòng)系統(tǒng)的分類二、電力傳動(dòng)系統(tǒng)的分類 直-直傳動(dòng)系統(tǒng) 交-直傳動(dòng)系統(tǒng) 直-交傳動(dòng)系統(tǒng) 交-交傳動(dòng)系統(tǒng) 交-直-交傳動(dòng)系統(tǒng)7 直直-直傳動(dòng)系統(tǒng)直傳動(dòng)系統(tǒng) 工作

3、原理：直流斬波實(shí)現(xiàn)直流電壓調(diào)節(jié) 在地鐵機(jī)車、工礦機(jī)車等傳動(dòng)系統(tǒng)中采用可調(diào)節(jié)直流電壓直流電網(wǎng)斬波器恒定電壓8 交交-直傳動(dòng)系統(tǒng)直傳動(dòng)系統(tǒng) 工作原理：整流器實(shí)現(xiàn)AC-DC變換并調(diào)節(jié)電壓 在干線電力機(jī)車及內(nèi)燃機(jī)車中采用可調(diào)節(jié)直流電壓交流電網(wǎng)整流器恒定電壓9 直直-交傳動(dòng)系統(tǒng)交傳動(dòng)系統(tǒng) 工作原理：逆變器實(shí)現(xiàn)DC-AC變換并調(diào)節(jié)電壓 在干線電力機(jī)車及內(nèi)燃機(jī)車中采用頻率電壓可調(diào)的三相交流電直流電網(wǎng)逆變器恒定電壓10 交交-交傳動(dòng)系統(tǒng)交傳動(dòng)系統(tǒng) 工作原理：變流器將頻率電壓恒定的三相交流電 變換成頻率電壓可調(diào)的三相交流電 在低頻交流傳動(dòng)系統(tǒng)中如軋鋼等交流電網(wǎng)變流器頻率電壓可調(diào)的三相交流電頻率電壓恒定的三相交流

4、電11 交交-直直-交傳動(dòng)系統(tǒng)交傳動(dòng)系統(tǒng) 工作原理：將頻率電壓恒定的三相交流電變換成直流電，再將直流電變換成頻率電壓可調(diào)的三相交流電 廣泛用于交通、工業(yè)、能源交流電網(wǎng)變流器頻率電壓可調(diào)的三相交流電頻率電壓恒定的三相交流電12三、交直傳動(dòng)系統(tǒng)（韶山型電力機(jī)車）三、交直傳動(dòng)系統(tǒng)（韶山型電力機(jī)車）組成：主整流裝置直流（脈流）牽引電機(jī)組成：主整流裝置直流（脈流）牽引電機(jī)13 靜止部分（定子）靜止部分（定子） 主磁極、勵(lì)磁繞組、電刷、軸承、磁軛和電刷裝置等 旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子、電樞）旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子、電樞） 電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸等14151617181920 速度調(diào)節(jié)方法：速度調(diào)節(jié)方法： 、調(diào)節(jié)電樞

5、電壓、調(diào)節(jié)電樞電壓 、調(diào)節(jié)電樞電流、調(diào)節(jié)電樞電流 、調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流、調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流eKIRUn21SS7E型電力機(jī)車整流調(diào)壓電路原理圖2223 直流電機(jī)換向、制動(dòng)及在韶山機(jī)車上的應(yīng)用：直流電機(jī)換向、制動(dòng)及在韶山機(jī)車上的應(yīng)用：24四、交直交傳動(dòng)系統(tǒng)（交流傳動(dòng)電力機(jī)車及動(dòng)四、交直交傳動(dòng)系統(tǒng)（交流傳動(dòng)電力機(jī)車及動(dòng)車組）車組）組成：牽引變流器三相異步牽引電動(dòng)機(jī)組成：牽引變流器三相異步牽引電動(dòng)機(jī)交流電機(jī)：同步、異步交流電機(jī)：同步、異步異步：繞線式、鼠籠式異步：繞線式、鼠籠式25牽引傳動(dòng)系統(tǒng)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)牽引高壓設(shè)備高壓設(shè)備牽引變流牽引變流牽引驅(qū)動(dòng)牽引驅(qū)動(dòng)高壓電器高壓電器主變壓器主變壓器四象限四象限中間電壓中間

6、電壓過壓保護(hù)過壓保護(hù)牽引逆變器牽引逆變器牽引電機(jī)牽引電機(jī)齒輪箱齒輪箱車輪車輪網(wǎng)側(cè)變流控制器網(wǎng)側(cè)變流控制器電機(jī)側(cè)變流控制器電機(jī)側(cè)變流控制器車輛控制車輛控制接觸網(wǎng)受電弓主變壓器變流器牽引電機(jī)鋼 軌牽引系統(tǒng)關(guān)系鏈再生26異步電機(jī)外形圖 異步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 定子定子 風(fēng)扇風(fēng)扇 冷空氣流冷空氣流 罩罩 殼（非驅(qū)動(dòng)端）殼（非驅(qū)動(dòng)端） 端蓋（驅(qū)動(dòng)端）端蓋（驅(qū)動(dòng)端）27三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)：三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)： 定子：定子： 1）定子鐵心；）定子鐵心； 2）定子繞組；）定子繞組； 3）機(jī)座；）機(jī)座； 轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子： 1）轉(zhuǎn)子鐵心；）轉(zhuǎn)子鐵心； 2）轉(zhuǎn)子繞組）轉(zhuǎn)子繞組 （籠型籠型繞組、繞線型繞組）；繞組、繞

7、線型繞組）； 3）轉(zhuǎn)軸；）轉(zhuǎn)軸； 端蓋端蓋 氣隙氣隙28(1) 定子 定子鐵心：電機(jī)主磁路的組成部分，并嵌放定子繞組。由厚度為0.5mm的硅鋼片疊裝而成。為了嵌放定子繞組，在定子沖片內(nèi)圓周上均勻地沖制若干個(gè)形狀相同的槽。29 定子繞組：構(gòu)成電路部分。其作用是感應(yīng)電動(dòng)勢、流過電流、形成磁場，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。 機(jī)座：固定和支撐定子鐵心。因此要求有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。 30(2) 轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子鐵心：電機(jī)主磁路的組成部分，并放置轉(zhuǎn)子繞組。由厚度為0.5mm的硅鋼片疊裝而成，在轉(zhuǎn)子外圓周上沖制均勻分布的形狀相同的槽。 轉(zhuǎn)子繞組：構(gòu)成電路部分。有兩種結(jié)構(gòu)型式：籠型繞組和繞線型繞組。 轉(zhuǎn)軸：整個(gè)轉(zhuǎn)子部件的安裝基

8、礎(chǔ)，又是力和機(jī)械功率的傳輸部件，整個(gè)轉(zhuǎn)子依靠轉(zhuǎn)軸和軸承被支撐在定子鐵芯內(nèi)腔內(nèi) .31轉(zhuǎn)子鐵心槽形繞線式轉(zhuǎn)子槽形單鼠籠轉(zhuǎn)子槽形雙鼠籠轉(zhuǎn)子槽形32 籠型繞組：在轉(zhuǎn)子鐵心均勻分布的每個(gè)槽內(nèi)各放置一根導(dǎo)體，在鐵心兩端放置兩個(gè)端環(huán)，分別把所有的導(dǎo)體伸出槽外部分與端環(huán)聯(lián)接起來。可用銅條加銅端環(huán)制成；也可用鋁澆鑄的。對(duì)中大型電機(jī)為減小損耗、提高效率，往往采用銅條焊接而成。3333 繞線型繞組： 與定子繞組相似、極數(shù)相同的三相對(duì)稱繞組。一般接成星形。將三相繞組的三個(gè)引出線分別接到轉(zhuǎn)軸上三個(gè)滑環(huán)上，再通過電刷與外電路接通。繞線型轉(zhuǎn)子的特點(diǎn)是可以通過滑環(huán)電刷在轉(zhuǎn)子回路中接入附加電阻，以改善電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能、調(diào)節(jié)其

9、轉(zhuǎn)速。 34三相繞線型異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)35（3）端蓋 轉(zhuǎn)軸兩端通過軸承和端蓋固定起來。 (4) 氣隙 定、轉(zhuǎn)子之間的間隙，也是電機(jī)主磁路的組成部分。 氣隙大小對(duì)異步電機(jī)的性能影響很大。 為減小電機(jī)主磁路的磁阻，降低電機(jī)的勵(lì)磁電流，提高電機(jī)的功率因數(shù)，氣隙應(yīng)盡可能小。 中、小型異步電機(jī)中，氣隙長度一般為0.21.5mm。36牽引電機(jī)采用三相鼠籠式異步電機(jī)的優(yōu)越性：牽引電機(jī)采用三相鼠籠式異步電機(jī)的優(yōu)越性： 結(jié)構(gòu)簡單 粘著性好 功率大，牽引力大 可靠性好，維修簡單 動(dòng)力性能、制動(dòng)性能好 功率因數(shù)高，諧波干擾小37 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的一般原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律和載流導(dǎo)體在磁場中會(huì)受到電磁力的作用這

10、兩個(gè)基本因素。 用一個(gè)簡單的試驗(yàn)觀察三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理：當(dāng)搖動(dòng)磁鐵時(shí)，籠形轉(zhuǎn)子跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)；如果搖把方向發(fā)生改變，籠形轉(zhuǎn)子方向也會(huì)發(fā)生變化。故可得出如下結(jié)論：旋轉(zhuǎn)磁場可拖動(dòng)籠形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。異步電機(jī)的工作原理38 三相異步電動(dòng)機(jī)工作原理 定子加電源 定子電流 旋轉(zhuǎn)磁通勢 氣隙磁場 轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢 轉(zhuǎn)子電流 和氣隙磁場相互作用 電磁轉(zhuǎn)矩 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來sUsIFmBrErIemT39異步電動(dòng)機(jī)模型異步電動(dòng)機(jī)模型1sU sI )(1nFmBrE rI emTrI )(1nn 40 機(jī)械負(fù)載機(jī)械負(fù)載 旋轉(zhuǎn)起來旋轉(zhuǎn)起來對(duì)稱三相繞組對(duì)稱三相繞組 通入對(duì)稱三相電流通入對(duì)稱三相電流 旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)磁場 （磁場能

11、量）（磁場能量） 磁感線切割磁感線切割 轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組 轉(zhuǎn)子繞組中轉(zhuǎn)子繞組中 產(chǎn)生產(chǎn)生 e 和和 i 轉(zhuǎn)子繞組在磁場中轉(zhuǎn)子繞組在磁場中 受到電磁力的作用受到電磁力的作用 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來 三相三相 交流交流 電能電能電磁電磁 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩感感 應(yīng)應(yīng)41同步轉(zhuǎn)速n1-定子繞組中流過頻率為f1的三相對(duì)稱電流，在氣隙中產(chǎn)生的基波旋轉(zhuǎn)磁場相對(duì)于定子繞組的轉(zhuǎn)速為n1。該轉(zhuǎn)速大小取決于電流的頻率f1和繞組的極對(duì)數(shù)p，轉(zhuǎn)向?yàn)閺某半娏飨嗬@組轉(zhuǎn)向滯后電流相繞組。 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n 轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速。 pfn116011nnns轉(zhuǎn)差率s -同步轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差對(duì)同步轉(zhuǎn)速n1之比值 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率異步電機(jī)

12、的轉(zhuǎn)差率42電磁制動(dòng)狀態(tài)電磁制動(dòng)狀態(tài)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)發(fā)電機(jī)狀態(tài)發(fā)電機(jī)狀態(tài)s11s0s0n00nn1 異步電機(jī)只有定子側(cè)是外加電源的，轉(zhuǎn)子側(cè)的電動(dòng)勢和電流，均是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)產(chǎn)生的，因此稱作為“感應(yīng)電機(jī)”，而這一感應(yīng)作用，只有在轉(zhuǎn)子與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場不同步，即“異步”轉(zhuǎn)差率s不等于0的情況下，才可以產(chǎn)生，因此“感應(yīng)電機(jī)”又稱作“異步電機(jī)”。43異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法)1 (60)1 (1spfsnn變極調(diào)速變極調(diào)速改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變頻調(diào)速變頻調(diào)速44 變極調(diào)速：有級(jí)的 變轉(zhuǎn)差調(diào)速：不能改變電動(dòng)機(jī)的同步速度，調(diào)速范圍有限，損耗大，效率低 變頻調(diào)速：效率高，調(diào)速范圍廣，

13、調(diào)節(jié)精度高，目前應(yīng)用最廣泛，最有市場前景。45 在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)重要在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)重要因素是：希望保持電機(jī)中每極磁通量因素是：希望保持電機(jī)中每極磁通量 m 為為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過分增用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)。電機(jī)。 因此，在調(diào)頻調(diào)速時(shí)，需要同時(shí)改變加在因此，在調(diào)頻調(diào)速時(shí)，需要同時(shí)改變加在電機(jī)上的電壓（）電機(jī)上的電壓（）

14、46 異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論是高速還是低速時(shí)效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美，因此現(xiàn)在應(yīng)用面很廣。47定子每相電動(dòng)勢mNs1g44. 4SkNfE （3-1） 式中：Eg 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢的有效值，單位為V； 定子頻率，單位為Hz； 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 基波繞組系數(shù)； 每極氣隙磁通量，單位為Wb。 f1NskNsm變頻調(diào)速異步電機(jī)的控制方式48 由式（3-1）可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可達(dá)到控制磁通m 的目的，對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和

15、基頻以上兩種情況。 491. 基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速 由式（3-1）可知，要保持 m 不變，當(dāng)頻率 f1 從額定值 f1N 向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低 Eg ，使 1gfE常值 （3-2） 即采用恒值電動(dòng)勢頻率比的控制方式采用恒值電動(dòng)勢頻率比的控制方式。 50 然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓 Us Eg，則得（3-3） 這是恒壓頻比的控制方式。常值1fUs51 但是，在低頻時(shí) Us 和 Eg 都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不能忽略。這時(shí)，需要人為地把電壓 Us 抬高一些，以便近似地補(bǔ)近似地補(bǔ)償定子壓降償定

16、子壓降。 帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性示于下圖中的 b 線，無補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a 線。 52OUsf 1恒壓頻比控制特性 帶壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性帶壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性UsNf 1Na 無補(bǔ)償無補(bǔ)償 b 帶定子壓降補(bǔ)償帶定子壓降補(bǔ)償 U1/f =常數(shù)近似的機(jī)械特性：常數(shù)近似的機(jī)械特性：Tmaxnf11f12f130Tf14U1/f=常數(shù)補(bǔ)償后fU1補(bǔ)償補(bǔ)償054 若把電壓-頻率控制中的電壓Us相對(duì)地再提高一些，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降抵消，就得到恒轉(zhuǎn)子全磁通控制，此狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)特性最好，是高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的目標(biāo)，它的控制實(shí)現(xiàn)可用矢量控制。552. 基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速 在基頻以

17、上調(diào)速時(shí)，頻率應(yīng)該從 f1N 向上升高，但定子電壓Us 卻不可能超過額定電壓UsN ，最多只能保持Us = UsN ，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。 把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如下圖所示。 機(jī)械特性情況的分析機(jī)械特性情況的分析：22122211232()emRpUsTfRRXXs2222121121mRRsfXXRXX 2211max22221211123311442 ()UUpfpTffLLfRRXX 機(jī)械特性：機(jī)械特性：nf11=fNf12f130Tf14f14f13f12f1158f1N 變壓變頻控制特性變壓變頻控制特性異步電機(jī)變壓變

18、頻調(diào)速的控制特性 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNmNm恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速mUsf1O59 如果電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)所帶的負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值，即都能在允許溫升下長期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，按照電力拖動(dòng)原理，在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)，而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。60 交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中的電力變換器，無論是電源側(cè)的變流器還是電機(jī)側(cè)的變流器都是開關(guān)電路，電路中開關(guān)元件的周期性通斷，破壞了交流電壓、電流的連續(xù)性和正弦性。 電壓電流中高次諧波 嚴(yán)重危害交流電網(wǎng) 惡化電機(jī)運(yùn)行性能 消除諧波含量的有效方法電力變換器采用脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(

19、PWM)技術(shù)技術(shù)交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)61正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)1. PWM調(diào)制原理 以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrier wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulation wave），當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。62PWM調(diào)制原理63 按照波形面積相等的原則，每一個(gè)矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等，因而這個(gè)序列的矩形波與期望的正弦波等效。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidal p

20、ulse width modulation，簡稱SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。 642. SPWM控制方式控制方式 如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個(gè)極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。 如果在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式。65 單相橋式單相橋式PWM逆變電路逆變電路 信號(hào)波載波圖6-4調(diào)制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc單相橋式PWM逆變電路 VT1VT2VT3VT466圖6-5urucuOtOtuouof

21、uoUd- Ud（1）單極性PWM控制方式67（2）雙極性）雙極性PWM控制方式控制方式圖6-6urucuOtOtuouofuoUd- Ud683. PWM控制電路控制電路 模擬電子電路模擬電子電路 采用正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器和比較采用正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器和比較器來實(shí)現(xiàn)上述的器來實(shí)現(xiàn)上述的SPWM控制；控制； 數(shù)字控制電路數(shù)字控制電路 硬件電路； 軟件實(shí)現(xiàn)。69 模擬電子電路模擬電子電路70 數(shù)字控制電路數(shù)字控制電路 自然采樣法自然采樣法只是把同樣的方法數(shù)字化，只是把同樣的方法數(shù)字化， 自自然采樣法的運(yùn)算比較復(fù)雜；然采樣法的運(yùn)算比較復(fù)雜； 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法在工程上更實(shí)用的簡化方法

22、，在工程上更實(shí)用的簡化方法，由于簡化方法的不同，衍生出多種規(guī)則采樣法。由于簡化方法的不同，衍生出多種規(guī)則采樣法。71（1）自然采樣法原理）自然采樣法原理72（2）規(guī)則采樣法）規(guī)則采樣法 圖6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB2273規(guī)則采樣法原理規(guī)則采樣法原理三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波一周期的中自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波一周期的中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合規(guī)則采樣法使兩者重合，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相規(guī)則采樣法使兩者重合，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對(duì)稱，使計(jì)算大為簡化應(yīng)的三角波中

23、點(diǎn)為對(duì)稱，使計(jì)算大為簡化74在三角波的負(fù)峰時(shí)刻在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對(duì)正弦信號(hào)波采樣得對(duì)正弦信號(hào)波采樣得D點(diǎn)，過點(diǎn)，過 D作水平直線和三角波分別交于作水平直線和三角波分別交于A、B點(diǎn)，在點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻點(diǎn)時(shí)刻 tA和和B點(diǎn)時(shí)刻點(diǎn)時(shí)刻 tB控制開關(guān)器件控制開關(guān)器件的通斷的通斷脈沖寬度脈沖寬度d 和用自然采樣法得到的脈沖寬度非和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近常接近75規(guī)則采樣法原理規(guī)則采樣法原理正弦調(diào)制信號(hào)波正弦調(diào)制信號(hào)波 式中，式中，M 稱為稱為調(diào)制度，0 a 1； r為信號(hào)波角頻為信號(hào)波角頻率。從圖中可得率。從圖中可得 2/22/sin1cDrTtMtMurrsin76因此可得因此可得 三角

24、波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度)sin1 (421DrcctMTT)sin1 (2DrctMT77 根據(jù)上述采樣原理和計(jì)算公式，可以用計(jì)算機(jī)根據(jù)上述采樣原理和計(jì)算公式，可以用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制產(chǎn)生實(shí)時(shí)控制產(chǎn)生SPWM波形，具體實(shí)現(xiàn)方法有：波形，具體實(shí)現(xiàn)方法有： 查表法查表法可以先離線計(jì)算出相應(yīng)的脈寬可以先離線計(jì)算出相應(yīng)的脈寬d 等等數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中，然后在調(diào)速系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中，然后在調(diào)速系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制過程中通過查表和加、減運(yùn)算求出各相脈寬時(shí)過程中通過查表和加、減運(yùn)算求出各相脈寬時(shí)間和間隙時(shí)間。間和間隙時(shí)間。78 實(shí)時(shí)計(jì)算法實(shí)時(shí)計(jì)算法事先在內(nèi)存中存放正弦函數(shù)和

25、事先在內(nèi)存中存放正弦函數(shù)和Tc /2值，控制時(shí)先查出正弦值，與調(diào)速系統(tǒng)所需的值，控制時(shí)先查出正弦值，與調(diào)速系統(tǒng)所需的調(diào)制度調(diào)制度M作乘法運(yùn)算，再根據(jù)給定的載波頻率查作乘法運(yùn)算，再根據(jù)給定的載波頻率查出相應(yīng)的出相應(yīng)的Tc /2值，由計(jì)算公式計(jì)算脈寬時(shí)間和間值，由計(jì)算公式計(jì)算脈寬時(shí)間和間隙時(shí)間。隙時(shí)間。79 由于由于PWM變壓變頻器的應(yīng)用非常廣泛，已制變壓變頻器的應(yīng)用非常廣泛，已制成多種專用集成電路芯片作為成多種專用集成電路芯片作為SPWM信號(hào)的發(fā)生信號(hào)的發(fā)生器，后來更進(jìn)一步把它做在微機(jī)芯片里面，生產(chǎn)器，后來更進(jìn)一步把它做在微機(jī)芯片里面，生產(chǎn)出多種帶出多種帶PWM信號(hào)輸出口的電機(jī)控制用的信號(hào)輸出口

26、的電機(jī)控制用的8位、位、16位微機(jī)芯片和位微機(jī)芯片和DSP。 804. PWM調(diào)制方法調(diào)制方法 載波比載波頻率載波頻率 fc與調(diào)制信號(hào)頻率與調(diào)制信號(hào)頻率 fr 之比之比N，既既 N = fc / fr 根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，情況，PWM調(diào)制方式分為調(diào)制方式分為異步調(diào)制異步調(diào)制和和同步調(diào)制同步調(diào)制。81（1）異步調(diào)制）異步調(diào)制 異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式。調(diào)制方式。通常保持通常保持 fc 固定不變，當(dāng)固定不變，當(dāng) fr 變化時(shí)，載波比變化時(shí)，載波比 N 是變化的；是變化的；在信號(hào)波的半周期內(nèi)，在

27、信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱；周期的脈沖也不對(duì)稱；82當(dāng)當(dāng) fr 較低時(shí)，較低時(shí)，N 較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較??；脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小；當(dāng)當(dāng) fr 增高時(shí)，增高時(shí)，N 減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，少，PWM 脈沖不對(duì)稱的影響就變大。脈沖不對(duì)稱的影響就變大。83（2）同步調(diào)制）同步調(diào)制 同步調(diào)制N 等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載

28、波和信號(hào)波保持同步。信號(hào)波保持同步?；就秸{(diào)制方式，基本同步調(diào)制方式，fr 變化時(shí)變化時(shí)N不變，信號(hào)波一不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定；周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定；三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取 N 為為3的的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱；整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱；84為使一相的為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，N應(yīng)取奇應(yīng)取奇數(shù)；數(shù)；fr 很低時(shí)，很低時(shí)，fc 也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除；濾除；fr 很高時(shí)，很高時(shí)，fc 會(huì)過高，使開關(guān)器件難以承受。會(huì)過高，使開關(guān)器件難以承受。85同步調(diào)制三相同步調(diào)制三相PWM波

29、形波形 ucurUurVurWuuUNuVNOtttt000uWN2Ud2Ud86（3）分段同步調(diào)制）分段同步調(diào)制把把 fr 范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段恒定，不同頻段N不同；不同；在在 fr 高的頻段采用較低的高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過，使載波頻率不致過高；高；在在 fr 低的頻段采用較高的低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過，使載波頻率不致過低；低；87 分段同步調(diào)制方式分段同步調(diào)制方式00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321圖6-11fr /Hzfc /

30、kHz88（4）混合調(diào)制）混合調(diào)制 可在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸可在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，和分段同步方式效果接近。結(jié)合起來，和分段同步方式效果接近。895. PWM逆變器主電路及輸出波形逆變器主電路及輸出波形三相橋式PWM逆變器主電路原理圖調(diào)制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT290三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形 uuUNOtOOOOUd2-Ud2uVNuWNuUVuUNttttOturUurVurWucUd23Ud291 上圖為三相上圖為三相PWM波形，其中波形，其中 urU 、urV 、urW為為U，V，W三相的正弦調(diào)制波，三相的正弦調(diào)制波， uc為雙為雙極性三角載波；極性三角載波； uUN 、uVN 、uWN 為為U，V，W三相輸出與電源中性點(diǎn)三相輸出與電源中性點(diǎn)N之間的相電壓矩形波形；之間的相電壓矩形波形； uUV為輸