電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)2023/12/27電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

概述異步電機(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，是本篇的重點(diǎn)。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)本章提要變壓變頻調(diào)速的基本控制方式異步電動(dòng)機(jī)電壓－頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性*電力電子變壓變頻器的主要類型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)基于異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的變壓變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)模型按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式

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

m為額定值不變。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)因繞組過熱而損壞電機(jī)。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)對于直流電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，

m保持不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通

m由定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就需要費(fèi)一些周折了。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)定子每相電動(dòng)勢（6-1）

式中：Eg

—?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?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。

f1NskNs

m電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

由式（6-1）可知，只要控制好Eg和f1，便可達(dá)到控制磁通

m的目的，對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)1.基頻以下調(diào)速

由式（6-1）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，使常值

（6-2）

即采用恒值電動(dòng)勢頻率比的控制方式。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)恒壓頻比的控制方式

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（6-3）

這是恒壓頻比的控制方式。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

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，不再能忽略。這時(shí)，需要人為地把電壓Us抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。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。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)OUsf1圖6-1

恒壓頻比控制特性帶壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性UsNf1Na

—無補(bǔ)償

b

—帶定子壓降補(bǔ)償

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)2.基頻以上調(diào)速

在基頻以上調(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。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)f1N變壓變頻控制特性圖6-2異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNΦmNΦm恒功率調(diào)速ΦmUsf1O電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)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”。返回目錄電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)6.2異步電動(dòng)機(jī)電壓－頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)

的機(jī)械特性本節(jié)提要恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性基頻以上恒壓變頻時(shí)的機(jī)械特性恒流正弦波供電時(shí)的機(jī)械特性電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)6.2.1恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的

機(jī)械特性

第5章式（5-3）已給出異步電機(jī)在恒壓恒頻正弦波供電時(shí)的機(jī)械特性方程式Te=f(s)。當(dāng)定子電壓Us和電源角頻率

1恒定時(shí)，可以改寫成如下形式：

（6-4）

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)特性分析當(dāng)s很小時(shí)，可忽略上式分母中含s各項(xiàng)，則（6-5）

也就是說，當(dāng)s很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性Te=f（s）是一段直線，見圖6-3。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)特性分析（續(xù)）當(dāng)s接近于1時(shí)，可忽略式（6-4）分母中的Rr'

，則（6-6）即s接近于1時(shí)轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時(shí)，Te=f（s）是對稱于原點(diǎn)的一段雙曲線。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械特性

當(dāng)s為以上兩段的中間數(shù)值時(shí)，機(jī)械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段，如圖所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax圖6-3恒壓恒頻時(shí)異步電機(jī)的機(jī)械特性電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)6.2.2基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的

機(jī)械特性

由式（6-4）機(jī)械特性方程式可以看出，對于同一組轉(zhuǎn)矩Te

和轉(zhuǎn)速n（或轉(zhuǎn)差率s）的要求，電壓Us和頻率

1

可以有多種配合。在Us

和

1的不同配合下機(jī)械特性也是不一樣的，因此可以有不同方式的電壓－頻率協(xié)調(diào)控制。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)1.恒壓頻比控制（Us/

1）

在第6-1節(jié)中已經(jīng)指出，為了近似地保持氣隙磁通不變，以便充分利用電機(jī)鐵心，發(fā)揮電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，在基頻以下須采用恒壓頻比控制。這時(shí)，同步轉(zhuǎn)速自然要隨頻率變化。

（6-7）

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

在式（6-5）所表示的機(jī)械特性近似直線段上，可以導(dǎo)出

（6-9）

帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為

（6-8）

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

由此可見，當(dāng)Us/

1為恒值時(shí)，對于同一轉(zhuǎn)矩Te，s

1是基本不變的，因而

n也是基本不變的。這就是說，在恒壓頻比的條件下改變頻率

1時(shí)，機(jī)械特性基本上是平行下移，如圖6-4所示。它們和直流他勵(lì)電機(jī)變壓調(diào)速時(shí)的情況基本相似。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后，轉(zhuǎn)速再降低，特性就折回來了。而且頻率越低時(shí)最大轉(zhuǎn)矩值越小，可參看第5章式（5-5），對式（5-5）稍加整理后可得

（6-10）電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

可見最大轉(zhuǎn)矩Temax是隨著的

1降低而減小的。頻率很低時(shí)，Temax太小將限制電機(jī)的帶載能力，采用定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣s，可以增強(qiáng)帶載能力，見圖6-4。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械特性曲線On圖6-4恒壓頻比控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性補(bǔ)償定子壓降后的特性電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)2.恒

Eg/

1

控制

下圖再次繪出異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路，圖中幾處感應(yīng)電動(dòng)勢的意義如下：

Eg

—?dú)庀叮ɑ蚧ジ校┐磐ㄔ诙ㄗ用肯嗬@組中的感應(yīng)電動(dòng)勢；

Es

—定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢；

Er

—轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢（折合到定子邊）。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)圖6-5異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢

Us

1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’r異步電動(dòng)機(jī)等效電路EgEsEr電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)特性分析

如果在電壓－頻率協(xié)調(diào)控制中，恰當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣s的數(shù)值，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持Eg/

1為恒值（基頻以下），則由式（6-1）可知，無論頻率高低，每極磁通

m均為常值。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)特性分析（續(xù)）由等效電路可以看出

（6-11）代入電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式，得（6-12）

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)特性分析（續(xù)）

利用與前相似的分析方法，當(dāng)s很小時(shí)，可忽略式（6-12）分母中含s項(xiàng)，則

（6-13）

這表明機(jī)械特性的這一段近似為一條直線。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)特性分析（續(xù)）當(dāng)s接近于1時(shí)，可忽略式（6-12）分母中的Rr'2項(xiàng)，則

（6-14）

s值為上述兩段的中間值時(shí)，機(jī)械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡，整條特性與恒壓頻比特性相似。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能比較

但是，對比式（6-4）和式（6-12）可以看出，恒Eg/

1特性分母中含s項(xiàng)的參數(shù)要小于恒Us/

1特性中的同類項(xiàng)，也就是說，s值要更大一些才能使該項(xiàng)占有顯著的份量，從而不能被忽略，因此恒Eg/

1特性的線性段范圍更寬。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能比較（續(xù)）

將式（6-12）對s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可得恒Eg/

1控制特性在最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率

（6-15）

和最大轉(zhuǎn)矩（6-16）電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能比較（續(xù)）

值得注意的是，在式（6-16）中，當(dāng)Eg/

1為恒值時(shí)，Temax恒定不變，如下圖所示，其穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒Us/

1控制的性能。這正是恒Eg/

1控制中補(bǔ)償定子壓降所追求的目標(biāo)。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械特性曲線OnTemax恒Eg/

1控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)3.恒

Er/

1

控制

如果把電壓－頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓再進(jìn)一步提高，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，得到恒Er/

1控制，那么，機(jī)械特性會(huì)怎樣呢？由此可寫出（6-17）

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得

（6-18）

現(xiàn)在，不必再作任何近似就可知道，這時(shí)的機(jī)械特性完全是一條直線，見圖6-6。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)0s10Te幾種電壓－頻率協(xié)調(diào)控制方式的特性比較圖6-6不同電壓－頻率協(xié)調(diào)控制方式時(shí)的機(jī)械特性恒Er/

1控制恒Eg/

1控制恒Us/

1控制ab

c電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)顯然，恒Er/

1控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的性能。現(xiàn)在的問題是，怎樣控制變頻裝置的電壓和頻率才能獲得恒定的Er/

1呢？

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

按照式（6-1）電動(dòng)勢和磁通的關(guān)系，可以看出，當(dāng)頻率恒定時(shí)，電動(dòng)勢與磁通成正比。在式（6-1）中，氣隙磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢Eg對應(yīng)于氣隙磁通幅值

m，那么，轉(zhuǎn)子全磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢Er就應(yīng)該對應(yīng)于轉(zhuǎn)子全磁通幅值

rm：（6-19）

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

由此可見，只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值

rm=Constant進(jìn)行控制，就可以獲得恒Er/

1了。這正是矢量控制系統(tǒng)所遵循的原則，下面在第6-7節(jié)中將詳細(xì)討論。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)4．幾種協(xié)調(diào)控制方式的比較

綜上所述，在正弦波供電時(shí)，按不同規(guī)律實(shí)現(xiàn)電壓－頻率協(xié)調(diào)控制可得不同類型的機(jī)械特性。

（1）恒壓頻比（Us/

1=Constant）控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，但低速帶載能力有些差強(qiáng)人意，須對定子壓降實(shí)行補(bǔ)償。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（2）恒Eg/

1控制是通常對恒壓頻比控制實(shí)行電壓補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，可以在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到

rm=Constant，從而改善了低速性能。但機(jī)械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

（3）恒Er/

1控制可以得到和直流他勵(lì)電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，按照轉(zhuǎn)子全磁通

rm

恒定進(jìn)行控制，即得

Er/

1=Constant而且，在動(dòng)態(tài)中也盡可能保持

rm恒定是矢量控制系統(tǒng)的目標(biāo)，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)起來是比較復(fù)雜的。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)6.2.3基頻以上恒壓變頻時(shí)的機(jī)械特性

性能分析

在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，由于定子電壓Us=UsN不變，式（6-4）的機(jī)械特性方程式可寫成

（6-20）

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能分析（續(xù)）而式（6-10）的最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可改寫成（6-21）

同步轉(zhuǎn)速的表達(dá)式仍和式（6-7）一樣。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械特性曲線恒功率調(diào)速O<<<

由此可見，當(dāng)角頻率提高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移，而形狀基本不變，如圖所示。圖6-7基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機(jī)械特性電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢必減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小，但轉(zhuǎn)速升高了，可以認(rèn)為輸出功率基本不變。所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。最后，應(yīng)該指出，以上所分析的機(jī)械特性都是在正弦波電壓供電下的情況。如果電壓源含有諧波，將使機(jī)械特性受到扭曲，并增加電機(jī)中的損耗。因此在設(shè)計(jì)變頻裝置時(shí)，應(yīng)盡量減少輸出電壓中的諧波。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)6.2.4恒流正弦波供電時(shí)的機(jī)械特性在變頻調(diào)速時(shí)，保持異步電機(jī)定子電流的幅值恒定，叫作恒流控制，電流幅值恒定是通過帶PI調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)的，這種系統(tǒng)不僅安全可靠而且具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。恒流供電時(shí)的機(jī)械特性與上面分析的恒壓機(jī)械特性不同，現(xiàn)進(jìn)行分析。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電流計(jì)算設(shè)電流波形為正弦波，即忽略電流諧波，由異步電動(dòng)機(jī)等效電路圖所示的等效電路在恒流供電情況下可得電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電流計(jì)算（續(xù)）電流幅值為（6-22）

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩公式將式（6-22）代入電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式得（6-23）電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)矩及其轉(zhuǎn)差率取dTe/dt=0，可求出恒流機(jī)械特性的最大轉(zhuǎn)矩值（6-24）產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率為（6-25）電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械特性曲線按上式繪出不同電流、不同頻率下的恒流機(jī)械特性示于圖6-8。圖6-8恒流供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性TeOn電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能比較第5章式（5-4）和（5-5）給出了恒壓機(jī)械特性的最大轉(zhuǎn)差率和最大轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)再錄如下：（5-4）（5-5）電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能比較（續(xù)）比較恒流機(jī)械特性與恒壓機(jī)械特性，由上述表達(dá)式和特性曲線可得以下的結(jié)論：（1）恒流機(jī)械特性與恒壓機(jī)械特性的形狀相似，都有理想空載轉(zhuǎn)速點(diǎn)（s=0，Te=0）和最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)（sm，Temax）。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能比較（續(xù)）（3）恒流機(jī)械特性的最大轉(zhuǎn)矩值與頻率無關(guān)，恒流變頻時(shí)最大轉(zhuǎn)矩不變，但改變定子電流時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩與電流的平方成正比。

（2）兩類特性的特征有所不同，比較式（6-25）和式（5-4）可知，由于Lls<<Lm，所以，sm|<<sm|因此恒流機(jī)械特性的線性段比較平，而最大轉(zhuǎn)矩處形狀很尖。

Is=const.Us=const.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能比較（續(xù)）Is=const.Us=const.（4）由于恒流控制限制了電流Is，而恒壓供電時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的降低Is會(huì)不斷增大，所以在額定電流時(shí)Temax|的要比額定電壓時(shí)的Temax|小得多，用同一臺(tái)電機(jī)的參數(shù)代入式（6-24）和式（5-5）可以證明這個(gè)結(jié)論。但這并不影響恒流控制的系統(tǒng)承擔(dān)短時(shí)過載的能力，因?yàn)檫^載時(shí)可以短時(shí)加大定子電流，以產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，參看圖6-8。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)小結(jié)電壓Us與頻率

1是變頻器—異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)獨(dú)立的控制變量，在變頻調(diào)速時(shí)需要對這兩個(gè)控制變量進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。在基頻以下，有三種協(xié)調(diào)控制方式。采用不同的協(xié)調(diào)控制方式，得到的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能不同，其中恒Er

/

1控制的性能最好。在基頻以上，采用保持電壓不變的恒功率弱磁調(diào)速方法。返回目錄電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)*6.3電力電子變壓變頻器的主要類型本節(jié)提要交-直-交和交-交變壓變頻器電壓源型和電流源型逆變器180o導(dǎo)通型和120o導(dǎo)通型逆變器電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

引言

如前所述，對于異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速，必須具備能夠同時(shí)控制電壓幅值和頻率的交流電源，而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻的電源，因此應(yīng)該配置變壓變頻器，又稱VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）裝置。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)最早的VVVF裝置是旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組，即由直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)交流同步發(fā)電機(jī)，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就能控制交流發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率。自從電力電子器件獲得廣泛應(yīng)用以后，旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組已經(jīng)無例外地讓位給靜止式的變壓變頻器了。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)*6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器

從整體結(jié)構(gòu)上看，電力電子變壓變頻器可分為交-直-交和交-交兩大類。

1.交-直-交變壓變頻器

交-直-交變壓變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流，如下圖所示。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)交-直-交變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)圖6-9

交-直-交（間接）變壓變頻器

變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻(CVCF)逆變DCACAC50Hz~整流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個(gè)“中間直流環(huán)節(jié)”，所以又稱間接式的變壓變頻器。具體的整流和逆變電路種類很多，當(dāng)前應(yīng)用最廣的是由二極管組成不控整流器和由功率開關(guān)器件（P-MOSFET，IGBT等）組成的脈寬調(diào)制（PWM）逆變器，簡稱PWM變壓變頻器，如下圖所示。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)交-直-交PWM變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)圖6-10交-直-交PWM變壓變頻器變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻(CVCF)PWM逆變器DCACAC50Hz~調(diào)壓調(diào)頻C電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

PWM變壓變頻器的應(yīng)用之所以如此廣泛，是由于它具有如下的一系列優(yōu)點(diǎn)：（1）在主電路整流和逆變兩個(gè)單元中，只有逆變單元可控，通過它同時(shí)調(diào)節(jié)電壓和頻率，結(jié)構(gòu)簡單。采用全控型的功率開關(guān)器件，只通過驅(qū)動(dòng)電壓脈沖進(jìn)行控制，電路也簡單，效率高。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（2）輸出電壓波形雖是一系列的PWM波，但由于采用了恰當(dāng)?shù)腜WM控制技術(shù)，正弦基波的比重較大，影響電機(jī)運(yùn)行的低次諧波受到很大的抑制，因而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（3）逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻，動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也得以提高。（4）采用不可控的二極管整流器，電源側(cè)功率因素較高，且不受逆變輸出電壓大小的影響。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

PWM變壓變頻器常用的功率開關(guān)器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的電壓控制器件如IGCT、IEGT等。受到開關(guān)器件額定電壓和電流的限制，對于特大容量電機(jī)的變壓變頻調(diào)速仍只好采用半控型的晶閘管（SCR），并用可控整流器調(diào)壓和六拍逆變器調(diào)頻的交-直-交變壓變頻器，見下圖。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)普通交-直-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)SCR可控整流器六拍逆變器DCACAC50Hz~調(diào)頻調(diào)壓圖6-11可控整流器調(diào)壓、六拍逆變器調(diào)頻的交-直-交變壓變頻器電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)2.交-交變壓變頻器

交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，它只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，把恒壓恒頻（CVCF）的交流電源直接變換成VVVF輸出，因此又稱直接式變壓變頻器。有時(shí)為了突出其變頻功能，也稱作周波變換器（Cycloconveter）。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)圖6-12交-交（直接）變壓變頻器交－交變頻AC50Hz~ACCVCFVVVF電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

常用的交-交變壓變頻器輸出的每一相都是一個(gè)由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。也就是說，每一相都相當(dāng)于一套直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆線路（下圖a）。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)交-交變壓變頻器的基本電路結(jié)構(gòu)VRVFId-Id+--+a)電路結(jié)構(gòu)負(fù)載50Hz~50Hz~u0圖6-13-a交-交變壓變頻器每一相的可逆線路電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)交-交變壓變頻器的控制方式整半周控制方式正、反兩組按一定周期相互切換，在負(fù)載上就獲得交變的輸出電壓u0，u0的幅值決定于各組可控整流裝置的控制角

，u0的頻率決定于正、反兩組整流裝置的切換頻率。如果控制角一直不變，則輸出平均電壓是方波，如下圖b所示。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)圖6-13-b方波型平均輸出電壓波形tu0正組通反組通正組通反組通輸出電壓波形電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制方式（2）

調(diào)制控制方式要獲得正弦波輸出，就必須在每一組整流裝置導(dǎo)通期間不斷改變其控制角。例如：在正向組導(dǎo)通的半個(gè)周期中，使控制角

由/2（對應(yīng)于平均電壓u0=0）逐漸減小到0（對應(yīng)于u0最大），然后再逐漸增加到/2（u0再變?yōu)?），如下圖所示。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)2AOw

ta=a=0

p

2a=

pBCDEFu0圖6-14交-交變壓變頻器的單相正弦波輸出電壓波形輸出電壓波形電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)

角按正弦規(guī)律變化時(shí)，半周中的平均輸出電壓即為圖中虛線所示的正弦波。對反向組負(fù)半周的控制也是這樣。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)三相交交變頻電路

三相交交變頻電路可以由3個(gè)單相交交變頻電路組成，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。如果每組可控整流裝置都用橋式電路，含6個(gè)晶閘管（當(dāng)每一橋臂都是單管時(shí)），則三相可逆線路共需36個(gè)晶閘管，即使采用零式電路也須18個(gè)晶閘管。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)三相交交變頻器的基本結(jié)構(gòu)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)三相橋式交交變頻電路電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)因此，這樣的交-交變壓變頻器雖然在結(jié)構(gòu)上只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，省去了中間直流環(huán)節(jié)，看似簡單，但所用的器件數(shù)量卻很多，總體設(shè)備相當(dāng)龐大。不過這些設(shè)備都是直流調(diào)速系統(tǒng)中常用的可逆整流裝置，在技術(shù)上和制造工藝上都很成熟，目前國內(nèi)有些企業(yè)已有可靠的產(chǎn)品。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)這類交-交變頻器的其他缺點(diǎn)是：輸入功率因數(shù)較低，諧波電流含量大，頻譜復(fù)雜，因此須配置諧波濾波和無功補(bǔ)償設(shè)備。其最高輸出頻率不超過電網(wǎng)頻率的1/3~1/2，一般主要用于軋機(jī)主傳動(dòng)、球磨機(jī)、水泥回轉(zhuǎn)窯等大容量、低轉(zhuǎn)速的調(diào)速系統(tǒng)，供電給低速電機(jī)直接傳動(dòng)時(shí)，可以省去龐大的齒輪減速箱。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)近年來又出現(xiàn)了一種采用全控型開關(guān)器件的矩陣式交-交變壓變頻器，類似于PWM控制方式，輸出電壓和輸入電流的低次諧波都較小，輸入功率因數(shù)可調(diào)，能量可雙向流動(dòng)，以獲得四象限運(yùn)行，但當(dāng)輸出電壓必須為正弦波時(shí)，最大輸出輸入電壓比只有0.866。目前這類變壓變頻器尚處于開發(fā)階段，其發(fā)展前景是很好的。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)*6.3.2電壓源型和電流源型逆變器

在交-直-交變壓變頻器中，按照中間直流環(huán)節(jié)直流電源性質(zhì)的不同，逆變器可以分成電壓源型和電流源型兩類，兩種類型的實(shí)際區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾波器。下圖繪出了電壓源型和電流源型逆變器的示意圖。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)兩種類型逆變器結(jié)構(gòu)LdIdCdUdUd++--a)電壓源逆變器b)電流源逆變器圖6-15電壓源型和電流源型逆變器示意圖電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電壓源型逆變器（VoltageSourceInverter--VSI），直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，因而直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個(gè)內(nèi)阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，有時(shí)簡稱電壓型逆變器。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電流源型逆變器（CurrentSourceInverter--CSI），直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，直流電流波形比較平直，相當(dāng)于一個(gè)恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，或簡稱電流型逆變器。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能比較

兩類逆變器在主電路上雖然只是濾波環(huán)節(jié)的不同，在性能上卻帶來了明顯的差異，主要表現(xiàn)如下：

（1）無功能量的緩沖在調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器的負(fù)載是異步電機(jī)，屬感性負(fù)載。在中間直流環(huán)節(jié)與負(fù)載電機(jī)之間，除了有功功率的傳送外，還存在無功功率的交換。濾波器除濾波外還起著對無功功率的緩沖作用，使它不致影響到交流電網(wǎng)。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

因此，兩類逆變器的區(qū)別還表現(xiàn)在采用什么儲(chǔ)能元件（電容器或電感器）來緩沖無功能量。

（2）能量的回饋用電流源型逆變器給異步電機(jī)供電的電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)有一個(gè)顯著特征，就是容易實(shí)現(xiàn)能量的回饋，從而便于四象限運(yùn)行，適用于需要回饋制動(dòng)和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)下面以由晶閘管可控整流器UCR和電流源型串聯(lián)二極管式晶閘管逆變器CSI構(gòu)成的交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（如下圖所示）為例，說明電動(dòng)運(yùn)行和回饋制動(dòng)兩種狀態(tài)。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)圖6-16-a電流源型交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的兩種運(yùn)行狀態(tài)M3~+-UdIdLdCSIα<90o整流ω1>ω電動(dòng)Teω逆變UCRa）電動(dòng)運(yùn)行電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)P電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

當(dāng)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，UCR的控制角

<90

，工作在整流狀態(tài)，直流回路電壓Ud

的極性為上正下負(fù)，電流Id由正端流入逆變器CSI，CSI工作在逆變狀態(tài)，輸出電壓的頻率

1>

，電動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)速運(yùn)行，電功率的傳送方向如上圖a所示。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)圖6-16-b電流源型交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的兩種運(yùn)行狀態(tài)M3~+-UdIdLdCSIα>90o有源逆變?chǔ)?<

ω發(fā)電Teω整流UCRb）逆變運(yùn)行逆變運(yùn)行狀態(tài)P電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)如果降低變壓變頻器的輸出頻率

1，或從機(jī)械上抬高電機(jī)轉(zhuǎn)速

，使

1<

，同時(shí)使UCR的控制角

>90

，則異步電機(jī)轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)，逆變器轉(zhuǎn)入整流狀態(tài)，而可控整流器轉(zhuǎn)入有源逆變狀態(tài)，此時(shí)直流電壓Ud立即反向，而電流Id方向不變，電能由電機(jī)回饋給交流電網(wǎng)（圖b）。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

與此相反，采用電壓源型的交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)和四象限運(yùn)行卻很困難，因?yàn)槠渲虚g直流環(huán)節(jié)有大電容鉗制著電壓的極性，不可能迅速反向，而電流受到器件單向?qū)щ娦缘闹萍s也不能反向，所以在原裝置上無法實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)必須制動(dòng)時(shí)，只得在直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)，或者與UCR反并聯(lián)一組反向的可控整流器，用以通過反向的制動(dòng)電流，而保持電壓極性不變，實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。這樣做，設(shè)備要復(fù)雜多了。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能比較（續(xù)）

（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)正由于交-直-交電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的直流電壓可以迅速改變，所以動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快，而電壓源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)就慢得多。

（4）輸出波形電壓源型逆變器輸出的電壓波形為方波，電流源型逆變器輸出的電流波形為方波（見下表）。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能比較（續(xù)）表6-1兩種逆變器輸出波形比較電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能比較（續(xù)）

（4）應(yīng)用場合電壓源型逆變器屬恒壓源，電壓控制響應(yīng)慢，不易波動(dòng)，所以適于做多臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)行時(shí)的供電電源，或單臺(tái)電機(jī)調(diào)速但不要求快速起制動(dòng)和快速減速的場合。采用電流源型逆變器的系統(tǒng)則相反，不適用于多電機(jī)傳動(dòng)，但可以滿足快速起制動(dòng)和可逆運(yùn)行的要求。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)*6.3.3180o導(dǎo)通型和120o導(dǎo)通型逆變器

交-直-交變壓變頻器中的逆變器一般接成三相橋式電路，以便輸出三相交流變頻電源，下圖為6個(gè)電力電子開關(guān)器件VT1~VT6組成的三相逆變器主電路，圖中用開關(guān)符號(hào)代表任何一種電力電子開關(guān)器件。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)三相橋式逆變器主電路結(jié)構(gòu)CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd2Ud2RL圖6-17三相橋式逆變器主電路電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制方式控制各開關(guān)器件輪流導(dǎo)通和關(guān)斷，可使輸出端得到三相交流電壓。在某一瞬間，控制一個(gè)開關(guān)器件關(guān)斷，同時(shí)使另一個(gè)器件導(dǎo)通，就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)器件之間的換流。在三相橋式逆變器中，有180°導(dǎo)通型和120°導(dǎo)通型兩種換流方式。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（1）180°導(dǎo)通型控制方式

同一橋臂上、下兩管之間互相換流的逆變器稱作180°導(dǎo)通型逆變器。例如，當(dāng)VT1關(guān)斷后，使VT4導(dǎo)通，而當(dāng)VT4關(guān)斷后，又使VT1導(dǎo)通。這時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的區(qū)間是180°，其他各相亦均如此。由于每隔60°有一個(gè)器件開關(guān)，在180°導(dǎo)通型逆變器中，除換流期間外，每一時(shí)刻總有3個(gè)開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

但須注意，必須防止同一橋臂的上、下兩管同時(shí)導(dǎo)通，否則將造成直流電源短路，謂之“直通”。為此，在換流時(shí)，必須采取“先斷后通”的方法，即先給應(yīng)關(guān)斷的器件發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留一定的時(shí)間裕量，叫做“死區(qū)時(shí)間”，再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通信號(hào)。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

死區(qū)時(shí)間的長短視器件的開關(guān)速度而定，器件的開關(guān)速度越快時(shí)，所留的死區(qū)時(shí)間可以越短。為了安全起見，設(shè)置死區(qū)時(shí)間是非常必要的，但它會(huì)造成輸出電壓波形的畸變。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)輸出波形

tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uAO'uAOuABiAiduBO'uCO'uOO'UdUd2Ud3Ud62Ud3電壓型逆變電路的波形電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（2）120°導(dǎo)通型控制方式

120°導(dǎo)通型逆變器的換流是在不同橋臂中同一排左、右兩管之間進(jìn)行的。例如，VT1關(guān)斷后使VT3導(dǎo)通，VT3關(guān)斷后使VT5導(dǎo)通，VT4關(guān)斷后使VT6導(dǎo)通等等。這時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件一次連續(xù)導(dǎo)通120°，在同一時(shí)刻只有兩個(gè)器件導(dǎo)通，如果負(fù)載電機(jī)繞組是Y聯(lián)結(jié)，則只有兩相導(dǎo)電，另一相懸空。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電流型三相橋式逆變電路的輸出波形

tOtOtOtOIdiViWuUViU返回目錄電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)6.4變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制

(PWM)技術(shù)本節(jié)提要問題的提出正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)消除指定次數(shù)諧波的PWM(SHEPWM)控制技術(shù)電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)控制技術(shù)電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)（或稱磁鏈跟蹤控制技術(shù)）電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

問題的提出

早期的交-直-交變壓變頻器所輸出的交流波形都是六拍階梯波（對于電壓型逆變器）或矩形波（對于電流型逆變器），這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)逆變器只能采用半控式的晶閘管，其關(guān)斷的不可控性和較低的開關(guān)頻率導(dǎo)致逆變器的輸出波形不可能近似按正弦波變化，從而會(huì)有較大的低次諧波，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)分量，影響其穩(wěn)態(tài)工作性能，在低速運(yùn)行時(shí)更為明顯。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)六拍逆變器主電路結(jié)構(gòu)VT1~VT6――主電路開關(guān)器件

VD1~VD6――續(xù)流二極管VT3VT5VT4VT6VT2VT1電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)六拍逆變器的諧波電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)為了改善交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能，在出現(xiàn)了全控式電力電子開關(guān)器件之后，科技工作者在20世紀(jì)80年代開發(fā)了應(yīng)用PWM技術(shù)的逆變器。由于它的優(yōu)良技術(shù)性能，當(dāng)今國內(nèi)外各廠商生產(chǎn)的變壓變頻器都已采用這種技術(shù)，只有在全控器件尚未能及的特大容量時(shí)才屬例外。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)6.4.1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（Carrierwave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulationwave），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。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)圖6-18PWM調(diào)制原理電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)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（Sinusoidalpulsewidthmodulation，簡稱SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)2.SPWM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。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)單相橋式PWM逆變電路

單相橋式PWM逆變電路

VT1VT2VT3VT4電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（1）單極性PWM控制方式電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（2）雙極性PWM控制方式電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)3.PWM控制電路模擬電子電路采用正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器和比較器來實(shí)現(xiàn)上述的SPWM控制；數(shù)字控制電路硬件電路；軟件實(shí)現(xiàn)。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)模擬電子電路電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)字控制電路自然采樣法——只是把同樣的方法數(shù)字化，自然采樣法的運(yùn)算比較復(fù)雜；規(guī)則采樣法——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。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（1）自然采樣法原理電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（2）規(guī)則采樣法

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)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Tc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)為對稱，使計(jì)算大為簡化電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對正弦信號(hào)波采樣得D點(diǎn)，過D作水平直線和三角波分別交于A、B點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制開關(guān)器件的通斷脈沖寬度d和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)規(guī)則采樣法原理正弦調(diào)制信號(hào)波式中，M稱為調(diào)制度，0≤a<1；

r為信號(hào)波角頻率。從圖中可得

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)因此可得三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

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SPWM波形，具體實(shí)現(xiàn)方法有：查表法——可以先離線計(jì)算出相應(yīng)的脈寬d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。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算法——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)所需的調(diào)制度M作乘法運(yùn)算，再根據(jù)給定的載波頻率查出相應(yīng)的Tc/2值，由計(jì)算公式計(jì)算脈寬時(shí)間和間隙時(shí)間。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)由于PWM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SPWM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)出多種帶PWM信號(hào)輸出口的電機(jī)控制用的8位、16位微機(jī)芯片和DSP。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)4.PWM調(diào)制方法載波比——載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比N，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情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（1）異步調(diào)制異步調(diào)制——載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式。通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的；在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱；電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小；當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（2）同步調(diào)制

同步調(diào)制——N等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步。基本同步調(diào)制方式，fr變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(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N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱；電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)；fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除；fr很高時(shí)，fc會(huì)過高，使開關(guān)器件難以承受。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)同步調(diào)制三相PWM波形

ucurUurVurWuuUN'uVN'Otttt000uWN'2Ud-2Ud電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（3）分段同步調(diào)制把fr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N不同；在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高；在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低；電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)分段同步調(diào)制方式電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（4）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。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)5.PWM逆變器主電路及輸出波形圖6-19三相橋式PWM逆變器主電路原理圖調(diào)制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)圖6-20三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形

uuUN’OwtOOOOUd2-Ud2uVN’uWN’uUVuUNwtwtwtwtOwturUurVurWucUd23Ud2電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)圖6-20為三相PWM波形，其中urU

、urV

、urW為U，V，W三相的正弦調(diào)制波，

uc為雙極性三角載波；uUN’、uVN’、uWN’

為U，V，W三相輸出與電源中性點(diǎn)N’之間的相電壓矩形波形；

uUV為輸出線電壓矩形波形，其脈沖幅值為+Ud和-Ud；uUN為三相輸出與電機(jī)中點(diǎn)N之間的相電壓。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)*6.4.2消除指定次數(shù)諧波的PWM(SHEPWM)

控制技術(shù)

脈寬調(diào)制（PWM）的目的是使變壓變頻器輸出的電壓波形盡量接近正弦波，減少諧波，以滿足交流電機(jī)的需要。要達(dá)到這一目的，除了上述采用正弦波調(diào)制三角波的方法以外，還可以采用直接計(jì)算的下圖中各脈沖起始與終了相位

1，

2，…

2m的方法，以消除指定次數(shù)的諧波，構(gòu)成近似正弦的PWM波形（SelectedHarmonicsEliminationPWM―SHEPWM）。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)特定諧波消去法的輸出波形圖6-21特定諧波消去法的輸出PWM波形電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)對圖6-21的PWM波形作傅氏分析可知，其k次諧波相電壓幅值的表達(dá)式為（6-26）式中Ud―變壓變頻器直流側(cè)電壓；

1―以相位角表示的PWM波形第i個(gè)起始或終了時(shí)刻。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)從理論上講，要消除第k次諧波分量，只須令式（6-26）中的，并滿足基波幅值為所要求的電壓值，從而解出相應(yīng)的值即可。然而，圖6-21的輸出電壓波形為一組正負(fù)相間的PWM波，它不僅半個(gè)周期對稱，而且有1/4周期按縱軸對稱的性質(zhì)。在1/4周期內(nèi)，有m個(gè)值，即m個(gè)待定參數(shù)，這些參數(shù)代表了可以用于消除指定諧波的自由度。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)其中除了必須滿足的基波幅值外，尚有（m-1）個(gè)可選的參數(shù)，它們分別代表了可消除諧波的數(shù)量。例如，取m=5，可消除4個(gè)不同次數(shù)的諧波。常常希望消除影響最大的5、7、11、13次諧波，就讓這些諧波電壓的幅值為零，并令基波幅為需要值，代入式（6-26）可得一組三角函數(shù)的聯(lián)立方程。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)……電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)可采用數(shù)值法迭代，在上述方程組求解出開關(guān)時(shí)刻相位角

1，

2，…，然后再利用1/4周期對稱性，計(jì)算出

2m=-1，以及

2m-1...各值。這樣的數(shù)值計(jì)算法在理論上雖能消除所指定的次數(shù)的諧波，但更高次數(shù)的諧波卻可能反而增大，不過它們對電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩的影響已經(jīng)不大，所以這種控制技術(shù)的效果還是不錯(cuò)的。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)由于上述數(shù)值求解方法的復(fù)雜性，而且對應(yīng)于不同基波頻率應(yīng)有不同的基波電壓幅值，求解出的脈沖開關(guān)時(shí)刻也不一樣，所以這種方法不宜用于實(shí)時(shí)控制，須用計(jì)算機(jī)離線求出開關(guān)角的數(shù)值，放入微機(jī)內(nèi)存，以備控制時(shí)調(diào)用。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)*6.4.3電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)控制

技術(shù)

應(yīng)用PWM控制技術(shù)的變壓變頻器一般都是電壓源型的，它可以按需要方便地控制其輸出電壓，為此前面兩小節(jié)所述的PWM控制技術(shù)都是以輸出電壓近似正弦波為目標(biāo)的。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

但是，在電流電機(jī)中，實(shí)際需要保證的應(yīng)該是正弦波電流，因?yàn)樵诮涣麟姍C(jī)繞組中只有通入三相平衡的正弦電流才能使合成的電磁轉(zhuǎn)矩為恒定值，不含脈動(dòng)分量。因此，若能對電流實(shí)行閉環(huán)控制，以保證其正弦波形，顯然將比電壓開環(huán)控制能夠獲得更好的性能。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)常用的一種電流閉環(huán)控制方法是電流滯環(huán)跟蹤PWM（CurrentHysteresisBandPWM——CHBPWM）控制，具有電流滯環(huán)跟蹤PWM控制的PWM變壓變頻器的A相控制原理圖示于圖6-22。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)1.滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制原理

圖6-22 電流滯環(huán)跟蹤控制的A相原理圖負(fù)載L+-iiaia*V1V42Ud2UdVD4VD1HBCVT1VT4電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)圖中，電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為2h。將給定電流i*a與輸出電流ia

進(jìn)行比較，電流偏差

ia

超過時(shí)

h，經(jīng)滯環(huán)控制器HBC控制逆變器A相上（或下）橋臂的功率器件動(dòng)作。B、C二相的原理圖均與此相同。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

采用電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí)，變壓變頻器的電流波形與PWM電壓波形示于圖6-23。如果，ia<i*a，且i*a-ia

≥

h，滯環(huán)控制器HBC輸出正電平，驅(qū)動(dòng)上橋臂功率開關(guān)器件V1導(dǎo)通，變壓變頻器輸出正電壓，使增大。當(dāng)增長到與相等時(shí)，雖然，但HBC仍保持正電平輸出，保持導(dǎo)通，使繼續(xù)增大直到達(dá)到ia

=i*a

+h，

ia

=–h，使滯環(huán)翻轉(zhuǎn)，HBC輸出負(fù)電平，關(guān)斷V1，并經(jīng)延時(shí)后驅(qū)動(dòng)V4電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)但此時(shí)未必能夠?qū)?，由於電機(jī)繞組的電感作用，電流不會(huì)反向，而是通過二極管續(xù)流，使受到反向鉗位而不能導(dǎo)通。此后，逐漸減小，直到時(shí)，，到達(dá)滯環(huán)偏差的下限值，使HBC再翻轉(zhuǎn)，又重復(fù)使導(dǎo)通。這樣，與交替工作，使輸出電流給定值之間的偏差保持在范圍內(nèi)，在正弦波上下作鋸齒狀變化。從圖6-23中可以看到，輸出電流是十分接近正弦波的。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流

圖6-23 電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí)的電流波形電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)圖6-23給出了在給定正弦波電流半個(gè)周期內(nèi)的輸出電流波形和相應(yīng)的相電壓波形?？梢钥闯觯诎雮€(gè)周期內(nèi)圍繞正弦波作脈動(dòng)變化，不論在的上升段還是下降段，它都是指數(shù)曲線中的一小部分，其變化率與電路參數(shù)和電機(jī)的反電動(dòng)勢有關(guān)。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)三相電流跟蹤型PWM逆變電路

圖6-24三相電流跟蹤型PWM逆變電路

+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVWVT1VT4VT6VT2VT3VT5電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)因此，輸出相電壓波形呈PWM狀，但與兩側(cè)窄中間寬的SPWM波相反，兩側(cè)增寬而中間變窄，這說明為了使電流波形跟蹤正弦波，應(yīng)該調(diào)整一下電壓波形。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的環(huán)寬有關(guān)，同時(shí)還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，可降低開關(guān)頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開關(guān)頻率增大了。這是一對矛盾的因素，實(shí)用中，應(yīng)在充分利用器件開關(guān)頻率的前提下，正確地選擇盡可能小的環(huán)寬。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)小結(jié)電流滯環(huán)跟蹤控制方法的精度高，響應(yīng)快，且易于實(shí)現(xiàn)。但受功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的限制，僅在電機(jī)堵轉(zhuǎn)且在給定電流峰值處才發(fā)揮出最高開關(guān)頻率，在其他情況下，器件的允許開關(guān)頻率都未得到充分利用。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可以采用具有恒定開關(guān)頻率的電流控制器，或者在局部范圍內(nèi)限制開關(guān)頻率，但這樣對電流波形都會(huì)產(chǎn)生影響。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)6.4.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)

（或稱磁鏈跟蹤控制技術(shù)）本節(jié)提要問題的提出空間矢量的定義電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場電壓空間矢量的線性組合與SVPWM控制

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)問題的提出經(jīng)典的SPWM控制主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波，并未顧及輸出電流的波形。而電流滯環(huán)跟蹤控制則直接控制輸出電流，使之在正弦波附近變化，這就比只要求正弦電壓前進(jìn)了一步。然而交流電動(dòng)機(jī)需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動(dòng)機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)如果對準(zhǔn)這一目標(biāo)，把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制逆變器的工作，其效果應(yīng)該更好。這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，下面的討論將表明，磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱“電壓空間矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制”。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)1.空間矢量的定義

交流電動(dòng)機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時(shí)間變化的，分析時(shí)常用時(shí)間相量來表示，但如果考慮到它們所在繞組的空間位置，也可以如圖所示，定義為空間矢量uA0，uB0，uC0。圖6-25電壓空間矢量

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電壓空間矢量的相互關(guān)系定子電壓空間矢量：uA0、uB0、uC0的方向始終處于各相繞組的軸線上，而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律脈動(dòng)，時(shí)間相位互相錯(cuò)開的角度也是120°。合成空間矢量：由三相定子電壓空間矢量相加合成的空間矢量us是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，是每相電壓值的3/2倍。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電壓空間矢量的相互關(guān)系（續(xù)）

當(dāng)電源頻率不變時(shí)，合成空間矢量us以電源角頻率

1為電氣角速度作恒速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)某一相電壓為最大值時(shí)，合成電壓矢量us就落在該相的軸線上。用公式表示，則有（6-39）

與定子電壓空間矢量相仿，可以定義定子電流和磁鏈的空間矢量Is和Ψs。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)2.電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系

三相的電壓平衡方程式相加，即得用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為（6-40）

式中

us—定子三相電壓合成空間矢量；Is—定子三相電流合成空間矢量；Ψs—定子三相磁鏈合成空間矢量。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)近似關(guān)系當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí)，定子電阻壓降在式（6-40）中所占的成分很小，可忽略不計(jì)，則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為（6-41）

（6-42）

或

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)磁鏈軌跡

當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌跡呈圓形（一般簡稱為磁鏈圓）。這樣的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量可用下式表示。（6-43）

其中Ψm是磁鏈Ψs的幅值，

1為其旋轉(zhuǎn)角速度。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)由式（6-41）和式（6-43）可得（6-44）

上式表明，當(dāng)磁鏈幅值一定時(shí)，的大小與（或供電電壓頻率）成正比，其方向則與磁鏈?zhǔn)噶空?，即磁鏈圓的切線方向，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)磁場軌跡與電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系如圖所示，當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)動(dòng)2

弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。這樣，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡問題。圖6-26旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)3.六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場

（1）電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡在常規(guī)的PWM變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)由六拍階梯波逆變器供電，這時(shí)的電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡是怎樣的呢？為了討論方便起見，再把三相逆變器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖繪出，圖6-27中六個(gè)功率開關(guān)器件都用開關(guān)符號(hào)代替，可以代表任意一種開關(guān)器件。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)主電路原理圖圖6-27三相逆變器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)開關(guān)工作狀態(tài)

如果，圖中的逆變器采用180°導(dǎo)通型，功率開關(guān)器件共有8種工作狀態(tài)（見附表），其中6種有效開關(guān)狀態(tài)；2種無效狀態(tài)（因?yàn)槟孀兤鬟@時(shí)并沒有輸出電壓）：上橋臂開關(guān)VT1、VT3、VT5全部導(dǎo)通下橋臂開關(guān)VT2、VT4、VT6全部導(dǎo)通電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)表電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)開關(guān)控制模式

對于六拍階梯波的逆變器，在其輸出的每個(gè)周期中6種有效的工作狀態(tài)各出現(xiàn)一次。逆變器每隔/3時(shí)刻就切換一次工作狀態(tài)（即換相），而在這/3時(shí)刻內(nèi)則保持不變。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（a）開關(guān)模式分析

設(shè)工作周期從100狀態(tài)開始，這時(shí)VT6、VT1、VT2導(dǎo)通，其等效電路如圖所示。各相對直流電源中點(diǎn)的電壓都是幅值為

UAO’=Ud/2UBO’=UCO’=-Ud/2O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（b）工作狀態(tài)100的合成電壓空間矢量由圖可知，三相的合成空間矢量為u1，其幅值等于Ud，方向沿A軸（即X軸）。u1uAO’-uCO’-uBO’ABC電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（c）工作狀態(tài)110的合成電壓空間矢量

u1存在的時(shí)間為/3，在這段時(shí)間以后，工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為110，和上面的分析相似，合成空間矢量變成圖中的u2，它在空間上滯后于u1的相位為/3弧度，存在的時(shí)間也是/3。u2uAO’-uCO’uBO’ABC電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（d）每個(gè)周期的六邊形合成電壓空間矢量

u1u2u3u4u5u6u7

u8

依此類推，隨著逆變器工作狀態(tài)的切換，電壓空間矢量的幅值不變，而相位每次旋轉(zhuǎn)/3，直到一個(gè)周期結(jié)束。這樣，在一個(gè)周期中6個(gè)電壓空間矢量共轉(zhuǎn)過2

弧度，形成一個(gè)封閉的正六邊形，如圖所示。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（2）定子磁鏈?zhǔn)噶慷它c(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡

電壓空間矢量與磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系一個(gè)由電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)所形成的正六邊形軌跡也可以看作是異步電動(dòng)機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶慷它c(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。對于這個(gè)關(guān)系，進(jìn)一步說明如下：

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)圖6-29六拍逆變器供電時(shí)電動(dòng)機(jī)電壓空間矢量與磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系

設(shè)在逆變器工作開始時(shí)定子磁鏈空間矢量為

1，在第一個(gè)/3期間，電動(dòng)機(jī)上施加的電壓空間矢量為圖6-28d中的u1，把它們再畫在圖6-29中。按照式（6-41）可以寫成電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

也就是說，在/3

所對應(yīng)的時(shí)間

t內(nèi)，施加u1的結(jié)果是使定子磁鏈

1

產(chǎn)生一個(gè)增量

，其幅值|u1|與成正比，方向與u1一致，最后得到圖6-29所示的新的磁鏈，而

（6-45）

（6-46）

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)依此類推，可以寫成

的通式（6-47）

（6-48）

總之，在一個(gè)周期內(nèi)，6個(gè)磁鏈空間矢量呈放射狀，矢量的尾部都在O點(diǎn)，其頂端的運(yùn)動(dòng)軌跡也就是6個(gè)電壓空間矢量所圍成的正六邊形。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)磁鏈?zhǔn)噶吭隽颗c電壓矢量、時(shí)間增量的關(guān)系

如果u1的作用時(shí)間

t小于/3，則

i

的幅值也按比例地減小，如圖6-30中的矢量?？梢?，在任何時(shí)刻，所產(chǎn)生的磁鏈增量的方向決定于所施加的電壓，其幅值則正比于施加電壓的時(shí)間。圖6-30磁鏈?zhǔn)噶吭隽颗c電壓矢量、時(shí)間增量的關(guān)系電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)4.電壓空間矢量的線性組合與SVPWM控制

如前分析，我們可以得到的結(jié)論是：如果交流電動(dòng)機(jī)僅由常規(guī)的六拍階梯波逆變器供電，磁鏈軌跡便是六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場，這顯然不象在正弦波供電時(shí)所產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場那樣能使電動(dòng)機(jī)獲得勻速運(yùn)行。如果想獲得更多邊形或逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，就必須在每一個(gè)期間內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)工作狀態(tài)，以形成更多的相位不同的電壓空間矢量。為此，必須對逆變器的控制模式進(jìn)行改造。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)圓形旋轉(zhuǎn)磁場逼近方法PWM控制顯然可以適應(yīng)上述要求，問題是，怎樣控制PWM的開關(guān)時(shí)間才能逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場?？萍脊ぷ髡咭呀?jīng)提出過多種實(shí)現(xiàn)方法，例如線性組合法，三段逼近法，比較判斷法等[31]，這里只介紹線性組合法。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)基本思路圖6-31逼近圓形時(shí)的磁鏈增量軌跡如果要逼近圓形，可以增加切換次數(shù)，設(shè)想磁鏈增量由圖中的

11

，

12

，

13

，

14這4段組成。這時(shí)，每段施加的電壓空間矢量的相位都不一樣，可以用基本電壓矢量線性組合的方法獲得。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)線性組合的方法圖6-32電壓空間矢量的線性組合圖6-32表示由電壓空間矢量和的線性組合構(gòu)成新的電壓矢量。

設(shè)在一段換相周期時(shí)間T0中，可以用兩個(gè)矢量之和表示由兩個(gè)矢量線性組合后的電壓矢量us，新矢量的相位為

。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（1）線性組合公式可根據(jù)各段磁鏈增量的相位求出所需的作用時(shí)間t1和t2。在圖6-32中，可以看出（6-49）

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（2）相電壓合成公式根據(jù)式（6-39）用相電壓表示合成電壓空間矢量的定義，把相電壓的時(shí)間函數(shù)和空間相位分開寫，得（6-50）

式中

=120。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（3）線電壓合成公式若改用線電壓表示，可得（6-50）

幾種表示法的比較：由圖6-27可見，當(dāng)各功率開關(guān)處于不同狀態(tài)時(shí)，線電壓可取值為Ud、0或–Ud，比用相電壓表示時(shí)要明確一些。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)作用時(shí)間的確定這樣，根據(jù)各個(gè)開關(guān)狀態(tài)的線電壓表達(dá)式可以推出（6-52）電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)比較式（6-52）和式（6-49），令實(shí)數(shù)項(xiàng)和虛數(shù)項(xiàng)分別相等，則電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)解t1和t2，得（6-53）

（6-54）

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)零矢量的使用

換相周期T0應(yīng)由旋轉(zhuǎn)磁場所需的頻率決定，T0與t1+t2未必相等，其間隙時(shí)間可用零矢量

u7或

u8來填補(bǔ)。為了減少功率器件的開關(guān)次數(shù)，一般使

u7和

u8各占一半時(shí)間，因此（6-55）

≥0電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電壓空間矢量的扇區(qū)劃分為了討論方便起見，可把逆變器的一個(gè)工作周期用6個(gè)電壓空間矢量劃分成6個(gè)區(qū)域，稱為扇區(qū)（Sector），如圖所示的Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅵ，每個(gè)扇區(qū)對應(yīng)的時(shí)間均為/3

。由于逆變器在各扇區(qū)的工作狀態(tài)都是對稱的，分析一個(gè)扇區(qū)的方法可以推廣到其他扇區(qū)。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電壓空間矢量的6個(gè)扇區(qū)圖6-33電壓空間矢量的放射形式和6個(gè)扇區(qū)

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)在常規(guī)六拍逆變器中一個(gè)扇區(qū)僅包含兩個(gè)開關(guān)工作狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)SVPWM控制就是要把每一扇區(qū)再分成若干個(gè)對應(yīng)于時(shí)間T0的小區(qū)間。按照上述方法插入若干個(gè)線性組合的新電壓空間矢量us，以獲得優(yōu)于正六邊形的多邊形（逼近圓形）旋轉(zhuǎn)磁場。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)順序原則

在實(shí)際系統(tǒng)中，應(yīng)該盡量減少開關(guān)狀態(tài)變化時(shí)引起的開關(guān)損耗，因此不同開關(guān)狀態(tài)的順序必須遵守下述原則：每次切換開關(guān)狀態(tài)時(shí)，只切換一個(gè)功率開關(guān)器件，以滿足最小開關(guān)損耗。

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)插值舉例每一個(gè)T0相當(dāng)于PWM電壓波形中的一個(gè)脈沖波。例如：圖6-32所示扇區(qū)內(nèi)的區(qū)間包含t1，t2，t7和t8共4段，相應(yīng)的電壓空間矢量為u1，u2，u7和u8，即100，110，111和000共4種開關(guān)狀態(tài)。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)為了使電壓波形對稱，把每種狀態(tài)的作用時(shí)間都一分為二，因而形成電壓空間矢量的作用序列為：12788721，其中1表示作用u1，2表示作用u2，……。這樣，在這一個(gè)時(shí)間內(nèi)，逆變器三相的開關(guān)狀態(tài)序列為100，110，111，000，000，111，110，100。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)按照最小開關(guān)損耗原則進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)上述1278的順序是不合適的。為此，應(yīng)該把切換順序改為81277218，即開關(guān)狀態(tài)序列為000，100，110，111，111，110，100，000，這樣就能滿足每次只切換一個(gè)開關(guān)的要求了。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

T0區(qū)間的電壓波形

圖6-34第Ⅰ扇區(qū)內(nèi)一段區(qū)間的開關(guān)序列與逆變器三相電壓波形虛線間的每一小段表示一種工作狀態(tài)

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)如上所述，如果一個(gè)扇區(qū)分成4個(gè)小區(qū)間，則一個(gè)周期中將出現(xiàn)24