基于脉冲宽度调制技术的变频调速系统研究

基于脉冲宽度调制技术的变频调速系统研究
王建清;吕晶;王建平
【摘要】介绍了交流变频调速类型、基本原理和脉冲宽度调制技术，分析了基于脉冲宽度调制技术变频调速的优点以及发展趋势，并对其性能进行了探讨，研究了脉冲宽度调制技术变频调速的工作原理和性能表现，论述了其克服谐波严重危害的基本方法。

%The paper introduced the types and basic principle of AC variable frequency speed control system,and PWM technique. The advantages of PWM-based variable frequency speed control technique and its application prospect were analysed. The working principle and performance of PWM-based technique were studied,and the method to overcome the hazards caused by harmonic waves was elaborated.
【期刊名称】《山西电力》
【年(卷),期】2014(000)003
【总页数】4页(P15-18)
【关键词】脉冲宽度调制;变频调速;节能
【作者】王建清;吕晶;王建平
【作者单位】忻州供电公司，山西忻州 034000;忻州供电公司，山西忻州034000;忻州供电公司，山西忻州 034000
【正文语种】中文
【中图分类】TM301.2
电力系统的发展对电能的灵活调节不断提出新的要求，而更高性能的调节手段又对电力系统中电能的产生、输送与应用带来积极的变化。

柔性交流输电FACT （FlexibleAlternativeCurrentTransmission）的提出和实施为交流系统参数、无功调节、输送能力、动态稳定给出了新的解决方案，其中变频调速、中频电炉、电子镇流器技术的发展是在用电设备中实现对电能的变换与控制。

上述技术的发展正是柔性电力技术思路的体现，其核心是电力电子技术的应用。

柔性电力技术定义为基于电力电子技术在电能的产生、输送与应用各个环节对电能的数量和形态进行快速、精确控制的技术。

电力电子技术包括器件、电路与系统三个层次，其中器件的发展和应用是整个电力电子技术的基础。

针对柔性电力技术中用到的典型器件有功率二极管、晶闸管、门极可关断晶闸管、金属氧化半导体场效应管、绝缘栅极场效应晶体管、集成门极换流晶闸管，依据控制方式可以分为三类：不可控器件、半控器件、全控器件。

随着电力电子器件、信息技术和控制技术的发展，柔性电力技术在高压直流输电、统一潮流控制器、不间断电源、静止无功补偿器等已经获得了很多成功的应用[1]。

电动机的变频调速是柔性化概念在用电领域的典型体现，它是
通过对电源的频率和电压都进行调节的AC—DC—AC或AC—AC变频装置接入
电网，依据电动机负载变化的要求调节加在电动机上电压的大小和频率来进行调速，变频调速在降低能耗等方面有一定的应用价值[2]。

按照交流异步电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率P m可分为两部分：一部分P2=（1-s） P m是拖动负载的有效功率（s为转差率），另一部分是转差功率P s=sP m，与转差率s成正比。

从能量转换的角度看，转差功率是否增大，是消耗还是得到回收，是评价调速系统效率高低的一种标志。

基于这点，可以把调速系统分成三大类：转差功率消耗性调速系统、转差功率回馈型调速系统、转差功率不变型调速系统，变频调速属于第三种[3]。

异步电动机的变压变频调速系统一
般简称“变频调速系统”，由于在调速时转差功率不变，在各种异步电动机调速系
统中效率最高，同时性能也最好，是交流调速系统的主要发展方向[3]。

在异步电机调速系统中，通常希望保持每极磁通量φm为额定值，磁通太弱没有充分利用电机的铁心，若增大磁通，就会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损毁电机。

对于直流电机，励磁系统是独立的，保持磁通不变是比较容易的；在交流异步电机中，磁通φm是定子和转子磁势合成产生的，合成磁通受定子磁势和转子磁势的影响，保持恒定的磁通需要考虑两方面的因素。

三相异步电动机定子每相电动势的有效值是
式中：E g——气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，V；
f1——定子频率，Hz；
N1——定子每项绕组串联匝数；
kN1——基波绕组系数；
φm——每极气隙磁通量，Wb。

从式（1）可知，只要控制E g和f1，就可以达到控制磁通φm的目的。

要使φm 不变，当频率f1向下调节时，要同时降低E g，使
式（2）中k为常数，即采用恒定的电动势频率比的控制方式。

通常电动势难以直接控制，忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，可以认为定子电压U1≈E g，则得
低频时，U1和E g比较小，定子阻抗压降所占的比重比较大，此时可以适当补偿定子压降。

在基频以上调速时，频率f1增加，但电压U1却不能成比例增加，由式（1）可知，此时相当于直流电机弱磁升速的情况。

交流—交流变换是将一种形式的交流变成另一种形式交流的电力变换技术。

只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路称为交流电力控制电路；改变频率的电路称为变频电路，变频电路有交交变频电路和交直交变频两种形式。

前者直接把一种频率的电流变成另一种频率或可变频率的交流，称为直接变频电路；后者先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流，
这种通过直流中间环节的变频电路也称为间接变频电路。

交交变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼接而成的，当输出频率升高时，输出电压在一个周期内电网电压的段数就减少，所含的谐波分量就要增加，输出电压的波形畸变是限制输出频率提高的主要因素之一。

电网频率为50 Hz时，交交变频电路的输出上限频率约
为20 Hz，主要用在500 kW以上，转速在600 r/min以下的大功率、低转速的
交流调速装置中[4]。

在采样控制理论中，有一个重要的结论[1]：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具
有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量即指窄脉冲的面积这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

若把各输出波形用傅里叶变换分析，其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

上述原理称之为面积等效原理，它是脉冲宽度调制PWM（PulseWidth Modulation）技术的重要理论基础。

可以用一系
列等幅值不等宽度的脉冲来代替一个正弦半波，把图1的正弦半波分成N等分，
就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成，这些脉冲宽度相等，为π/N，但是幅值不等。

把上述脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲替代，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且面积相等，就得到图1
的脉冲序列，即PWM波形，像这种脉冲的宽度是按正弦规律变化而与正弦波等
效的PWM波形，也称正弦波脉宽调制SPWM（Sinusoiddal PWM）波形。

要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。

PWM的控制就是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定开关器件的开关时刻，常用的方法有以下几种[5]。

a）自然采样法。

在正弦调制波和三角载波的自然交点时刻，控制功率开关器件的通断。

其缺点是需要求解复杂的超越方程，计算时间长，难以实现控制中的在线计算。

b）规则采样法。

在三角载波每一个周期内的固定时刻，找到正弦调制波上的对应
电压值，就用此值对三角载波进行采样，以决定功率开关元件的导通与关断时刻，它克服了自然采样法的不足，计算工作量小，效果接近自然采样法。

c）特定谐波消去法，其脉冲开关时间不是由三角载波与正弦调制波的交点确定的，而是从消除某些特定谐波的目的出发，通过解方程组确定。

以图2所示的电压波形为例，这是一个半周期内只有3个脉冲波的单极式PWM
波形，若要求逆变器输出的基波电压幅值为U1m，并要消去5次和7次谐波（三相电机无中线时，3次和3的倍数次谐波忽略），则需适当选取脉冲开关时刻a1，a2，a3。

如把时间坐标原点选在周期处，则PWM电压波形的傅氏级数可写作
根据式（8）即可得到消除了5次和7次谐波的脉冲各时刻的值a1、a2、a3。

需
要注意，利用指定谐波消去法能够有效消除所指定次数的谐波，但是指定次数以外的谐波不一定能够消除，有时还会增大，不过他们属于高次谐波，对电机的工作影响不大。

PWM逆变电路的输出电压、电流接近正弦波，但由于使用载波对正弦信号波调制，因而产生了和载波有关的谐波分量。

谐波分量的频率和幅值是衡量PWM逆变电
路性能的重要指标之一，这里只分析双极限PWM波形。

以异步调制方式为例
（同步调制可以看成是异步调制的特殊情形），单相桥式PWM逆变电路输出波
形包含的谐波角频率为
其中，ωc为载波信号频率，ωr为调制信号频率，h=1，3，5，…时，k=0，2，4，…；h=2，4，6，…时，k=1，3，5，…。

从频谱分析[1]可知，PWM波形中
不含低次谐波，只含有角频率为ωc及其附近的谐波，以及2ωc和3ωc等及其附近的谐波，幅值最高影响最大的是角频率为ωc的谐波分量。

三相桥式PWM逆变电路可以每相各有一个载波信号，也可以三相公用一个载波信号，以公用载波信号进行分析。

其输出线电压所包含的谐波角频率为
和单相电路时的情况相比较，共同点是都不含低次谐波，区别是三相桥式PWM
逆变电路中不存在角频率整数倍的谐波，谐波中幅值较高的是ωc±2ωr和
2ωc±ωr。

以上分析都是在理想情况下进行的，实际电路中的谐波含量比理想条件下多，甚至会出现少量低次谐波。

一般情况下，所有PWM波形中所含的主要谐
波频率比基波频率高得多，容易滤除。

变频器的基本构成如图3所示，它由主电路和控制电路组成，整流器多采用可控
整流方式。

逆变器选集成门极换流晶闸管开关器件，通过有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。

由于异步电动机为感性负载，中间直流环节与电动机之间有无功功率的交换，这就靠中间环节来缓冲。

控制电路完成对逆变器的开关控制以及完成各种保护功能。

节能减排是时代进步的要求，随着电力电子技术的发展和计算机控制技术的进步，PWM技术的应用日益广泛，产生了积极的经济效益。

吕晶（1990-），男，山西忻州人，2011级山西大学电力系统及其自动化专业函授在读；
王建平（1981-），男，山西忻州人，2007年毕业于华北电力大学自动化专业，硕士，研究方向为电网调度与控制。

【相关文献】
［1］高翔.数字化变电站应用技术［M］.北京:中国电力出版社，2008；12，76.
［2］付旭，徐磊.Linux环境下GOOSE报文传输方案的研究与设计［J］.电气科学与工程，2009，25（12）：26-29.
［3］沈重，解东光，肖智天，等.IEC-61850GOOSE在数字化变电站中的应用［J］.东北电力大
学学报，2010，30（5）：41-44.
［4］丁峰，陆承宇.基于IEC61850标准的变电站防误闭锁工程应用［J］.电力系统保护与控制，2010，38（9）：96-99.
［5］范美娟，李先允，吉同舟.基于IEC61850风电场变电站的GOOSE报文传输［J］.南京师范
大学学报，2010，10（2）：12-16.。