變頻器的電路結(jié)構(gòu).ppt

1、第2章 變頻器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理,變頻器按控制方式可以分為：U/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差率控制變頻器、矢量控制變頻器和直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器。,2.1 變頻調(diào)速的基本原理及變頻器結(jié)構(gòu),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，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時(shí)會因繞組過熱而損壞電機(jī)。,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,對于直流電機(jī)，勵磁系統(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

2、定就需要費(fèi)一些周折了。,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,定子每相電動勢,（2-1）,式中：Eg 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)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(lián)匝數(shù)；,基波繞組系數(shù)；,每極氣隙磁通量，單位為Wb。,f1,N1,kN1,m,2. 2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,由式（2-1）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。,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,（1） 基頻以下調(diào)速,由式（2-1）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)

3、降低 Eg ，使,常值 （2-3）,即采用恒值電動勢頻率比的控制方式。,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,恒壓頻比的控制方式,然而，繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，當(dāng)電動勢值較高時(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 U1 Eg，則得 （2-5） 這是恒壓頻比的控制方式。,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,但是，在低頻時(shí) U1 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 U1 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。,2.1.1 變頻器的恒U/f控

4、制原理,帶壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性,a 無補(bǔ)償,b 帶定子壓降補(bǔ)償,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,（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U1 卻不可能超過額定電壓U1N ，最多只能保持U1 = U1N ，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。,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,變壓變頻控制特性,圖2-31 異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性,Us,mN,m,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,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

5、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”。,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,U/f控制變頻器的實(shí)現(xiàn)方式有兩種 1. 整流變壓、逆變變頻方式,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,（3） U/f控制變頻器的構(gòu)成,U/f控制變頻器的實(shí)現(xiàn)方式有兩種,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,（3） U/f控制變頻器的構(gòu)成,2. 逆變變壓變頻方式,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,（4） U/f控制變頻器的機(jī)械特性,P15.圖2-3(a)(b),思考題：,什么是U

6、/f控制？ 為什么變頻調(diào)速時(shí)還需要變壓？,2.1.2 變頻器的基本構(gòu)成,變頻器技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換（整流、逆變），又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此分成功率轉(zhuǎn)換（主電路）和弱電控制（控制電路）兩大部分。 主電路要解決與強(qiáng)電大電流有關(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題；控制電路要解決基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略的硬、軟件開發(fā)問題，在目前狀況下主要全數(shù)字控制技術(shù)。,CVCF,VVVF,2.1.2 變頻器的基本構(gòu)成,變頻器技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換（整流、逆變），又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此分

7、成功率轉(zhuǎn)換（主電路）和弱電控制（控制電路）兩大部分。 主電路要解決與強(qiáng)電大電流有關(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題；控制電路要解決基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略的硬、軟件開發(fā)問題，在目前狀況下主要全數(shù)字控制技術(shù)。,CVCF,VVVF,3.1.1 通用變頻器的基本結(jié)構(gòu)原理,通用變頻器硬件結(jié)構(gòu),（1）整流電路 組成：VD1VD6。功能：將工頻交流電整流為脈動直流電。當(dāng)電源線電壓為380V時(shí)，整流器件的最大反向電壓一般為1000V，最大整流電流為通用變頻器額定電流的2倍。 （2）濾波電路 組成：C1、C2、R1、R2。功能：將脈動直流電變?yōu)檩^平滑的直流電。原理：電容濾波原理、電阻

8、分壓原理。,3逆變電路 組成：VT1VT6、VD7VD12。 功能：將直流電變?yōu)轭l率和電壓可調(diào)的三相交流電。 4指示電路 組成：R4、HL。,5制動單元 組成：VT7、R5 功能：消耗電動機(jī)制動過程中的回饋能量，保護(hù)變頻器。 制動單元工作原理：電動機(jī)制動時(shí)，回饋電流通過VD7VD12給C1、C2充電。當(dāng)電容兩端電壓升到一定程度時(shí)，計(jì)算機(jī)控制VT7 導(dǎo)通，電容通過R5和VT7放電，電阻發(fā)熱消耗能量，電容兩端電壓降低，電動機(jī)制動。,（1）不可控整流電路,1.整流電路,整流電路分為可控整流電路和不可控整流電路兩種。,特點(diǎn)：不可控整流電路簡單，優(yōu)點(diǎn)是輸入電流和電源電壓基本可保持同相位，cos1。但是整

9、流器的輸出端如果接電容濾波，輸入電流不是正弦波，有較大的畸變，所以功率 因數(shù)不為1。,513V,（2）可控整流電路,1.整流電路,特點(diǎn)：可控整流電路波形有較大的畸變，對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，功率因數(shù)比不可控整流低。 現(xiàn)在變頻器通常采用不可控整流。,2 濾波電路,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)的不同或者說按儲能環(huán)節(jié)（濾波方式）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。,兩種類型逆變器結(jié)構(gòu),2 濾波電路,電壓源型逆變器（Voltage Source Inverter -VSI ），直流環(huán)節(jié)

10、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。,2 濾波電路,電流源型逆變器（Current Source Inverter- 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。,2 濾波電路,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

11、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)。,2 濾波電路,因此，兩類逆變器的區(qū)別還表現(xiàn)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(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和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。,2 濾波電路,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，說明電動運(yùn)行和回饋制動兩種狀態(tài)。,2 濾波電路,電動運(yùn)行狀態(tài),2 濾波電路,當(dāng)電動運(yùn)行時(shí)，UCR的控制角 ，電動機(jī)以轉(zhuǎn)速運(yùn)行

12、，電功率的傳送方向如上圖a所示。,2 濾波電路,逆變運(yùn)行狀態(tài),2 濾波電路,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 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）。,2 濾波電路,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。,2 濾波電路,必須制動時(shí)，只得在直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)電阻

13、實(shí)現(xiàn)能耗制動，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電流，而保持電壓極性不變，實(shí)現(xiàn)回饋制動。這樣做，設(shè)備要復(fù)雜多了。,2 濾波電路,（3）動態(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）。,2 濾波電路,表2-1 兩種逆變器輸出波形比較,2 濾波電路,（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，所以適于做多臺電機(jī)同步運(yùn)行時(shí)的供電電源，或單臺電機(jī)調(diào)速但不要求快速起制動

14、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，但可以滿足快速起制動和可逆運(yùn)行的要求。,2 濾波電路,從整體結(jié)構(gòu)（變流環(huán)節(jié)不同）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。,3 逆變電路,交-直-交變壓變頻器基本結(jié)構(gòu),圖2-21 交-直-交（間接）變壓變頻器,3 逆變電路,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

15、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。,3 逆變電路,交-直-交PWM變壓變頻器基本結(jié)構(gòu),圖2-22 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,DC,AC,AC,50Hz,調(diào)壓調(diào)頻,C,3 逆變電路,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)動電壓脈沖進(jìn)行控制，電路也簡單，效率高。,3

16、逆變電路,（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)矩脈動小，提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。,3 逆變電路,（3）逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻，動態(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。,3 逆變電路,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

17、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。,3 逆變電路,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)符號代表任何一種電力電子開關(guān)器件。,3 逆變電路,三相橋式逆變器主電路結(jié)構(gòu),3 逆變電路,N,N,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。,3 逆變電路,（1）180導(dǎo)

18、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。,3 逆變電路,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，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。,3 逆變電路,死區(qū)時(shí)間的長短

19、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，但它會造成輸出電壓波形的畸變。,3 逆變電路,輸出波形,圖2-24 電壓型逆變電路的波形,（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。,3 逆變電路,電流型三相橋式逆變電路的輸出波形,3 逆變電路,（2） 交-交變壓變頻器,交-交變

20、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（轉(zhuǎn)換前后的相數(shù)相同），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）。,3 逆變電路,交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu),圖2-27 交-交（直接）變壓變頻器,3 逆變電路,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）。,3 逆變電路,交-交變壓變頻器的基本電路結(jié)構(gòu),圖2-28-a 交-交變壓變頻器每一相的可逆線路,3 逆變電路,

21、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。,3 逆變電路,輸出電壓波形,3 逆變電路, 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。,3 逆變電路,圖2-29

22、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,3 逆變電路,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。,3 逆變電路,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。,三相交交變頻器的基本結(jié)構(gòu),輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路,三相橋式交交變頻電路,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

23、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。,3 逆變電路,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、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)直接傳動時(shí)，可以省去龐大的齒輪減速箱。,3 逆變電路,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

24、流動，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。,3 逆變電路,思考題：,變頻器由幾部分組成，各部分都具有什么功能。 變頻器種類很多，其中按濾波方式可分為什么類型。,根據(jù)變頻器的變流環(huán)節(jié)的不同進(jìn)行分類 ：,（1）交直交變頻器 交直交變頻器是先將頻率固定的交流電“整流”成直流電，再把直流電“逆變”成頻率任意可調(diào)的三相交流電，又稱間接式變頻器。目前應(yīng)用廣泛的通用型變頻器都是交直交變頻器。 （2）交交變頻器 交交變頻器就是把頻率固定的交流電直接轉(zhuǎn)換成頻率任意可調(diào)的交流電，而且轉(zhuǎn)換前后的相數(shù)相同，又稱直接式變頻

25、器或周波變頻器。,2.2 變頻器的分類與特點(diǎn),2.2 變頻器的分類與特點(diǎn),根據(jù)直流電路的儲能環(huán)節(jié)（或?yàn)V波方式）分類頻器的變流環(huán)節(jié)的不同進(jìn)行分類 ：,（1）電壓型變頻器 電壓型變頻器的儲能元件為電容器，其特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容，負(fù)載的無功功率將由它來緩沖，直流電壓比較平穩(wěn)，直流電源內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型變頻器，常選用于負(fù)載電壓變化較大的場合。 （2）電流型變頻器電流型變頻器的儲能元件為電感線圈，因此其特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲能環(huán)節(jié)，緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓接近正弦波，由于該直流內(nèi)阻較大，故稱電流型變頻器。,2.2 變頻器的分類與特點(diǎn),根據(jù)電壓的

26、調(diào)制方式分類,（1）正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）變頻器 正弦波脈寬調(diào)制變頻器是指輸出電壓的大小是通過調(diào)節(jié)脈沖占空比來實(shí)現(xiàn)的，且載頻信號用等腰三角波，而基準(zhǔn)信號采用正弦波。中、小容量的通用變頻器幾乎全都采用此類變頻器。 （2）脈幅調(diào)制（PAM）變頻器 脈幅調(diào)制變頻器是指將變壓與變頻分開完成，即在把交流電整流為直流電的同時(shí)改變直流電壓的幅值，而后將直流電壓逆變?yōu)榻涣麟姇r(shí)改變交流電頻率的變壓變頻控制方式。,2.2 變頻器的分類與特點(diǎn),根據(jù)控制方式分類 ：,（1）U/F控制 （2）轉(zhuǎn)差頻率控制 （3）矢量控制 （4）直接轉(zhuǎn)矩控制,2.2 變頻器的分類與特點(diǎn),根據(jù)輸入電源的相數(shù)分類,（1）三進(jìn)三出變頻器

27、變頻器的輸入側(cè)和輸出側(cè)都是三相交流電。絕大多數(shù)變頻器都屬此類。 （2）單進(jìn)三出變頻器 變頻器的輸入側(cè)為單相交流電，輸出側(cè)是三相交流電，俗稱“單相變頻器”。該類變頻器通常容量較小，且適合在單相電源情況下使用，如家用電器里的變頻器均屬此類。,2.2 變頻器的分類與特點(diǎn),根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性分類,（1）P型機(jī)變頻器 適用于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的變頻器。 （2）G型機(jī)變頻器 適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的變頻器。 （3）P/G合一型變頻器 同一種機(jī)型既可以使用變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，又可以適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；同時(shí)在變轉(zhuǎn)矩方式下，其標(biāo)稱功率大一檔。,2.2 變頻器的分類與特點(diǎn),根據(jù)應(yīng)用場合分類,（1）通用變頻器 通用變頻器的特點(diǎn)是其通用性，可

28、應(yīng)用在標(biāo)準(zhǔn)異步電機(jī)傳動、工業(yè)生產(chǎn)及民用、建筑等各個(gè)領(lǐng)域。通用變頻器的控制方式，已經(jīng)從最簡單的恒壓頻比控制方式向高性能的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等發(fā)展。 （2）專用變頻器 專用變頻器的特點(diǎn)是其行業(yè)專用性，它針對不同的行業(yè)特點(diǎn)集成了可編程控制器以及很多硬件外設(shè)，可以在不增加外部板件的基礎(chǔ)上直接應(yīng)用于行業(yè)中。比如，恒壓供水專用變頻器就能處理供水中變頻與工頻切換、一拖多控制等。,思考題：,什么是交-直-交類型變頻器，根據(jù)濾波環(huán)節(jié)其分成幾種類型？ 什么是單相變頻器？,2.3 正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù),1. SPWM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（

29、Carrier wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulation wave），當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。,按照波形面積相等的原則，每一個(gè)矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等，因而這個(gè)序列的矩形波與期望的正弦波等效。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidal pulse width modulation，簡稱SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。,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

30、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）雙極性PWM控制方式,3. SPWM波形的實(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)。,模擬電子電路,數(shù)字控制電路（軟件實(shí)現(xiàn)方法）,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。,（1）自然采樣法原理,將三相正弦波與

31、三角波比較，在波形相交點(diǎn)自然地確定脈沖的采樣點(diǎn)和開關(guān)點(diǎn)。即采樣點(diǎn)和開關(guān)點(diǎn)重合。,優(yōu)點(diǎn)： 1、基波幅值與調(diào)制度M成正比，利于調(diào)壓； 2、高次諧波隨著載波比N與調(diào)制度M的增大而減小，有利于波形正弦化。 缺點(diǎn)： 1、實(shí)時(shí)控制時(shí)難以計(jì)算脈沖寬度； 2、離線計(jì)算，利用查表法輸出PWM波，占有內(nèi)存過大，不符合微機(jī)等采樣周期的控制要求。,（2）規(guī)則采樣法,在載波三角波的固定點(diǎn)對正弦波進(jìn)行采樣，以確定脈沖的前沿和后沿時(shí)刻，而并不管此時(shí)是否發(fā)生正弦調(diào)制波與載波三角波相交。也就是說采樣點(diǎn)和開關(guān)點(diǎn)不重合，采樣點(diǎn)是固定的，開關(guān)點(diǎn)是變化的。開關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)刻可以利用簡單的三角函數(shù)在線地計(jì)算出來，滿足了微機(jī)全數(shù)字控制的需要。

32、,規(guī)則采樣法的種類：,對稱規(guī)則采樣中生成的PWM脈寬較實(shí)際的正弦波與三角波自然相交的脈寬偏小，使變頻電源的輸出電壓較低。,不規(guī)則采樣中，雖能更真實(shí)地反映自然采樣，但由于在一個(gè)載波周期中需要采樣兩次，極大地增加了數(shù)據(jù)的處理量。,在實(shí)際采樣中我們采用的是平均對稱規(guī)則采樣。采樣時(shí)刻設(shè)在三角載波的谷底處，以此刻的正弦波數(shù)值為中心，確定PWM脈沖的前后沿。,平均規(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,平均規(guī)則采樣法原理,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,平均規(guī)則采樣法原理,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,平均規(guī)則

33、采樣法原理,在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對正弦信號波采樣得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,平均規(guī)則采樣法原理,脈沖寬度 和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近,平均規(guī)則采樣法原理,正弦調(diào)制信號波 式中，M 稱為調(diào)制度，0 M 1；r為信號波角頻率。,平均規(guī)則采樣法原理,從圖中可得 因此可得,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

34、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。,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信號的發(fā)生器，應(yīng)用較多的有HEF4752、SLE4520、SA8281、SA8282、SA4828等。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信號輸出口的電機(jī)控制用的8位、16位微機(jī)芯片和DSP。,數(shù)字控制電路（硬件電路實(shí)現(xiàn)方法）,4. PWM調(diào)制方法,載波比載波頻率 fc與調(diào)制信號頻率 fr 之比N，既 N = fc / fr 根據(jù)載波和信號波是否同步及載

35、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。,（1）異步調(diào)制,異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(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；,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。,（2）同步調(diào)制,同步調(diào)制N 等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號波保持同步。 基本同步調(diào)制方式，fr 變化時(shí)N不變，信號波一周期

36、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；,為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡像對稱，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 會過高，使開關(guān)器件難以承受。,同步調(diào)制三相PWM波形,（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；,分段同步調(diào)制方式,（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

37、同步方式效果接近。,5. PWM逆變器主電路及輸出波形,圖6-20 三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形,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。,思考題：,什么是基本Uf控制方式？為什么在基本Uf控制基礎(chǔ)上還要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償？ 在U/f控制方式下，當(dāng)輸出頻率比較低時(shí)，會出現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩不足的情況，要求變頻器具有什么功能。 說明SPW

38、M控制技術(shù)的原理。 什么是SPWM的平均規(guī)則采樣法？,2.4 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。,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。,常用的一種電流閉環(huán)控制方法是電流滯環(huán)跟蹤 PWM（Current Hysteresis Band PWM

39、CHBPWM）控制，具有電流滯環(huán)跟蹤 PWM 控制的 PWM 變壓變頻器的A相控制原理圖如下圖。,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,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）橋臂的功率器件動作。B、C 二相的原理圖均與此相同。,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電壓波形如下圖。 如果， ia i*a ， 且i*a - ia h，滯環(huán)控制器 HBC輸出正電平，驅(qū)動上橋臂功率開關(guān)器件VT1導(dǎo)通，變壓變頻器輸出正電壓

40、，使 ia增大。當(dāng)ia增長到與i*a相等時(shí)，雖然ia =0，但HBC仍保持正電平輸出，保持導(dǎo)通，使ia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VT1 ，并經(jīng)延時(shí)后驅(qū)動VT4,但此時(shí)未必能夠?qū)?，由於電機(jī)繞組的電感作用，電流不會反向，而是通過二極管VD4續(xù)流，使VT1受到反向鉗位而不能導(dǎo)通。此后， ia逐漸減小，直到到達(dá)滯環(huán)偏差的下限值，使 HBC 再翻轉(zhuǎn)， VT1又重復(fù)使導(dǎo)通。這樣， VT1與VD4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 中可以看到，輸出電流是十分接近正弦波的。,滯環(huán)比較方式的

41、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,下圖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?，在半個(gè)周期內(nèi)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(shù)曲線中的一小部分，其變化率與電路參數(shù)和電機(jī)的反電動勢有關(guān)。,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,三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形,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。

42、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。,2.5 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,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

43、求正弦電壓前進(jìn)了一步。然而交流電動機(jī)需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動機(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。,2.5 電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù) （或稱磁鏈跟蹤控制技術(shù)）,如果對準(zhǔn)這一目標(biāo)，把逆變器和交流電動機(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，Space Vector PWM）控制”。,1. 空間矢量的定義,交流電動機(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

44、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，時(shí)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(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，是每相電壓幅值的3/2倍。,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

45、，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s 。,2. 電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系,三相的電壓平衡方程式：,2. 電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系（續(xù)）,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； s 定子三相磁鏈合成空間矢量。,近似關(guān)系,當(dāng)電動機(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,磁鏈軌跡,當(dāng)電動機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，電動機(jī)定

46、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 m是磁鏈s的幅值，1為其旋轉(zhuǎn)角速度。,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)，us的大小與（或供電電壓頻率）1成正比，其方向則與磁鏈?zhǔn)噶空唬创沛湀A的切線方向。,磁場軌跡與電壓空間矢量運(yùn)動軌跡的關(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2弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。 這樣，電動機(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)動軌跡問題。,圖6-26 旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量的

47、運(yùn)動軌跡,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)動軌跡 在常規(guī)的 PWM 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動機(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(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)符號代替，可以代表任意一種開關(guān)器件。,主電路原理圖,圖6-27 三相逆變器-異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖,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

48、、VT3、VT5 全部導(dǎo)通 下橋臂開關(guān) VT2、VT4、VT6 全部導(dǎo)通,輸出波形,電壓型逆變電路的波形,開關(guān)狀態(tài)表,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。,（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 / 2 UBO = UCO = - Ud /2,（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

49、（即X軸）。,（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 。,（d）每個(gè)周期的六邊形合成電壓空間矢量,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。,（2）定子磁鏈?zhǔn)噶慷它c(diǎn)的運(yùn)動軌跡,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)動所形成的正六邊形軌跡也可以看作是異步電動機(jī)定

50、子磁鏈?zhǔn)噶慷它c(diǎn)的運(yùn)動軌跡。對于這個(gè)關(guān)系，進(jìn)一步說明如下：,圖6-29 六拍逆變器供電時(shí)電動機(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,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）,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

51、的尾部都在O點(diǎn)，其頂端的運(yùn)動軌跡也就是6個(gè)基本電壓空間矢量所圍成的正六邊形。,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 ?？梢姡谌魏螘r(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,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)磁場那樣能使電動機(jī)獲得勻速運(yùn)行。 如果想獲得

52、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。,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。 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31，這里只介紹線性組合法。,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。,線性組合

53、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 。,（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）,（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。,（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

54、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。,（3）線電壓合成公式,若改用線電壓表示，可得,（6-50）,如當(dāng)開關(guān)狀態(tài)為100時(shí)， uAB = Ud ， uBC =0，帶入上式等u1 = Ud ；當(dāng)開關(guān)狀態(tài)為110時(shí)， uAB =0 ， uBC = Ud ，帶入上式等u2 = Ud 。同理可得u3 = Ud ， u4 = -Ud ， u5 = Ud ， u6 = Ud 。,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）,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,解 t1和 t2 ，得,（6-53）,（6-54）,零矢

55、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)基本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、，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),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

56、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。,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。,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

57、種開關(guān)狀態(tài)。,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。,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。,T0 區(qū)間的電壓波形,圖6-34 第扇區(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

58、小段表示一種工作狀態(tài),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個(gè)脈沖波。當(dāng)然，一個(gè)扇區(qū)內(nèi)所分的小區(qū)間越多，就越能逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場。,小 結(jié),歸納起來，SVPWM控制模式有以下特點(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。為了使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場逼近圓形，每個(gè)扇區(qū)再分成若干個(gè)小區(qū)間 T0 ， T0 越短，旋轉(zhuǎn)磁場越接近圓形，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)雖有多次開關(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

59、空間矢量直接生成三相PWM波，計(jì)算簡便。 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%。,思考題：,為什么磁鏈跟蹤控制又被稱為電壓空間矢量控制？ 電壓空間矢量控制為什么比SPWM控制性能優(yōu)越？ 六拍階梯形波逆變器供電時(shí)電動機(jī)磁鏈軌跡是什么形狀？ 三相逆變橋共有幾個(gè)基本電壓空間矢量？,電力傳動的基本控制規(guī)律,我們知道，任何電力拖動自動控制系統(tǒng)都服從于基本運(yùn)動方程式 提高調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能主要依靠控制轉(zhuǎn)速的變化率 d / dt ，根據(jù)基本運(yùn)動方程式，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)的動態(tài)性能就是控制轉(zhuǎn)矩的能力。,2.6 轉(zhuǎn)差頻率控制（SF）原理,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