变频器的电路结构.ppt

1、第2章 变频器的电路结构及工作原理,变频器按控制方式可以分为：U/f控制变频器、转差率控制变频器、矢量控制变频器和直接转矩控制变频器。,2.1 变频调速的基本原理及变频器结构,在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。,2.1.1 变频器的恒U/f控制原理,对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿， m 保持不变是很容易做到的。 在交流异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒

2、定就需要费一些周折了。,2.1.1 变频器的恒U/f控制原理,定子每相电动势,（2-1）,式中：Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；,定子频率，单位为Hz；,定子每相绕组串联匝数；,基波绕组系数；,每极气隙磁通量，单位为Wb。,f1,N1,kN1,m,2. 2.1.1 变频器的恒U/f控制原理,由式（2-1）可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通m 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。,2.1.1 变频器的恒U/f控制原理,（1） 基频以下调速,由式（2-1）可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时

3、降低 Eg ，使,常值 （2-3）,即采用恒值电动势频率比的控制方式。,2.1.1 变频器的恒U/f控制原理,恒压频比的控制方式,然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 U1 Eg，则得 （2-5）这是恒压频比的控制方式。,2.1.1 变频器的恒U/f控制原理,但是，在低频时 U1 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 U1 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。,2.1.1 变频器的恒U/f控制原

4、理,带压降补偿的恒压频比控制特性,a 无补偿,b 带定子压降补偿,2.1.1 变频器的恒U/f控制原理,（2） 基频以上调速,在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压U1 却不可能超过额定电压U1N ，最多只能保持U1 = U1N ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。,2.1.1 变频器的恒U/f控制原理,变压变频控制特性,图2-31 异步电机变压变频调速的控制特性,Us,mN,m,2.1.1 变频器的恒U/f控制原理,如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下

5、长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。,2.1.1 变频器的恒U/f控制原理,U/f控制变频器的实现方式有两种 1. 整流变压、逆变变频方式,2.1.1 变频器的恒U/f控制原理,（3） U/f控制变频器的构成,U/f控制变频器的实现方式有两种,2.1.1 变频器的恒U/f控制原理,（3） U/f控制变频器的构成,2. 逆变变压变频方式,2.1.1 变频器的恒U/f控制原理,（4） U/f控制变频器的机械特性,P15.图2-3(a)(b),思考题：,什么是U/f控

6、制？ 为什么变频调速时还需要变压？,2.1.2 变频器的基本构成,变频器技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此分成功率转换（主电路）和弱电控制（控制电路）两大部分。主电路要解决与强电大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题；控制电路要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬、软件开发问题，在目前状况下主要全数字控制技术。,CVCF,VVVF,2.1.2 变频器的基本构成,变频器技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此分成功率转

7、换（主电路）和弱电控制（控制电路）两大部分。主电路要解决与强电大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题；控制电路要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬、软件开发问题，在目前状况下主要全数字控制技术。,CVCF,VVVF,3.1.1 通用变频器的基本结构原理,通用变频器硬件结构,（1）整流电路 组成：VD1VD6。功能：将工频交流电整流为脉动直流电。当电源线电压为380V时，整流器件的最大反向电压一般为1000V，最大整流电流为通用变频器额定电流的2倍。 （2）滤波电路 组成：C1、C2、R1、R2。功能：将脉动直流电变为较平滑的直流电。原理：电容滤波原理、电阻分压原理。

8、,3逆变电路 组成：VT1VT6、VD7VD12。 功能：将直流电变为频率和电压可调的三相交流电。 4指示电路 组成：R4、HL。,5制动单元 组成：VT7、R5 功能：消耗电动机制动过程中的回馈能量，保护变频器。 制动单元工作原理：电动机制动时，回馈电流通过VD7VD12给C1、C2充电。当电容两端电压升到一定程度时，计算机控制VT7 导通，电容通过R5和VT7放电，电阻发热消耗能量，电容两端电压降低，电动机制动。,（1）不可控整流电路,1.整流电路,整流电路分为可控整流电路和不可控整流电路两种。,特点：不可控整流电路简单，优点是输入电流和电源电压基本可保持同相位，cos1。但是整流器的输出

9、端如果接电容滤波，输入电流不是正弦波，有较大的畸变，所以功率 因数不为1。,513V,（2）可控整流电路,1.整流电路,特点：可控整流电路波形有较大的畸变，对电网产生干扰，功率因数比不可控整流低。现在变频器通常采用不可控整流。,2 滤波电路,在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同或者说按储能环节（滤波方式）不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。,两种类型逆变器结构,2 滤波电路,电压源型逆变器（Voltage Source Inverter -VSI ），直流环节采用大电容滤

10、波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。,2 滤波电路,电流源型逆变器（Current Source Inverter- CSI），直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。,2 滤波电路,性能比较,两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现如下：（1）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起

11、着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。,2 滤波电路,因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。 （2）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。,2 滤波电路,下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSI构成的交-直-交变压变频调速系统（如下图所示）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。,2 滤波电路,电动运行状态,2 滤波电路,当电动运行时，UCR的控制角 ，电动机以转速运行，电功率的传送

12、方向如上图a所示。,2 滤波电路,逆变运行状态,2 滤波电路,如果降低变压变频器的输出频率 1，或从机械上抬高电机转速 ，使 1 90 ，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压Ud 立即反向，而电流 Id 方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图b）。,2 滤波电路,与此相反，采用电压源型的交-直-交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。,2 滤波电路,必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，

13、或者与UCR反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这样做，设备要复杂多了。,2 滤波电路,（3）动态响应 正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。（4）输出波形 电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流波形为方波（见下表）。,2 滤波电路,表2-1 两种逆变器输出波形比较,2 滤波电路,（4）应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合

14、。采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。,2 滤波电路,从整体结构（变流环节不同）上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。（1）交-直-交变压变频器交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。,3 逆变电路,交-直-交变压变频器基本结构,图2-21 交-直-交（间接）变压变频器,3 逆变电路,由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和

15、由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如下图所示。,3 逆变电路,交-直-交PWM变压变频器基本结构,图2-22 交-直-交PWM变压变频器,变压变频 (VVVF),中间直流环节,恒压恒频 (CVCF),PWM 逆变器,DC,AC,AC,50Hz,调压调频,C,3 逆变电路,PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：（1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。,3 逆变电路,（2）输出电压

16、波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。,3 逆变电路,（3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。,3 逆变电路,PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（SCR）

17、，并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器。,3 逆变电路,交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源，下图为6个电力电子开关器件VT1 VT6 组成的三相逆变器主电路，图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。,3 逆变电路,三相桥式逆变器主电路结构,3 逆变电路,N,N,控制方式,控制各开关器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压。在某一瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。在三相桥式逆变器中，有180导通型和120导通型两种换流方式。,3 逆变电路,（1）180导通型控制方式,同一桥臂上、下

18、两管之间互相换流的逆变器称作180导通型逆变器。 例如，当VT1关断后，使VT4导通，而当VT4关断后，又使VT1导通。这时，每个开关器件在一个周期内导通的区间是180，其他各相亦均如此。由于每隔60有一个器件开关，在180导通型逆变器中，除换流期间外，每一时刻总有3个开关器件同时导通。,3 逆变电路,但须注意，必须防止同一桥臂的上、下两管同时导通，否则将造成直流电源短路，谓之“直通”。为此，在换流时，必须采取“先断后通”的方法，即先给应关断的器件发出关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，叫做“死区时间”，再给应导通的器件发出开通信号。,3 逆变电路,死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的

19、开关速度越快时，所留的死区时间可以越短。为了安全起见，设置死区时间是非常必要的，但它会造成输出电压波形的畸变。,3 逆变电路,输出波形,图2-24 电压型逆变电路的波形,（2）120导通型控制方式,120导通型逆变器的换流是在不同桥臂中同一排左、右两管之间进行的。 例如，VT1关断后使VT3导通，VT3关断后使VT5导通，VT4关断后使VT6导通等等。这时，每个开关器件一次连续导通120，在同一时刻只有两个器件导通，如果负载电机绕组是Y联结，则只有两相导电，另一相悬空。,3 逆变电路,电流型三相桥式逆变电路的输出波形,3 逆变电路,（2） 交-交变压变频器,交-交变压变频器的基本结构如下图所示

20、，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出（转换前后的相数相同），因此又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。,3 逆变电路,交-交变压变频器的基本结构,图2-27 交-交（直接）变压变频器,3 逆变电路,常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路（下图a）。,3 逆变电路,交-交变压变频器的基本电路结构,图2-28-a 交-交变压变频器每一相的可逆线路,3 逆变电路,交-交变压变频器的控制方式,整半

21、周控制方式正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压 u0 ， u0 的幅值决定于各组可控整流装置的控制角 ， u0 的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如下图 b 所示。,3 逆变电路,输出电压波形,3 逆变电路, 调制控制方式要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。 例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角 由/2（对应于平均电压 u0 = 0）逐渐减小到 0（对应于 u0 最大），然后再逐渐增加到 /2（ u0 再变为0），如下图所示。,3 逆变电路,图2-29 交-交变压变频器的单相正弦波输出电压

22、波形,输出电压波形,3 逆变电路,当角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中虚线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。,3 逆变电路,三相交交变频电路,三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图所示。如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。,三相交交变频器的基本结构,输出星形联结方式三相交交变频电路,三相桥式交交变频电路,因此，这样的交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。不过这些设备

23、都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。,3 逆变电路,这类交-交变频器的其他缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的 1/3 1/2，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。,3 逆变电路,近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，类似于 PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行，但当输出电压必须

24、为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.866。目前这类变压变频器尚处于开发阶段，其发展前景是很好的。,3 逆变电路,思考题：,变频器由几部分组成，各部分都具有什么功能。 变频器种类很多，其中按滤波方式可分为什么类型。,根据变频器的变流环节的不同进行分类 ：,（1）交直交变频器交直交变频器是先将频率固定的交流电“整流”成直流电，再把直流电“逆变”成频率任意可调的三相交流电，又称间接式变频器。目前应用广泛的通用型变频器都是交直交变频器。 （2）交交变频器交交变频器就是把频率固定的交流电直接转换成频率任意可调的交流电，而且转换前后的相数相同，又称直接式变频器或周波变频器。,2.2 变频器的分类与特点

25、,2.2 变频器的分类与特点,根据直流电路的储能环节（或滤波方式）分类频器的变流环节的不同进行分类 ：,（1）电压型变频器 电压型变频器的储能元件为电容器，其特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。（2）电流型变频器电流型变频器的储能元件为电感线圈，因此其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流型变频器。,2.2 变频器的分类与特点,根据电压的调制方式分类,（1）正弦波脉宽调制（SPWM）

26、变频器 正弦波脉宽调制变频器是指输出电压的大小是通过调节脉冲占空比来实现的，且载频信号用等腰三角波，而基准信号采用正弦波。中、小容量的通用变频器几乎全都采用此类变频器。（2）脉幅调制（PAM）变频器 脉幅调制变频器是指将变压与变频分开完成，即在把交流电整流为直流电的同时改变直流电压的幅值，而后将直流电压逆变为交流电时改变交流电频率的变压变频控制方式。,2.2 变频器的分类与特点,根据控制方式分类 ：,（1）U/F控制 （2）转差频率控制 （3）矢量控制 （4）直接转矩控制,2.2 变频器的分类与特点,根据输入电源的相数分类,（1）三进三出变频器 变频器的输入侧和输出侧都是三相交流电。绝大多数变

27、频器都属此类。 （2）单进三出变频器 变频器的输入侧为单相交流电，输出侧是三相交流电，俗称“单相变频器”。该类变频器通常容量较小，且适合在单相电源情况下使用，如家用电器里的变频器均属此类。,2.2 变频器的分类与特点,根据负载转矩特性分类,（1）P型机变频器 适用于变转矩负载的变频器。 （2）G型机变频器 适用于恒转矩负载的变频器。 （3）P/G合一型变频器 同一种机型既可以使用变转矩负载，又可以适用于恒转矩负载；同时在变转矩方式下，其标称功率大一档。,2.2 变频器的分类与特点,根据应用场合分类,（1）通用变频器 通用变频器的特点是其通用性，可应用在标准异步电机传动、工业生产及民用、建筑等各

28、个领域。通用变频器的控制方式，已经从最简单的恒压频比控制方式向高性能的矢量控制、直接转矩控制等发展。 （2）专用变频器 专用变频器的特点是其行业专用性，它针对不同的行业特点集成了可编程控制器以及很多硬件外设，可以在不增加外部板件的基础上直接应用于行业中。比如，恒压供水专用变频器就能处理供水中变频与工频切换、一拖多控制等。,思考题：,什么是交-直-交类型变频器，根据滤波环节其分成几种类型？ 什么是单相变频器？,2.3 正弦波脉宽调制(SPWM)技术,1. SPWM调制原理以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的

29、正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。,按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。,2. SPWM控制方式,如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性

30、控制方式。 如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。,（1）单极性PWM控制方式,（2）双极性PWM控制方式,3. SPWM波形的实现,模拟电子电路采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制。 数字控制电路 硬件电路； 软件实现。,模拟电子电路,数字控制电路（软件实现方法）,自然采样法只是把同样的方法数字化， 自然采样法的运算比较复杂； 规则采样法在工程上更实用的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。,（1）自然采样法原理,将三相正弦波与三角波比较，在波形相交点自然地确定脉冲的采样点和开关

31、点。即采样点和开关点重合。,优点： 1、基波幅值与调制度M成正比，利于调压； 2、高次谐波随着载波比N与调制度M的增大而减小，有利于波形正弦化。 缺点： 1、实时控制时难以计算脉冲宽度； 2、离线计算，利用查表法输出PWM波，占有内存过大，不符合微机等采样周期的控制要求。,（2）规则采样法,在载波三角波的固定点对正弦波进行采样，以确定脉冲的前沿和后沿时刻，而并不管此时是否发生正弦调制波与载波三角波相交。也就是说采样点和开关点不重合，采样点是固定的，开关点是变化的。开关的转换时刻可以利用简单的三角函数在线地计算出来，满足了微机全数字控制的需要。,规则采样法的种类：,对称规则采样中生成的PWM脉宽

32、较实际的正弦波与三角波自然相交的脉宽偏小，使变频电源的输出电压较低。,不规则采样中，虽能更真实地反映自然采样，但由于在一个载波周期中需要采样两次，极大地增加了数据的处理量。,在实际采样中我们采用的是平均对称规则采样。采样时刻设在三角载波的谷底处，以此刻的正弦波数值为中心，确定PWM脉冲的前后沿。,平均规则采样法原理,三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc,平均规则采样法原理,自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合,平均规则采样法原理,规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化,平均规则采样法原理,在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得

33、D点，过 D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻 tA和B点时刻 tB控制开关器件的通断,平均规则采样法原理,脉冲宽度 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近,平均规则采样法原理,正弦调制信号波式中，M 称为调制度，0 M 1；r为信号波角频率。,平均规则采样法原理,从图中可得因此可得,根据上述采样原理和计算公式，可以用计算机实时控制产生SPWM波形，具体实现方法有： 查表法可以先离线计算出相应的脉宽 等数据存放在内存中，然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。,实时计算法事先在内存中存放正弦函数和Tc /2值，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的调

34、制度M作乘法运算，再根据给定的载波频率查出相应的Tc /2值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。,由于PWM变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，应用较多的有HEF4752、SLE4520、SA8281、SA8282、SA4828等。后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出口的电机控制用的8位、16位微机芯片和DSP。,数字控制电路（硬件电路实现方法）,4. PWM调制方法,载波比载波频率 fc与调制信号频率 fr 之比N，既 N = fc / fr根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。,（

35、1）异步调制,异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。 通常保持 fc 固定不变，当 fr 变化时，载波比 N 是变化的； 在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；,当 fr 较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小； 当 fr 增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。,（2）同步调制,同步调制N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。 基本同步调制方式，fr 变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定； 三相电路中公用一个三角波载波，且取 N

36、 为3的整数倍，使三相输出对称；,为使一相的PWM波正负半周镜像对称，N应取奇数； fr 很低时，fc 也很低，由调制带来的谐波不易滤除； fr 很高时，fc 会过高，使开关器件难以承受。,同步调制三相PWM波形,（3）分段同步调制,把 fr 范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同； 在 fr 高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高； 在 fr 低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低；,分段同步调制方式,（4）混合调制,可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。,5. PWM逆变器主电路及输出波形,图

37、6-20 三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形,图6-20为三相PWM波形，其中 urU 、urV 、urW为U，V，W三相的正弦调制波， uc为双极性三角载波； uUN 、uVN 、uWN 为U，V，W三相输出与电源中性点N之间的相电压矩形波形；uUV为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为+Ud和- Ud ； uUN为三相输出与电机中点N之间的相电压。,思考题：,什么是基本Uf控制方式？为什么在基本Uf控制基础上还要进行转矩补偿？ 在U/f控制方式下，当输出频率比较低时，会出现输出转矩不足的情况，要求变频器具有什么功能。 说明SPWM控制技术的原理。 什么是SPWM的平均规则采样法？,2.4

38、 电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制 技术,应用PWM控制技术的变压变频器一般都是电压源型的，它可以按需要方便地控制其输出电压，为此前面两小节所述的PWM控制技术都是以输出电压近似正弦波为目标的。,但是，在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。,常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪 PWM（Current Hysteresis Band PWM CHBPWM）控制，具有电流滞环跟踪 PWM 控制的 PWM

39、 变压变频器的A相控制原理图如下图。,1. 滞环比较方式电流跟踪控制原理,图6-22 电流滞环跟踪控制的A相原理图,图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流 i*a 与输出电流 ia 进行比较，电流偏差 ia 超过时 h，经滞环控制器HBC控制逆变器 A相上（或下）桥臂的功率器件动作。B、C 二相的原理图均与此相同。,采用电流滞环跟踪控制时，变压变频器的电流波形与PWM电压波形如下图。 如果， ia i*a ， 且i*a - ia h，滞环控制器 HBC输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件VT1导通，变压变频器输出正电压，使 ia增大。当ia增长到与i*a相等时，虽然ia =0，

40、但HBC仍保持正电平输出，保持导通，使ia继续增大。 直到达到ia = i*a + h ， ia = h ，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断VT1 ，并经延时后驱动VT4,但此时未必能够导通，由於电机绕组的电感作用，电流不会反向，而是通过二极管VD4续流，使VT1受到反向钳位而不能导通。此后， ia逐渐减小，直到到达滞环偏差的下限值，使 HBC 再翻转， VT1又重复使导通。这样， VT1与VD4交替工作，使输出电流给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化。从图 中可以看到，输出电流是十分接近正弦波的。,滞环比较方式的指令电流和输出电流,图6-23 电流滞环跟踪控制时的电流波形

41、,下图给出了在给定正弦波电流半个周期内的输出电流波形和相应的相电压波形。可以看出，在半个周期内围绕正弦波作脉动变化，不论在的上升段还是下降段，它都是指数曲线中的一小部分，其变化率与电路参数和电机的反电动势有关。,三相电流跟踪型PWM逆变电路,图6-24 三相电流跟踪型PWM逆变电路,三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形,因此，输出相电压波形呈PWM状，但与两侧窄中间宽的SPWM波相反，两侧增宽而中间变窄，这说明为了使电流波形跟踪正弦波，应该调整一下电压波形。,电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波

42、分量高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。这是一对矛盾的因素，实用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽可能小的环宽。,2.5 电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术 （或称磁链跟踪控制技术）,本节提要 问题的提出 空间矢量的定义 电压与磁链空间矢量的关系 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制,问题的提出,经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。然而交流电动机需要输入三相正弦电流的

43、最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。,2.5 电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术 （或称磁链跟踪控制技术）,如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，下面的讨论将表明，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。,1. 空间矢量的定义,交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以如图所示，定义为空间矢

44、量uA0， uB0 ， uC0 。,图6-25 电压空间矢量,电压空间矢量的相互关系,定子电压空间矢量：uA0 、 uB0 、 uC0 的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也是120。 合成空间矢量：由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量 us 是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压幅值的3/2倍。,电压空间矢量的相互关系（续）,当电源频率不变时，合成空间矢量 us 以电源角频率1 为电气角速度作恒速旋转。当某一相电压为最大值时，合成电压矢量 us 就落在该相的轴线上。用公式表示，则有,（6-39）,与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子

45、电流和磁链的空间矢量 Is 和s 。,2. 电压与磁链空间矢量的关系,三相的电压平衡方程式：,2. 电压与磁链空间矢量的关系（续）,三相的电压平衡方程式相加，即得用合成空间矢量表示的定子电压方程式为,（6-40）,式中,us 定子三相电压合成空间矢量；Is 定子三相电流合成空间矢量； s 定子三相磁链合成空间矢量。,近似关系,当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式（6-40）中所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为,（6-41）,（6-42）,或,磁链轨迹,当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹

46、呈圆形（一般简称为磁链圆）。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示。,（6-43）,其中 m是磁链s的幅值，1为其旋转角速度。,由式（6-41）和式（6-43）可得,（6-44）,上式表明，当磁链幅值一定时，us的大小与（或供电电压频率）1成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向。,磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系,如图所示，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。,图6-26 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹,3. 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场,（1）

47、电压空间矢量运动轨迹在常规的 PWM 变压变频调速系统中，异步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时的电压空间矢量运动轨迹是怎样的呢？为了讨论方便起见，再把三相逆变器-异步电动机调速系统主电路的原理图绘出，图6-27中六个功率开关器件都用开关符号代替，可以代表任意一种开关器件。,主电路原理图,图6-27 三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图,开关工作状态,如果，图中的逆变器采用180导通型，功率开关器件共有8种工作状态（见附表） ，其中 6 种有效开关状态； 2 种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）： 上桥臂开关 VT1、VT3、VT5 全部导通 下桥臂开关 VT2、VT4、VT6 全

48、部导通,输出波形,电压型逆变电路的波形,开关状态表,开关控制模式,对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中6 种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔 /3 时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这 /3 时刻内则保持不变。,（a）开关模式分析,设工作周期从100状态开始，这时VT6、VT1、VT2导通，其等效电路如图所示。各相对直流电源中点的电压都是幅值为 UAO = Ud / 2UBO = UCO = - Ud /2,（b）工作状态100的合成电压空间矢量,由图可知，三相的合成空间矢量为 u1，其幅值等于Ud，方向沿A轴（即X轴）。,（c）工作状态110的合成电压空间矢量,u1 存在的时间为/3，在这段时间以后，工作状态转为110，和上面的分析相似，合成空间矢量变成图中的 u2 ，它在空间上滞后于u1 的相位为 /3 弧度，存在的时间也是 /3 。,（d）每个周期的六边形合成电压空间矢量,依此类推，随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转 /3 ，直到一个周期结束。这样，在一个周期中 6 个电压空间矢量共转过 2 弧度，形成一个封闭的正六边形，如图所示。,（2）定子磁链矢量端点的运动轨迹,电压空间矢量与磁链矢量的关系一个由电压空间矢量运动所形成的正六边形轨迹也可以看作是异步电动机定子磁链矢量端点的运动轨迹。对于这个关系，进一步说明如下：,