第六章交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)方案

第六章交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速的基本方案由電機(jī)學(xué)的基本公式：

可見，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案有：改變極對(duì)數(shù)p，改變轉(zhuǎn)速率s（即改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的硬度）和改變電源頻率f1。

交流調(diào)速的分類如下：

變極對(duì)數(shù)調(diào)速是有級(jí)的；變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，不調(diào)同步轉(zhuǎn)速，低速時(shí)電阻能耗大、效率較低；只有串級(jí)調(diào)速情況下，轉(zhuǎn)差功率才得以利用，效率較高。變頻調(diào)速是調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，可以從高速到低速都保持很小的轉(zhuǎn)差率，效率高、調(diào)速范圍大、精度高，是交流電動(dòng)機(jī)一種比較理想的調(diào)速方案。在變頻控制方式上又可分為變壓變頻調(diào)速，矢量控制變頻調(diào)速和直接轉(zhuǎn)矩控制變壓變頻調(diào)速等幾種。第一節(jié)變頻調(diào)速的基本控制方式和機(jī)械特性

通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，在調(diào)速過程中從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。可以認(rèn)為，變頻調(diào)速是異步電動(dòng)機(jī)的一種比較合理和理想的調(diào)速方法。原理：利用電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨頻率變化的特性，通過改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率進(jìn)行調(diào)速。保證U/f=定值，可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速或恒功率調(diào)速。在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，為了保持電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力，應(yīng)保持氣隙主磁通Φm不變，這就要求降低供電頻率的同時(shí)降低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，保持E1/f1=常數(shù)，即保持電動(dòng)勢(shì)與頻率之比為常數(shù)進(jìn)行控制。如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對(duì)2023/7/226對(duì)變頻調(diào)速的基本要求主磁通保持不變鐵心過飽和不變繞組過熱變頻同時(shí)要變壓磁回路飽和，嚴(yán)重時(shí)將燒毀電機(jī)氣隙磁通在定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，m保持不變是很容易做到的。

在交流異步電機(jī)中，磁通m由定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就需要費(fèi)一些周折了。定子每相電動(dòng)勢(shì)（6-1）

式中：Eg

—?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值，單位為V；—定子頻率，單位為Hz；

—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

—基波繞組系數(shù)；—每極氣隙磁通量，單位為Wb。

f1NskNsm1.基頻以下調(diào)速

由式（6-1）可知，只要控制好

Eg

和

f1，便可達(dá)到控制磁通m

的目的，對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。

常值

（6-2）

即采用恒值電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。恒壓頻比的控制方式繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓Us

≈

Eg，則得（6-3）這是恒壓頻比的控制方式。但是，在低頻時(shí)

Us

和

Eg

都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時(shí)，需要人為地把電壓

Us

抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。

帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性示于下圖中的

b線，無(wú)補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a線。

2.基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率應(yīng)該從f1N向上升高，但定子電壓Us

卻不可能超過額定電壓OUsf1圖6-1

恒壓頻比控制特性UsNf1Na

—無(wú)補(bǔ)償

b

—帶定子壓降補(bǔ)償

UsN

，最多只能保持Us=UsN

，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。

把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如下圖所示。如果電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)所帶的負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值，即都能在允許溫升下長(zhǎng)期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，電磁轉(zhuǎn)矩Te=KmI。在調(diào)壓調(diào)速范圍內(nèi)，勵(lì)磁磁通不變，容許的輸出轉(zhuǎn)矩也不變，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)，而在基頻以上，在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，磁通越弱，容許輸出轉(zhuǎn)矩減小，而容許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積則不變，即容許功率不變，為“恒功率調(diào)速方式”。f1N圖6-2異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNΦmNΦm恒功率調(diào)速ΦmUsf1O異步電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速是進(jìn)行分段控制的：基頻以下，采取恒磁恒壓頻比控制方式；基頻以上，采取恒壓弱磁升速控制方式。TeNnNnmax變電壓調(diào)速弱磁調(diào)速UNUPPTeUnO兩種調(diào)速方式a)基頻以下(U1/f1=恒量)b)基頻以上(U1=恒量)圖三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性（6-4）

特性分析當(dāng)s很小時(shí)，可忽略上式分母中含s各項(xiàng)，則

也就是說，當(dāng)s很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性Te=f（s）是一段直線，見圖6-3。異步電動(dòng)機(jī)電壓－頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性

當(dāng)

s接近于1時(shí)，可忽略式（6-4）分母中的Rr'

，則

（6-6）

即s接近于1時(shí)轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時(shí)，

Te=f（s）是對(duì)稱于原點(diǎn)的一段雙曲線。

機(jī)械特性

當(dāng)

s為以上兩段的中間數(shù)值時(shí)，機(jī)械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段，如圖6-3所示。

機(jī)械特性smnn0sTe010TeTemaxTemax圖6-3恒壓恒頻時(shí)異步電機(jī)的機(jī)械特性基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性

由式（6-4）機(jī)械特性方程式可以看出，對(duì)于同一組轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)速n（或轉(zhuǎn)差率s）的要求，電壓Us和頻率1可以有多種配合。在Us和1的不同配合下機(jī)械特性也是不一樣的，因此可以有不同方式的電壓－頻率協(xié)調(diào)控制。1.恒壓頻比控制（Us/1）為了近似地保持氣隙磁通不變，以便充分利用電機(jī)鐵心，發(fā)揮電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，在基頻以下須采用恒壓頻比控制。這時(shí)，同步轉(zhuǎn)速自然要隨頻率變化。

在式（6-5）所表示的機(jī)械特性近似直線段上，可以導(dǎo)出（6-9）

帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為

（6-8）

（6-7）

由此可見，當(dāng)Us/1為恒值時(shí)，對(duì)于同一轉(zhuǎn)矩Te，s1是基本不變的，因而n也是基本不變的。這就是說，在恒壓頻比的條件下改變頻率1時(shí)，機(jī)械特性基本上是平行下移，如圖6-4所示。它們和直流他勵(lì)電機(jī)變壓調(diào)速時(shí)的情況基本相似。所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后，轉(zhuǎn)速再降低，特性就折回來了。而且頻率越低時(shí)最大轉(zhuǎn)矩值越小。（6-10）

可見最大轉(zhuǎn)矩Temax是隨著的1降低而減小的。頻率很低時(shí)，Temax太小將限制電機(jī)的帶載能力，采用定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣s，可以增強(qiáng)帶載能力，見圖6-4。On圖6-4恒壓頻比控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性補(bǔ)償定子壓降后的特性恒Eg/1控制下圖再次繪出異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路，圖中幾處感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的意義如下：

Eg

—

氣隙（或互感）磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；

Es

—

定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；Er

—

轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（折合到定子邊）。特性分析如果在電壓－頻率協(xié)調(diào)控制中，恰當(dāng)?shù)靥岣邎D6-5異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’r

異步電動(dòng)機(jī)等效電路EgEsEr電壓Us的數(shù)值，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持Eg/1為恒值（基頻以下），則由式（6-1）可知，無(wú)論頻率高低，每極磁通m均為常值。由等效電路可以看出（6-11）代入電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式，得（6-12）

利用與前相似的分析方法，當(dāng)s很小時(shí)，可忽略式（6-12）分母中含s項(xiàng)，則（6-13）

這表明機(jī)械特性的這一段近似為一條直線。當(dāng)s接近于1時(shí)，可忽略式（6-12）分母中的Rr'2項(xiàng)，則（6-14）

s值為上述兩段的中間值時(shí)，機(jī)械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡，整條特性與恒壓頻比特性相似。

但是，對(duì)比式（6-4）和式（6-12）可以看出，恒Eg/1特性分母中含s項(xiàng)的參數(shù)要小于恒

Us/1特性中的同類項(xiàng)，也就是說，s值要更大一些才能使該項(xiàng)占有顯著的份量，從而不能被忽略，因此恒Eg/1特性的線性段范圍更寬。將式（6-12）對(duì)s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可得恒Eg/1控制特性在最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率和最大轉(zhuǎn)矩（6-15）

（6-16）

值得注意的是，在式（6-16）中，當(dāng)Eg/1

為恒值時(shí)，Temax恒定不變，如下圖所示，其穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒Us/1控制的性能。這正是恒Eg/1控制中補(bǔ)償定子壓降所追求的目標(biāo)。恒Er/1控制

如果把電壓－頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓再進(jìn)一步提高，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，得到恒Er/1控制，那么，機(jī)械特性會(huì)怎樣呢？由此可寫出

（6-17）

機(jī)械特性曲線OnTemax恒Eg/1控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得

（6-18）

現(xiàn)在，不必再作任何近似就可知道，這時(shí)的機(jī)械特性完全是一條直線，見圖6-6。顯然，恒Er/1

控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的性能。現(xiàn)在的問題是，怎樣控制變頻裝置的電壓和頻率才能獲得恒定的Er/1

呢？0s10Te

幾種電壓－頻率協(xié)調(diào)控制方式的特性比較圖6-6不同電壓－頻率協(xié)調(diào)控制方式時(shí)的機(jī)械特性恒Er/1控制恒Eg/1控制恒Us/1控制ab

c

按照式（6-1）電動(dòng)勢(shì)和磁通的關(guān)系，可以看出，當(dāng)頻率恒定時(shí)，電動(dòng)勢(shì)與磁通成正比。在式（6-1）中，氣隙磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

Eg

對(duì)應(yīng)于氣隙磁通幅值

m

，那么，轉(zhuǎn)子全磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

Er就應(yīng)該對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子全磁通幅值

rm

：

（6-19）

由此可見，只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值rm=Constant進(jìn)行控制，就可以獲得恒Er/1了。這正是矢量控制系統(tǒng)所遵循的原則。4．幾種協(xié)調(diào)控制方式的比較

（1）恒壓頻比（Us/1=Constant）控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)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，但低速帶載能力有些差強(qiáng)人意，須對(duì)定子壓降實(shí)行補(bǔ)償。（2）恒Eg/1控制是通常對(duì)恒壓頻比控制實(shí)行電壓補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，可以在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到rm=Constant，從而改善了低速性能。但機(jī)械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制。（3）恒Er/1控制可以得到和直流他勵(lì)電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，按照轉(zhuǎn)子全磁通rm恒定進(jìn)行控制，即得

Er/1=Constant

而且，在動(dòng)態(tài)中盡可能保持rm恒定是矢量控制系統(tǒng)的目標(biāo)，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)起來是比較復(fù)雜的?；l以上恒壓變頻時(shí)的機(jī)械特性

在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，由于定子電壓

Us=UsN

不變，式（6-4）的機(jī)械特性方程式可寫成（6-20）

而式（6-10）的最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可改寫成（6-21）同步轉(zhuǎn)速的表達(dá)式仍和式（6-7）一樣。

機(jī)械特性曲線恒功率調(diào)速O<<<

由此可見，當(dāng)角頻率提高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移，而形狀基本不變，如圖所示。圖6-7基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機(jī)械特性

由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢(shì)必減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小，但轉(zhuǎn)速升高了，可以認(rèn)為輸出功率基本不變。所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。最后，應(yīng)該指出，以上所分析的機(jī)械特性都是在正弦波電壓供電下的情況。如果電壓源含有諧波，將使機(jī)械特性受到扭曲，并增加電機(jī)中的損耗。因此在設(shè)計(jì)變頻裝置時(shí)，應(yīng)盡量減少輸出電壓中的諧波。變頻器

直流調(diào)速系統(tǒng)具有較優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，因此，在過去很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域大多為直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。如今，由于全控型電力電子器件（如BJT、IGBT）的發(fā)展、SWPM專用集成芯片的開發(fā)、交流電動(dòng)機(jī)矢量變換控制技術(shù)以及單片微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使得交流調(diào)速的性能獲得極大的提高，在許多方面已經(jīng)可以取代直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是各類通用變頻器的出現(xiàn)，使交流調(diào)速已逐漸成為電氣傳動(dòng)中的主流。目前,市場(chǎng)主流的變頻器種類有:ABB公司ACS系列、西門子公司的MICROMASTER系列和6SE70系列、富士電機(jī)公司的FRN-G9S/P9S系列、三菱電機(jī)公司的FRA540/FR-F540系列、安川公司的VS-616G5系列、三肯公司的SAMCO-I/IP系列等。（1）西門子圖2-1MICROMASTER4(MM4)系列（通用型變頻器）

2023/7/2238（1）西門子圖2-2SIMOVERTMASTERDRIVES6SE7系列（工程型變頻器）

2023/7/2239（2）ABB圖2-3ACS600、ACS800、ACS1000系列

（3）三菱圖2-4FR-A540、FR-F540、FR-A241E、FR-F700系列

2023/7/2240序號(hào)優(yōu)點(diǎn)1平滑軟啟動(dòng)，降低啟動(dòng)沖擊電流，減少變壓器占有量，確保電機(jī)安全2在機(jī)械允許的情況下可通過提高變頻器的輸出頻率提高工作速度3無(wú)級(jí)調(diào)速，平滑性好，調(diào)速精度大大提高。4提高功率因數(shù)、節(jié)能5非常方便接入通訊網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化控制變頻調(diào)速的優(yōu)勢(shì)（與其它交流電機(jī)調(diào)速方式對(duì)比）2023/7/2241變頻調(diào)速的發(fā)展歷程如：矩陣式變頻器大功率傳動(dòng)使用變頻器，體積大，價(jià)格高未來發(fā)展方向完美無(wú)諧波70年代80年代60年代90年代00年代超靜音變頻器開始流行解決了GTR噪聲問題變頻器性能大幅提升大批量使用，取代直流電機(jī)控制方式及算法V/F控制矢量控制無(wú)速度矢量控制電流矢量V/F算法優(yōu)化電力電子器件SCRGTRIGBT

IGBT大容量化

更大容量更高開關(guān)頻率PWM技術(shù)SPWM技術(shù)PWM優(yōu)化新一代開關(guān)技術(shù)PWM技術(shù)空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)變頻器體積縮小，開始在中小功率電機(jī)上使用控制技術(shù)單片機(jī)DSP更高速率和容量高速DSP專用芯片模擬電路數(shù)字電路2023/7/2242變頻器分類供電電源低壓220V/1PH、220V/3PH、380V/3PH中壓660V、1140V高壓3000、6000、6600、10000V/3PH按外型塑殼變頻器(小功率)鐵殼變頻器(多為中功率)柜式、變頻器(大功率)控制方式通用內(nèi)置V/F控制方式，簡(jiǎn)單，性能一般高性能內(nèi)置矢量控制方式，復(fù)雜，高性能變換方法（拓樸結(jié)構(gòu)）交-直-交電壓型（儲(chǔ)能環(huán)節(jié)為電解電容）電流型(儲(chǔ)能環(huán)節(jié)為電抗器）交-交無(wú)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)VVVF（變壓變頻）異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速必須按照一定的規(guī)律同時(shí)改變其定子的電壓和頻率，即必須通過變頻裝置獲得電壓頻率均可調(diào)節(jié)的供電電源，實(shí)現(xiàn)所謂的VVVF（VariableVoltageVariableFreqency）調(diào)速控制。變頻器的基本構(gòu)成變頻器由主電路（整流器、中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)、逆變器）和控制電路組成，如下所示。整流器：將固定的交流電壓變換成固定直流電壓或可調(diào)的直流電壓的裝置（AC-DC轉(zhuǎn)換）。2023/7/2244圖變頻器的基本構(gòu)成逆變器：將固定直流電壓變換成固定的或可調(diào)的交流電壓的裝置（DC-AC轉(zhuǎn)換）。斬波器：將固定直流電壓轉(zhuǎn)換成可調(diào)的直流電壓的裝置（DC-DC轉(zhuǎn)換）。2023/7/2245

變頻器總體分為“交-交變頻器”與“交-直-交變頻器”兩種，如圖所示。圖變頻器的結(jié)構(gòu)框圖a）交-交變頻器b）交-直-交變頻器2023/7/22461、交-交變壓變頻器

把頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源。沒有中間環(huán)節(jié)，變換效率高。又稱直接式變壓變頻器。交交變頻的最高輸出頻率是電網(wǎng)頻率的1/3-1/2，在大功率低頻范圍有很大的優(yōu)勢(shì)。交－交變頻AC50Hz~ACCVCFVVVF2023/7/22472023/7/22482023/7/2249

交-交變頻器在結(jié)構(gòu)上沒有明顯的中間直流環(huán)節(jié)（或者叫“中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)”、或“中間濾波環(huán)節(jié)”），來自電網(wǎng)的交流電被直接變換為電壓、頻率均可調(diào)的交流電，所以稱為直接式變頻器。常用的交-交變壓變頻器輸出的每一相都是一個(gè)由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。也就是說，每一相都相當(dāng)于一套直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆線路（下圖a）。交-交變壓變頻器的基本電路結(jié)構(gòu)VRVFId-Id+--+a)電路結(jié)構(gòu)負(fù)載50Hz~50Hz~u0圖a交-交變壓變頻器每一相的可逆線路圖b方波型平均輸出電壓波形tu0正組通反組通正組通反組通整半周控制方式正、反兩組按一定周期相互切換，在負(fù)載上就獲得交變的輸出電壓u0，u0

的幅值決定于各組可控整流裝置的控制角，u0

的頻率決定于正、反兩組整流裝置的切換頻率。如果控制角一直不變，則輸出平均電壓是方波，如下圖b所示。交-交變壓變頻器的控制方式

調(diào)制控制方式要獲得正弦波輸出，就必須在每一組整流裝置導(dǎo)通期間不斷改變其控制角。例如：在正向組導(dǎo)通的半個(gè)周期中，使控制角由/2（對(duì)應(yīng)于平均電壓u0=0）逐漸減小到0（對(duì)應(yīng)于u0最大），然后再逐漸增加到/2（u0

再變?yōu)?），如下圖所示。2AOw

ta=a=0

p

2a=

pBCDEFu0圖交-交變壓變頻器的單相正弦波輸出電壓波形

當(dāng)角按正弦規(guī)律變化時(shí)，半周中的平均輸出電壓即為圖中虛線所示的正弦波。對(duì)反向組負(fù)半周的控制也是這樣。單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形三相交交變頻電路三相交交變頻電路可以由3個(gè)單相交交變頻電路組成，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。如果每組可控整流裝置都用橋式電路，含6個(gè)晶閘管（當(dāng)每一橋臂都是單管時(shí)），則三相可逆線路共需36個(gè)晶閘管，即使采用零式電路也須18個(gè)晶閘管。因此，這樣的交-交變壓變頻器雖然在結(jié)構(gòu)上只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，省去了中間直流環(huán)節(jié)，看似簡(jiǎn)單，但所用的器件數(shù)量卻很多，總體設(shè)備相當(dāng)龐大。

不過這些設(shè)備都是直流調(diào)速系統(tǒng)中常用的可逆整流裝置，在技術(shù)上和制造工藝上都很成熟，目前國(guó)內(nèi)有些企業(yè)已有可靠的產(chǎn)品。

三相交交變頻器的基本結(jié)構(gòu)

輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路三相橋式交交變頻電路交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn):交—交變頻調(diào)速與交—直—交變頻調(diào)速相比優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省了換流環(huán)節(jié)，提高了效率；在低頻時(shí)波形較好，電動(dòng)機(jī)諧波損耗及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大大減小。缺點(diǎn)：最高頻率受電網(wǎng)頻率的限制，且主回路元件數(shù)量多。輸入功率因數(shù)較低，諧波電流含量大，頻譜復(fù)雜，因此須配置諧波濾波和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。其最高輸出頻率不超過電網(wǎng)頻率的1/3~1/2，一般主要用于軋機(jī)主傳動(dòng)、球磨機(jī)、水泥回轉(zhuǎn)窯等大容量、低轉(zhuǎn)速的調(diào)速系統(tǒng)，供電給低速電機(jī)直接傳動(dòng)時(shí)，可以省去龐大的齒輪減速箱。近年來又出現(xiàn)了一種采用全控型開關(guān)器件的矩陣式交-交變壓變頻器，類似于PWM控制方式，輸出電壓和輸入電流的低次諧波都較小，輸入功率因數(shù)可調(diào)，能量可雙向流動(dòng)，以獲得四象限運(yùn)行，但當(dāng)輸出電壓必須為正弦波時(shí)，最大輸出輸入電壓比只有0.866。目前這類變壓變頻器尚處于開發(fā)階段，其發(fā)展前景是很好的。2.交-直-交變壓變頻器原理:首先將電網(wǎng)中的交流電通過整流器變?yōu)橹绷麟姡儆媚孀兤鲗⒅绷麟娮優(yōu)轭l率可變的交流電供給異步電動(dòng)機(jī)。

先將電源的三相(或單相)交流電經(jīng)整流橋整流成直流電，又經(jīng)逆變橋把直流電“逆變”成頻率任意可調(diào)的三相交流電。其中，變頻的核心部分就是“逆變電路”。交-直-交變頻器的主電路框圖逆變電路單相逆變橋及其工作過程:

（1）前半周期

令V1、V2導(dǎo)通;V3、V4截止。則負(fù)載ZL中的電流從a流向b，ZL上得到的電壓是a“＋”、b“－”，設(shè)這時(shí)的電壓為“＋”。（2）后半周期

令V1、V2截止;V3、V4導(dǎo)通。則負(fù)載ZL中的電流從b流向a，ZL上得到的電壓是a“－”、b“＋”，這時(shí)的電壓為“－”。上述兩種狀態(tài)如能不斷地反復(fù)交替進(jìn)行，則負(fù)載ZL上所得到的便是交變電壓了。這就是由直流電變?yōu)榻涣麟姷摹澳孀儭边^程。三相逆變橋及其工作

三相逆變橋的電路結(jié)構(gòu)如上圖所示。其工作過程與單相逆變橋相同，只要注意三相的相位之間互差三分之一周期(T/3)就可以了。上述逆變過程看似簡(jiǎn)單：無(wú)非是若干個(gè)開關(guān)反復(fù)地交替導(dǎo)通而已。但問題的關(guān)鍵恰恰在于這些開關(guān)器件上。因?yàn)?，這些開關(guān)器件必須滿足以下要求:能承受足夠大的電壓和電流：我國(guó)三相低壓電網(wǎng)的線電壓均為380V，經(jīng)三相全波整流后的平均電壓為513V，而峰值電壓則為537V。考慮到在過渡過程中，由于電感及負(fù)載動(dòng)能反饋能量的效應(yīng)，開關(guān)器件的耐壓應(yīng)1000V以上。以中型的150kW的電動(dòng)機(jī)為例，其額定電流為250A，而電流的峰值為353A?？紤]到電動(dòng)機(jī)和變頻器都應(yīng)該具有一定的過載能力，該變頻器開關(guān)器件允許承受的電流應(yīng)大于700A。上述條件對(duì)于有觸點(diǎn)開關(guān)器件來說，是早已做到了的。允許頻繁地接通和關(guān)斷：如上所述，逆變過程就是若干個(gè)開關(guān)器件長(zhǎng)時(shí)間地反復(fù)交替導(dǎo)通和關(guān)斷的過程，這是有觸點(diǎn)開關(guān)器件所無(wú)法承受的。必須依賴于無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)器件，而無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)器件要能承受足夠大的電壓和電流，卻并非易事?？梢哉f，正是這個(gè)要求，阻礙了變頻器的出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)近百年之久。接通和關(guān)斷的控制必須十分方便：最基本的控制如:頻率的上升和下降、改變頻率的同時(shí)還要改變電壓等等上面所說的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)器件，實(shí)際上就是半導(dǎo)體開關(guān)器件。半導(dǎo)體器件在初期階段只能用于低壓電路中，當(dāng)半導(dǎo)體器件終于能夠承受高電壓和大電流時(shí)，就形成了一門新的學(xué)科，即電力電子學(xué)。而隨著電力電子技術(shù)的成熟與發(fā)展，用與交流調(diào)速方案的變頻器和變頻調(diào)速技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。

可以這樣說：20世紀(jì)70年代，電力晶體管GTR問世，把變頻調(diào)速推向了實(shí)用階段，于80年代初開始逐漸推廣。20世紀(jì)80年代末，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的成功開發(fā)，才真正使得交流變頻調(diào)速的關(guān)鍵設(shè)備——變頻器在許多方面得到了較大的提高。交-直-交變頻器

有明顯的中間直流環(huán)節(jié)，工作時(shí)，首先把來自電網(wǎng)的交流電變換為直流電，經(jīng)過中間直流環(huán)節(jié)之后，再通過逆變器變換為電壓、頻率均可調(diào)的交流電，故又稱為間接式變頻器，如下圖所示。

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控整流器和由功率開關(guān)器件（P-MOSFET，IGBT等）組成的脈寬調(diào)制（PWM）逆變器，簡(jiǎn)稱PWM變壓變頻器，如下圖所示。圖交-直-交PWM變壓變頻器變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻(CVCF)PWM逆變器DCACAC50Hz~調(diào)壓調(diào)頻C變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻(CVCF)逆變DCACAC50Hz~整流PWM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(diǎn)：（1）在主電路整流和逆變兩個(gè)單元中，只有逆變單元可控，通過它同時(shí)調(diào)節(jié)電壓和頻率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。采用全控型的功率開關(guān)器件，只通過驅(qū)動(dòng)電壓脈沖進(jìn)行控制，電路也簡(jiǎn)單，效率高。（2）輸出電壓波形雖是一系列的PWM波，但由于采用了恰當(dāng)?shù)腜WM控制技術(shù)，正弦基波的比重較大，影響電機(jī)運(yùn)行的低次諧波受到很大的抑制，因而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。（3）逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻，動(dòng)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)的動(dòng)態(tài)性能也得以提高。（4）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。

PWM變壓變頻器常用的功率開關(guān)器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的電壓控制器件如IGCT、IEGT等。受到開關(guān)器件額定電壓和電流的限制，對(duì)于特大容量電機(jī)的變壓變頻調(diào)速仍只好采用半控型的晶閘管（SCR），并用可控整流器調(diào)壓和六拍逆變器調(diào)頻的交-直-交變壓變頻器，見下圖。SCR可控整流器六拍逆變器DCACAC50Hz~調(diào)頻調(diào)壓圖可控整流器調(diào)壓、六拍逆變器調(diào)頻的交-直-交變壓變頻器交-直-交變頻器按直流電源的性質(zhì)分為：在交-直-交變壓變頻器中，按照中間直流環(huán)節(jié)直流電源性質(zhì)的不同，逆變器可以分成電壓源型和電流源型兩類，兩種類型的實(shí)際區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾波器。特征：在中間的直流回路中串入一個(gè)大電感作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，由于電感對(duì)電流變化的平抑作用，直流電部分將近似為一個(gè)電流源，所以稱為電流型。特征：在中間的直流回路中串入一個(gè)大電容作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，由于電容對(duì)電壓有穩(wěn)壓作用，直流電部分將近似為一個(gè)電壓源，所以稱為電壓型。LdIdCdUdUd++--a)電壓源逆變器b)電流源逆變器圖電壓源型和電流源型逆變器示意圖電流源型逆變器（CurrentSourceInverter--CSI）原理：整流輸出靠直流電抗器濾波，具有恒流源特性，直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，直流電流Id波形比較平直，電動(dòng)機(jī)的電流波形為方波或階梯波，電壓波形接近于正弦波。直流電源的內(nèi)阻較大，近似于電流源，故稱為電流源型變頻器或電流型變頻器。圖電流型變頻器的主電路優(yōu)點(diǎn)：電流型變頻器的一個(gè)較突出的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，回饋到直流側(cè)的再生電能可以方便地回饋到交流電網(wǎng)，不需2023/7/2274在主電路內(nèi)附加任何設(shè)備，只要利用網(wǎng)側(cè)的不可逆變流器改變其輸出電壓極性（控制角a>900）即可。應(yīng)用場(chǎng)合：適用于4象限運(yùn)行和要求快速調(diào)速的場(chǎng)合，可用于頻繁急加減速的大容量電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)。在大容量風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能調(diào)速中也有應(yīng)用。電壓源型逆變器（VoltageSourceInverter--VSI）原理：整流輸出經(jīng)電感電容濾波，具有恒壓源特性，逆變器具有反饋二極管，是一種方波電壓逆變器。變頻器對(duì)三相交流異步電動(dòng)機(jī)提供可調(diào)的電壓與頻率成比例的交流電源。2023/7/2275

直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，因而直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個(gè)內(nèi)阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，有時(shí)簡(jiǎn)稱電壓型逆變器。典型的一種主電路結(jié)構(gòu)形式如圖所示。其中用于逆變器晶閘管的換相電路未畫出。變頻器的每個(gè)導(dǎo)電臂，均由一個(gè)可控開關(guān)器件和一個(gè)不控器件（二極管）反并聯(lián)組成。晶閘管VT1--VT6稱為主開關(guān)器件，VD1--VD6稱為回饋二極管。2023/7/2276圖電壓型變頻器的主電路

優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合：對(duì)負(fù)載電動(dòng)機(jī)而言，電壓型變頻器是一個(gè)交流電壓源，在不超過容量限度的情況下，可以驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，具有不選擇負(fù)載的通用性。2023/7/2277缺點(diǎn)：這種方法若不設(shè)置與整流器反向并聯(lián)的再生逆變器，則不能實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，回饋到直流側(cè)的無(wú)功能量難于回饋給交流電網(wǎng)。要實(shí)現(xiàn)這部分能量向電網(wǎng)的回饋，必須采用可逆變流器。如下圖所示，網(wǎng)側(cè)變流器采用兩套全控整流器反并聯(lián)。電動(dòng)時(shí)由電橋I供電，回饋時(shí)電橋II作有源逆變運(yùn)行（a＞900），將再生能量回饋給電網(wǎng)。再生能量回饋型電壓型變頻器2023/7/2278

兩類逆變器在主電路上雖然只是濾波環(huán)節(jié)的不同，在性能上卻帶來了明顯的差異，主要表現(xiàn)如下：（1）無(wú)功能量的緩沖在調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器的負(fù)載是異步電機(jī)，屬感性負(fù)載。在中間直流環(huán)節(jié)與負(fù)載電機(jī)之間，除了有功功率的傳送外，還存在無(wú)功功率的交換。濾波器除濾波外還起著對(duì)無(wú)功功率的緩沖作用，使它不致影響到交流電網(wǎng)。因此，兩類逆變器的區(qū)別還表現(xiàn)在采用什么儲(chǔ)能元件（電容器或電感器）來緩沖無(wú)功能量。（2）能量的回饋用電流源型逆變器給異步2023/7/2279電機(jī)供電的電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)有一個(gè)顯著特征，就是容易實(shí)現(xiàn)能量的回饋，從而便于四象限運(yùn)行，適用于需要回饋制動(dòng)和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。下面以由晶閘管可控整流器UCR和電流源型串聯(lián)二極管式晶閘管逆變器CSI構(gòu)成的交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（如下圖所示）為例，說明電動(dòng)運(yùn)行和回饋制動(dòng)兩種狀態(tài)。當(dāng)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，UCR的控制角<90，工作在整流狀態(tài)，直流回路電壓Ud的極性為上正下負(fù)，電流Id由正端流入逆變器CSI，CSI工作在逆變狀態(tài)，輸出電壓的頻率1>，電動(dòng)機(jī)以2023/7/2280圖a電流源型交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的兩種運(yùn)行狀態(tài)M3~+-UdIdLdCSIα<90o整流ω1>ω電動(dòng)Teω

逆變UCRa）電動(dòng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速運(yùn)行，電功率的傳送方向如圖a所示。

電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)P2023/7/2281

如果降低變壓變頻器的輸出頻率1，或從機(jī)械上抬高電機(jī)轉(zhuǎn)速，使1<，同時(shí)使UCR的控制角>90，則異步電機(jī)轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)，逆變器轉(zhuǎn)入整流狀態(tài)，而可控整流器轉(zhuǎn)入有源逆變狀態(tài)，此時(shí)直流電壓Ud立即反向，而電流Id

方向不變，電能由電機(jī)回饋給交流電網(wǎng)（圖b）。與此相反，采用電壓源型的交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)和四象限運(yùn)行卻很困難，因?yàn)槠渲虚g直流環(huán)節(jié)有大電容鉗制著電壓的極性，不可能迅速反向，而電流受到器件單向?qū)щ娦缘闹萍s也不能反向，所以在原裝置上無(wú)法實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。2023/7/2282圖b電流源型交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的兩種運(yùn)行狀態(tài)M3~+-UdIdLdCSIα>90o有源逆變?chǔ)?<

ω發(fā)電Teω整流UCRb）逆變運(yùn)行逆變運(yùn)行狀態(tài)P2023/7/2283（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)正由于交-直-交電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的直流電壓可以迅速改變，所以動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快，而電壓源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)就慢得多。（4）輸出波形電壓源型逆變器輸出的電壓波形為方波，電流源型逆變器輸出的電流波形為方波（見表）。表6-1兩種逆變器輸出波形比較2023/7/2284（4）應(yīng)用場(chǎng)合電壓源型逆變器屬恒壓源，電壓控制響應(yīng)慢，不易波動(dòng)，所以適于做多臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)行時(shí)的供電電源，或單臺(tái)電機(jī)調(diào)速但不要求快速起制動(dòng)和快速減速的場(chǎng)合。采用電流源型逆變器的系統(tǒng)則相反，不適用于多電機(jī)傳動(dòng)，但可以滿足快速起制動(dòng)和可逆運(yùn)行的要求。180o導(dǎo)通型和120o導(dǎo)通型逆變器交-直-交變壓變頻器中的逆變器一般接成三相橋式電路，以便輸出三相交流變頻電源，下圖為6個(gè)電力電子開關(guān)器件VT1~VT6組成的三相2023/7/2285CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd2Ud2RL圖6-17三相橋式逆變器主電路逆變器主電路，圖中用開關(guān)符號(hào)代表任何一種電力電子開關(guān)器件。2023/7/2286

控制各開關(guān)器件輪流導(dǎo)通和關(guān)斷，可使輸出端得到三相交流電壓。在某一瞬間，控制一個(gè)開關(guān)器件關(guān)斷，同時(shí)使另一個(gè)器件導(dǎo)通，就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)器件之間的換流。在三相橋式逆變器中，有180°導(dǎo)通型和120°導(dǎo)通型兩種換流方式。（1）180°導(dǎo)通型控制方式同一橋臂上、下兩管之間互相換流的逆變器稱作180°導(dǎo)通型逆變器。例如，當(dāng)VT1關(guān)斷后，使VT4導(dǎo)通，而當(dāng)VT4關(guān)斷后，又使VT1導(dǎo)通。這時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件在一2023/7/2287個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的區(qū)間是180°，其他各相亦均如此。由于每隔60°有一個(gè)器件開關(guān)，在180°導(dǎo)通型逆變器中，除換流期間外，每一時(shí)刻總有3個(gè)開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通。但須注意，必須防止同一橋臂的上、下兩管同時(shí)導(dǎo)通，否則將造成直流電源短路，謂之“直通”。為此，在換流時(shí)，必須采取“先斷后通”的方法，即先給應(yīng)關(guān)斷的器件發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留一定的時(shí)間裕量，叫做“死區(qū)時(shí)間”，再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通信號(hào)。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短視器件的開關(guān)速度而定，器2023/7/2288件的開關(guān)速度越快時(shí)，所留的死區(qū)時(shí)間可以越短。為了安全起見，設(shè)置死區(qū)時(shí)間是非常必要的，但它會(huì)造成輸出電壓波形的畸變。tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uAO'uAOuABiAiduBO'uCO'uOO'UdUd2Ud3Ud62Ud3電壓型逆變電路的波形2023/7/2289（2）120°導(dǎo)通型控制方式

120°導(dǎo)通型逆變器的換流是在不同橋臂中同一排左、右兩管之間進(jìn)行的。例如，VT1關(guān)斷后使VT3導(dǎo)通，VT3關(guān)斷后使VT5導(dǎo)通，VT4關(guān)斷后使VT6導(dǎo)通等等。這時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件一次連續(xù)導(dǎo)通120°，在同一時(shí)刻只有兩個(gè)器件導(dǎo)通，如果負(fù)載電機(jī)繞組是Y聯(lián)結(jié)，則只有兩相導(dǎo)電，另一相懸空。2023/7/2290

電流型三相橋式逆變電路的輸出波形

tOtOtOtOIdiViWuUViU2023/7/2291按輸出電壓調(diào)節(jié)方式分類變頻調(diào)速時(shí)，需要同時(shí)調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓和頻率，以保證電動(dòng)機(jī)主磁通的恒定。對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)主要有兩種方式：

PAM：脈沖幅值調(diào)節(jié)（PulseAmplitudeModulation）

PWM：脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation）1.PAM方式是通過改變直流電壓的幅值進(jìn)行調(diào)壓的方式。在PAM變頻器中，逆變器只負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)輸出頻率，2023/7/2292圖電壓型變頻器的主電路而輸出電壓的調(diào)節(jié)則由相控整流器或直流斬波器通過調(diào)節(jié)直流電壓Ed去實(shí)現(xiàn)。（1）相控整流器：可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻。2023/7/2293圖采用直流斬波器的PAM方式

（2）直流斬波器：二極管整流、斬波器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻。2.PWM方式原理：脈沖寬度調(diào)制變頻（PWM變頻）調(diào)速的電路結(jié)構(gòu)與電壓型變頻調(diào)速相似，只是用不可控整流器代替了原來的可控整流器，逆變器可以用晶閘管，但更多的是用大功率晶體管（GTR）或可

關(guān)斷晶閘管（GTO）等全控型器件。

脈沖寬度調(diào)制變頻調(diào)速是將一個(gè)周期的逆變電壓分割成幾個(gè)脈沖。分配脈沖時(shí)使電源諧波成分盡量減少。改變脈沖數(shù)和脈沖寬度，使供給電動(dòng)機(jī)的基波電壓與頻率成比例變化。頻率越高脈沖數(shù)越少。最常見的主電路如下圖所示。變頻器中的整2023/7/2295流器采用不可控的二極管整流電路。變頻器的輸出頻率和輸出電壓的調(diào)節(jié)均由逆變器按PWM方式來完成。利用參考電壓波與載頻三角波互相比較來決定主開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。利用脈沖寬度的改變來得到幅值不同的正弦基波電壓。這種參考信號(hào)為正弦波、輸出電壓平均值近似為正弦波的PWM方式，稱為正弦

PWM調(diào)制，簡(jiǎn)稱SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）方式。在通用變頻器中，在通用變頻器中，采用SPWM方式調(diào)壓，是一種最常采用的方案。2023/7/2296圖PWM變頻器主電路2023/7/2297按控制方式分類1.U/f控制

基頻以下可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上則可以實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。

U/f方式又稱為VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）控制方式，其簡(jiǎn)化的原理性框圖如圖2-18所示。逆變器的控制脈沖發(fā)生器同時(shí)受控于頻率指令f和電壓指令U，而f與U之間的關(guān)系是由U/f曲線發(fā)生器（U/f模式形成）決定的。這樣經(jīng)PWM控制之后，變頻器的輸出頻率f和輸出電壓U2023/7/2298之間的關(guān)系，是U/f曲線發(fā)生器所確定的關(guān)系。可見，轉(zhuǎn)速的改變是靠改變頻率的設(shè)定值f來實(shí)現(xiàn)的。電動(dòng)機(jī)在f不變條件下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化而變化，故U/f控制常用于速度精度要求不高或負(fù)載變動(dòng)較小的場(chǎng)合。

U/f控制是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無(wú)需速度傳感器，控制電路簡(jiǎn)單，負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)，所以通用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。2023/7/2299圖2-18U/f控制方式2.轉(zhuǎn)差頻率控制由于U/f控制的靜態(tài)調(diào)速精度顯然較差，為提高調(diào)速精度，采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式。根據(jù)速度傳感器的檢測(cè)，可以求出轉(zhuǎn)差頻率△f，再把它與速度設(shè)定值f相疊加，以該疊加2023/7/22100值作為逆變器的頻率設(shè)定值f1，就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)差補(bǔ)償。這種實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制方式稱為轉(zhuǎn)差頻率控制方式。與U/f控制方式相比，其調(diào)速精度大為提高。但是，使用速度傳感器求取轉(zhuǎn)差頻率，要針對(duì)具體電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性調(diào)整控制參數(shù)，因而這種控制方式的通用性較差。

轉(zhuǎn)差頻率控制方式的原理圖如圖2-19所示。經(jīng)轉(zhuǎn)差補(bǔ)償后定子頻率的實(shí)際設(shè)定值為f1＝f+△f，調(diào)速精度提高了。2023/7/22101圖2-19轉(zhuǎn)差頻率控制方式a)電路結(jié)構(gòu)b)機(jī)械特性3.矢量控制長(zhǎng)期以來，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性一直是人們公認(rèn)的佼佼者。所以，三相交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性能否和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，便成為了變頻調(diào)速系統(tǒng)能否2023/7/22102覆蓋全部調(diào)速領(lǐng)域的試金石。變頻變壓調(diào)速系統(tǒng)所存在的不足：頻率越低，電動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩越小，帶負(fù)載能力也越小。顯然，這樣的機(jī)械特性是難以和直流調(diào)速系統(tǒng)相比擬的。

V/F控制調(diào)速方案中，當(dāng)轉(zhuǎn)矩的低頻補(bǔ)償線2023/7/22103選定之后，交流電動(dòng)機(jī)輸入電壓U1的大小就只和工作頻率f1有關(guān)，而和負(fù)載輕重?zé)o關(guān)。但許多負(fù)載在同一轉(zhuǎn)速下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩是常常變動(dòng)的。例如塑料擠出機(jī)在工作過程中，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩是隨塑料的加料情況、熔融狀態(tài)以及塑料本身的性能等而經(jīng)常變動(dòng)的。用戶在決定V/f線時(shí)，只能根據(jù)負(fù)載最重時(shí)的狀況(I1＝I1N)進(jìn)行選擇。當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，電壓的補(bǔ)償量將處于“過補(bǔ)償”狀態(tài)。這是因?yàn)?負(fù)載較輕時(shí)，電流I1下降，定子繞組的阻抗壓降I1Z1也減小。結(jié)果，比值U1/f1將偏大，使磁路飽和。2023/7/22104

上述分析表明，當(dāng)變動(dòng)負(fù)載采用V/F控制法時(shí)，電動(dòng)機(jī)磁路的飽和程度將隨著負(fù)載的變化而變化，這無(wú)疑是個(gè)瑕疵，使它仍難以和直流電動(dòng)機(jī)相媲美。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能是十分優(yōu)越的，所以，人們就致力于分析直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能優(yōu)越的原因，進(jìn)而研究如何使異步電動(dòng)機(jī)也能夠具有和直流電動(dòng)機(jī)類似的特點(diǎn)，從而改善其調(diào)速性能，這就是矢量控制的基本指導(dǎo)思想。

直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)磁通在空間是互相垂直的。如圖(a)所示。

電路特點(diǎn)：勵(lì)磁繞組的電路和電樞電路是互相獨(dú)立的，如圖(b)所示。調(diào)速特點(diǎn)：在這兩個(gè)互相垂直而獨(dú)立的磁場(chǎng)中，只需調(diào)節(jié)其中之一即可進(jìn)行調(diào)速，兩者互不干擾，調(diào)速后的機(jī)械特性如圖(c)所示。磁場(chǎng)特點(diǎn)：直流電動(dòng)機(jī)中有兩種磁通。主磁通：由定子上的主磁極產(chǎn)生，用表示。主磁極上有勵(lì)磁繞組，繞組中通有勵(lì)磁電流I0；電樞磁通：由轉(zhuǎn)子繞組中的電樞電流IA產(chǎn)生，用ΦA(chǔ)表示。主磁通和電樞矢量控制的基本考慮

仿照直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，當(dāng)變頻器得到給定信號(hào)后，首先由控制電路把給定信號(hào)分解為兩個(gè)互相垂直的磁場(chǎng)信號(hào):勵(lì)磁分量ΦM和轉(zhuǎn)矩分量ΦT，與之對(duì)應(yīng)的控制電流信號(hào)分別為iM和iT。并假設(shè)，這兩個(gè)互相垂直的磁場(chǎng)信號(hào)在空間是旋轉(zhuǎn)著，轉(zhuǎn)速等于給定頻率相對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)著的直流磁場(chǎng)，和由三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)速和磁感應(yīng)強(qiáng)度都相同的前提下，是可以進(jìn)行等效變換的。所以，直流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的控制信號(hào)可以等效地變換成三相交變磁場(chǎng)的控制信號(hào)iA、iB和iC，用來控制逆變橋中各開關(guān)器件的工作，如圖所示。在運(yùn)行過程中，當(dāng)由于負(fù)載發(fā)生變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)速變化，并通過轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)反饋到控制電路時(shí)，令磁場(chǎng)信號(hào)iM不變，而只調(diào)整轉(zhuǎn)矩信號(hào)iT，從而使異步電動(dòng)機(jī)得到和直流電動(dòng)機(jī)十分相似的機(jī)械特性。2023/7/22108按主開關(guān)器件分類

逆變器主開關(guān)器件的性能，往往對(duì)變頻器裝置的性能有較關(guān)鍵的影響。通用變頻器中最常用的主開關(guān)器件都是自關(guān)斷器件，主要有IGBT、GTO和BJT。

(目前采用以IGBT為主開關(guān)器件的IPM（智能電力模塊），也成為一種趨勢(shì)，但僅在小容量變頻器中開始采用。)IGBT的性能優(yōu)于BJT，且容量范圍可以覆蓋BJT。實(shí)際上，BJT被IGBT取代已成定勢(shì)。目前生產(chǎn)廠商新出品的通用變頻器，大多數(shù)2023/7/22109都已采用IGBT。短短幾年中，IGBT已經(jīng)發(fā)展了三代產(chǎn)品，近兩年，日本東芝公司為突破IGBT難于達(dá)到4000V以上的難關(guān)，開發(fā)一種溝道柵結(jié)構(gòu)的IGBT，稱為IEGT。

GTO的特點(diǎn)是電壓高、電流大，已出現(xiàn)6000V/6000A、11000V/10000A的巨型GTO。目前GTO主要用于高壓大容量變頻器。原來它在中等容量領(lǐng)域的地位，將被IGBT所取代。就通用變頻器來看，將來將以IGBT變頻器為主，BJT變頻器不會(huì)再有新上市的產(chǎn)品，IPM的應(yīng)用會(huì)逐步增加。2023/7/22110IGBT變頻器有如下特點(diǎn)：

(1）可以制成所謂靜音式變頻器，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)的噪聲降到工頻電網(wǎng)供電時(shí)的水平。（2）電流波形更加正弦化，有利于減輕電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，并增加低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩。

(3）用于矢量控制時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更快。（4）與BJT變頻器相比較，更容易制成上限頻率較高的變頻器。PWM控制方式更簡(jiǎn)單，可以省去“分段同步調(diào)制”的麻煩。（5）與BJT變頻器相比較，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，整機(jī)體積小，重量輕。變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)早期的交-直-交變壓變頻器所輸出的交流波形都是六拍階梯波（對(duì)于電壓型逆變器）或矩形波（對(duì)于電流型逆變器），這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)逆變器只能采用半控式的晶閘管，其關(guān)斷的不可控性和較低的開關(guān)頻率導(dǎo)致逆變器的輸出波形不可能近似按正弦波變化，從而會(huì)有較大的低次諧波，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)分量，影響其穩(wěn)態(tài)工作性能，在低速運(yùn)行時(shí)更為明顯。為了改善交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能，在出現(xiàn)了全控式電力電子開關(guān)器件之后，

六拍逆變器主電路結(jié)構(gòu)VT1~VT6――主電路開關(guān)器件

VD1~VD6――續(xù)流二極管VT3VT5VT4VT6VT2VT1

六拍逆變器的諧波科技工作者在20世紀(jì)80年代開發(fā)了應(yīng)用PWM技術(shù)的逆變器。由于它的優(yōu)良技術(shù)性能，當(dāng)今國(guó)內(nèi)外各廠商生產(chǎn)的變壓變頻器都已采用這種技術(shù)，只有在全控器件尚未能及的特大容量時(shí)才屬例外。正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)PWM波:等幅不等寬的電壓脈沖序列。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指輸出響應(yīng)基本相同。PWM調(diào)制原理以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrierwave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulationwave），當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。按照波形面積相等的原則，每一個(gè)矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等，因而這個(gè)序列的矩形波與期望的正弦波等效。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidalpulsewidthmodulation，簡(jiǎn)稱SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。如何用PWM波代替正弦半波正弦半波N等分，可看成N個(gè)彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等。用等幅不等寬，中點(diǎn)重合的矩形脈沖（PWM）代替。面積（沖量）相等。矩形脈沖寬度按正弦規(guī)律變化對(duì)于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波。圖6-18PWM調(diào)制原理正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波的產(chǎn)生頻率可調(diào)的載波信號(hào)—三角波頻率不變的基波信號(hào)—正弦波頻率可隨載波信號(hào)變化的調(diào)制信號(hào)——SPWM波正弦脈寬調(diào)制的實(shí)現(xiàn)經(jīng)過對(duì)uC和uT的逐點(diǎn)比較，便可得到圖8-7b所示的調(diào)制波形。此波形的特點(diǎn)是：載波頻率高：大多數(shù)變頻器的載波頻率可在(3～15)kHz的范圍內(nèi)任意可調(diào)

。電流波形大為改善：載波頻率高的結(jié)果是電流的諧波成分減小，電流波形十分接近于正弦波，故電磁噪聲減小，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩則增大。功耗減小：由于IGBT的驅(qū)動(dòng)電路取用電流小，幾乎不消耗功率。瞬間停電可以不停機(jī)：這是因?yàn)镮GBT的柵極電流極小，停電后，柵極控制電壓衰減較慢，IGBT管不會(huì)立即進(jìn)入放大狀態(tài)。故在瞬間停電或變頻器因誤動(dòng)作而跳閘后，允許自動(dòng)重合閘，而可以不必跳閘，從而增強(qiáng)了對(duì)常見故障的自處理能力。

結(jié)論:期待近百年的交流調(diào)速最根本的關(guān)鍵之一是—直到20世紀(jì)80年代后，才出現(xiàn)了符合要求的開關(guān)器件。正弦脈寬調(diào)制波（SPWM）一系列等幅不等寬的脈沖等效一個(gè)正弦波。2023/7/22122SPWM技術(shù)1、獲取SPWM波的方法計(jì)算法：根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波。計(jì)算法繁瑣調(diào)制法：來源于通信技術(shù)。SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的獲取方法①模擬電路實(shí)現(xiàn)②數(shù)字電路或?qū)Ｓ玫拇笠?guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)后來更進(jìn)一步把它做在微機(jī)芯片里面，生產(chǎn)出多種帶PWM信號(hào)輸出口的電機(jī)控制用的8位、16位微機(jī)芯片，如8XC196MC系列和DSP。③軟件生成自然采樣法——按SPWM基本原理，把模擬控制的方法數(shù)字化，在正弦波和三角波交點(diǎn)控制功率開關(guān)期間的通斷，要求解復(fù)雜的超越方程，運(yùn)算比較復(fù)雜；難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，工程應(yīng)用不多。規(guī)則采樣法——在工程上更實(shí)用的簡(jiǎn)化方法，由于簡(jiǎn)化方法的不同，衍生出多種規(guī)則采樣法。變壓變頻的實(shí)現(xiàn)輸出的SPWM的頻率的大小由調(diào)制波（正弦波）的頻率決定。

輸出的SPWM波電壓的大小由脈沖的寬度決定；而脈沖的寬度由調(diào)制波的幅值決定。即要改變等效輸出SPWM波幅值，調(diào)制波的幅值即可。2.SPWM控制方式如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)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，所得到的SPWM波也只處于一個(gè)極性的范圍內(nèi)，叫做單極