電力拖動自動控制系統

電力拖動自動控制系統2023/12/27電力拖動自動控制系統

概述異步電機的變壓變頻調速系統一般簡稱為變頻調速系統。由于在調速時轉差功率不隨轉速而變化，調速范圍寬，無論是高速還是低速時效率都較高，在采取一定的技術措施后能實現高動態(tài)性能，可與直流調速系統媲美。因此現在應用面很廣，是本篇的重點。電力拖動自動控制系統本章提要變壓變頻調速的基本控制方式異步電動機電壓－頻率協調控制時的機械特性*電力電子變壓變頻器的主要類型變壓變頻調速系統中的脈寬調制（PWM）技術基于異步電動機穩(wěn)態(tài)模型的變壓變頻調速異步電動機的動態(tài)數學模型和坐標變換基于動態(tài)模型按轉子磁鏈定向的矢量控制系統基于動態(tài)模型按定子磁鏈控制的直接轉矩控制系統

電力拖動自動控制系統6.1變壓變頻調速的基本控制方式

在進行電機調速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁通量

m為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。電力拖動自動控制系統對于直流電機，勵磁系統是獨立的，只要對電樞反應有恰當的補償，

m保持不變是很容易做到的。在交流異步電機中，磁通

m由定子和轉子磁勢合成產生，要保持磁通恒定就需要費一些周折了。

電力拖動自動控制系統定子每相電動勢（6-1）

式中：Eg

—氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值，單位為V；—定子頻率，單位為Hz；

—定子每相繞組串聯匝數；

—基波繞組系數；

—每極氣隙磁通量，單位為Wb。

f1NskNs

m電力拖動自動控制系統

由式（6-1）可知，只要控制好Eg和f1，便可達到控制磁通

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。

電力拖動自動控制系統1.基頻以下調速

由式（6-1）可知，要保持

m不變，當頻率f1從額定值f1N向下調節(jié)時，必須同時降低Eg，使常值

（6-2）

即采用恒值電動勢頻率比的控制方式。

電力拖動自動控制系統恒壓頻比的控制方式

然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓Us

≈

Eg，則得（6-3）

這是恒壓頻比的控制方式。電力拖動自動控制系統

但是，在低頻時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，需要人為地把電壓Us抬高一些，以便近似地補償定子壓降。帶定子壓降補償的恒壓頻比控制特性示于下圖中的b線，無補償的控制特性則為a線。

電力拖動自動控制系統OUsf1圖6-1

恒壓頻比控制特性帶壓降補償的恒壓頻比控制特性UsNf1Na

—無補償

b

—帶定子壓降補償

電力拖動自動控制系統2.基頻以上調速

在基頻以上調速時，頻率應該從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，相當于直流電機弱磁升速的情況。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。

電力拖動自動控制系統f1N變壓變頻控制特性圖6-2異步電機變壓變頻調速的控制特性

恒轉矩調速UsUsNΦmNΦm恒功率調速ΦmUsf1O電力拖動自動控制系統如果電機在不同轉速時所帶的負載都能使電流達到額定值，即都能在允許溫升下長期運行，則轉矩基本上隨磁通變化，按照電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定時轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速”性質，而在基頻以上，轉速升高時轉矩降低，基本上屬于“恒功率調速”。返回目錄電力拖動自動控制系統6.2異步電動機電壓－頻率協調控制時

的機械特性本節(jié)提要恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的機械特性基頻以下電壓-頻率協調控制時的機械特性基頻以上恒壓變頻時的機械特性恒流正弦波供電時的機械特性電力拖動自動控制系統6.2.1恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的

機械特性

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

1恒定時，可以改寫成如下形式：

（6-4）

電力拖動自動控制系統特性分析當s很小時，可忽略上式分母中含s各項，則（6-5）

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

，則（6-6）即s接近于1時轉矩近似與s成反比，這時，Te=f（s）是對稱于原點的一段雙曲線。電力拖動自動控制系統機械特性

當s為以上兩段的中間數值時，機械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段，如圖所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax圖6-3恒壓恒頻時異步電機的機械特性電力拖動自動控制系統6.2.2基頻以下電壓-頻率協調控制時的

機械特性

由式（6-4）機械特性方程式可以看出，對于同一組轉矩Te

和轉速n（或轉差率s）的要求，電壓Us和頻率

1

可以有多種配合。在Us

和

1的不同配合下機械特性也是不一樣的，因此可以有不同方式的電壓－頻率協調控制。

電力拖動自動控制系統1.恒壓頻比控制（Us/

1）

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

（6-7）

電力拖動自動控制系統

在式（6-5）所表示的機械特性近似直線段上，可以導出

（6-9）

帶負載時的轉速降落為

（6-8）

電力拖動自動控制系統

由此可見，當Us/

1為恒值時，對于同一轉矩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，機械特性基本上是平行下移，如圖6-4所示。它們和直流他勵電機變壓調速時的情況基本相似。電力拖動自動控制系統所不同的是，當轉矩增大到最大值以后，轉速再降低，特性就折回來了。而且頻率越低時最大轉矩值越小，可參看第5章式（5-5），對式（5-5）稍加整理后可得

（6-10）電力拖動自動控制系統

可見最大轉矩Temax是隨著的

1降低而減小的。頻率很低時，Temax太小將限制電機的帶載能力，采用定子壓降補償，適當地提高電壓Us，可以增強帶載能力，見圖6-4。電力拖動自動控制系統機械特性曲線On圖6-4恒壓頻比控制時變頻調速的機械特性補償定子壓降后的特性電力拖動自動控制系統2.恒

Eg/

1

控制

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

Eg

—氣隙（或互感）磁通在定子每相繞組中的感應電動勢；

Es

—定子全磁通在定子每相繞組中的感應電動勢；

Er

—轉子全磁通在轉子繞組中的感應電動勢（折合到定子邊）。

電力拖動自動控制系統圖6-5異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應電動勢

Us

1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’r異步電動機等效電路EgEsEr電力拖動自動控制系統特性分析

如果在電壓－頻率協調控制中，恰當地提高電壓Us的數值，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。電力拖動自動控制系統特性分析（續(xù)）由等效電路可以看出

（6-11）代入電磁轉矩關系式，得（6-12）

電力拖動自動控制系統特性分析（續(xù)）

利用與前相似的分析方法，當s很小時，可忽略式（6-12）分母中含s項，則

（6-13）

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

（6-14）

s值為上述兩段的中間值時，機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。電力拖動自動控制系統性能比較

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項的參數要小于恒Us/

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

1特性的線性段范圍更寬。電力拖動自動控制系統性能比較（續(xù)）

將式（6-12）對s求導，并令dTe/ds=0，可得恒Eg/

1控制特性在最大轉矩時的轉差率

（6-15）

和最大轉矩（6-16）電力拖動自動控制系統性能比較（續(xù)）

值得注意的是，在式（6-16）中，當Eg/

1為恒值時，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控制中補償定子壓降所追求的目標。

電力拖動自動控制系統機械特性曲線OnTemax恒Eg/

1控制時變頻調速的機械特性電力拖動自動控制系統3.恒

Er/

1

控制

如果把電壓－頻率協調控制中的電壓再進一步提高，把轉子漏抗上的壓降也抵消掉，得到恒Er/

1控制，那么，機械特性會怎樣呢？由此可寫出（6-17）

電力拖動自動控制系統代入電磁轉矩基本關系式，得

（6-18）

現在，不必再作任何近似就可知道，這時的機械特性完全是一條直線，見圖6-6。電力拖動自動控制系統0s10Te幾種電壓－頻率協調控制方式的特性比較圖6-6不同電壓－頻率協調控制方式時的機械特性恒Er/

1控制恒Eg/

1控制恒Us/

1控制ab

c電力拖動自動控制系統顯然，恒Er/

1控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機一樣的線性機械特性。這正是高性能交流變頻調速所要求的性能?，F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？

電力拖動自動控制系統

按照式（6-1）電動勢和磁通的關系，可以看出，當頻率恒定時，電動勢與磁通成正比。在式（6-1）中，氣隙磁通的感應電動勢Eg對應于氣隙磁通幅值

m，那么，轉子全磁通的感應電動勢Er就應該對應于轉子全磁通幅值

rm：（6-19）

電力拖動自動控制系統

由此可見，只要能夠按照轉子全磁通幅值

rm=Constant進行控制，就可以獲得恒Er/

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

電力拖動自動控制系統4．幾種協調控制方式的比較

綜上所述，在正弦波供電時，按不同規(guī)律實現電壓－頻率協調控制可得不同類型的機械特性。

（1）恒壓頻比（Us/

1=Constant）控制最容易實現，它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調速要求，但低速帶載能力有些差強人意，須對定子壓降實行補償。

電力拖動自動控制系統（2）恒Eg/

1控制是通常對恒壓頻比控制實行電壓補償的標準，可以在穩(wěn)態(tài)時達到

rm=Constant，從而改善了低速性能。但機械特性還是非線性的，產生轉矩的能力仍受到限制。

電力拖動自動控制系統

（3）恒Er/

1控制可以得到和直流他勵電機一樣的線性機械特性，按照轉子全磁通

rm

恒定進行控制，即得

Er/

1=Constant而且，在動態(tài)中也盡可能保持

rm恒定是矢量控制系統的目標，當然實現起來是比較復雜的。電力拖動自動控制系統6.2.3基頻以上恒壓變頻時的機械特性

性能分析

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

（6-20）

電力拖動自動控制系統性能分析（續(xù)）而式（6-10）的最大轉矩表達式可改寫成（6-21）

同步轉速的表達式仍和式（6-7）一樣。電力拖動自動控制系統機械特性曲線恒功率調速O<<<

由此可見，當角頻率提高時，同步轉速隨之提高，最大轉矩減小，機械特性上移，而形狀基本不變，如圖所示。圖6-7基頻以上恒壓變頻調速的機械特性電力拖動自動控制系統

由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢必減弱，導致轉矩的減小，但轉速升高了，可以認為輸出功率基本不變。所以基頻以上變頻調速屬于弱磁恒功率調速。最后，應該指出，以上所分析的機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，將使機械特性受到扭曲，并增加電機中的損耗。因此在設計變頻裝置時，應盡量減少輸出電壓中的諧波。

電力拖動自動控制系統6.2.4恒流正弦波供電時的機械特性在變頻調速時，保持異步電機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調節(jié)器的電流閉環(huán)控制實現的，這種系統不僅安全可靠而且具有良好的動靜態(tài)性能。恒流供電時的機械特性與上面分析的恒壓機械特性不同，現進行分析。電力拖動自動控制系統轉子電流計算設電流波形為正弦波，即忽略電流諧波，由異步電動機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自動控制系統轉子電流計算（續(xù)）電流幅值為（6-22）

電力拖動自動控制系統電磁轉矩公式將式（6-22）代入電磁轉矩表達式得（6-23）電力拖動自動控制系統最大轉矩及其轉差率取dTe/dt=0，可求出恒流機械特性的最大轉矩值（6-24）產生最大轉矩時的轉差率為（6-25）電力拖動自動控制系統機械特性曲線按上式繪出不同電流、不同頻率下的恒流機械特性示于圖6-8。圖6-8恒流供電時異步電動機的機械特性TeOn電力拖動自動控制系統性能比較第5章式（5-4）和（5-5）給出了恒壓機械特性的最大轉差率和最大轉矩，現再錄如下：（5-4）（5-5）電力拖動自動控制系統性能比較（續(xù)）比較恒流機械特性與恒壓機械特性，由上述表達式和特性曲線可得以下的結論：（1）恒流機械特性與恒壓機械特性的形狀相似，都有理想空載轉速點（s=0，Te=0）和最大轉矩點（sm，Temax）。電力拖動自動控制系統性能比較（續(xù)）（3）恒流機械特性的最大轉矩值與頻率無關，恒流變頻時最大轉矩不變，但改變定子電流時，最大轉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|因此恒流機械特性的線性段比較平，而最大轉矩處形狀很尖。

Is=const.Us=const.電力拖動自動控制系統性能比較（續(xù)）Is=const.Us=const.（4）由于恒流控制限制了電流Is，而恒壓供電時隨著轉速的降低Is會不斷增大，所以在額定電流時Temax|的要比額定電壓時的Temax|小得多，用同一臺電機的參數代入式（6-24）和式（5-5）可以證明這個結論。但這并不影響恒流控制的系統承擔短時過載的能力，因為過載時可以短時加大定子電流，以產生更大的轉矩，參看圖6-8。電力拖動自動控制系統小結電壓Us與頻率

1是變頻器—異步電動機調速系統的兩個獨立的控制變量，在變頻調速時需要對這兩個控制變量進行協調控制。在基頻以下，有三種協調控制方式。采用不同的協調控制方式，得到的系統穩(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速方法。返回目錄電力拖動自動控制系統*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導通型和120o導通型逆變器電力拖動自動控制系統

引言

如前所述，對于異步電機的變壓變頻調速，必須具備能夠同時控制電壓幅值和頻率的交流電源，而電網提供的是恒壓恒頻的電源，因此應該配置變壓變頻器，又稱VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）裝置。電力拖動自動控制系統最早的VVVF裝置是旋轉變頻機組，即由直流電動機拖動交流同步發(fā)電機，調節(jié)直流電動機的轉速就能控制交流發(fā)電機輸出電壓和頻率。自從電力電子器件獲得廣泛應用以后，旋轉變頻機組已經無例外地讓位給靜止式的變壓變頻器了。

電力拖動自動控制系統*6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器

從整體結構上看，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。電力拖動自動控制系統交-直-交變壓變頻器基本結構圖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~整流電力拖動自動控制系統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“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，當前應用最廣的是由二極管組成不控整流器和由功率開關器件（P-MOSFET，IGBT等）組成的脈寬調制（PWM）逆變器，簡稱PWM變壓變頻器，如下圖所示。電力拖動自動控制系統交-直-交PWM變壓變頻器基本結構圖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~調壓調頻C電力拖動自動控制系統

PWM變壓變頻器的應用之所以如此廣泛，是由于它具有如下的一系列優(yōu)點：（1）在主電路整流和逆變兩個單元中，只有逆變單元可控，通過它同時調節(jié)電壓和頻率，結構簡單。采用全控型的功率開關器件，只通過驅動電壓脈沖進行控制，電路也簡單，效率高。

電力拖動自動控制系統（2）輸出電壓波形雖是一系列的PWM波，但由于采用了恰當的PWM控制技術，正弦基波的比重較大，影響電機運行的低次諧波受到很大的抑制，因而轉矩脈動小，提高了系統的調速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。電力拖動自動控制系統（3）逆變器同時實現調壓和調頻，動態(tài)響應不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數的影響，系統的動態(tài)性能也得以提高。（4）采用不可控的二極管整流器，電源側功率因素較高，且不受逆變輸出電壓大小的影響。電力拖動自動控制系統

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

交-交變壓變頻器的基本結構如下圖所示，它只有一個變換環(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。有時為了突出其變頻功能，也稱作周波變換器（Cycloconveter）。電力拖動自動控制系統交-交變壓變頻器的基本結構圖6-12交-交（直接）變壓變頻器交－交變頻AC50Hz~ACCVCFVVVF電力拖動自動控制系統

常用的交-交變壓變頻器輸出的每一相都是一個由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯的可逆線路。也就是說，每一相都相當于一套直流可逆調速系統的反并聯可逆線路（下圖a）。電力拖動自動控制系統交-交變壓變頻器的基本電路結構VRVFId-Id+--+a)電路結構負載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自動控制系統交-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。電力拖動自動控制系統圖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自動控制系統控制方式（2）

調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通期間不斷改變其控制角。例如：在正向組導通的半個周期中，使控制角

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

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

電力拖動自動控制系統單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形電力拖動自動控制系統三相交交變頻電路

三相交交變頻電路可以由3個單相交交變頻電路組成，其基本結構如下圖所示。如果每組可控整流裝置都用橋式電路，含6個晶閘管（當每一橋臂都是單管時），則三相可逆線路共需36個晶閘管，即使采用零式電路也須18個晶閘管。電力拖動自動控制系統三相交交變頻器的基本結構電力拖動自動控制系統輸出星形聯結方式三相交交變頻電路電力拖動自動控制系統三相橋式交交變頻電路電力拖動自動控制系統因此，這樣的交-交變壓變頻器雖然在結構上只有一個變換環(huán)節(jié)，省去了中間直流環(huán)節(jié)，看似簡單，但所用的器件數量卻很多，總體設備相當龐大。不過這些設備都是直流調速系統中常用的可逆整流裝置，在技術上和制造工藝上都很成熟，目前國內有些企業(yè)已有可靠的產品。電力拖動自動控制系統這類交-交變頻器的其他缺點是：輸入功率因數較低，諧波電流含量大，頻譜復雜，因此須配置諧波濾波和無功補償設備。其最高輸出頻率不超過電網頻率的1/3~1/2，一般主要用于軋機主傳動、球磨機、水泥回轉窯等大容量、低轉速的調速系統，供電給低速電機直接傳動時，可以省去龐大的齒輪減速箱。電力拖動自動控制系統近年來又出現了一種采用全控型開關器件的矩陣式交-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，輸入功率因數可調，能量可雙向流動，以獲得四象限運行，但當輸出電壓必須為正弦波時，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。電力拖動自動控制系統*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。

電力拖動自動控制系統兩種類型逆變器結構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自動控制系統電壓源型逆變器（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內阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，有時簡稱電壓型逆變器。電力拖動自動控制系統電流源型逆變器（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，相當于一個恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，或簡稱電流型逆變器。電力拖動自動控制系統性能比較

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，主要表現如下：

（1）無功能量的緩沖在調速系統中，逆變器的負載是異步電機，屬感性負載。在中間直流環(huán)節(jié)與負載電機之間，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。電力拖動自動控制系統

因此，兩類逆變器的區(qū)別還表現在采用什么儲能元件（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供電的電流源型變壓變頻調速系統有一個顯著特征，就是容易實現能量的回饋，從而便于四象限運行，適用于需要回饋制動和經常正、反轉的生產機械。電力拖動自動控制系統下面以由晶閘管可控整流器UCR和電流源型串聯二極管式晶閘管逆變器CSI構成的交-直-交變壓變頻調速系統（如下圖所示）為例，說明電動運行和回饋制動兩種狀態(tài)。電力拖動自動控制系統圖6-16-a電流源型交-直-交變壓變頻調速系統的兩種運行狀態(tài)M3~+-UdIdLdCSIα<90o整流ω1>ω電動Teω逆變UCRa）電動運行電動運行狀態(tài)P電力拖動自動控制系統

當電動運行時，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，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>

，電動機以轉速運行，電功率的傳送方向如上圖a所示。電力拖動自動控制系統圖6-16-b電流源型交-直-交變壓變頻調速系統的兩種運行狀態(tài)M3~+-UdIdLdCSIα>90o有源逆變ω1<

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

1，或從機械上抬高電機轉速

，使

1<

，同時使UCR的控制角

>90

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

與此相反，采用電壓源型的交-直-交變壓變頻調速系統要實現回饋制動和四象限運行卻很困難，因為其中間直流環(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導電性的制約也不能反向，所以在原裝置上無法實現回饋制動。電力拖動自動控制系統必須制動時，只得在直流環(huán)節(jié)中并聯電阻實現能耗制動，或者與UCR反并聯一組反向的可控整流器，用以通過反向的制動電流，而保持電壓極性不變，實現回饋制動。這樣做，設備要復雜多了。

電力拖動自動控制系統性能比較（續(xù)）

（3）動態(tài)響應正由于交-直-交電流源型變壓變頻調速系統的直流電壓可以迅速改變，所以動態(tài)響應比較快，而電壓源型變壓變頻調速系統的動態(tài)響應就慢得多。

（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）。

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

（4）應用場合電壓源型逆變器屬恒壓源，電壓控制響應慢，不易波動，所以適于做多臺電機同步運行時的供電電源，或單臺電機調速但不要求快速起制動和快速減速的場合。采用電流源型逆變器的系統則相反，不適用于多電機傳動，但可以滿足快速起制動和可逆運行的要求。電力拖動自動控制系統*6.3.3180o導通型和120o導通型逆變器

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個電力電子開關器件VT1~VT6組成的三相逆變器主電路，圖中用開關符號代表任何一種電力電子開關器件。電力拖動自動控制系統三相橋式逆變器主電路結構CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd2Ud2RL圖6-17三相橋式逆變器主電路電力拖動自動控制系統控制方式控制各開關器件輪流導通和關斷，可使輸出端得到三相交流電壓。在某一瞬間，控制一個開關器件關斷，同時使另一個器件導通，就實現了兩個器件之間的換流。在三相橋式逆變器中，有180°導通型和120°導通型兩種換流方式。電力拖動自動控制系統（1）180°導通型控制方式

同一橋臂上、下兩管之間互相換流的逆變器稱作180°導通型逆變器。例如，當VT1關斷后，使VT4導通，而當VT4關斷后，又使VT1導通。這時，每個開關器件在一個周期內導通的區(qū)間是180°，其他各相亦均如此。由于每隔60°有一個器件開關，在180°導通型逆變器中，除換流期間外，每一時刻總有3個開關器件同時導通。電力拖動自動控制系統

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

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

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自動控制系統（2）120°導通型控制方式

120°導通型逆變器的換流是在不同橋臂中同一排左、右兩管之間進行的。例如，VT1關斷后使VT3導通，VT3關斷后使VT5導通，VT4關斷后使VT6導通等等。這時，每個開關器件一次連續(xù)導通120°，在同一時刻只有兩個器件導通，如果負載電機繞組是Y聯結，則只有兩相導電，另一相懸空。電力拖動自動控制系統電流型三相橋式逆變電路的輸出波形

tOtOtOtOIdiViWuUViU返回目錄電力拖動自動控制系統6.4變壓變頻調速系統中的脈寬調制

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

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），這是因為當時逆變器只能采用半控式的晶閘管，其關斷的不可控性和較低的開關頻率導致逆變器的輸出波形不可能近似按正弦波變化，從而會有較大的低次諧波，使電機輸出轉矩存在脈動分量，影響其穩(wěn)態(tài)工作性能，在低速運行時更為明顯。電力拖動自動控制系統六拍逆變器主電路結構VT1~VT6――主電路開關器件

VD1~VD6――續(xù)流二極管VT3VT5VT4VT6VT2VT1電力拖動自動控制系統六拍逆變器的諧波電力拖動自動控制系統為了改善交流電動機變壓變頻調速系統的性能，在出現了全控式電力電子開關器件之后，科技工作者在20世紀80年代開發(fā)了應用PWM技術的逆變器。由于它的優(yōu)良技術性能，當今國內外各廠商生產的變壓變頻器都已采用這種技術，只有在全控器件尚未能及的特大容量時才屬例外。電力拖動自動控制系統6.4.1正弦波脈寬調制(SPWM)技術1.PWM調制原理

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制波（Modulationwave），當調制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調制波的半個周期內呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。電力拖動自動控制系統圖6-18PWM調制原理電力拖動自動控制系統按照波形面積相等的原則，每一個矩形波的面積與相應位置的正弦波面積相等，因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效。這種調制方法稱作正弦波脈寬調制（Sinusoidalpulsewidthmodulation，簡稱SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。電力拖動自動控制系統2.SPWM控制方式如果在正弦調制波的半個周期內，三角載波只在正或負的一種極性范圍內變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內，叫做單極性控制方式。如果在正弦調制波半個周期內，三角載波在正負極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負之間變化，叫做雙極性控制方式。電力拖動自動控制系統單相橋式PWM逆變電路

單相橋式PWM逆變電路

VT1VT2VT3VT4電力拖動自動控制系統（1）單極性PWM控制方式電力拖動自動控制系統（2）雙極性PWM控制方式電力拖動自動控制系統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)生器和比較器來實現上述的SPWM控制；數字控制電路硬件電路；軟件實現。電力拖動自動控制系統模擬電子電路電力拖動自動控制系統數字控制電路自然采樣法——只是把同樣的方法數字化，自然采樣法的運算比較復雜；規(guī)則采樣法——在工程上更實用的簡化方法，由于簡化方法的不同，衍生出多種規(guī)則采樣法。電力拖動自動控制系統（1）自然采樣法原理電力拖動自動控制系統（2）規(guī)則采樣法

電力拖動自動控制系統規(guī)則采樣法原理三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc自然采樣法中，脈沖中點不和三角波一周期的中點（即負峰點）重合規(guī)則采樣法使兩者重合，每個脈沖的中點都以相應的三角波中點為對稱，使計算大為簡化電力拖動自動控制系統在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波采樣得D點，過D作水平直線和三角波分別交于A、B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制開關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自動控制系統規(guī)則采樣法原理正弦調制信號波式中，M稱為調制度，0≤a<1；

r為信號波角頻率。從圖中可得

電力拖動自動控制系統因此可得三角波一周期內，脈沖兩邊間隙寬度電力拖動自動控制系統

根據上述采樣原理和計算公式，可以用計算機實時控制產生SPWM波形，具體實現方法有：查表法——可以先離線計算出相應的脈寬d等數據存放在內存中，然后在調速系統實時控制過程中通過查表和加、減運算求出各相脈寬時間和間隙時間。電力拖動自動控制系統實時計算法——事先在內存中存放正弦函數和Tc/2值，控制時先查出正弦值，與調速系統所需的調制度M作乘法運算，再根據給定的載波頻率查出相應的Tc/2值，由計算公式計算脈寬時間和間隙時間。電力拖動自動控制系統由于PWM變壓變頻器的應用非常廣泛，已制成多種專用集成電路芯片作為SPWM信號的發(fā)生器，后來更進一步把它做在微機芯片里面，生產出多種帶PWM信號輸出口的電機控制用的8位、16位微機芯片和DSP。

電力拖動自動控制系統4.PWM調制方法載波比——載波頻率fc與調制信號頻率fr之比N，既N=fc/fr根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調制方式分為異步調制和同步調制。電力拖動自動控制系統（1）異步調制異步調制——載波信號和調制信號不同步的調制方式。通常保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的；在信號波的半周期內，PWM波的脈沖個數不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱；電力拖動自動控制系統當fr較低時，N較大，一周期內脈沖數較多，脈沖不對稱產生的不利影響都較小；當fr增高時，N減小，一周期內的脈沖數減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大。電力拖動自動控制系統（2）同步調制

同步調制——N等于常數，并在變頻時使載波和信號波保持同步。基本同步調制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內輸出脈沖數固定；三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數倍，使三相輸出對稱；電力拖動自動控制系統為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應取奇數；fr很低時，fc也很低，由調制帶來的諧波不易濾除；fr很高時，fc會過高，使開關器件難以承受。電力拖動自動控制系統同步調制三相PWM波形

ucurUurVurWuuUN'uVN'Otttt000uWN'2Ud-2Ud電力拖動自動控制系統（3）分段同步調制把fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持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；電力拖動自動控制系統分段同步調制方式電力拖動自動控制系統（4）混合調制可在低頻輸出時采用異步調制方式，高頻輸出時切換到同步調制方式，這樣把兩者的優(yōu)點結合起來，和分段同步方式效果接近。電力拖動自動控制系統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制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2電力拖動自動控制系統圖6-20三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形

uuUN’OwtOOOOUd2-Ud2uVN’uWN’uUVuUNwtwtwtwtOwturUurVurWucUd23Ud2電力拖動自動控制系統圖6-20為三相PWM波形，其中urU

、urV

、urW為U，V，W三相的正弦調制波，

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為三相輸出與電機中點N之間的相電壓。電力拖動自動控制系統*6.4.2消除指定次數諧波的PWM(SHEPWM)

控制技術

脈寬調制（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，以滿足交流電機的需要。要達到這一目的，除了上述采用正弦波調制三角波的方法以外，還可以采用直接計算的下圖中各脈沖起始與終了相位

1，

2，…

2m的方法，以消除指定次數的諧波，構成近似正弦的PWM波形（SelectedHarmonicsEliminationPWM―SHEPWM）。電力拖動自動控制系統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波形電力拖動自動控制系統對圖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式為（6-26）式中Ud―變壓變頻器直流側電壓；

1―以相位角表示的PWM波形第i個起始或終了時刻。電力拖動自動控制系統從理論上講，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，從而解出相應的值即可。然而，圖6-21的輸出電壓波形為一組正負相間的PWM波，它不僅半個周期對稱，而且有1/4周期按縱軸對稱的性質。在1/4周期內，有m個值，即m個待定參數，這些參數代表了可以用于消除指定諧波的自由度。電力拖動自動控制系統其中除了必須滿足的基波幅值外，尚有（m-1）個可選的參數，它們分別代表了可消除諧波的數量。例如，取m=5，可消除4個不同次數的諧波。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）可得一組三角函數的聯立方程。電力拖動自動控制系統……電力拖動自動控制系統可采用數值法迭代，在上述方程組求解出開關時刻相位角

1，

2，…，然后再利用1/4周期對稱性，計算出

2m=-1，以及

2m-1...各值。這樣的數值計算法在理論上雖能消除所指定的次數的諧波，但更高次數的諧波卻可能反而增大，不過它們對電機電流和轉矩的影響已經不大，所以這種控制技術的效果還是不錯的。電力拖動自動控制系統由于上述數值求解方法的復雜性，而且對應于不同基波頻率應有不同的基波電壓幅值，求解出的脈沖開關時刻也不一樣，所以這種方法不宜用于實時控制，須用計算機離線求出開關角的數值，放入微機內存，以備控制時調用。電力拖動自動控制系統*6.4.3電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)控制

技術

應用PWM控制技術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控制技術都是以輸出電壓近似正弦波為目標的。電力拖動自動控制系統

但是，在電流電機中，實際需要保證的應該是正弦波電流，因為在交流電機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矩為恒定值，不含脈動分量。因此，若能對電流實行閉環(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。

電力拖動自動控制系統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。電力拖動自動控制系統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相原理圖負載L+-iiaia*V1V42Ud2UdVD4VD1HBCVT1VT4電力拖動自動控制系統圖中，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

進行比較，電流偏差

ia

超過時

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

采用電流滯環(huán)跟蹤控制時，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，驅動上橋臂功率開關器件V1導通，變壓變頻器輸出正電壓，使增大。當增長到與相等時，雖然，但HBC仍保持正電平輸出，保持導通，使繼續(xù)增大直到達到ia

=i*a

+h，

ia

=–h，使滯環(huán)翻轉，HBC輸出負電平，關斷V1，并經延時后驅動V4電力拖動自動控制系統但此時未必能夠導通，由於電機繞組的電感作用，電流不會反向，而是通過二極管續(xù)流，使受到反向鉗位而不能導通。此后，逐漸減小，直到時，，到達滯環(huán)偏差的下限值，使HBC再翻轉，又重復使導通。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，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。電力拖動自動控制系統滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流

圖6-23 電流滯環(huán)跟蹤控制時的電流波形電力拖動自動控制系統圖6-23給出了在給定正弦波電流半個周期內的輸出電流波形和相應的相電壓波形?？梢钥闯?，在半個周期內圍繞正弦波作脈動變化，不論在的上升段還是下降段，它都是指數曲線中的一小部分，其變化率與電路參數和電機的反電動勢有關。電力拖動自動控制系統三相電流跟蹤型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電力拖動自動控制系統三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形

電力拖動自動控制系統因此，輸出相電壓波形呈PWM狀，但與兩側窄中間寬的SPWM波相反，兩側增寬而中間變窄，這說明為了使電流波形跟蹤正弦波，應該調整一下電壓波形。電力拖動自動控制系統電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的環(huán)寬有關，同時還受到功率開關器件允許開關頻率的制約。當環(huán)寬選得較大時，可降低開關頻率，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，卻使開關頻率增大了。這是一對矛盾的因素，實用中，應在充分利用器件開關頻率的前提下，正確地選擇盡可能小的環(huán)寬。電力拖動自動控制系統小結電流滯環(huán)跟蹤控制方法的精度高，響應快，且易于實現。但受功率開關器件允許開關頻率的限制，僅在電機堵轉且在給定電流峰值處才發(fā)揮出最高開關頻率，在其他情況下，器件的允許開關頻率都未得到充分利用。為了克服這個缺點，可以采用具有恒定開關頻率的電流控制器，或者在局部范圍內限制開關頻率，但這樣對電流波形都會產生影響。電力拖動自動控制系統6.4.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術

（或稱磁鏈跟蹤控制技術）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系六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉磁場電壓空間矢量的線性組合與SVPWM控制

電力拖動自動控制系統問題的提出經典的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了一步。然而交流電動機需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動機空間形成圓形旋轉磁場，從而產生恒定的電磁轉矩。電力拖動自動控制系統如果對準這一目標，把逆變器和交流電動機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉磁場來控制逆變器的工作，其效果應該更好。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”。電力拖動自動控制系統1.空間矢量的定義

交流電動機繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時間變化的，分析時常用時間相量來表示，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

電力拖動自動控制系統電壓空間矢量的相互關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，而大小則隨時間按正弦規(guī)律脈動，時間相位互相錯開的角度也是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是一個旋轉的空間矢量，它的幅值不變，是每相電壓值的3/2倍。電力拖動自動控制系統電壓空間矢量的相互關系（續(xù)）

當電源頻率不變時，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。當某一相電壓為最大值時，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。電力拖動自動控制系統2.電壓與磁鏈空間矢量的關系

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。

電力拖動自動控制系統近似關系當電動機轉速不是很低時，定子電阻壓降在式（6-40）中所占的成分很小，可忽略不計，則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關系為（6-41）

（6-42）

或

電力拖動自動控制系統磁鏈軌跡

當電動機由三相平衡正弦電壓供電時，電動機定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉，磁鏈矢量頂端的運動軌跡呈圓形（一般簡稱為磁鏈圓）。這樣的定子磁鏈旋轉矢量可用下式表示。（6-43）

其中Ψm是磁鏈Ψs的幅值，

1為其旋轉角速度。電力拖動自動控制系統由式（6-41）和式（6-43）可得（6-44）

上式表明，當磁鏈幅值一定時，的大小與（或供電電壓頻率）成正比，其方向則與磁鏈矢量正交，即磁鏈圓的切線方向，電力拖動自動控制系統磁場軌跡與電壓空間矢量運動軌跡的關系如圖所示，當磁鏈矢量在空間旋轉一周時，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運動2

弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。這樣，電動機旋轉磁場的軌跡問題就可轉化為電壓空間矢量的運動軌跡問題。圖6-26旋轉磁場與電壓空間矢量的運動軌跡電力拖動自動控制系統3.六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉磁場

（1）電壓空間矢量運動軌跡在常規(guī)的PWM變壓變頻調速系統中，異步電動機由六拍階梯波逆變器供電，這時的電壓空間矢量運動軌跡是怎樣的呢？為了討論方便起見，再把三相逆變器-異步電動機調速系統主電路的原理圖繪出，圖6-27中六個功率開關器件都用開關符號代替，可以代表任意一種開關器件。電力拖動自動控制系統主電路原理圖圖6-27三相逆變器-異步電動機調速系統主電路原理圖

電力拖動自動控制系統開關工作狀態(tài)

如果，圖中的逆變器采用180°導通型，功率開關器件共有8種工作狀態(tài)（見附表），其中6種有效開關狀態(tài)；2種無效狀態(tài)（因為逆變器這時并沒有輸出電壓）：上橋臂開關VT1、VT3、VT5全部導通下橋臂開關VT2、VT4、VT6全部導通電力拖動自動控制系統開關狀態(tài)表電力拖動自動控制系統開關控制模式

對于六拍階梯波的逆變器，在其輸出的每個周期中6種有效的工作狀態(tài)各出現一次。逆變器每隔/3時刻就切換一次工作狀態(tài)（即換相），而在這/3時刻內則保持不變。電力拖動自動控制系統（a）開關模式分析

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

UAO’=Ud/2UBO’=UCO’=-Ud/2O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2電力拖動自動控制系統（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電力拖動自動控制系統（c）工作狀態(tài)110的合成電壓空間矢量

u1存在的時間為/3，在這段時間以后，工作狀態(tài)轉為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，存在的時間也是/3。u2uAO’-uCO’uBO’ABC電力拖動自動控制系統（d）每個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/3，直到一個周期結束。這樣，在一個周期中6個電壓空間矢量共轉過2

弧度，形成一個封閉的正六邊形，如圖所示。電力拖動自動控制系統（2）定子磁鏈矢量端點的運動軌跡

電壓空間矢量與磁鏈矢量的關系一個由電壓空間矢量運動所形成的正六邊形軌跡也可以看作是異步電動機定子磁鏈矢量端點的運動軌跡。對于這個關系，進一步說明如下：

電力拖動自動控制系統圖6-29六拍逆變器供電時電動機電壓空間矢量與磁鏈矢量的關系

設在逆變器工作開始時定子磁鏈空間矢量為

1，在第一個/3期間，電動機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）可以寫成電力拖動自動控制系統

也就是說，在/3

所對應的時間

t內，施加u1的結果是使定子磁鏈

1

產生一個增量

，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）

電力拖動自動控制系統依此類推，可以寫成

的通式（6-47）

（6-48）

總之，在一個周期內，6個磁鏈空間矢量呈放射狀，矢量的尾部都在O點，其頂端的運動軌跡也就是6個電壓空間矢量所圍成的正六邊形。電力拖動自動控制系統磁鏈矢量增量與電壓矢量、時間增量的關系

如果u1的作用時間

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?，在任何時刻，所產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間。圖6-30磁鏈矢量增量與電壓矢量、時間增量的關系電力拖動自動控制系統4.電壓空間矢量的線性組合與SVPWM控制

如前分析，我們可以得到的結論是：如果交流電動機僅由常規(guī)的六拍階梯波逆變器供電，磁鏈軌跡便是六邊形的旋轉磁場，這顯然不象在正弦波供電時所產生的圓形旋轉磁場那樣能使電動機獲得勻速運行。如果想獲得更多邊形或逼近圓形的旋轉磁場，就必須在每一個期間內出現多個工作狀態(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行改造。電力拖動自動控制系統圓形旋轉磁場逼近方法PWM控制顯然可以適應上述要求，問題是，怎樣控制PWM的開關時間才能逼近圓形旋轉磁場?？萍脊ぷ髡咭呀浱岢鲞^多種實現方法，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。電力拖動自動控制系統基本思路圖6-31逼近圓形時的磁鏈增量軌跡如果要逼近圓形，可以增加切換次數，設想磁鏈增量由圖中的

11

，

12

，

13

，

14這4段組成。這時，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。

電力拖動自動控制系統線性組合的方法圖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成新的電壓矢量。

設在一段換相周期時間T0中，可以用兩個矢量之和表示由兩個矢量線性組合后的電壓矢量us，新矢量的相位為

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

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

式中

=120。電力拖動自動控制系統（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，當各功率開關處于不同狀態(tài)時，線電壓可取值為Ud、0或–Ud，比用相電壓表示時要明確一些。電力拖動自動控制系統作用時間的確定這樣，根據各個開關狀態(tài)的線電壓表達式可以推出（6-52）電力拖動自動控制系統比較式（6-52）和式（6-49），令實數項和虛數項分別相等，則電力拖動自動控制系統解t1和t2，得（6-53）

（6-54）

電力拖動自動控制系統零矢量的使用

換相周期T0應由旋轉磁場所需的頻率決定，T0與t1+t2未必相等，其間隙時間可用零矢量

u7或

u8來填補。為了減少功率器件的開關次數，一般使

u7和

u8各占一半時間，因此（6-55）

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

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

電力拖動自動控制系統在常規(guī)六拍逆變器中一個扇區(qū)僅包含兩個開關工作狀態(tài)。實現SVPWM控制就是要把每一扇區(qū)再分成若干個對應于時間T0的小區(qū)間。按照上述方法插入若干個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）旋轉磁場。電力拖動自動控制系統開關狀態(tài)順序原則

在實際系統中，應該盡量減少開關狀態(tài)變化時引起的開關損耗，因此不同開關狀態(tài)的順序必須遵守下述原則：每次切換開關狀態(tài)時，只切換一個功率開關器件，以滿足最小開關損耗。

電力拖動自動控制系統插值舉例每一個T0相當于PWM電壓波形中的一個脈沖波。例如：圖6-32所示扇區(qū)內的區(qū)間包含t1，t2，t7和t8共4段，相應的電壓空間矢量為u1，u2，u7和u8，即100，110，111和000共4種開關狀態(tài)。電力拖動自動控制系統為了使電壓波形對稱，把每種狀態(tài)的作用時間都一分為二，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，在這一個時間內，逆變器三相的開關狀態(tài)序列為100，110，111，000，000，111，110，100。電力拖動自動控制系統按照最小開關損耗原則進行檢查，發(fā)現上述1278的順序是不合適的。為此，應該把切換順序改為81277218，即開關狀態(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開關的要求了。電力拖動自動控制系統

T0區(qū)間的電壓波形

圖6-34第Ⅰ扇區(qū)內一段區(qū)間的開關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)

電力拖動自動控制系統如上所述，如果一個扇區(qū)分成4個小區(qū)間，則一個周期中將出現24