第3章通用变频器原理及功能

脉宽调制(PWM)控制方式在直流环节电压不变情况 下，可改变输出电压的大小，还能改善波形。
目前中小功率的逆变电路几乎不采用PAM，而都采 用PWM技术。
3.1.5 脉宽调制(PWM)控制技术
利用全控型电力电子器件的导通和关断把直 流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实 现变压、变频控制并且消除谐波的技术。
三电平逆变器(NPC)
相线电电压压
P相状电态压：相VT加1、减V，T2得导通出，5个VT电3、平V即T4±关E断/2时、，±输E出和 相0 电压为+E/2
N状态：VT3、VT4导通，VT1、VT2关断时，输出 相电压为－E/2
C状态：VT2和D1导通，或VT3和D2导通，输出电 压为0
3个电平
电平的增加可使输出电压更接近正弦
按一定规则对各脉冲宽度进行调制，既可改变 逆变电路输出电压大小，也可改变输出频率。
这一系列脉冲宽度可以用计算方法求得，但较 为实用的方法是采用“调制”方法。
2. 电压正弦波脉宽调制法的工作原理
调制波(Modulating wave): 所希望的正弦波 形ur
载波(Carrier wave): 用以调制的等腰三角波 uc，以频率比调制波高得多。
为了让此控制方式在低频也能应用，实际中根 据负载电流大小把定子相电压US适当抬高， 以补偿定子阻抗压降的影响。
通过补偿，电动机的最大转矩得以提升，通常 把补偿措施也称之为转矩提升(Torque Boost)
基频以下机械特性
补偿量需适中。
如果补偿偏小(欠补偿)，磁通量下降，低频时 电动机会有堵转现象；
则无法得出输出电压大小和频率的配合关系。
3. 单极性与双极性SPWM调制模式 单极性三角波调制法
参加调制的三角载波和调制正弦波在半个周 期内极性不变。
单极性调制时，逆变器在正弦波的半个周期 内每相只有一个开关器件开通或关断。
单相逆变器可以采用。
双极性三角波调制法
参加调制的三角载波和调制正弦波在任何时候 都具有正负极性变化 。
3.2.2 矢量控制的调速系统
恒压频比控制基于异步电动机静态数学模型， 只控制了被控变量的幅值，而没有控制到 相位，虽然基本解决了异步电动机平滑调 速的问题，获得良好的静态性能，但在动 态过程中不能获得良好的动态响应。
低频交特流性电差动，机启是动否及可低以速模时仿转直矩流动电态动响机应等 方转面矩的控性能制不规令律人而满加意以。控制，使交流电
直流机电能动达机到双直闭流环电调机速的系调统速具性有能优呢良？的静、 动态调速特性，其根本原因在于作为控制 对象的他励直流电动机电磁转矩能够容易 而灵活地进行控制。
1971年德国学者Blaschke等人首先提出的矢 量变换控制(TransVector Control)实现了这 种控制思想。
矢量变换控制成功地解决了交流电动机电磁 转矩的有效控制，使交流电动机变频调速 系统具有了直流调速系统的全部优点，是 当今工业生产中得到普遍应用的高性能交 流调速系统。
3. 恒转矩控制和恒功率控制 (1) 恒转矩控制 含义 负载具有恒转矩特性
电动机在速度变化的动态过程中具有输出恒 定转矩的能力
基频以下的恒压频比控制属于恒转矩控制。
(2) 恒功率控制 含义 负载具有恒功率的转矩-转速特性 电机具有输出恒功率能力 基频以上的恒压频比控制属于恒功率控制。
基频以下和以上集合在一起的机械特性
状态1线电压
uAB=Ud uBC=-Ud uCA=0
120º导电型逆变器的电压波形 特点： 每只功率开关导通时间皆为120º。 按Sl→S6的顺序导通 每个工作状态下都有两只功率开关同时导通，形成 两相负载同时通电。 换流在相邻桥臂中进行，安全。 相电压波形为矩形波，幅值为Ud/2；线电压为梯形 波，幅值为Ud 。电压输出低。
第3章 通用变频器原理及功能
交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，结 构简单、制造容易、价格便宜、坚固耐用、 转动惯量小、运行可靠、很少维修、使用 环境及结构发展不受限制。
但以前受科技发展限制，交流电动机调速的 问题未能较好的解决，只有一些调速性能 差、低效高耗能的调速方法。
现在随着技术发展，交流调速的问题已得到 很好的解决，正逐步取代直流调速系统， 在电气传动领域占据统治地位。
集电力电子功率变换器与控制器及电量检测 器于一体。
3.1.2 变频交流调速相关技术 PWM控制技术 矢量变换控制技术 直接转矩控制技术 微型计算机控制技术及集成电路技术 网络通信与现场总线技术
3.1.3 交-直-交变频器的基本电路 变频器主电路
变频器控制电路
3.1.4 三相电压型逆变器基本工作原理 三相电压型逆变器基本电路
工作状态（拍） 状态①（0º~60º） 状态②（60º~120º） 状态③（120º~180º） 状态④（180º~240º） 状态⑤（240º~300º） 状态⑥（300º~360º）
每个工作状态下被导通的功率开关
S1
S5 S6
S1 S2
S6
S1 S2 S3
S2 S3 S4
S3 S4 S5
S4 S5 S6
每隔60º电角度改变开关状态，一个周期共换相六次， 对应六个不同的工作状态(六拍)。
根据功率开关的导通持续时间不同，分为： 180º导电型 120º导电型
180º导电型逆变器的电压波形 特点： 每只功率开关导通时间皆为180º。 按Sl→S6的顺序导通 每个工作状态下都有三只功率开关同时导通，形成 三相负载同时通电。
直流电机的电磁转矩关系简单，容易控制； 交流电机的电磁转矩关系复杂，难以控制。
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六脉波方式谐波成分比较大，会影响电动机转速的 平稳；
电动机是感性负载，电源频率降低时，感抗减小， 如果电源电压不变电流将增加，会造成过电流， 因此变频的同时还需改变电压的大小。
实现变压变频控制，可采用可控整流方法，在逆变 器变频的同时，改变直流环节电压大小，即脉冲 幅度调制(PAM)。
异步电动机电磁转矩是气隙磁场和转子磁势相 互作用的结果，且受转子电路功率因数的制 约。
Фm ，Ir ，cosφr都是转差率S的函数； Ф恒m是定定；子磁势和转子磁势合成产生的，并不
对于笼形异步电动机而言可以直接测量和进行 控 算制值i的r’与量励是磁定电子流电i流m的iS和，。它如是要转对子转电矩流进ir的行归 有效控制，必须要将ir和im从is中分离出来。
一般规定：每相的开关状态只能从P到C、C 到N，或者从N到C、C到P，不能直接从P 到N或者从N到P；
这种电路直通误触发的危险性很小，适宜于 大功率。
SPWM变频器电路原理
主电路
控制电路
3.2 不同控制方式的交-直-交变频调速系统
早期的通用变频器大多为开环恒压频比(V/f=常 数)控制方式。
针对开环恒压频比控制方式的改进：电压空间 矢量控制法、频率补偿控制法、引入电压和 电流闭环控制等。
双极性调制时，逆变器同一桥臂上下两个开关 器件交替通断，互补工作。
容易引起电源短路，必须增加延时触发装置 三相逆变电路常用此方法。
u
ur uc
O
wt
uo
uof uo
Ud
O
wt
-Ud 图6-6
多电平电压源型逆变器
在高电压、大容量交-直-交电压源型变频器， 为减少开关损耗和开关承受电压，改善输 出电压波形、减少转矩脉动，采用增加直 流侧电平的方法。
如果补偿偏大(过补偿)，磁通量上升，电动机 有过电流的危险。
2. 基频以上变频控制方式 电压不允许超过额定电压，否则损坏绝缘。
恒压频比控制方式只适用于基频(额定频率)及 以下的变频调速。
基频以上只能保持电压不变，f1越高，转速升 高，Φm越弱(恒压弱磁升速)。相当于直流 电机弱磁调速。
异步电动机调速时控制特性
矢量控制—西门子 直接转矩控制—ABB、安川
3.2.1 恒压频比控制的变压变频调速系统
1. 恒压频比控制方式
气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势有效值
ES为
ES 4.44 f S N S K Sm
NS数为；定Φ子m每为相电绕机组气串隙联中匝每数极；合K成S磁为通基最波大绕值组系 如果仅减小频率，其他不变，磁通增大，铁芯
当定子频率较高时，感应电动势ES也较大， 此时可忽略定子阻抗压降，认为定子相电 压US≈ES，为此在实际工程中是以US代替 ES而获得电压与频率之比为常数的恒压频 比控制方程式，即
US fS cSm C
US USN
Ⅱ
US0≈ISRS
Ⅰ
fSN
fS
恒压频比控制特性
恒压频比控制成立的前提是忽略定子阻抗压降， 是在fS较小时，ES也较小，定子阻抗压降比 重增大，不能忽略。
Leabharlann Baidu
451263
负载相电压：以状态①为例，此时功率开关 S1、S5、S6导通。
z A zC
uAO uCO
Ud
zA zC
zB
z A zC zA zC
1 3
U
d
uBO Ud
zB
zB
z A zC zA zC
2 3Ud
负载线电压
uAB uAO uBO uBC uBO uCO uCA uCO uAO
2. 直流电动机的电磁转矩控制 直流电动机的优异的调速性能
是因为具备了如下三个条件： 磁极固定在定子机座上，在空
间产生一个稳定直流磁场。
则电枢磁势的轴线与主极磁场轴线垂直，与 交轴重合。电枢磁势保持与磁场相垂直时， 最能有效产生转矩。
励磁电流和电枢电流在各自回路中，两者各 自独立，互不影响，分别可单独调控。
直流电动机的电磁转矩公式
Ted CMD d I a
直流电动机的电磁转矩具有控制容易而又灵 活的特点。
3. 异步电动机的电磁转矩控制 任何电动机产生电磁转矩在本质上都是电机
内部两个磁场相互作用的结果。
异步电动机的电磁转矩公式为
Ted CMC m Fssin s CMC m Fr sin r
异步电动机的电磁转矩控制比直流电动机的 电磁转矩控制复杂得多，主要表现在：
u
u
u
c
r
O
wt
u
uc ur
O
wt
uo
uo
Ud
uof
O
wt
-Ud
基本思想：等腰三角波与正弦波曲线在相交时 刻产生控制信号，用来控制功率开关器件的 通断，得到一组等幅但脉冲宽度正比于对应 区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲。
改变参考信号ur幅值，脉宽随之改变，逆变器 输出电压大小改变；
改变ur频率，输出电压频率随之改变。 一般，参考信号ur幅值须小于三角波幅值，否
3.1 交-直-交变频调速基本原理
3.1.1 交流电机调速方法
交流电机(同步/异步)最好的调速方法 ——变
频调速。
同步电机转速：
n
n0
60 fs p
异步电机转速：
n
60 fs p
(1
s)
n0 (1
s)
通过改变电源频率(供电电压也随之变化)实现 的速度调节过程称为变频调速。
变频调速的装置称为变频器。
异步电机定子磁势、转子磁势及合成的气隙 磁势均是以同步角速度在空间旋转的矢量。
定子磁势和气隙磁势之间的夹角θs不等于 90°
转子磁势与气隙磁势之间的夹角θr也不等于 90°
如果Фm、Fr的模值为已知，还需知道它们空 间矢量的夹角θr，才可求出电磁转矩。
异步电动机的电磁转矩公式还可写为
Ted CIM m I r cosr
饱和，绕组电流过大，烧坏电机。
保证Φm=Const
故必当须频同率时fS从降额低定ES值，(即基频)向下ES(降f低S )调cS节时m ， C
ES /fS为常数的机械特性
然而感应电动势ES难以检测和控制，实际可 以检测和控制的是定子电压US。
定子回路相量方程
U ES Z S IS j2f S Lm Im (RS IS j2f S LS IS )
1. 直流电动机和异步电动机的电磁转矩控制 在机电传动系统的运动方程
Te
TL
GD 2 375
dn dt
由上式，转速是通过电磁转矩来改变的。
机电传动系统动态特性的好坏，除了受系统
的转动惯量影响外，取决于电动机电磁转 矩的控制性能。
如能实现电动机电磁转矩的直接快速控制， 将会大大提高传动系统的动态特性。
交流调速中，为使输出电压或电流波形接近 于正弦波形，所采用的PWM技术—正弦 PWM (SPWM)
电压SPWM 电流SPWM 磁通SPWM(电压空间矢量PWM,SVPWM)
1.电压正弦波脉宽调制法的基本思想
冲量相等而形状不同窄脉冲加在具有惯性环 节上时，其效果基本相同。
PWM控制技术以该理论为基础，对半导体开 关器件通断进行控制，在输出端得到一系列 幅值相等而宽度可以按一定规律变化的脉冲， 用这些脉冲来代替正弦波或其它所需要波形。