變流技術(shù)與運動控制--第 12 課

1、2. 2. 恒氣隙磁通恒氣隙磁通m 控制控制在電壓頻率協(xié)調(diào)控制中在電壓頻率協(xié)調(diào)控制中（基頻以下）（基頻以下）， 如果維持如果維持 E Eg g / / 1 1 = = 恒值恒值 則由式則由式 可知可知 無論頻率高低，氣隙磁通無論頻率高低，氣隙磁通 m 均為常值均為常值mNs1g44. 4SkNfE gssSSEILjRU)(11由異步電動機等效電路圖得定子電壓方程為：由異步電動機等效電路圖得定子電壓方程為：圖圖4-7 4-7 異步電動機等效電路和感應(yīng)電動勢異步電動機等效電路和感應(yīng)電動勢 1RsLlsLmsUsI0IrIlrLrRssEgErE由式可見，補償電壓包括：由式可見，補償電壓包括： （

2、1 1）定子電阻壓降）定子電阻壓降 （2 2）定子漏抗壓降）定子漏抗壓降由圖由圖4-74-7等效電路可得：等效電路可得： 2r212rgrlLsREI（4-264-26）代入代入電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式，得：，得：2 r2122 rr121gpr2r212r2g1pe33llLsRRsEnsRLsREnT（4-274-27） 將式將式(4-27)(4-27)對對s s求導(dǎo)，并令求導(dǎo)，并令 0edTds1rmlrRsL(4-28)可求出可求出臨界轉(zhuǎn)差率臨界轉(zhuǎn)差率：（1）求）求sm與與Tem21312psemlrnETL和和臨界轉(zhuǎn)矩臨界轉(zhuǎn)矩：(4-29)g g（2 2）與恒定子磁通）與恒定子磁

3、通ms控制方式相比較控制方式相比較恒定子磁通恒定子磁通ms控制控制sm: :1rmlslrRsLL恒氣隙磁通恒氣隙磁通m控制控制sm: :1rmlrRsL21312psemlslrnETLL恒定子磁通恒定子磁通ms控制控制Tem: :恒氣隙磁通恒氣隙磁通m控制控制Tem: :21312psemlrnETL 結(jié)結(jié) 論論 與恒定子磁通與恒定子磁通ms 控制方式相比較，恒控制方式相比較，恒氣隙磁通氣隙磁通m 控制方式的：控制方式的： （1 1）臨界轉(zhuǎn)差率和臨界轉(zhuǎn)矩更大）臨界轉(zhuǎn)差率和臨界轉(zhuǎn)矩更大 （2 2）機械特性更硬）機械特性更硬3. 3. 恒轉(zhuǎn)子磁通恒轉(zhuǎn)子磁通mr 控制控制 常值1fEr只要使只要

4、使 即可保持定子磁通即可保持定子磁通mr 恒定恒定根據(jù)式根據(jù)式14.44srsNmrEf N k 由異步電動機等效電路圖由異步電動機等效電路圖( (忽略勵磁電流忽略勵磁電流I0時時) )得定子電壓方程為：得定子電壓方程為：rrsssEILLjRU1111)( 外加電壓應(yīng)按上式進一步提高，除了補償外加電壓應(yīng)按上式進一步提高，除了補償定定子電阻壓降子電阻壓降和和定子漏抗壓降定子漏抗壓降外，再增加外，再增加轉(zhuǎn)子漏抗轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降上的壓降補償補償?？汕蟪鲛D(zhuǎn)子電流為：可求出轉(zhuǎn)子電流為： sREI/rrr（4-314-31） 代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得：代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得： r121rpr2r2

5、r1pe33RsEnsRsREnT（4-324-32） 這時的機械特性這時的機械特性 完全是一條直線。完全是一條直線。( )eTf s0s10Te圖圖4-8 4-8 不同控制方式下，異步電動機的機械特性不同控制方式下，異步電動機的機械特性恒恒 Us / 1 控制控制ab d不同控制方式下，異步電動機的機械特性不同控制方式下，異步電動機的機械特性c 恒定子磁通恒定子磁通 控制控制ms恒氣隙磁通恒氣隙磁通 控制控制m恒轉(zhuǎn)子磁通恒轉(zhuǎn)子磁通 控制控制mr4. 4. 小小 結(jié)結(jié) （1 1）恒壓頻比（）恒壓頻比（ Us / 1 = = 恒值）控制恒值）控制最容易實現(xiàn)。最容易實現(xiàn)。 它的變頻機械特性基本上是

6、平行下移，它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求。硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求。 但低速帶載能力有些差強人意，須對定但低速帶載能力有些差強人意，須對定子壓降實行補償。子壓降實行補償。 （2 2）恒定子磁通）恒定子磁通ms 和恒氣隙磁通和恒氣隙磁通m 的控制方式雖然改善了低速性能的控制方式雖然改善了低速性能; ; 但機械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩但機械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制。的能力仍受到限制。 （3 3）恒轉(zhuǎn)子磁通）恒轉(zhuǎn)子磁通mr 的控制方式，可以的控制方式，可以得到和直流他勵電機一樣的線性機械特性，得到和直流他勵電機一樣的線性機械特性，性

7、能最佳。性能最佳。 矢量控制系統(tǒng)的目標(biāo)是電動機在動態(tài)中矢量控制系統(tǒng)的目標(biāo)是電動機在動態(tài)中也盡可能保持也盡可能保持 mrmr 恒定，當(dāng)然實現(xiàn)起來是比恒定，當(dāng)然實現(xiàn)起來是比較復(fù)雜的。較復(fù)雜的。4.2 4.2 交流交流PWMPWM變頻技術(shù)變頻技術(shù) 本節(jié)提要本節(jié)提要 正弦波脈寬調(diào)制正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)(SPWM)技術(shù)技術(shù) 電流跟蹤電流跟蹤PWM(CFPWM)PWM(CFPWM)控制技術(shù)控制技術(shù) 電壓空間矢量電壓空間矢量PWM(SVPWM)PWM(SVPWM)控制技術(shù)控制技術(shù) 交流交流PWMPWM變頻器異步電動機系統(tǒng)的特變頻器異步電動機系統(tǒng)的特殊問題殊問題4.2.1 4.2.1 引引 言言 對于異

8、步電動機的變壓變頻調(diào)速，必需具備對于異步電動機的變壓變頻調(diào)速，必需具備能夠同時控制能夠同時控制電壓幅值與頻率電壓幅值與頻率的的交流電源交流電源； 而電網(wǎng)提供的是而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻電源恒壓恒頻電源； 因此，應(yīng)該配置由電力電子器件構(gòu)成的靜止因此，應(yīng)該配置由電力電子器件構(gòu)成的靜止式功率變流裝置（變換器），即式功率變流裝置（變換器），即變壓變頻器變壓變頻器（一（一般簡稱為般簡稱為變頻器變頻器）。）。1 1、變壓變頻調(diào)速條件：變壓變頻調(diào)速條件： 從整體結(jié)構(gòu)上看，電力電子變壓變頻器可分為從整體結(jié)構(gòu)上看，電力電子變壓變頻器可分為兩大類。兩大類。 （1 1）交）交- -直直- -交變頻器交變頻器 （2 2

9、）交）交- -交變頻器交變頻器 2、變壓變頻器分類變壓變頻器分類 交交-直直-交變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)交變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)圖圖4-9(a) 4-9(a) 交交- -直直- -交變頻器交變頻器 恒壓恒頻恒壓恒頻(CVCF)AC50Hz整流整流變壓變頻變壓變頻(VVVF)逆變逆變AC中間直流環(huán)節(jié)中間直流環(huán)節(jié)DC+ 交交- -直直- -交變壓變頻器先將工頻交流電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，如下圖所變換成可控頻率和電壓的交流，如下圖所示。示。 由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源和

10、變頻交流輸出之間有一個和變頻交流輸出之間有一個“中間直流環(huán)中間直流環(huán)節(jié)節(jié)”，所以又稱，所以又稱間接式的變壓變頻器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)具體的整流和逆變電路種類很多，當(dāng)前應(yīng)用最廣的是由二極管組成不可控整流前應(yīng)用最廣的是由二極管組成不可控整流器和由功率開關(guān)器件（器和由功率開關(guān)器件（P-MOSFETP-MOSFET，IGBTIGBT等）等）組成的脈寬調(diào)制（組成的脈寬調(diào)制（PWMPWM）逆變器，簡稱）逆變器，簡稱PWMPWM變壓變頻器，如下圖所示。變壓變頻器，如下圖所示。 交交- -直直- -交交PWMPWM變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)交交- -直直- -交交P

11、WMPWM變壓變頻器變壓變頻器變壓變頻變壓變頻(VVVF)PWM逆變器逆變器AC調(diào)壓調(diào)頻調(diào)壓調(diào)頻恒壓恒頻恒壓恒頻(CVCF)AC50Hz中間直流環(huán)節(jié)中間直流環(huán)節(jié)DCC脈沖寬度調(diào)制器脈沖寬度調(diào)制器(PWM)(PWM)： （pulse width modulationpulse width modulation） 控制逆變器中電力電子器件的開通或關(guān)斷，輸控制逆變器中電力電子器件的開通或關(guān)斷，輸出電壓為出電壓為高度相等高度相等、寬度按一定規(guī)律變化寬度按一定規(guī)律變化的脈沖序的脈沖序列，用這樣的高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓。列，用這樣的高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓。 PWM變壓變頻器的應(yīng)用之所以如此

12、廣泛，是變壓變頻器的應(yīng)用之所以如此廣泛，是由于它具有如下的一系列優(yōu)點：由于它具有如下的一系列優(yōu)點： （1 1）在主電路整流和逆變兩個單元中，只有）在主電路整流和逆變兩個單元中，只有逆變單元可控，通過它同時調(diào)節(jié)電壓和頻率，結(jié)逆變單元可控，通過它同時調(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)構(gòu)簡單。采用全控型的功率開關(guān)器件，只通過驅(qū)動電壓脈沖進行控制，電路也簡單，效率高。動電壓脈沖進行控制，電路也簡單，效率高。 （2 2）輸出電壓波形雖是一系列的）輸出電壓波形雖是一系列的PWM波，但波，但由于采用了恰當(dāng)?shù)挠捎诓捎昧饲‘?dāng)?shù)腜WM控制技術(shù)，控制技術(shù)，正弦基波正弦基波的比重的比重較大，

13、影響電機運行的高次諧波受到很大的抑制，較大，影響電機運行的高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。能。 （3 3）逆變器同時實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻，動態(tài)響）逆變器同時實現(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。動態(tài)性能也得以提高。 （4 4）采用不可控的二極管整流器，電源側(cè)功）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。率因素較高，且不受逆變輸出電壓大小的影響。 PWMPWM控制方法分類：控制方法分類： （1 1）

14、正弦脈沖寬度調(diào)制）正弦脈沖寬度調(diào)制PWMPWM控制技術(shù)（控制技術(shù)（SPWMSPWM） （2 2）電流跟蹤）電流跟蹤PWMPWM控制技術(shù)（控制技術(shù)（CFPWMCFPWM） （3 3）電壓空間矢量）電壓空間矢量PWMPWM控制技術(shù)（控制技術(shù)（SVPWMSVPWM）1. SPWM1. SPWM控制方式控制方式 (1) (1) 如果在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)，三角如果在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的的SPWMSPWM波也只處于一個極性的范圍內(nèi)，叫做波也只處于一個極性的范圍內(nèi)，叫做單極單極性控制方式性控制方式。 (2) (

15、2) 如果在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載如果在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWMSPWM波也是在正波也是在正負(fù)之間變化，叫做負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式雙極性控制方式。4.2.2 4.2.2 正弦波脈寬調(diào)制正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)(SPWM)技術(shù)技術(shù) 定義：定義： 當(dāng)調(diào)制波與載波相交時，由它們的交當(dāng)調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得高點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得高度相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，該方度相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，該方法稱做正弦波脈寬調(diào)制（法稱做正弦波脈寬調(diào)

16、制（SPWMSPWM）。）。圖6-5urucuOtOtuouofuoUd- Ud（1 1）單極性）單極性SPWMSPWM控制方式控制方式uc 載波載波等要三角波等要三角波ur 調(diào)制波調(diào)制波正弦波正弦波uof 正弦基波正弦基波uo 按正弦規(guī)律按正弦規(guī)律變化的變化的PWMPWM波波當(dāng)調(diào)制波當(dāng)調(diào)制波ur幅值高于載幅值高于載波波uc時，時，PWM PWM 變換器輸變換器輸出電壓幅值出電壓幅值Ud 。當(dāng)調(diào)制波當(dāng)調(diào)制波ur幅值低于載幅值低于載波波uc時，時，PWM PWM 變換器輸變換器輸出電壓幅值出電壓幅值0 。t1t2（2 2）雙極性）雙極性PWMPWM控制方式控制方式圖6-6urucuOtOtuou

17、ofuoUd- Uduc 載波載波等要三角波等要三角波ur 調(diào)制波調(diào)制波正弦波正弦波uo 按正弦規(guī)律按正弦規(guī)律變化的變化的PWMPWM波波uof 正弦基波正弦基波當(dāng)調(diào)制波當(dāng)調(diào)制波ur幅值高于載幅值高于載波波uc時，時，PWM PWM 變換器輸變換器輸出電壓幅值出電壓幅值+ +Ud 。當(dāng)調(diào)制波當(dāng)調(diào)制波ur幅值低于載幅值低于載波波uc時，時，PWM PWM 變換器輸變換器輸出電壓幅值出電壓幅值- -Ud 。（1 1）主回路）主回路2. 2. 交交- -直直- -交交PWMPWM變頻器主回路變頻器主回路圖圖4-10不可控整流不可控整流橋橋-交交- -直直變換變換濾波器濾波器-減小減小直流電壓脈動直流

18、電壓脈動可控逆變器可控逆變器-直直- -交交變換變換( (電壓、頻率可變電壓、頻率可變) )調(diào)制電路調(diào)制電路-PWMPWM控制脈沖控制脈沖交流電動機交流電動機 根據(jù)異步電動機三相定子繞組根據(jù)異步電動機三相定子繞組 Y Y形接法原形接法原理可知，中性點不接地時：理可知，中性點不接地時：（2 2）三相逆變器開關(guān)工作狀態(tài)）三相逆變器開關(guān)工作狀態(tài) 6 6個控制開關(guān)個控制開關(guān) 每相每相2 2個，分別稱上橋臂開關(guān)，下橋臂開關(guān)；個，分別稱上橋臂開關(guān)，下橋臂開關(guān)； 三相輸出電壓三相輸出電壓 以電源中點以電源中點OO為參考點有：為參考點有：u uA A、u uB B、u uC C 以電動機中點以電動機中點O O

19、為參考點有：為參考點有：u uAOAO、u uBOBO、u uCOCOuAO、uBO、uCOuAO=uA-uOuBO=uB-uOuCO=uC-uO 電動機中點電動機中點O O的電壓的電壓3CBAouuuu0CBAuuu而而故故 OO與與O O 的電位不相等，的電位不相等，AOAuu所以：所以：同理：同理： B B、C C 相一樣。相一樣。BOBuu OuuCC 三相開關(guān)狀態(tài)三相開關(guān)狀態(tài) S SA A、S SB B、S SC C分別表示分別表示A A、B B、C C三相，三相， “1”- “1”-表示上橋臂導(dǎo)通，表示上橋臂導(dǎo)通，下橋臂斷開下橋臂斷開 “0” “0”表示下橋臂導(dǎo)通，表示下橋臂導(dǎo)通，

20、上橋臂斷開上橋臂斷開 共有共有8 8種工作狀態(tài)。（見表種工作狀態(tài)。（見表4-1 4-1 PWMPWM開關(guān)狀態(tài)與輸出電壓開關(guān)狀態(tài)與輸出電壓）63)2()2(23ddddCBAoUUUUuuuu32)6(2OOdddAAUUUuuu 3)6(2OBBOdddUUUuuu 3)6(2OCCOdddUUUuuu dddAAUUUuuu)2(2BB交交- -直直- -交交PWMPWM變頻器變頻器特點：特點： （1 1）只有一套可控功率級，具有結(jié)構(gòu)簡單、）只有一套可控功率級，具有結(jié)構(gòu)簡單、 控制方便優(yōu)點；控制方便優(yōu)點； （2 2）采用脈寬調(diào)制的方法，輸出諧波小。）采用脈寬調(diào)制的方法，輸出諧波小。抑制泵升電壓方法：抑制泵升電壓方法： 采用直流母線形式供電，多臺逆變器可將回采用直流母線形式供電，多臺逆變器可將回饋能量轉(zhuǎn)送其他負(fù)載，實現(xiàn)能量交換，有效地抑饋能量轉(zhuǎn)送其他負(fù)載，實現(xiàn)能量交換，有效地抑制泵升電壓。制泵升電壓。缺點：缺點： 能量無回饋回路，電機工作在回饋制動狀態(tài)時，能量無回饋回路，電機工作在回饋制動狀態(tài)時，造成直流側(cè)電壓上升，稱作泵升電壓。造成直流側(cè)電壓上升，稱作泵升電壓。3. 3. 三相三相PWMPWM逆變器雙極性逆變器雙極性SPWMSPWM波形波形 （1 1）三相調(diào)制波：）三相調(diào)制波：uRA、