PWM型变频器的基本控制方式要点
变频器的工作原理与控制方式
变频器的工作原理与控制方式变频器（Variable Frequency Drive，缩写为VFD），又称为交流调速器（AC Drive），是一种用于调节交流电机转速的电子装置。
它通过改变输入电压的频率和幅值来控制电机的转速。
变频器工作原理主要涉及开关技术、PWM调制技术、电机驱动理论等方面内容，下面将详细介绍。
一、变频器的工作原理1.开关技术变频器利用开关电子器件（如晶体管、IGBT等）来实现对输入电源的开关控制。
通过不断开关电路，形成等效于几十千赫兹至几千千赫兹的高频方波，从而形成理想的正弦波输出。
2.PWM调制技术PWM（Pulse Width Modulation）调制技术是指通过改变开关装置的导通时间和关断时间，以一定占空比形式控制开关管工作的方式。
在变频器中，PWM技术可以实现加减压、变频和控制电机的转速。
3.电机驱动理论变频器通过改变输入电压的频率和幅值来调节电机的转速。
在工作过程中，通过改变开关器件导通时间和关断时间，将输入电压的频率调节到所需的频率范围，实现对电机转速的精准控制。
二、变频器的控制方式1.V/f控制方式V/f控制方式（Voltage/frequency ratio control）是一种常用的变频器控制方式。
它通过传感器检测电机当前的转速，并根据转速信号和预设的转速曲线进行比较，计算所需输出频率，并根据预设的V/f比值进行控制，实现对电机速度的调节。
2.向量控制方式向量控制方式（Vector Control）又称矢量控制方式，是一种高性能的变频器控制方式。
它通过传感器检测电机当前的转速、转矩和位置等信息，并根据这些信息进行精确计算和控制，实现对电机速度、转矩和位置等的准确控制。
3.矢量控制方式矢量控制方式（Direct Torque Control，缩写为DTC）是一种高性能的变频器控制方式。
它通过传感器检测电机当前的转速、转矩等信息，并根据转速、转矩的变化率进行预测和计算，在每个采样周期内调节电机的转速和转矩，实现对电机的精确控制。
PWM型变频器的基本控制方式
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通用的PWM型变频器是一种交—直—交变频，通过整流器将工频交流电整流成直流电，经过中间环节再由逆变器将直流电逆变成频率可调的交流电，供给交流负载。
异步电动机调速时，供电电源不但频率可变，而且电压大小也必须能随频率变化，即保持压频比基本恒定。
PWM型变频器一般采用电压型逆变器。
根据供给逆变器的直流电压是可变的还是恒定的，变频器可分成两种基本控制方式。
(1)变幅PWM型变频器这是一种对变频器输出电压和频率分别进行调节的控制方式，其基本电路如图3-3所示。
中间环节是滤波电容器。
图2-3 变幅PWM型变频器晶闸管整流器用来调压，与一般晶闸管调压系统一样，采用相位控制，通过改变触发脉冲的延迟角α来获得与逆变器输出频率相对应的不同大小的直流电压。
逆变器只作输出频率控制，它一般是由6个开关器件组成，按脉冲调制方式进行控制。
图3-4所示是另一种直流电压可调的PWM变频电路。
它采用二极管不可控整流桥，把三相交流电变换为恒定的直流电。
分立斩波器电路，来改变输出直流电压的大小，通过逆变器输出三相交流电。
图2-4 利用斩波器的变频电路图以上两种调压式变频电路，都需要两极可控功率级，相比较，采用晶闸管整流桥可以获得更大功率的直流电，由于可控整流桥采用相位控制，输入功率因数将随输出直流电压的减小而降低；而斩波式调压，输入功率变流级采用的是二级管整流桥，所以输入端有很高的功率因数，代价是多了一个斩波器。
另外，就动态响应的快速性来说后者比前者好。
(2)恒幅PWM型变频器恒幅脉宽调制PWM式变频电路如图3.3所示，它由二极管整流桥，滤波电容和逆变器组成。
逆变器的输入为恒定不变的直流电压，通过调节逆变器的脉冲宽度和输出交流电压的频率，既实现调压又实现调频，变频变压都是由逆变器承担。
此系统是目前使用较普遍的一种变频系统，其主电路简单，只要配上简单的控制电路即可。
它具有下列主要优点：1）简化了主电路和控制电路的结构。
变频器PWM技术
变频器PWM技术在现代工业领域，变频器已成为不可或缺的设备，广泛应用于电机控制、能源管理等方面。
而在变频器中，PWM（Pulse Width Modulation）技术被广泛采用，为电机提供高效的控制和调节。
一、PWM技术的基本原理PWM技术是通过控制电源的开关时间来控制输出电平的技术。
其基本原理是将一个周期性的脉冲信号，通过调整脉冲的占空比来控制输出电压的大小。
通过PWM技术可以有效地控制电机的转速、电压和电流，实现精确的电机控制。
二、PWM技术的优势1. 精确控制：PWM技术可以通过调整脉冲的占空比来控制输出电压的大小，从而精确控制电机的转速和输出功率。
2. 高效能耗：PWM技术能够实现电能调节，通过快速切换电源的开关状态，在减小功耗的同时提高电源利用率。
3. 噪声低：PWM技术可以通过合理的调整频率和脉冲宽度来减小电机工作时的噪声，并提高整个系统的运行稳定性。
4. 可靠性强：通过PWM技术，可以将输入电源的频率和电压转换为适合电机工作的频率和电压，提高整个系统的可靠性和稳定性。
三、PWM技术的应用场景1. 变频驱动：PWM技术被广泛应用于电机变频驱动系统，如空调、洗衣机、风扇等家电产品。
通过PWM技术可以实现电机转速调节和能量管理，提高产品效率和性能。
2. 能源管理：PWM技术可以应用于太阳能发电、风能发电等能源管理系统中。
通过PWM技术可以实现对电能的有效调节和利用，提高能源利用率和系统的稳定性。
3. 电力电子：PWM技术在电力电子领域也有广泛的应用，如电力变换器、逆变器和交流传动等。
通过PWM技术可以实现对电能的高效转换和控制，提高电力系统的稳定性和运行效率。
四、PWM技术的未来发展随着科学技术的不断进步，PWM技术也在不断创新和发展。
未来，PWM技术有望在以下方面取得更多的突破：1. 高频调制：通过提高PWM技术的调制频率，可实现更高精度的电气调节和响应速度。
2. 多级逆变器：多级PWM逆变器可以实现对电能质量更精细的调控，并提高系统的可靠性和效率。
三相交流电压型PWM变频电源及控制方法
特点？
43-17同步调制和异步调制方式
（3）同步调制和异步调制方式：
根据载波频率与调制 波频率的关系， 调制方法又分为：
fsw / Hz
载波比k =fsw/fout
• 同步调制：载波比k为
3 的倍数, 能保证逆变器 输出波形的正、负半波
fout / Hz
对称，也能保证三相平 衡。但低速时,脉冲间隔
▪ 交流电机：
▪ 异步机: 绕线式，鼠笼式 ▪ 同步机: 它激式，自激式，永磁式
43-2变频器的分类
交流交流 (交)直交
矩阵式
相控型 电压型
硬开关 电流型
PAM 两电平
PWM 多电平
软开关
图 6.2.1 变频器的类型
三角波 PWM
空间电压矢量法 其他
重点:电压型, 两电平, PWM, 空间电压矢量法
uA
B : e j120o
F1 uB
uC
C : e j120o O
A : e j0
IM
Fg (t) 2 / 3(FA FB FC )
图 6.2.10 三 相 理 想 电 源 和 空 间 磁 动 势 表 示
2 / 3(
f Ae j0o
f e j120o B
fC e j120o )
空间位置
FA FB
uUN'
Ud
②
2
O
Ud 2
uVN'
Ud
③
2
O
Ud 2
uWN'
Ud
④
2
O
uA0 uB0 uC 0
ura (k) 与 该 周 期 内 矩 形 波 uAO (k ) 的平均值相等。
pwm直流电机控制原理
pwm直流电机控制原理
PWM（脉宽调制）是一种控制技术，可以用于控制直流电机的转速和方向。
它通过改变信号的脉冲宽度来控制电机驱动电压的大小。
在PWM控制中，周期性地产生一个固定频率的方波信号，即PWM信号。
这个信号的高电平时间（脉冲宽度）可以根据需要进行调整。
脉冲宽度越长，电机接收到的驱动电压就越高，转速也会相应增加。
脉冲宽度越短，则驱动电压越低，转速也会减小。
PWM信号的周期必须远远小于电机的机械响应时间，以确保控制的稳定性。
频率一般设定在几千赫兹到几十千赫兹之间，以避免电机产生噪音。
脉冲宽度的调整则通过改变占空比（高电平时间与周期的比值）来实现。
在具体的实现中，通常使用微控制器或专用的PWM控制器来产生PWM信号。
通过改变占空比的值，控制电机的转速。
例如，当占空比为50%时，电机接收到的驱动电压为平均值的一半，电机转速为额定转速的一半；当占空比为100%时，电机接收到的驱动电压为最大值，电机转速为最大转速。
为了实现方向控制，可以使用H桥电路。
H桥电路可以控制电流的方向，从而改变电机的转向。
通过控制H桥的开关状态，可以将电机正反转。
综上所述，PWM控制技术通过改变信号的脉冲宽度来控制直
流电机的转速和方向。
通过微调占空比的值，可以精确控制电机的转速，并利用H桥电路控制电机的转向。
变频器控制方式有哪些_变频器有几种控制方式_变频器的控制方式详解
变频器控制方式有哪些_变频器有几种控制方式_变频器的控制方式详解变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，而作为变频调速系统的核心变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的先天条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。
本文从工业实际出发，综述了近年来各种变频器控制方式的特点，并展望了今后的发展方向。
变频器简介1）变频器的基本结构变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。
对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
2）变频器的分类变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM 控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
变频器控制方式选择依据对于控制方式，要根据生产机械的具体要求来进行选择。
1、二次方律负载对于离心式风机、水泵和空气压缩机一类的二次方律负载，一般采用V/F控制方式为宜。
因为V/F控制方式有低励磁U/f线，在低频运行时可以更好地节能。
矢量控制方式实质上是使电动机始终保持额定磁通的控制方式，不可能实现低励磁。
2.恒转矩负载（1）对于负载率经常变动、调速范围又不很大的负载，一般以选择无反馈矢量控制为好，因为V/F控制方式的转矩提升量不易预置得恰到好处，但采用无馈矢量控制方式时，须注。
PWM控制原理
PWM控制技术主要内容：PWM控制的基本原理、控制方式与PWM波形的生成方法，PWM逆变电路的谐波分析，PWM 整流电路。
重点：PWM控制的基本原理、控制方式与PWM波形的生成方法。
难点：PWM波形的生成方法，PWM逆变电路的谐波分析。
基本要求：掌握PWM控制的基本原理、控制方式与PWM波形的生成方法，了解PWM逆变电路的谐波分析，了解跟踪型PWM逆变电路，了解PWM整流电路。
PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
第3、4章已涉及这方面内容:第3章：直流斩波电路采用，第4章有两处： 4.1节斩控式交流调压电路，4.4节矩阵式变频电路。
本章内容PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。
本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术，也介绍PWM整流电路1 PWM控制的基本原理理论基础：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。
冲量指窄脉冲的面积。
效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。
低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲面积等效原理：分别将如图6-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图6-2a所示。
其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图6-2b所示。
从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。
脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。
如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。
用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
图6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。
变频器的控制方式有哪些
变频器的控制方式有哪些变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
那么，常见的变频器有哪些种类，它们的控制方法又是什么？变频器的种类从控制方式来讲，现在市场上常见的有V/F控制变频器、矢量控制变频器两种。
从电压角度来讲，有低压变频器、高压变频器两种。
从电源角度来讲，有单相变频器、三相变频器的区分。
从适用场合来分，有通用变频器、风机水泵专用型变频器、注塑机专用型变频器、拉丝机专用变频器、电梯专用变频器、球磨机专用变频器等等。
变频器常用的控制方式1、非智能控制方式在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f 协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
（1）V/f正弦脉宽调制（SPWM）控制方式V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。
V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。
（2）转差频率控制转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。
这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳。
PWM型变频器的基本控制方式
PWM型变频器的基本控制方式通用的PWM型变频器是一种交—直—交变频，通过整流器将工频交流电整流成直流电，经过中间环节再由逆变器将直流电逆变成频率可调的交流电，供给交流负载。
异步电动机调速时，供电电源不但频率可变，而且电压大小也必须能随频率变化，即保持压频比基本恒定。
PWM型变频器一般采用电压型逆变器。
根据供给逆变器的直流电压是可变的还是恒定的，变频器可分成两种基本控制方式。
(1)变幅PWM型变频器这是一种对变频器输出电压和频率分别进行调节的控制方式，其基本电路如图3-3所示。
中间环节是滤波电容器。
图2-3 变幅PWM型变频器晶闸管整流器用来调压，与一般晶闸管调压系统一样，采用相位控制，通过改变触发脉冲的延迟角α来获得与逆变器输出频率相对应的不同大小的直流电压。
逆变器只作输出频率控制，它一般是由6个开关器件组成，按脉冲调制方式进行控制。
图3-4所示是另一种直流电压可调的PWM变频电路。
它采用二极管不可控整流桥，把三相交流电变换为恒定的直流电。
分立斩波器电路，来改变输出直流电压的大小，通过逆变器输出三相交流电。
图2-4 利用斩波器的变频电路图以上两种调压式变频电路，都需要两极可控功率级，相比较，采用晶闸管整流桥可以获得更大功率的直流电，由于可控整流桥采用相位控制，输入功率因数将随输出直流电压的减小而降低；而斩波式调压，输入功率变流级采用的是二级管整流桥，所以输入端有很高的功率因数，代价是多了一个斩波器。
另外，就动态响应的快速性来说后者比前者好。
(2)恒幅PWM型变频器恒幅脉宽调制PWM式变频电路如图3.3所示，它由二极管整流桥，滤波电容和逆变器组成。
逆变器的输入为恒定不变的直流电压，通过调节逆变器的脉冲宽度和输出交流电压的频率，既实现调压又实现调频，变频变压都是由逆变器承担。
此系统是目前使用较普遍的一种变频系统，其主电路简单，只要配上简单的控制电路即可。
它具有下列主要优点：1）简化了主电路和控制电路的结构。
变频器的控制方式及合理选用
变频器的控制方式及合理选用1.变频器的控制方式低压通用变频器输出电压在380~650V，输出功率在0.75~400KW，工作频率在0~400HZ，它的主电路都采用交-直-交电路。
其控制方式经历以下四代。
（1）第一代以U/f=C，正弦脉宽调制（SPWM）控制方式。
其特点是：控制电路结构简单、成本较低，但系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。
（2）第二代以电压空间矢量（磁通轨迹法），又称SPWM控制方式。
他是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形。
以内切多边形逼近圆的方式而进行控制的。
经实践使用后又有所改进：引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流成闭环，以提高动态的精度和稳定度。
但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
（3）第三代以矢量控制（磁场定向法）又称VC控制。
其实质是将交流电动机等效直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。
通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。
然而转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，实际效果不如理想的好。
（4）第四代以直接转矩控制，又称DTC控制。
其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。
具体方法是：a.控制定子磁链——引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；b.自动识别（ID）——依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；c.算出实际值——对定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；d.实现Band-Band 控制——按磁链和转矩的Band-Band 控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制；e.具有快速的转矩响应（〈2ms），很高的速度精度（±2%，无PG反馈），高转矩精度（〈±3%）；f.具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时）,可输出150% ~200%转矩。
PWM脉宽调制变频电路
PWM脉宽调制变频电路
在图4-2b、c两种电路结构中，因采用不可控整流 器，功率因数高。而在图4-2a电路中，由于采用可控 整流，输出电压有换相电压降产生，谐波的无功功率 使得输入端功率因数降低。在图4-2a、b两种电路结构 中，独立的调压调频环节使之容易分开调试，但系统 的动态反应慢。图4-2c所示的电路结构则具有动态响 应快，功率因数高的特点。
PWM脉宽调制变频电路
变频器的分类与交—直—交变频器 的结构框图。图4-1a所示的交—交变频器在结构上没有 明显的中间滤波环节，来自电网的交流电被直接变换为 电压、频率均可调的交流电，所以称为直接变频器。而 图4-1b所示的交—直—交变频器有明显的中间滤波环节， 其工作时首先把来自电网的交流电变换为直流电，经过 中间滤波环节之后，再通过逆变器变换为电压、频率均 可调的交流电，故又称为间接变频器。
图4-10 分段同步调制
PWM脉宽调制变频电路
4.1.2 SPWM波形的开关点算法
在SPWM系统中，通常是利用三角载波与正弦参 考波进行比较以确定逆变器功率器件的开关时刻， 从而控制逆变器输出可调正弦波形。这一功能可由 模拟电子电路、数字电子电路、专用的大规模集成 电路等装置来实现，也可由计算机编程实现。SPWM 系统开关点的算法，主要分为两类：一是采样法， 二是最佳法。
形成不可调的直流电压Ud。而逆变环节则以六只功率开关
器件和辅助元件构成，这些开关器件可以选用功率晶体管 GTR，功率场效应晶体管MOSFET，绝缘门极晶体管IGBT等。 控制逆变器中的功率开关器件按一定规律导通或断开，逆 变器的输出侧即可获得一系列恒幅调宽的输出交流电压， 该电压为可调频、可调压的交流电——VVVF。
PWM脉宽调制变频电路
4.1.1 PWM脉宽调制原理
第4章 脉宽调制技术
4.1.2 PWM型逆变电路的控制方式
1.异步调制
载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式。在异步调 制方式中，调制信号频率fr变化时，通常保持载波频率fc固定不变，因而载波
比N是变化的。
在采用异步调制方式时，希望尽量提高载波频率，以使在调制信号频率较 高时仍能保持较大的载波比，改善输出特性。
般为8位或10位。
（5）通讯接口
芯片应备有用于外围通信的同步、异步串行接口的硬件或软件单元。
27
2．几种新型单片微处理器简介
8xCl96MC系列
8xCl96MC是一个16位微处理器，其内部有一 个三相互补SPWM波形发生器，可直接输出6路 SPWM信号，驱动电流达20mA。
28
4.3 电流跟踪型PWM逆变器控制技术
在不提高载波频率的前提下，消除所不希望的各谐波分量。
1．两电平PWM逆变器消除谐波的一般方法
23
24
2．三电平PWM逆变器消除谐波的方法
图4-14所示PWM逆变器，当S1、S2采用10、00、01开关模式时，则逆变器 输出电压具有三种电平，其输出PWM波形如下图所示。
图4-17 三电平PWM逆变器的输出电压波形
37
4.4.2．反馈信号的测取
1.电压和电流反馈信号的测取
电压和电流反馈信号的检测一般有三种方法： ⑴电阻法：采用电阻分压，可将电压信号衰减至所需要的电平。将被测 电流通过已知电阻，测量其压降后可知被测电流。
电阻法的优点是电路简单，交直流信号皆适用。缺点是，如反馈控制电路 与主电路没有隔离，而两者的电压相差极大（几十倍至上百倍），万一主电路 的高电压通过反馈电路进入控制电路，将危及到控制系统的安全。而电阻法要 求分压器和分流器的电阻值稳定不变，这也是很难做到的。
第二章之二 PWM控制
2.3
PWM控制基础
随着自关断型电力电子器件（如GTO、 GTR、IGBT、MOSFET等）、微电子技术 及微计算机技术的发展，采用脉宽调制 （PWM）控制技术的变频调速器蓬勃发展 起来。PWM变频器基本解决了常规六脉波 变频器中存在的问题，成为现代交流调速 技术发展最快的一个领域。
PWM控制基础
2. PWM变频器
VT1 ~ C
VT3
VT5 A B M C 3~
Ud
VT4 VT6 VT2
(a)
图2-18 PWM变频器的原理图 (a) 主电路
2.3
PWM控制基础
ura
参考信 号发生 器 − urb
ud
a
ud
b
−
urc
驱动VT1~VT6
2.3
PWM控制基础
恒压恒频 (CVCF)
中间直流环节
变压变频 (VVVF)
DC AC ~ 50Hz
C PWM 逆变器
AC
调压调频
交-直-交PWM变压变频器
2.3
PWM控制基础
u
1. PWM控制原理
在采样 控制理 论中
有一个重要的结论：
a)
u
ur uc
O
t
uo Ud
uo f
uo
O -Ud 图6-6
t
使开关器件难以承受。
2.3
PWM控制基础
u u rU uc u rV u rW
同步调制 三相PWM 波形
O
t
u UN'
Ud 2 U - d 2
0
t
u VN'
0 t
变频器的PWM控制方式
PWM控制是 PuLse Width Modulation（脉冲宽度调制）控制的简称，是指逆变电路部分同时对输出电压（电流）的幅值和频率进行控制的控制方式。
在这种控制方式中，以较高频率对逆变电路的半导体开关元器件进行开闭，并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压（电流）的目的。
为了使异步电动机在进行调速运转时能够更加平滑，目茼在变频器中多采用正弦波PWM控制方式。
所谓正弦波PWM控制方式指的是通过改变PWM输出的脉冲宽度．使输出电压的平均值接近于正弦波。
这种控制方式也称为SPWM控制。
采用PWM控制方式的变频器具有可以减少高次谐波带来的各种不良影响，转矩波动小，而且控制电路简单，成本低等特点，是目前在变频器中采用最多的一种逆变电路控制方式。
但是该方式也具有当载波频率不合适时会产生较大的电动机运转噪声的缺点。
为了克服这个缺点，在采用PWM控制方式的新型变频器中都具有一个可以改变变频器载波频率的功能，以便使用户可以根据实际需要改变变频器的载波频率，从而达到降低电动机运转噪声的目的。
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变频器的PWM控制技术
变频器的PWM控制技术变频器是一种能够改变交流电电源的频率，从而控制电机转速的电力设备。
变频器广泛应用于工业、农业和家庭等各个领域。
在变频器控制电机转速的过程中，PWM控制技术是一种广泛采用的方式。
本文将重点介绍PWM控制技术是如何在变频器中被运用的，以及PWM控制技术的原理、优点和局限性。
一、PWM控制技术在变频器中的应用PWM控制技术是指通过对开关管进行控制，将输入电压分为若干份，控制输出脉冲的宽度及频率，从而改变平均输出电压的一种控制技术。
在变频器系统中，PWM控制技术被应用于直流侧的晶闸管逆变器驱动单元，将直流电能转换为交流电能。
变频器的PWM控制技术能够使得输出的电压波形接近正弦波、减小谐波失真率和电机噪声，从而提高变频器的效率和性能。
PWM控制技术还可以实现变频器对电机的电磁势、电压和电流的全面控制，提高控制系统的可靠性和稳定性。
二、PWM控制技术的原理PWM控制技术的原理是，通过改变开关管导通的时间，控制输出电压的有效值。
在PWM控制技术中，开关管的导通时间被分成一个基本周期，根据控制系统的要求，将基本周期分成若干个等分的时间片，即时序脉冲。
PWM控制方法将时序脉冲的宽度作为控制参数，用以控制输出电压的有效值，从而控制电机的运行状态。
PWM控制技术的输出脉冲和正弦波之间的关系可以通过图1表示。
图1：PWM控制技术的输出脉冲和正弦波之间的关系三、PWM控制技术的优点1.控制性能好PWM控制技术可以根据电机的负载实时调整输出电压的大小，从而达到更好的控制效果，能够满足各种控制系统的需求。
2.效率高PWM控制技术能够将变频器输出的波形近似正弦波，减少失真，提高电机的效率，从而降低电能的损耗。
3.控制精度高PWM控制技术可以实现与电机负载无关的精准控制，能够保持电机的稳定运转。
4.使用寿命长PWM控制技术可以降低电机的噪声和振动，减少机械疲劳，从而延长电机的使用寿命。
四、PWM控制技术的局限性1.调制方式单一PWM调制方式仅能调整输出电压的有效值，不能调整电压的相位，因此无法实现电机的同步启动。
电力电子变频器及PWM控制原理
目录
• 电力电子变频器概述 • PWM控制原理 • 电力电子变频器PWM控制策略 • PWM控制技术在电力电子变频器中的应
用 • PWM控制技术的发展趋势与展望
01
电力电子变频器概述
变频器定义与工作原理
变频器定义
变频器是一种将固定频率的交流电转换为可变频率和电压的交流电的电力电子装 置。
电压矢量PWM控制策略
基于电压空间矢量的概念，将三相电压等效为一个旋转的合成空间矢量，通过 调节该矢量的幅值和角度实现电机转矩和速度的控制。该策略具有直流电压利 用率高、转矩脉动小等优点。
电流PWM控制策略
峰值电流PWM控制策略
通过控制输入电流的峰值，实现电机的恒功率控制。该策略 具有简单易实现、动态响应快等优点，但低速时存在转矩脉 动和过电流的问题。
能质量。
05
PWM控制技术的发展趋 势与展望
PWM控制技术的发展趋势
高效能化
随着电力电子技术的不断进步，PWM控制技术也在向更 高效率的方向发展，以实现更低的能耗和更高的能源利用 效率。
智能化
随着人工智能和大数据技术的快速发展，PWM控制技术 也在向智能化方向发展，通过自适应、自学习等技术实现 更精准的控制和优化。
平均电流PWM控制策略
通过控制输入电流的平均值，实现电机的恒转矩控制。该策 略具有转矩脉动小、稳态精度高等优点，但动态响应较慢。
矢量PWM控制策略
磁场定向控制PWM策略
将异步电动机的定子电流分解为与转子磁场方向相垂直的励磁电流和与转子磁场方向一致的转矩电流 ，分别进行控制。该策略具有调速范围宽、动态响应快等优点，但需要精确的电机参数和复杂的控制 系统。
和电流型 变频器。电压型变频器输出电压 可调，而电流型变频器输出电流
PWM原理
3 PWM变频控制技术3.1 PWM控制技术概述所谓脉宽调制PWM（Pulse Width Modulation）技术是指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，简称PWM技术。
当然，这对我们来说并不陌生，在前面介绍的交-直-交变压变频电路即是充分利用了这一技术。
我们的毕业设计内容也是得用PWM技术来控制电机。
所以我们有必要充分了解一下PWM技术的原理及它的优点等内容。
在变频调速系统中采用PWM技术不仅能够及时、准确地实现变压变频控制要求，而且更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量，从而降低或消除了变频调速电动机的转矩脉动，提高了电动机的工作效率，扩大了调速系统的调速范围。
目前，实际工程中主要采用的PWM技术是正弦PWM(SPWM)，这是因为采用这种技术的变频器输出的电压或电流波形接近于正弦波形。
PWM型变频器的主要特点是：（1）主电路只有一个可控的功率环节，开关元件少，控制线路结构得以简化；（2）整流侧使用了不可控整流器，电网功率与逆变输出电压无关，基本上接近于1；（3） VVVF在同一环节实现，与中间储能元件无关，变频器的动态响应加快；（4）通过对PWM控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次谐波，实现接近正弦波形的输出交流电压波形。
3.1.1 PWM控制的基本原理PWM控制技术的重要理论基础就是面积等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。
下面我们分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波。
把图3-1（a）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组成的波形。
这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。
如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不是等宽的矩形脉冲的中点和相应正弦波部分面积（冲量）相等，图3.1 PWM波就得到3.1（b）所示的脉冲序列。
变频器pwm控制的基本原理
变频器pwm控制的基本原理变频器（Variable Frequency Drive，简称VFD）是一种能够通过改变电机供电频率来实现对电机转速控制的设备。
其中，PWM （Pulse Width Modulation）脉宽调制技术是变频器实现对电机控制的基本原理。
PWM脉宽调制技术是一种通过改变电压的占空比来实现对电机转速的控制方法。
在PWM控制中，控制器会根据需要的电机转速，通过调整输出信号的占空比来改变电机的输出功率。
占空比即高电平信号的持续时间与一个周期的时间之比。
通过调整占空比，可以改变电机的平均电压，进而控制电机的转速。
实际上，PWM脉宽调制技术是将输入电压转换为一个高频脉冲信号的方法。
这个高频脉冲信号的占空比可以通过改变PWM控制器的输出信号的高电平时间来实现。
在控制器中，通过比较电压参考信号和三角波信号，生成一个高低电平不断变化的PWM信号。
这个PWM信号经过放大后，供给给电机，从而实现电机的转速控制。
PWM脉宽调制技术的优点是能够在不改变电压幅值的情况下，通过改变占空比来控制电机转速。
这种方法可以在电机运行时提供最大的电压和电流，从而提高电机的输出功率。
同时，由于PWM脉冲信号的频率很高，电机会感受不到电压的突变，减少了能源的浪费和电机的损耗。
通过PWM脉宽调制技术，变频器可以实现对电机的精确控制，从而适应不同的工作需求。
在实际应用中，可以通过调节PWM信号的占空比来改变电机的转速，实现电机的正转、反转、加速、减速等操作。
同时，PWM脉宽调制技术还可以实现对电机的过载保护、启动和停止控制，提高了电机系统的可靠性和安全性。
PWM脉宽调制技术作为变频器控制电机转速的基本原理，通过改变电压信号的占空比来实现对电机的精确控制。
这种技术不仅能够提高电机的输出功率，还能适应不同的工作需求，实现多种操作模式。
通过PWM脉宽调制技术，变频器为电机系统的高效运行提供了关键的支持。
变频器的控制方法
变频器的控制方法变频器是一种用于控制电动机转速的设备，它通过改变电源的频率来实现对电动机的精确控制。
变频器的控制方法有多种，下面将逐一介绍。
1. 开关控制：开关控制是变频器最基本的控制方式之一。
通过手动或自动操作，将变频器的开关打开或关闭，从而控制电动机的启停。
这种控制方法简单直接，适用于一些简单的应用场景，但无法实现精确的转速调节。
2. 脉宽调制（PWM）控制：脉宽调制是一种常见的变频器控制方法。
它通过改变电源信号的脉冲宽度来控制电动机的转速。
脉宽调制技术可以实现高效的能量转换，使得电动机在不同负载下都能保持稳定的转速。
同时，脉宽调制还可以实现电动机的正反转和制动功能。
3. 矢量控制：矢量控制是一种较为高级的变频器控制方法。
它通过对电动机的转子位置和速度进行准确测量，并根据测量结果计算出合适的电流矢量，从而实现对电动机的精确控制。
矢量控制可以实现电动机的高速响应和精确的转速调节，适用于一些对转速要求较高的场合。
4. 感应电动机矢量控制：感应电动机矢量控制是一种应用广泛的变频器控制方法。
它通过对感应电动机的转子位置和转速进行测量，并根据测量结果调整电动机的电流矢量，从而实现对电动机的精确控制。
感应电动机矢量控制具有响应速度快、转速范围广等优点，适用于各种工业领域。
5. 闭环控制：闭环控制是一种基于反馈的变频器控制方法。
它通过测量电动机的转速，并将转速信号与设定值进行比较，然后根据比较结果调整电动机的控制参数，从而实现对电动机转速的闭环控制。
闭环控制可以有效消除外界干扰和负载变化对电动机转速的影响，实现更加精确的转速控制。
以上是几种常见的变频器控制方法，每种方法都有自己的特点和适用场景。
在实际应用中，可以根据具体需求选择合适的控制方法，并结合其他控制策略进行综合控制，以实现更好的控制效果。
变频器的控制方法不断创新和发展，为电动机控制提供了更多的选择和可能性。
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PWM型变频器的基本控制方式通用的PWM型变频器是一种交—直—交变频，通过整流器将工频交流电整流成直流电，经过中间环节再由逆变器将直流电逆变成频率可调的交流电，供给交流负载。
异步电动机调速时，供电电源不但频率可变，而且电压大小也必须能随频率变化，即保持压频比基本恒定。
PWM型变频器一般采用电压型逆变器。
根据供给逆变器的直流电压是可变的还是恒定的，变频器可分成两种基本控制方式。
(1)变幅PWM型变频器这是一种对变频器输出电压和频率分别进行调节的控制方式，其基本电路如图3-3所示。
中间环节是滤波电容器。
图2-3 变幅PWM型变频器晶闸管整流器用来调压，与一般晶闸管调压系统一样，采用相位控制，通过改变触发脉冲的延迟角α来获得与逆变器输出频率相对应的不同大小的直流电压。
逆变器只作输出频率控制，它一般是由6个开关器件组成，按脉冲调制方式进行控制。
图3-4所示是另一种直流电压可调的PWM变频电路。
它采用二极管不可控整流桥，把三相交流电变换为恒定的直流电。
分立斩波器电路，来改变输出直流电压的大小，通过逆变器输出三相交流电。
图2-4 利用斩波器的变频电路图以上两种调压式变频电路，都需要两极可控功率级，相比较，采用晶闸管整流桥可以获得更大功率的直流电，由于可控整流桥采用相位控制，输入功率因数将随输出直流电压的减小而降低；而斩波式调压，输入功率变流级采用的是二级管整流桥，所以输入端有很高的功率因数，代价是多了一个斩波器。
另外，就动态响应的快速性来说后者比前者好。
(2)恒幅PWM型变频器恒幅脉宽调制PWM式变频电路如图3.3所示，它由二极管整流桥，滤波电容和逆变器组成。
逆变器的输入为恒定不变的直流电压，通过调节逆变器的脉冲宽度和输出交流电压的频率，既实现调压又实现调频，变频变压都是由逆变器承担。
此系统是目前使用较普遍的一种变频系统，其主电路简单，只要配上简单的控制电路即可。
它具有下列主要优点：1）简化了主电路和控制电路的结构。
由二极管整流器对逆变器提供恒定的直流电压。
在PWM逆变器内，在变频的同时控制其输出电压。
系统只有一个控制功率级，从而使装置的体积小，重量轻，造价低，可靠性好。
2）由二极管整流器代替晶闸管整流器，提高了装置的功率因数。
3）改善系统的动态性能。
PWM型逆变器的输出功率和电压，都在逆变器内控制和调节。
因此，调节速度快，调节过程中频率和电压配合好，系统动态性能好。
4）对负载有较好的供电波形。
PWM型逆变器的输出电压和电流波形接近正弦波，从而解决了由于以矩形波供电引起的电动机发热和转矩降低问题，改善了电动机运行性能。
图2-5 PWM型逆变器但PWM型逆变器也有如下缺点：1）在调制频率和输出频率之比固定的情况下，特别是在低频时，高次谐波影响较大，因而电动机的转矩脉动和噪声都较大。
2）在调制频率和输出频率之比作有级变化的情况下，往往使控制电路比较复杂。
3）器件的工作频率与调制频率有关。
有些器件的开关损耗和换相电路损耗较大，而且需要采用导通和关断时间短的高速开关器件。
2.2.2 PWM型逆变器的基本工作原理如图3-6所示为单相逆变器的主电路，其波形如图3.5所示。
PWM 控制方式是通过改变电力晶体管1VT 、4VT 和2VT 、3VT 交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率；改变每半周期内41VT VT 、或32VT VT 、开关器件的通、断时间比，即通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小。
图2-6 单相逆变器（0为直流电源的理论中心点）（a ）180°通电型输出方波电压波形（b ）脉宽调制型逆变器输出波形图2-7 电路的波形如果使相应开关器件在半个周期内反复通、断多次，并使每个输出矩形脉冲电压下的面积接近于对应正弦波电压下面积，则逆变器输出电压就将很接近于基波电压，高次谐波电压将大为削减。
若采用快速开关器件，使逆变器输出脉冲数增多，即使输出低频时，输出波形也是比较好的。
所以PWM 型逆变器特别适用于异步电动机变频调速的供电电源，实现平滑起动、停车和高效率宽范围调速。
3 SPWM 控制的变频调速系统3.1 SPWM 控制的变频调速系统组成基于SPWM 控制的变频调速系统组成如图2-1所示。
控制电路——当今，PWM 变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的SPWM信号，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的SPWM信号。
微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP。
本课题选用了STC89C52RC高性能单片机。
STC单片机发出的SPWM信号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。
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。
图3-2 SPWM波形控制原理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。
⏹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。
uU-U图3-3 一周期单极性SPWM波形3.2 SPWM波形的单片机实现波形数据的实时计算：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，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。
本文主要采用8位STC单片机实现单相SPWM信号。
方法：事先在计算机内存中存放正弦函数和T c /2值，控制时查出正弦值，与调速系统所需的调制度M作乘法运算，再根据给定的载波频率查出相应的T c /2值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。
3.2.1 SPWM控制方案SPWM控制方案有两种：即单极性调制和双极性调制法。
单极性法所得的SPWM信号有正、负和0三种电平，而双极性得到的只有正、负两种电平。
比较二者生成的SPWM波可知：在相同载波比情况下，生成的双极性SPWM波所含谐波量较大；并且在正弦逆变电源控制中，双极性SPWM波控制较复杂。
因此一般采用单极性SPWM波控制的形式。
由单片机实现SPWM控制，根据其软件化方法的不同，有如下几种方法：自然采样法、对称规则法、不对称规则法和面积等效法等。
理论分析发现面积等效法相对于其它方法而言，谐波较小，对谐波的抑制能力较强。
而且实时控制简单，利于软件实现。
因此本文采用面积等效法实现SPWM控制。
（1）正弦波PWM调制原理调制信号为正弦波的脉宽调制叫做正弦波脉宽调制（SPWM ），产生的脉宽调制波是等幅而不等宽的脉冲列，脉宽调制的方法很多，从脉宽调制的极性上看，有单极性和双极性之分；从载波和调制波的频率之间的关系来看，又有同步调制、异步调制和分段同步调制。
图3-5所示为双极性脉宽调制波形，图中三角波r u 为载波，正弦波C u 为调制波，当载波与调制波曲线相交时，在交点的时刻产生控制信号，用来控制功率开关器件的通断，就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲d u 。
u U u -U 图3-5 双极性脉宽调制波形SPWM 逆变器输出基波电压的大小和频率均由调制电压来控制。
当改变调制电压的幅值时，脉宽随之改变，即可改变输出电压的大小；当改变调制电压的频率时，输出电压频率随之改变。
但正弦调制波最大幅值必须小于三角波的幅值，否则输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。
在实行SPWM 脉宽调制时，同步调制和异步调制优缺点如下：①同步调制 在同步调制方式中，载波比N 等于常数，变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步改变，因而逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。
如果取N 为3的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差120o 的对称关系。
当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声。
②异步调制异步调制是逆变器的整个变频范围内，载波比N不等于常数。
一般在改变调制信号频率时保持三角载波频率不变，因而提高了低频时的载波比。
这样输出电压半波内的矩形脉冲可随输出频率的降低而增加，相应的可减少电机的转矩脉动与噪声，改善了系统的低频工作性能。
异步调制方式的缺点是当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电机工作不平稳。
③混合调制混合调制综合了上面两种方法的优点，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持载波比N恒定，而对不同的频段取不同的N值，频率低时，N取大些，一般大致按等比级数安排。
（2）SPWM信号的产生产生SPWM调制信号主要有三种方法：○1采用分立元件的模拟电路法，缺点是精度低、稳定性差、实现过程复杂以及调节不方便等，该方法目前基本不用。
○2采用专用集成电路芯片产生SPWM信号，如常用的HE4752芯片等这些芯片的应用使变流器的控制系统得以简化，但由于这些芯片本身的功能存在不足之处，致使它们的应用受到限制。
○3单片机数字编程法，其中高档单片机将SPWM信号发生器集成在单片机内，使单片机和SPWM信号发生器容为一体，从而较好地解决了波形精度低、稳定性差、电路复杂、不易控制等问题，并且可以产生多种SPWM波形，实现各种控制算法和波形优化。
（3）SPWM的数字控制数字控制是SPWM目前常用的方法。
可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令查表得到数据进行运算；或者通过软件实时生成SPWM波形；也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM信号。
下面介绍几种常用SPWM波形的软件生成方法：○1自然采样法按照正弦调制波与三角载波的交点进行脉冲宽度与间歇时间的采样，从而生成SPWM波形，叫做自然采样法，如图3.8所示，图中截取了任意一段正弦调制波与三角载波一个周期的相交情况。