第六章變頻調(diào)速1

第六章交流異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容提要§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)§6.2交流調(diào)速的基本類(lèi)型§6.3變頻調(diào)速的構(gòu)成及基本要求§6.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介§6.5正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）變頻器§6.6異步電動(dòng)機(jī)電壓、頻率協(xié)調(diào)控制的穩(wěn)態(tài)機(jī)械特性§6.7轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)、恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)§6.8轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)前言直流電力拖動(dòng)和交流電力拖動(dòng)在19世紀(jì)先后誕生.在20世紀(jì)上半葉的年代里，鑒于直流拖動(dòng)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動(dòng)都采用直流電機(jī).而約占電力拖動(dòng)總?cè)萘?0%以上的不變速拖動(dòng)系統(tǒng)則采用交流電機(jī).前言十九世紀(jì)末，交流電機(jī)出現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的鼠籠機(jī)，功率因數(shù)高的同步機(jī)，多不調(diào)速。二十世紀(jì)八十年代以前，晶閘管發(fā)展促使直流調(diào)速的發(fā)展，相位控制、PWM控制二十世紀(jì)后期，隨著全控型器件的出現(xiàn)、微機(jī)控制技術(shù)的以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展促使交流調(diào)速興起，直流調(diào)速20%,交流調(diào)速80%交流化：前言交流化：前言交流化：以節(jié)電為目的：交流不調(diào)速---交流調(diào)速以減少維護(hù)為目的：直流調(diào)速----交流調(diào)速大功率場(chǎng)合：直流調(diào)速達(dá)不到的領(lǐng)域，大功率，高壓，高速交流化：

交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域一般性能的交流節(jié)能調(diào)速：如風(fēng)機(jī)水泵；

高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)（高鐵牽引）和伺服系統(tǒng)

（數(shù)控機(jī)床等）特大容量（礦井提升機(jī)等）、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速（如離心機(jī)）

前言1）一般性能的節(jié)能調(diào)速在過(guò)去“不變速交流拖動(dòng)”中，風(fēng)機(jī)、水泵等通用機(jī)械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動(dòng)總?cè)萘康囊话胍陨?；如果換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在擋板和閥門(mén)上的能量節(jié)省下來(lái)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)、水泵平均都可以節(jié)約20%-30%以上的電能，效果是很可觀的；而且風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速范圍和對(duì)動(dòng)態(tài)快速性的要求都不高，只需要一般的調(diào)速性能。

交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域前言2）高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)精密儀器加工，機(jī)床、軍事火炮存在的問(wèn)題

交流電機(jī)結(jié)構(gòu)上的原因，電磁轉(zhuǎn)矩不能像直流電機(jī)一樣通過(guò)電樞電流施行靈活的實(shí)時(shí)控制。

交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域前言變頻調(diào)速技術(shù)：矢量控制技術(shù)，或稱(chēng)磁場(chǎng)定向控制技術(shù)，通過(guò)坐標(biāo)變換，把交流電機(jī)的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，用來(lái)分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，就可以獲得和直流電機(jī)相仿的高動(dòng)態(tài)性能，從而使交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。直接轉(zhuǎn)矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流調(diào)速系統(tǒng)媲美的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。新方法與新手段

交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域前言3）特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速直流電機(jī)的換向能力限制了它的容量轉(zhuǎn)速積不超過(guò)106kW.r

/min，超過(guò)這一數(shù)值時(shí)，其設(shè)計(jì)與制造就非常困難了。交流電機(jī)沒(méi)有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動(dòng)設(shè)備，如厚板軋機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)等.以及極高轉(zhuǎn)速的拖動(dòng)，如高速磨頭、離心機(jī)等，都以采用交流調(diào)速為宜。

交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域前言§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Te之間的關(guān)系

n=f(Te)三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性直流電機(jī)由于轉(zhuǎn)矩和電樞電流成正比，因此機(jī)械特性也表示為n=f(Te)=f(Id)§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)1）三相異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式

－

E1=E2'＋＋U1－I1R1jX1jX2'

R2'I2'1－sR2'sRmjXmI0異步機(jī)等效電路§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)1)三相異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式

§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)1)三相異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式

§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)1)三相異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式

§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)1)三相異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式

§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)1)三相異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式

§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)電磁轉(zhuǎn)矩公式

電磁轉(zhuǎn)矩兩種表達(dá)式轉(zhuǎn)子邊功率因數(shù)§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)2.三相異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩物理表達(dá)式由其中為轉(zhuǎn)矩常數(shù)機(jī)械特性物理表達(dá)式：§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)2.三相異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩參數(shù)表達(dá)式(由T型等效電路中略去勵(lì)磁電流得到)對(duì)s求導(dǎo)，由=0，得:dTds§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)+號(hào)對(duì)應(yīng)電動(dòng)狀態(tài)，-號(hào)對(duì)應(yīng)發(fā)電狀態(tài)。若考慮到,可得到：

最大（臨界）轉(zhuǎn)矩

臨界轉(zhuǎn)差率

T(Tm)∝U12,Tm與R2無(wú)關(guān)。sm∝R2，sm與U1無(wú)關(guān)§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)由此可見(jiàn)：①當(dāng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)和電源頻率不變時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩Tm與電源電壓U1的平方成正比，臨界轉(zhuǎn)差率Sm與電源電壓無(wú)關(guān)，即T(Tm)∝U12,sm與U1無(wú)關(guān)。②當(dāng)電源電壓和頻率不變時(shí)，臨界轉(zhuǎn)差率Sm與轉(zhuǎn)子電阻成正比，最大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無(wú)關(guān)，即

sm∝R2，Tm與R2無(wú)關(guān)。③當(dāng)電源電壓和頻率不變時(shí)，臨界轉(zhuǎn)差率Sm與最大轉(zhuǎn)矩都與（x1+x’2）成反比例關(guān)系。§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)R2+Rs3sm2R2+Rs2sm1R2+Rs110Tst3Tes

n0n1smR2Rs3>Rs2>Rs1Tst1TstTst2串電阻機(jī)械特性§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)（1）轉(zhuǎn)子回路串電阻并不改變同步轉(zhuǎn)速n1，因此轉(zhuǎn)子串接不同電阻的人為機(jī)械特性都通過(guò)固有特性的同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)；（2）因?yàn)榕R界轉(zhuǎn)差率sm與轉(zhuǎn)子電阻成正比，而最大轉(zhuǎn)矩Tm與轉(zhuǎn)子電阻無(wú)關(guān)，因此隨轉(zhuǎn)子回路所串電阻Rs的增大，臨界轉(zhuǎn)差率sm也增大,但最大轉(zhuǎn)矩Tm保持不變；（3）轉(zhuǎn)子回路所串電阻Rs的增大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst也增大

串電阻機(jī)械特性特點(diǎn)§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)3）電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)用公式

兩式相除§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)機(jī)械特性實(shí)用表達(dá)式：電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)用公式

§6.1交流電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)

三種機(jī)械特性表達(dá)式，參數(shù)表達(dá)式、實(shí)用公式主要用于計(jì)算;物理表達(dá)式用于定性討論。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：式中：──同步轉(zhuǎn)速，單位為r/min；──定子頻率，單位為Hz；──磁極對(duì)數(shù)；──轉(zhuǎn)差率。

§6.2交流調(diào)速的基本類(lèi)型從上述轉(zhuǎn)速公式可以看出調(diào)速的基本方法按交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法分類(lèi)§6.2交流調(diào)速的基本類(lèi)型~

按電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換類(lèi)型分類(lèi)

按照交流異步電機(jī)的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分。一部分是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率，稱(chēng)作機(jī)械功率；另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率

s成正比。

PmechPMPs§6.2交流調(diào)速的基本類(lèi)型PM=Pmech+Ps

Pmech=(1–s)Pm

Ps=sPm

即

PM=Pmech+Ps

Pmech=(1–

s)Pm

Ps=sPm

從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。從這點(diǎn)出發(fā)，可以把異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三類(lèi)?！?.2交流調(diào)速的基本類(lèi)型轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)

全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉。上述的調(diào)壓、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法均屬于這一類(lèi)。這類(lèi)調(diào)速系統(tǒng)的效率最低。但因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以仍有一定應(yīng)用場(chǎng)合，但將逐漸減少。

§6.2交流調(diào)速的基本類(lèi)型

轉(zhuǎn)差功率的一小部分消耗掉，大部分則通過(guò)變流裝置回饋電網(wǎng)，或轉(zhuǎn)化為機(jī)械能予以利用。串級(jí)調(diào)速屬于這一類(lèi)，調(diào)速效率顯然比第一類(lèi)要高，但要增加一些能量回饋設(shè)備。§6.2交流調(diào)速的基本類(lèi)型轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)

無(wú)論轉(zhuǎn)速高低轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變，因此效率最高。變極數(shù)、變頻調(diào)速方法屬于這一類(lèi)。其中變極對(duì)數(shù)的調(diào)速方法，只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，應(yīng)用場(chǎng)合有限。變頻調(diào)速的調(diào)速范圍寬、平滑性好、效率高、具有優(yōu)良的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性，是應(yīng)用最廣的一種高性能的交流調(diào)速。

§6.2交流調(diào)速的基本類(lèi)型

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由靜止式變頻裝置、交流電動(dòng)機(jī)和控制電路三大部分組成，靜止式變頻裝置的輸入是三相或單相恒頻、恒壓電源，輸出則是頻率和電壓均可調(diào)的三相交流電。

一、變頻調(diào)速的構(gòu)成§6.3交流調(diào)速的構(gòu)成及要求一、變頻調(diào)速的構(gòu)成

U、f可變M3~3~整流電路逆變電路50Hz控制電路

直流§6.3交流調(diào)速的構(gòu)成及要求定子每相電動(dòng)勢(shì)式中

Eg

—?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值（V）；—定子頻率（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（Wb）。

f1NskNs

m二、變頻調(diào)速的基本要求

§6.3交流調(diào)速的構(gòu)成及要求希望保持電機(jī)中每極磁通量

m為額定值不變。對(duì)于直流電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對(duì)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，氣隙磁通

m由定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就需要費(fèi)一些周折。二、變頻調(diào)速的基本要求

§6.3交流調(diào)速的構(gòu)成及要求1.基頻以下調(diào)速

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

即采用恒值電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。

二、變頻調(diào)速的基本要求

§6.3交流調(diào)速的構(gòu)成及要求

繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)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

這是恒壓頻比的控制方式（恒V/F

控制）。1.基頻以下調(diào)速

二、變頻調(diào)速的基本要求

§6.3交流調(diào)速的構(gòu)成及要求

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(xiàn)，無(wú)補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a線(xiàn)。

1.基頻以下調(diào)速

二、變頻調(diào)速的基本要求

§6.3交流調(diào)速的構(gòu)成及要求OUsf1恒壓頻比控制特性UsNf1Na

—無(wú)補(bǔ)償

b

—帶定子壓降補(bǔ)償

二、變頻調(diào)速的基本要求

§6.3交流調(diào)速的構(gòu)成及要求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(guò)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。

f1N恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速U1U1NΦmNΦm恒功率調(diào)速ΦmU1f1O異步電機(jī)變頻調(diào)速的控制特性二、變頻調(diào)速的基本要求

§6.3交流調(diào)速的構(gòu)成及要求

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(zhǎng)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”。2.基頻以上調(diào)速

二、變頻調(diào)速的基本要求

§6.3交流調(diào)速的構(gòu)成及要求V/F控制必須是改變頻率的同時(shí)，改變逆變器的輸出電壓，才能保證調(diào)速電機(jī)的效率、功率因數(shù)不下降。V/F控制比較簡(jiǎn)單，多用于通用型變頻器、風(fēng)機(jī)泵類(lèi)的節(jié)能、生產(chǎn)流水線(xiàn)的工作臺(tái)傳動(dòng)、空調(diào)和家電等。

二、變頻調(diào)速的基本要求

§6.3交流調(diào)速的構(gòu)成及要求間接變頻裝置構(gòu)成及控制方式電壓源和電流源變頻器交-直-交電壓源變頻器工作原理

§6.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介

1.變頻調(diào)速系統(tǒng)中，靜止式變頻裝置（變頻器）是系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)，任務(wù)是把頻率和電壓恒定的電網(wǎng)電壓變成頻率和電壓可調(diào)的交流電，這樣的裝置通稱(chēng)為變壓變頻（VVVF）裝置?！?.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介

2.靜止變頻裝置可分為兩類(lèi)：間接變頻：交-直-交變頻器；直接變頻：直接變頻裝置則將工頻交流一次變換成可控頻率的交流，沒(méi)有中間直流環(huán)節(jié)。大功率低頻（1/2fs）調(diào)速，特殊場(chǎng)合使用。缺點(diǎn)：諧波。目前應(yīng)用較多的還是間接變頻裝置。

1.交-直-交變壓變頻器及其基本結(jié)構(gòu)

交-直-交變壓變頻器先將工頻交流電源通過(guò)整流器變換成直流，再通過(guò)逆變器變換成可控頻率和電壓的交流。一、間接變頻裝置的構(gòu)成及其控制方式§6.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻(CVCF)逆變DCACAC~50Hz整流雙PWM變頻器具體的整流和逆變電路種類(lèi)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(kāi)關(guān)器件（IGBT等）組成的脈寬調(diào)制（PWM）逆變器，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM變壓變頻器.§6.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介1.交-直-交變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)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DCACAC~50Hz調(diào)壓調(diào)頻C

PWM變壓變頻器特點(diǎn)：

1）在主電路整流和逆變兩個(gè)單元中，只有逆變單元需要控制。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。

2）調(diào)頻調(diào)壓的實(shí)現(xiàn)與直流環(huán)節(jié)參數(shù)無(wú)關(guān)，加快了動(dòng)態(tài)響應(yīng)。3）負(fù)載電機(jī)在近似正弦波的電壓下運(yùn)行，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。4）采用不可控的二極管整流器，電源側(cè)功率因數(shù)接近1，但有一定的諧波。PWM變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良，應(yīng)用最廣。

§6.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介PWM逆變器的功率開(kāi)關(guān)器件：

PWM變壓變頻器常用的功率開(kāi)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(kāi)關(guān)器件額定電壓和電流的限制，對(duì)于特大容量電機(jī)的變壓變頻調(diào)速以往只好采用半控型的晶閘管（SCR），但目前可以采用組成多電平變流電路，以實(shí)現(xiàn)高壓變流的目的，現(xiàn)多采用IGBT即可?！?.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介§6.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介七電平H橋級(jí)聯(lián)逆變器§6.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介模塊化多電平逆變器（MMC）

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DCACAC~50Hz調(diào)頻調(diào)壓可控整流器調(diào)壓、六拍逆變器調(diào)頻的交-直-交變壓變頻器§6.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介2.

交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)

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(lèi)，兩種類(lèi)型的實(shí)際區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾波器。§6.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介L(zhǎng)dIdCdUdUd++--a)電壓源逆變器b)電流源逆變器

電壓源型和電流源型逆變器示意圖§6.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介2.

交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)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(jiǎn)稱(chēng)電壓型逆變器。在變頻器中占絕大所數(shù)?！?.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介2.

交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)感性負(fù)載能量回饋：2種電流源型逆變器（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(jiǎn)稱(chēng)電流型逆變器。

§6.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介2.

交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)感性負(fù)載能量回饋容易：第一組有源逆變應(yīng)用：中頻感應(yīng)加熱爐

電壓源和電流源交-直-交變頻器主要特點(diǎn)比較

變頻器類(lèi)型比較項(xiàng)目電壓源型電流源型直流回路濾波環(huán)節(jié)無(wú)功功率緩沖環(huán)節(jié)電容器電抗器輸出電壓波形矩形波決定于負(fù)載，對(duì)異步電機(jī)負(fù)載近似為正弦波輸出電流波形決定于負(fù)載的功率因數(shù)，由交大的諧波分量矩形波輸出阻抗小大回饋制動(dòng)須在電源則側(cè)設(shè)置反并聯(lián)逆變器方便，主電路不需要附加設(shè)備調(diào)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢快適用范圍多電機(jī)拖動(dòng)，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源單電機(jī)拖動(dòng)，可逆拖動(dòng)§6.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介3.交-直-交電壓源變頻器工作原理

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VT1VT3VT5VT4VT6VT2Ud

三相橋式逆變器主電路M～3§6.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介

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(kāi)通信號(hào)?！?.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介3.交-直-交電壓源變頻器工作原理

死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短視器件的開(kāi)關(guān)速度而定，器件的開(kāi)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(jiàn)，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?！?.4靜止式變頻裝置簡(jiǎn)介3.交-直-交電壓源變頻器工作原理了解變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域和基本類(lèi)型理解變頻調(diào)速的基本要求掌握變頻器的類(lèi)型和各自的特點(diǎn)；

小結(jié)問(wèn)題的提出正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)§6.5正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）變頻器

問(wèn)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(duì)于電壓型逆變器）或矩形波（對(duì)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(kāi)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。

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(kāi)關(guān)器件之后，科技工作者在20世紀(jì)80年代開(kāi)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(guó)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。

問(wèn)題的提出該電路的主要特點(diǎn)是：⑴逆變側(cè)全控器件；⑵功率因數(shù)高；⑶逆變器在調(diào)頻的同時(shí)調(diào)壓，加快了動(dòng)態(tài)響應(yīng)；⑷輸出電壓波形好，抑制或消除低次諧波，使負(fù)載電機(jī)可在近似正弦波的交變電壓下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，擴(kuò)展了拖動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速范圍。M3~~URUISPWM交-直-交變頻器原理圖一、SPWM變頻器的工作原理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(kāi)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。與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波

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(chēng)作正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidalpulsewidthmodulation，簡(jiǎn)稱(chēng)SPWM），這種序列的矩形波稱(chēng)作SPWM波。SPWM變頻器電路原理圖a)主電路

b)控制電路框圖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。（1）單極性PWM控制方式2.SPWM控制方式（2）雙極性PWM控制方式2.SPWM控制方式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(lái)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)

1）用模擬器件實(shí)現(xiàn)，稱(chēng)為模擬控制方法；

2）用數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)，稱(chēng)為數(shù)字控制方法。數(shù)字控制方法有分為三種：

a.微處理機(jī)通過(guò)軟件生成SPWM波；

b.使用專(zhuān)門(mén)用于SPWM控制的集成電路芯片產(chǎn)生SPWM波形；

c.采用微處理機(jī)和專(zhuān)用集成電路相結(jié)合的方法，共同完成控制功能。目前，SPWM控制大多使用后兩種方法SPWM波形的生成方法分為：二、SPWM變頻器的同步調(diào)制和異步調(diào)制載波比——

載波頻率ft與調(diào)制信號(hào)頻率

fr之比N，即

N=ft/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。（一）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

ft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(duì)稱(chēng)，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱(chēng)；二、SPWM變頻器的同步調(diào)制和異步調(diào)制當(dāng)

fr較低時(shí)，N

較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)的影響就變大。（一）異步調(diào)制二、SPWM變頻器的同步調(diào)制和異步調(diào)制（二）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?；就秸{(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(duì)稱(chēng)。二、SPWM變頻器的同步調(diào)制和異步調(diào)制為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱(chēng)，N應(yīng)取奇數(shù)；fr很低時(shí)，ft也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除；fr很高時(shí)，ft會(huì)過(guò)高，使開(kāi)關(guān)器件難以承受。二、SPWM變頻器的同步調(diào)制和異步調(diào)制同步調(diào)制三相PWM波形

uturAurBurCuuAO'uBO'Otttt000uCO'2Ud-2Ud二、SPWM變頻器的同步調(diào)制和異步調(diào)制（三）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(guò)高；在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過(guò)低。二、SPWM變頻器的同步調(diào)制和異步調(diào)制

逆變器輸出頻率載波比N開(kāi)關(guān)頻率比32~6218576~111616~3136576~11168~1572576~10804~7.5144576~1080分段同步調(diào)制的頻段和載波比（HZ）（HZ）二、SPWM變頻器的同步調(diào)制和異步調(diào)制分段同步調(diào)制時(shí)ft與f2的關(guān)系曲線(xiàn)二、SPWM變頻器的同步調(diào)制和異步調(diào)制

載波比N值的選定與逆變器的輸出頻率、功率開(kāi)關(guān)器件的允許工作頻率以及所用的控制手段都有關(guān)系。為了使逆變器的輸出盡量接近正弦波，應(yīng)盡可能增大載波比，但若從逆變器本身看，載波比又不能太大，應(yīng)受到下述關(guān)系式的限制，即二、SPWM變頻器的同步調(diào)制和異步調(diào)制

分段同步調(diào)制雖然比較麻煩，但在微電子技術(shù)迅速發(fā)展的今天，這種調(diào)制方式是很容易實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)利用微機(jī)生成SPWM脈沖波形時(shí)，還應(yīng)注意使三角載波的周期大于微機(jī)的采樣計(jì)算周期。二、SPWM變頻器的同步調(diào)制和異步調(diào)制（四）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(lái)，和分段同步方式效果接近。二、SPWM變頻器的同步調(diào)制和異步調(diào)制5.PWM逆變器主電路及輸出波形三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形

w1

tOOOOUd2-Ud2w1

tw1

tw1

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turaurburcutuAO’-Ud2Ud2-Ud2-UdUd2UduCO’uBO’uAB三、電流跟蹤式變頻器

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。

在交流電機(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(duì)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(kāi)環(huán)控制能夠獲得更好的性能。

三、電流跟蹤式變頻器

電流跟蹤控制的脈寬調(diào)制變頻器由通常的PWM電壓源型變頻器和電流控制環(huán)組成，使變頻器輸出可控的正弦波電流。最常用的