電力電子變頻器及PWM控制原理

第3章電力電子變頻器及PWM控制原理1對(duì)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。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。23.1電力電子變壓變頻器的主要類型3.1.1交-交變壓變頻器-直接變頻裝置交-交變壓變頻器只有一個(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，也稱作周波變換器交－交變壓變頻AC50HzACCVCFVVVF3交-交變壓變頻器的根本電路結(jié)構(gòu)1.整流器組合式交-交變壓變頻器常用的交-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。即每一相都相當(dāng)于一套直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆線路。-VRVFId-Id+-+負(fù)載~50Hz~50Hzu04交-交變壓變頻器的控制方式(1)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，那么輸出平均電壓是方波。正組通反組通正組通反組通tu0方波形平均輸出電壓波形5(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。2A0w

ta=a=0

p

2a=

pBCDEFu0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藍(lán)線所示的正弦波。對(duì)反向組負(fù)半周的控制也是這樣。6(3)單相交-交變頻電路輸出電壓和電流波形

7(4)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三相橋式交-交變頻電路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)〕，那么三相可逆線路共需36個(gè)晶閘管，即使采用零式電路也須18個(gè)晶閘管。8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(jiǎn)單，但所用的器件數(shù)量卻很多，總體設(shè)備相當(dāng)龐大。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。交-交變壓變頻器的根本特點(diǎn)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。92.矩陣式交-交變壓變頻器根本電路結(jié)構(gòu)采用自關(guān)斷全控型器件IGBT反向串聯(lián)的IGBT模塊構(gòu)成雙向開關(guān)電流霍爾傳感器10平安換流策略〔1〕換流時(shí)確保連接同一輸出相的各輸入相雙向開關(guān)不能同時(shí)導(dǎo)通，否那么將造成輸入兩相短路?！?〕換流時(shí)不允許三組開關(guān)同時(shí)斷開，即不允許有切換死區(qū)。四步換流策略11表3-14個(gè)單向開關(guān)的允許組合VT1pVT1nVT2pVT2niL方向11100+-20011+-31000+40100-50010+60001-71010+80101-12輸出電壓當(dāng)要求輸出電流為正弦波并采用高頻調(diào)制時(shí)，最高輸出電壓為輸入電壓的0.866倍。13矩陣式交-交變壓變頻器的特點(diǎn)〔1〕體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率較高；〔2〕輸入的相電流是連續(xù)的正弦波，其相位可控；〔3〕可以輸出正弦負(fù)載電壓，且輸出電壓頻率和幅值范圍連續(xù)可調(diào)；〔4〕可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，便于電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)18個(gè)IGBT進(jìn)行實(shí)時(shí)、適當(dāng)?shù)目刂疲枰_快速地檢測(cè)三相交流電源電壓、輸出電壓和三相負(fù)載電流，并構(gòu)成被控量大全數(shù)字化反響控制系統(tǒng)。14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。1.交-直-交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DCACAC~50Hz整流3.1.2交-直-交變壓變頻器-間接變頻裝置15

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具體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--PWM變壓變頻器。16PWM變壓變頻器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(jiǎn)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(jiǎn)單，效率高。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。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)功率因數(shù)較高，且不受逆變輸出電壓大小的影響。17受到開關(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)速仍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。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SCR可控整流器六拍逆變器DCACAC~50Hz調(diào)頻調(diào)壓18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。3.1.3電壓源型和電流源型逆變器LdIdUdUd++--Cda)電壓源逆變器b)電流源逆變器191.交-直-交電壓源型變頻器特點(diǎn)中間環(huán)節(jié)采用大電容濾波，直流電壓脈動(dòng)很小，近似為電壓源，具有低阻抗特性。逆變器開關(guān)只改變電壓的方向，輸出的三相交流電壓波形為矩形波或正弦波，不受負(fù)載參數(shù)影響。交流側(cè)電流波形受負(fù)載阻抗的影響，其波形接近三角波或正弦波。因?yàn)橹虚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，要實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)和四象限運(yùn)行很困難，所以在原裝置上無法實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。20根本原理主電路VT1VT3VT5VT4VT6VT2UdM～3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，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如圖，其中用開關(guān)符號(hào)代表任何一種電力電子開關(guān)器件。21輸出波形控制各開關(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。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。即，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。22電壓型逆變電路的波形VT1VT3VT5VT4VT6VT2UdM～323應(yīng)當(dāng)注意，必須防止同一橋臂的上、下兩管同時(shí)導(dǎo)通，否那么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)。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)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。為了平安起見，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。24120°導(dǎo)通型控制方式VT1VT3VT5VT4VT6VT2UdM～3120°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)，那么只有兩相導(dǎo)電，另一相懸空。25262.交-直-交電流源型變頻器特點(diǎn)中間環(huán)節(jié)采用大電感濾波，直流電壓脈動(dòng)很小，近似為電流源，具有高阻抗特性。大電感起到緩沖負(fù)載無功能量的作用。逆變器開關(guān)只改變電流的方向，輸出的三相交流電流波形為矩形波或正弦波，不受負(fù)載參數(shù)影響。交流側(cè)電壓波形受負(fù)載阻抗的影響，其波形接近三角波或正弦波。27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圖示。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)PωM3~+-UdIdLdCSIα<90o整流ω1>ω電動(dòng)Te

逆變UCR28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，那么異步電機(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)。PωM3~-+UdIdLdCSIα>90o有源逆變?chǔ)?<ω發(fā)電Te

整流UCRP29根本原理主電路輸出波形30電流型三相橋式逆變電路的輸出波形tOtOtOtOIdiViWuUViU313.兩種變頻器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(duì)無功功率的緩沖作用，使它不致影響到交流電網(wǎng)。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?！?〕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。32〔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?！?〕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。〔5〕應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)合。采用電流源型逆變器的系統(tǒng)那么相反，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。33表3-1兩種逆變器輸出波形比較34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(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。PWM〔PulseWidthModulation〕稱為脈寬調(diào)制PWM控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。即在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波狀，輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)那么對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可以改變輸出頻率。3.2PWM控制根底35把正弦半波波形分成N等份，看成由N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，為/N，但幅值不等，脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦局部面積相等。得到的脈沖序列，就是PWM波形。3.2.1PWM調(diào)制的根本原理36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。給出正弦波頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。37調(diào)制波載波倒相信號(hào)PWM脈沖序列38調(diào)制比Urm-正弦調(diào)制波的幅值Ucm-三角載波的幅值M一般在0～1之間變化，取最大值為SPWM調(diào)制——按照波形面積相等的原那么，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(jiǎn)稱SPWM〕，這種序列的矩形波稱作SPWM波。393.2.2PWM變頻器4041PWM型變頻電路的主要特點(diǎn)：①可以得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓；②整流電路采用二極管，提高了變頻電源對(duì)交流電網(wǎng)的功率因數(shù)，可獲得接近1的功率因數(shù)；③電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使裝置的體積變小，重量減輕，造價(jià)下降，可靠性提高。④改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和電機(jī)運(yùn)行性能，通過對(duì)輸出脈沖寬度的控制，可改變輸出電壓，加快了變頻過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提高了調(diào)節(jié)速度，使調(diào)節(jié)過程中電壓與頻率的配合好。42載波比——載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率

fr

之比N，

N=fc

/fr

3.2.3PWM調(diào)制方法根據(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?！?〕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(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱；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)稱產(chǎn)生的不利影響都較??；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)稱的影響就變大。43〔2〕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。根本同步調(diào)制方式，fr變化時(shí)N不變，信號(hào)波半個(gè)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；為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)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。44〔3〕分段同步調(diào)制把fr范圍劃分成假設(shè)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?！?〕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。45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，那么SPWM波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式。3.2.4單極性和雙極性PWM調(diào)制46〔1〕單極性PWM控制方式47〔2〕雙極性PWM控制方式48三相橋式PWM逆變器主電路原理圖調(diào)制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWOO'C+C+urAurBurC2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT249OOOOw1

tUd2-Ud2w1

tw1

tw1

tw1

turaurburcutuAO’-Ud2Ud2-Ud2-UdUd2UduCO’uBO’uAB50ura、urb

、urc為A，B，C三相的正弦調(diào)制波，uc為雙極性三角載波；uAO’、uBO’、uCO’

為A，B，C三相輸出與電源中性點(diǎn)N’之間的相電壓矩形波形；

uAB為輸出線電壓矩形波形，其脈沖幅值為+Ud和-Ud；uAO為三相輸出與電機(jī)中點(diǎn)N之間的相電壓。513.2.5PWM控制的性能指標(biāo)523.3PWM控制技術(shù)變頻器的PWM控制可以用微處理器通過軟件生成，也可以用電子電路或者是專用的大規(guī)模集成電路等硬件實(shí)現(xiàn)。模擬電子電路----采用正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器和比較器實(shí)現(xiàn)SPWM控制。53數(shù)字控制電路硬件電路軟件實(shí)現(xiàn)采用數(shù)字電路的SPWM逆變器，可使用以軟件為根底的控制模式。它的優(yōu)點(diǎn)是：所用硬件較少，靈活性好，智能性強(qiáng)；它的缺點(diǎn)是：需要通過計(jì)算來確定SPWM的脈沖寬度，有一定的延時(shí)和響應(yīng)時(shí)間。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)那么采樣法——在工程上更實(shí)用的簡(jiǎn)化方法，由于簡(jiǎn)化方法的不同，衍生出多種規(guī)那么采樣法。54此方法與采用模擬電路由硬件自然確定SPWM脈沖寬度的方法很相似，故稱為自然取樣法。然而微機(jī)是采用計(jì)算的方法，尋找三角載波uΔ與參考正弦波uR的交點(diǎn)，從而確定SPWM脈沖寬度。3.3.1自然采樣法55用UR和UΔ近似交點(diǎn)的A和B代替實(shí)際的交點(diǎn)Aˊ和Bˊ。用以確定SPWM脈沖信號(hào)。這種方法雖然有一定的誤差，但卻大大減小了計(jì)算工作量。。3.3.2規(guī)那么采樣法56三角波兩個(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)那么采樣法使兩者重合，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(jiǎn)化。在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對(duì)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

和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近57正弦調(diào)制信號(hào)波M－調(diào)制幅度，0≤M<1；

r－正弦調(diào)制信號(hào)波角頻率。從圖中可得因此可得三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度58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

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。實(shí)時(shí)計(jì)算法——事先在內(nèi)存中存放正弦函數(shù)和T

/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T

/2值，由計(jì)算公式計(jì)算脈寬時(shí)間和間隙時(shí)間。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。59應(yīng)用PWM控制技術(shù)的變壓變頻器一般都是電壓源型的，可以按需要方便地控制輸出電壓，前面所述的PWM控制技術(shù)都是以輸出電壓近似正弦波為目標(biāo)的。但是，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，假設(shè)能對(duì)電流實(shí)行閉環(huán)控制，以保證其正弦波形，將比電壓開環(huán)控制能夠獲得更好的性能。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。3.3.3電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)控制技術(shù)60〔1〕滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制原理具有電流滯環(huán)跟蹤PWM控制的PWM變壓變頻器A相控制原理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h時(shí)，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。61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VT1導(dǎo)通，變壓變頻器輸出正電壓，使ia增大。當(dāng)ia增長(zhǎng)到與i*a相等時(shí)，雖然ia=0，但HBC仍保持正電平輸出，VT1保持導(dǎo)通，使ia繼續(xù)增大直到到達(dá)ia=i*a+h，ia=–h，使滯環(huán)翻轉(zhuǎn)，HBC輸出負(fù)電平，關(guān)斷VT1，并經(jīng)延時(shí)后驅(qū)動(dòng)VT462但此時(shí)VT4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VD4續(xù)流，使VT4受到反向鉗位而不能導(dǎo)通。此后，ia逐漸減小，直到t=t2時(shí)，ia=i*a-h，到達(dá)滯環(huán)偏差的下限值，使HBC再翻轉(zhuǎn)，又重復(fù)使VT1導(dǎo)通。這樣，VT1與VD4交替工作，使輸出電流ia與給定值i*a之間的偏差保持在h范圍內(nèi)，在正弦波i*a上下作鋸齒狀變化。輸出電流ia十分接近正弦波。在半個(gè)周期內(nèi)輸出電流ia圍繞正弦波作脈動(dòng)變化，不管在的上升段還是下降段，輸出電流波形都是指數(shù)曲線中的一小局部，其變化率與電路參數(shù)和電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)有關(guān)。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。63〔2〕三相電流跟蹤型PWM逆變電路+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVWVT1VT4VT6VT2VT3VT564〔3〕三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形65

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(duì)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(duì)電流波形都會(huì)產(chǎn)生影響。663.3.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)〔或稱磁鏈跟蹤控制技術(shù)〕1.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)跟蹤控制那么直接控制輸出電流，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(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。對(duì)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(chǎng)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〞，由于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〞。672.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，也可以定義為空間矢量uA0，uB0，uC0。68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，而大小那么隨時(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°?！?-39〕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。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。69三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

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。近似關(guān)系（6-40）

當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí)，定子電阻壓降在式〔6-39〕中所占的成分很小，可忽略不計(jì)，那么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3.電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系

70

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〔磁鏈圓〕。這樣的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量可表示為：（6-43）

其中Ψm是磁鏈Ψs的幅值，

1為其旋轉(zhuǎn)角速度。由式〔4-28〕和式〔4-30〕可得（6-44）

上式說明，當(dāng)磁鏈幅值一定時(shí)，us的大小與1〔或供電電壓頻率f1〕成正比，其方向那么與磁鏈?zhǔn)噶空?，即磁鏈圓的切線方向，71

磁場(chǎng)軌跡與電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系當(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(chǎng)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。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡72〔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，電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡是怎樣的呢？4.六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

開關(guān)工作狀態(tài)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)，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73

開關(guān)控制模式對(duì)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)那么保持不變。開關(guān)狀態(tài)表74〔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，其等效電路如下圖。各相對(duì)直流電源中點(diǎn)的電壓都是幅值為UAO’=Ud/2UBO’=UCO’=-Ud/2O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT275〔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〔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’ABC76〔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。77〔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u1。（6-45）

也就是說，在/3所對(duì)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

，其幅值與|u1|成正比，方向與u1一致，最后得到新的磁鏈，而（6-46）

78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。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。79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，那么i的幅值也按比例地減小。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，其幅值那么正比于施加電壓的時(shí)間。805.電壓空間矢量的線性組合與SVPWM控制如果交流電動(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(chǎng)，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(chǎng)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(chǎng)，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(duì)逆變器的控制模式進(jìn)行改造。PWM控制可以適應(yīng)上述要求。怎樣控制PWM的開關(guān)時(shí)間才能逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)？科技工作者已經(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。81逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)線的方法——線性組合法根本思路如果要逼近圓形，可以增加切換次數(shù)，設(shè)想磁鏈增量由圖中的11，12，13，144段組成。這時(shí)，每段施加的電壓空間矢量的相位都不一樣，可以用根本電壓矢量線性組合的方法獲得。82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

。線性組合方法由電壓空間矢量和的線性組合構(gòu)成新的電壓矢量。83〔1〕線性組合公式根據(jù)各段磁鏈增量的相位求出所需的作用時(shí)間t1和t2〔6-49〕

〔2〕相電壓合成公式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

=12084〔3〕線電壓組合公式改用線電壓表示〔6-51〕幾種表示法的比較：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。作用時(shí)間確實(shí)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〕85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，那么解t1和t2，得〔6-53〕〔6-54〕零矢量的使用換相周期T0應(yīng)由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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〕86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〕，如下圖的Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅵ，每個(gè)扇區(qū)對(duì)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(duì)稱的，分析一個(gè)扇區(qū)的方法可以推廣到其他扇區(qū)。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)再分成假設(shè)干個(gè)對(duì)應(yīng)于時(shí)間T0的小區(qū)間。按照上述方法插入假設(shè)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(chǎng)。87開關(guān)狀態(tài)順序原那么在實(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那么：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。插值舉例：為了使電壓波形對(duì)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。

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)。88按照最小開關(guān)損耗原那么進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)上述1278的順序是不適宜的。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。虛線間的每一小段表示一種工作狀態(tài)T0

區(qū)間的電壓波形

89SPWM控制模式的特點(diǎn)(1)逆變器的一個(gè)工作周期分成6個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)相當(dāng)于常規(guī)六拍逆變器的一拍。為了使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)逼近圓形，每個(gè)扇區(qū)再分成假設(shè)干個(gè)小區(qū)間T0，T0越短，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)越接近圓形，但T0的縮短受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。(2)在每個(gè)小區(qū)間內(nèi)雖有屢次開關(guān)狀態(tài)的切換，但每次切換都只涉及一個(gè)功率開關(guān)器件，因而開關(guān)損耗較小。(3)每個(gè)小區(qū)間均以零電壓矢量開始，又以零矢量結(jié)束。(4)利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計(jì)算簡(jiǎn)便。(5)采用SVPWM控制時(shí)，逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，這比一般的SPWM逆變器輸出電壓提高了15%。903.4基于穩(wěn)態(tài)模型的變壓變頻調(diào)速直流電機(jī)的主磁通和電樞電流分布的空間位置是確定的，而且可以獨(dú)立進(jìn)行控制，交流異步電機(jī)的磁通那么由定子與轉(zhuǎn)子電流合成產(chǎn)生，它的空間位置相對(duì)于定子和轉(zhuǎn)子都是運(yùn)動(dòng)的，除此以外，在籠型轉(zhuǎn)子異步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子電流還是不可測(cè)和不可控的。因此，異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型要比直流電機(jī)模型復(fù)雜得多，人們對(duì)它的精確表述不得要領(lǐng)?？梢灾挥秒姍C(jī)的穩(wěn)態(tài)模型來設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)。異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型在4.2中已經(jīng)討論，為了實(shí)現(xiàn)電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，可以采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補(bǔ)償?shù)目刂品桨?，這就是常用的通用變頻器控制系統(tǒng)。如果要求更高一些的調(diào)速范圍和起制動(dòng)性能，可以采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的方案。913.4.1轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)——通用變頻器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)概述現(xiàn)代通用變頻器大都是采用二極管整流和由快速全控開關(guān)器件IGBT或功率模塊IPM組成的PWM逆變器，構(gòu)成交-直-交電壓源型變壓變頻器，已經(jīng)占領(lǐng)了全世界0.5~500kV·A中、小容量變頻調(diào)速裝置的絕大局部市場(chǎng)。所謂“通用〞，包含著兩方面的含義：〔1〕可以和通用的籠型異步電機(jī)配套使用；〔2〕具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質(zhì)的負(fù)載。92系統(tǒng)介紹

〔1〕系統(tǒng)組成93〔2〕電路分析主電路——由二極管整流器UR、PWM逆變器UI和中間直流電路三局部組成，一般都是電壓源型的。大電容C

濾波和起無功功率交換的作用；限流電阻R0為了防止大電容C在通電瞬間產(chǎn)生過大的充電電流。通上電源時(shí)，先限制充電電流，再延時(shí)用開關(guān)SA將短路，以免長(zhǎng)期接入時(shí)影響變頻器的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。泵升限制電路Rb和VTb——由于二極管整流器不能為異步電機(jī)的再生制動(dòng)提供反向電流的通路，所以除特殊情況外，通用變頻器一般都用電阻吸收制動(dòng)能量。在變頻器快速降頻的過程中，異步電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，電能通過逆變橋開關(guān)元件反并聯(lián)的二極管回送到中間電容，引起電容電壓異常升高，此時(shí)觸發(fā)VTb導(dǎo)通，電容器中的過量?jī)?chǔ)能通過電阻Rb釋放掉，維持直流母線電壓根本不變，保證逆變器和電解電容的平安。為了便于散熱，Rb一般裝在變頻器的外部，作為單獨(dú)附件供用戶選購(gòu)；VTb裝在變頻器的內(nèi)部，有端子與外部相連。94進(jìn)線電抗器Lm

二極管整流器雖然是全波整流裝置，但由于其輸出端有濾波電容存在，因此輸入電流呈脈沖波形。這樣的電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污染。為了抑制諧波電流，對(duì)于容量較大的PWM變頻器，都應(yīng)在輸入端設(shè)有進(jìn)線電抗器，有時(shí)也可以在整流器和電容器之間串接直流電抗器。還可用來抑制電源電壓不平衡對(duì)變頻器的影響。95控制電路——現(xiàn)代PWM變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)字電路，其功能主要是接受各種設(shè)定信息和指令，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動(dòng)逆變器工作的PWM信號(hào)。微機(jī)芯片主要采用8位或16位的單片機(jī)，或用32位的DSP，現(xiàn)在已有應(yīng)用RISC的產(chǎn)品出現(xiàn)。PWM信號(hào)產(chǎn)生——可以由微機(jī)本身的軟件產(chǎn)生，由PWM端口輸出，也可采用專用的PWM生成電路芯片。檢測(cè)與保護(hù)電路——各種故障的保護(hù)由電壓、電流、溫度等檢測(cè)信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路進(jìn)行分壓、光電隔離、濾波、放大等綜合處理，再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，輸入給CPU作為控制算法的依據(jù)，或者作為開關(guān)電平產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)和顯示信號(hào)。96信號(hào)設(shè)定——需要設(shè)定的控制信息主要有：U/f特性、工作頻率、頻率升高時(shí)間、頻率下降時(shí)間等，還可以有一系列特殊功能的設(shè)定。低頻或負(fù)載的性質(zhì)和大小不同時(shí)，靠改變U/f函數(shù)發(fā)生器的特性來補(bǔ)償，使系統(tǒng)到達(dá)Eg/f1恒定的功能。在通用產(chǎn)品中稱作“電壓補(bǔ)償〞或“轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償〞。實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袃煞N：在微機(jī)中存儲(chǔ)多條不同斜率和折線段的U/f函數(shù)，由用戶根據(jù)需要選擇最正確特性；霍爾電流傳感器檢測(cè)定子電流或直流回路電流，按電流大小自動(dòng)補(bǔ)償定子電壓。由于系統(tǒng)本身沒有自動(dòng)限制起制動(dòng)電流的作用，因此，頻率設(shè)定信號(hào)必須通過給定積分算法產(chǎn)生平緩升速或降速信號(hào)。升速和降速的積分時(shí)間可以根據(jù)負(fù)載需要由操作人員分別選擇。

97tff*ufu斜坡函數(shù)U/f曲線脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電路工作頻率設(shè)定升降速時(shí)間設(shè)定電壓補(bǔ)償設(shè)定PWM產(chǎn)生PWM變壓變頻器的根本控制作用如下圖。近年來，許多企業(yè)不斷推出具有更多自動(dòng)控制功能的變頻器，使產(chǎn)品性能更加完善，質(zhì)量不斷提高。98問題的提出3.4.2轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以滿足平滑調(diào)速的要求，但靜、動(dòng)態(tài)性能都有限，要提高靜、動(dòng)態(tài)性能，首先要用轉(zhuǎn)速反響閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)強(qiáng)，是否能夠提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能呢？任何電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)都服從于根本運(yùn)動(dòng)方程式提高調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能主要依靠控制轉(zhuǎn)速的變化率d/dt，根據(jù)根本運(yùn)動(dòng)方程式，控制電磁轉(zhuǎn)矩就能控制d/dt，因此，歸根結(jié)底，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能就是控制轉(zhuǎn)矩的能力。99在異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，需要控制的是電壓〔或電流〕和頻率，怎樣能夠通過控制電壓〔電流〕和頻率來控制電磁轉(zhuǎn)矩，這是尋求提高動(dòng)態(tài)性能時(shí)需要解決的問題?！?〕轉(zhuǎn)差頻率控制的根本概念直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，控制電流就能控制轉(zhuǎn)矩，因此，把直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)當(dāng)作電流給定信號(hào)，也就是轉(zhuǎn)矩