交流变频调速系统.ppt

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1、第三章 交压变频调速系统 第一节第一节 变频调速技术的发展及应用变频调速技术的发展及应用第二节第二节 变频调速系统的工作原理变频调速系统的工作原理第四节第四节 晶闸管变频调速系统晶闸管变频调速系统第五节第五节 正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术第三节第三节 变频调速系统无逆变电路变频调速系统无逆变电路第一节第一节 变频技术的发展及应用变频技术的发展及应用什么叫变频什么叫变频?变频器有什么特点？变频器有什么特点？变频调速就是通过变频器将固定频率和固定电压变频调速就是通过变频器将固定频率和固定电压的交流电源转化为能在宽广的范围内电压和频率的交流电源转化为能在宽广的范围内电压和频率均可调的变频电源

2、。均可调的变频电源。优点：调速范围宽，自身损耗少，系统的功率因优点：调速范围宽，自身损耗少，系统的功率因数和效率高，节电效果明显。数和效率高，节电效果明显。缺点：价格昂贵，输出信号非正弦，含各种谐波，缺点：价格昂贵，输出信号非正弦，含各种谐波，会出现发热、振动和噪声等一系列不良影响。会出现发热、振动和噪声等一系列不良影响。0.1-130Hz0.1-130Hz范围内可调范围内可调为什么频率和电压均可调，而我们所需要的为什么频率和电压均可调，而我们所需要的其实只是频率，能不能只变频率呢？其实只是频率，能不能只变频率呢？上述两种情况实际运行中都不允许出现。上述两种情况实际运行中都不允许出现。因此，变

3、频器不能只改变因此，变频器不能只改变f f1 1一个物理量！一个物理量！解决方法:频率f1和供电电压u1配合调节f f1 1增大则磁通减小，从而会使得增大则磁通减小，从而会使得电磁转矩减小，对于恒转矩负载电磁转矩减小，对于恒转矩负载则会出现而带不动负载的现象。则会出现而带不动负载的现象。如果如果f f1 1减小，则会使得主磁通趋于饱和从而使减小，则会使得主磁通趋于饱和从而使得励磁电流急剧增大。得励磁电流急剧增大。变频调速的现状：变频调速的现状：风机、泵类所用风机、泵类所用55kW55kW变频器市场价变频器市场价1800018000元，元，160kW:52000160kW:52000元左右，元左

4、右，280kW:90000280kW:90000元左右，平均元左右，平均320320350350元元/kW/kW，如果系统的节电率是，如果系统的节电率是30%30%，半年，半年内可收回投资，内可收回投资，进步快，成绩大，产品可靠性和工艺水平与国进步快，成绩大，产品可靠性和工艺水平与国外有较大差距，自行开发和生产的能力较弱，外有较大差距，自行开发和生产的能力较弱，中小功率的变频器台数多，总体容量不大。中小功率的变频器台数多，总体容量不大。国内市场上流行的通用变频器多达几十种，如欧美国内市场上流行的通用变频器多达几十种，如欧美国家的品牌有西门子、国家的品牌有西门子、ABBABB、Schneider

5、Schneider（施耐德）、（施耐德）、SIEISIEI（西威）等；日本产的品牌有富士、三菱、日（西威）等；日本产的品牌有富士、三菱、日立、松下、东芝、等；韩国生产的立、松下、东芝、等；韩国生产的LGLG、三星、现代、三星、现代等；等；港澳台地区的品牌有普传、台安、台达、东元、正港澳台地区的品牌有普传、台安、台达、东元、正频、宁茂、九德松益、爱德利等；国产的品牌有康频、宁茂、九德松益、爱德利等；国产的品牌有康沃、安邦信、惠丰、森兰、阿尔法、时代、格立特、沃、安邦信、惠丰、森兰、阿尔法、时代、格立特、海利、佳灵、富凌、英威腾等。海利、佳灵、富凌、英威腾等。常见的变频器产品及特点常见的变频器产品

6、及特点欧美国家的产品以性能先进、适应环境性强而著称；欧美国家的产品以性能先进、适应环境性强而著称；日本产品则以外形小巧、功能多而闻名；日本产品则以外形小巧、功能多而闻名；港澳台地区的产品以符合国情、功能简单实用而流行；港澳台地区的产品以符合国情、功能简单实用而流行；国产变频器则以大众化、功能简单、专用、价格低的优国产变频器则以大众化、功能简单、专用、价格低的优势而获得广泛应用。势而获得广泛应用。变频器的发展趋势：变频器的发展趋势：低电磁噪音化低电磁噪音化：变频器都要求在抗干扰和抑制：变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合高次谐波方面符合EMCEMC国际标准国际标准 专用化专用化：更好发挥变

7、频器的独特功能并尽可能：更好发挥变频器的独特功能并尽可能地方便用户地方便用户 主控一体化主控一体化：使逆变功率和控制电路达到一体化：使逆变功率和控制电路达到一体化 小型化小型化：就是向发热挑战，功率器件发热的改善：就是向发热挑战，功率器件发热的改善和冷却技术的发展已成为小型化的重要原因和冷却技术的发展已成为小型化的重要原因系统化系统化：通用变频器从模拟式、数字式、智能化、：通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多功能向集中型发展多功能向集中型发展功率部件：高电压，大电流功率部件：高电压，大电流控制部件：数字化及软硬件电路的开发控制部件：数字化及软硬件电路的开发总结起来就是两个部分：总结起来就是两

8、个部分：第二节第二节 变频调速的原理及基本控制方式变频调速的原理及基本控制方式一一.原理及控制方式的分类原理及控制方式的分类1.1.异步电动机的转速：异步电动机的转速：改变电源频率，同步转速发生改变，从而改变电改变电源频率，同步转速发生改变，从而改变电动机的转速。动机的转速。由电机学知由电机学知如果忽略定子上的电阻压降，则有如果忽略定子上的电阻压降，则有 2 2、变频调速的基本控制方式、变频调速的基本控制方式由上面推导出来的式子可知，只要控制好由上面推导出来的式子可知，只要控制好 U U1 1 和和 f f1 1 ，便可达到控制磁通，便可达到控制磁通 的目的，对的目的，对此，需要考虑此，需要考

9、虑基频（额定频率）以下基频（额定频率）以下和和基频基频以上以上两种情况。两种情况。a、基频以下的变频控制方式、基频以下的变频控制方式即：气隙磁通感应电势与频率之比为常数即：气隙磁通感应电势与频率之比为常数 基频基频以下以下常采用常采用恒磁通恒磁通变频控制方式。变频控制方式。（1）保持）保持不变，则当频率不变，则当频率f1从额定值从额定值f1e向下调节时，须向下调节时，须同时降低同时降低U1，使，使U1/f1=常数。常数。（2）因感应电势难以直接控制，忽略定子压降，认为定子）因感应电势难以直接控制，忽略定子压降，认为定子相电压相电压U1E1，则则U1/f1=常数。这就是恒压频比的变频控制常数。这

10、就是恒压频比的变频控制方式。基频以下如果采用恒电压的控制方式，因为频率和磁方式。基频以下如果采用恒电压的控制方式，因为频率和磁通的变化趋势相反，频率低于基频就会使得磁通趋于饱和磁通的变化趋势相反，频率低于基频就会使得磁通趋于饱和磁通，从而引起过大的励磁电流，因此只能采用恒磁通的控制通，从而引起过大的励磁电流，因此只能采用恒磁通的控制方式。方式。b b、基频以上的变频控制方式、基频以上的变频控制方式在基频以上时，频率可从在基频以上时，频率可从f f1N1N往上增高，但电压往上增高，但电压U U1 1却却不能增加得比额定电压不能增加得比额定电压U U1N1N大，一般保持大，一般保持U U1 1=U

11、 U1N1N，使，使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。速的情况。恒电压的控制方式用于基频以上的变频系统中，此时恒电压的控制方式用于基频以上的变频系统中，此时电压恒定，磁通会从额定值电压恒定，磁通会从额定值N向下调节。向下调节。c、恒电流的变频控制方式、恒电流的变频控制方式如果在变频调速的过程中，如果始终保持定子的如果在变频调速的过程中，如果始终保持定子的电流幅值恒定，即：电流幅值恒定，即：I I1 1=const=const，这种控制方式称，这种控制方式称为恒电流控制方式。为恒电流控制方式。该控制方式的过载能力比较差而不太常用。该

12、控制方式的过载能力比较差而不太常用。二二.各控制方式的机械特性各控制方式的机械特性1.1.恒磁通控制方式的机械特性恒磁通控制方式的机械特性 分析机械特性通常需要求出该情况下的最大分析机械特性通常需要求出该情况下的最大电磁转矩电磁转矩T Tm m及对应的临界转差率及对应的临界转差率S Sm m。根据表达式来。根据表达式来画出调频调速的机械特性曲线族。画出调频调速的机械特性曲线族。异步电动机电磁转矩一般方程为：异步电动机电磁转矩一般方程为：求解求解求得：求得：当运行的频率较高时，参数当运行的频率较高时，参数即当系统的频率较高时，电磁转矩的最大值保持恒定即当系统的频率较高时，电磁转矩的最大值保持恒定

13、可以看出转速降与频率的大小无关，调速特性可以看出转速降与频率的大小无关，调速特性曲线是相互平行的。曲线是相互平行的。电动机的转速降为：电动机的转速降为：当运行的频率较低时，参数当运行的频率较低时，参数最大电磁转矩随着频率的降低而减少。最大电磁转矩随着频率的降低而减少。此时的转速降此时的转速降转速降随频率的增大而增大。转速降随频率的增大而增大。但此时机械特性曲线的但此时机械特性曲线的斜率并不发生改变：斜率并不发生改变：根据上面的推导，得出变频调速基频下调速根据上面的推导，得出变频调速基频下调速时的机械特性曲线族如下：时的机械特性曲线族如下：但是前面的推导只是频率较大时最大电磁转但是前面的推导只是

14、频率较大时最大电磁转矩不变化，而频率较小时，最大电磁转矩随矩不变化，而频率较小时，最大电磁转矩随频率减小而降低。频率减小而降低。因此得出的机械特性曲线修改如下：因此得出的机械特性曲线修改如下：nN0n01n02n03n0eT1Nw11w13w12w1312111Nwwww对于恒转矩性质的负载则希望对于恒转矩性质的负载则希望T Tm m保持不变。保持不变。为什么低频的时候为什么低频的时候T Tm m会随频率的变化而变化呢会随频率的变化而变化呢?由于低频时定子相电阻上的压降相对增大，从由于低频时定子相电阻上的压降相对增大，从而无法保持电动机的气隙磁通保持恒定，启动而无法保持电动机的气隙磁通保持恒定

15、，启动的时候启动转矩也减小，有时候还会出现带不的时候启动转矩也减小，有时候还会出现带不动负载的现象。动负载的现象。解决方法：解决方法：在控制回路中加入一个函在控制回路中加入一个函数发生器，补偿定子电阻数发生器，补偿定子电阻上的压降，从而提升上的压降，从而提升U U1 1.OU1f 1U1Nf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 补偿定子压降后的特性nN0n01n02n03n0eT1Nw11w13w12w1312111Nwwww补偿后尽量保持不同转速下的最大电磁转矩值相同。补偿后尽量保持不同转速下的最大电磁转矩值相同。从而也提高了系统带负载的能力。从而也提高了系统带负载的能力

16、。2.恒电压控制方式的机械特性恒电压控制方式的机械特性 在基频在基频f f1N1N以上变频时，电压以上变频时，电压U U1 1=U U1N1N不变。其机械不变。其机械特性同样来分析最大电磁转矩、相应的转差率及特性同样来分析最大电磁转矩、相应的转差率及转速降。转速降。电压恒定电压恒定当运行的频率较高时当运行的频率较高时转速降任然是与频率大小无关的常数。转速降任然是与频率大小无关的常数。但是此时但是此时说明调速机械特性的曲线斜率随着频率的升高而增大。说明调速机械特性的曲线斜率随着频率的升高而增大。得出相对应的机械特性曲线如下图：得出相对应的机械特性曲线如下图：由由图图可可见见，当当频频率率1提提高

17、高时时，同同步步转转速速随随之之提提高高，最最大大转转矩矩减减小小，机机械械特特性性上上移移；转转速速降降落落随随频频率率的的提提高高而而增增大大，特特性性斜斜率率稍稍变变大大，其其它它形状基本相似。形状基本相似。当电压当电压U U1 1=U=U1N1N时的变频调速具有近似恒功率的特性时的变频调速具有近似恒功率的特性1cw1bw1c1b1a1NwwwwOutOut等幅不等宽的脉冲序列等效正弦波的方式等幅不等宽的脉冲序列等效正弦波的方式调制方式的分类：调制方式的分类：按载波分：有三角波和锯齿波两类按载波分：有三角波和锯齿波两类按调制波分：有正弦波、梯形波和鞍形波按调制波分：有正弦波、梯形波和鞍形

18、波其中三角波调制又称为双极性调制其中三角波调制又称为双极性调制 锯齿波调制称为单极性调制锯齿波调制称为单极性调制按调制信号和载波信号的频率关系来分：分为按调制信号和载波信号的频率关系来分：分为同步调制和异步调制。同步调制和异步调制。在一个调制信号周期内所包含的载波的个数为在一个调制信号周期内所包含的载波的个数为载波频率比，记为载波频率比，记为N N三相电路中每相之间相差三相电路中每相之间相差120120，我们为了保证三，我们为了保证三相之间的相互对称，载波频率比相之间的相互对称，载波频率比N N通常取通常取3 3的整数倍。的整数倍。通过改变脉冲的不同宽度可以控制逆变器输出交流通过改变脉冲的不同

19、宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而同时实现变压和变频。出频率，从而同时实现变压和变频。一、取样脉宽调制方式一、取样脉宽调制方式1、单极性调制和双极性调制、单极性调制和双极性调制单极性调制：调制过程中调制波和载波始终保持单极性调制：调制过程中调制波和载波始终保持同极性的关系。同极性的关系。锯齿波的极性始终保持为正值，调制波锯齿波的极性始终保持为正值，调制波(通常为正弦通常为正弦波波)正半周期时与载波同极性，负半周期时，则要先正半周期时与载波同极性，负半周期时，则要先通过倒相器将调制波变为正值，再与载波同极

20、性进行通过倒相器将调制波变为正值，再与载波同极性进行单极性调制。单极性调制。单极性调制的正弦脉宽调制波形图：单极性调制的正弦脉宽调制波形图：urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量调制信号的幅值不能超过载波的幅值，否则得调制信号的幅值不能超过载波的幅值，否则得不到脉宽与其对应正弦波下的积分面积成正比不到脉宽与其对应正弦波下的积分面积成正比的脉冲信号。的脉冲信号。调制波大于载波时输出正的脉冲信号；调制波大于载波时输出正的脉冲信号；调制波小于载波时输出零信号或者负的脉冲信号。调制波小于载波时输出零信号或者负的脉冲信号。单极性调制时，为了保证每相波形的正负半波对称，单极性调制

21、时，为了保证每相波形的正负半波对称，载波频率比载波频率比N N必须是偶数，否则的话，会出现波形正负必须是偶数，否则的话，会出现波形正负办波不对称，而出现偶次谐波。办波不对称，而出现偶次谐波。双极性调制的正弦脉宽调制波形图：双极性调制的正弦脉宽调制波形图：三角波为载波时为双极性调制，即载波型号与调三角波为载波时为双极性调制，即载波型号与调制信号的极性随时间不断正、负变化。制信号的极性随时间不断正、负变化。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud为了保证双极性调制的正负半波对称，载为了保证双极性调制的正负半波对称，载波频率比必须为奇数波频率比必须为奇数双极性调制的三相双极性调制的三相SPWM

22、SPWM波形波形逆变器的载波比逆变器的载波比N定义定义为载波频率为载波频率ft与调制波频率与调制波频率f r之比。即之比。即N=2.SPWM逆变器的同步调制和异步调制逆变器的同步调制和异步调制视载波比的变化与否，有同步调制与异步调制之分。视载波比的变化与否，有同步调制与异步调制之分。a、同同步步调调制制：在在改改变变f r的的同同时时成成正正比比地地改改变变ft，使使载载波波比比N=常数；常数；b、异步调制：整个变频范围内，载波比、异步调制：整个变频范围内，载波比N不等于常数。不等于常数。c、分分段段同同步步调调制制：将将同同步步调调制制和和异异步步调调制制结结合合起起来来，成为分段同步调制方

23、式成为分段同步调制方式载波比载波频率f fc c与调制信号频率fr之比，NN=fc/fr载波和信号波是否同步及载波比的变化情况异步调制PWM调制方式分为同步调制a.异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式当信号频率增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，使得输出PWM波和正弦波差异变大通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称.(缺点)当信号频率较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，PWM波形接近正弦波.(优点)b.同步调制载波比N等于常数，在变频时使载波与信号波保持

24、同步的调制方式，为使一相的PWM波正负半周对称，N应取奇数在基本同步调制方式中，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数是固定，脉冲相位也是固定的三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出波形严格对称l当逆变电路输出频率很低时，fc也很低，fc过低时由调制带来的谐波不易滤除l当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高，使开关器件难以承受分段同步调制分段同步调制把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高，限制功率开关器件允许的范围在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低而对

25、负载产生不利影响l为防止载波频率在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法l在不同的频率段内，载波频率的变化范围基本一致，fc大约在1.42.0KHz之间 二、二、SPWMSPWM的实现方法的实现方法1、自然采样法、自然采样法2、规则采样法、规则采样法3、指定谐波消除法、指定谐波消除法调制深度：调制波和载波的峰值之比，记为调制深度：调制波和载波的峰值之比，记为M M。改变调制深度即可调节输出电压的幅值。改变调制深度即可调节输出电压的幅值。自然采样法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关的通断，这种生成SPWM波形的方法规则采样法工程实用方法，效果接近自然采样法，计

26、算量比自然采样法小得多缺点：实时计算工作量较大缺点：实时计算工作量较大,占用计算机的内存和时间。占用计算机的内存和时间。1 1、自然采样法：、自然采样法：按照按照SPWMSPWM控制的基本原理产控制的基本原理产生的生的PWMPWM波的方法，其求解波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。线计算，工程应用不多。脉冲中点不和三角波脉冲中点不和三角波(负峰负峰点点)重合。重合。规则采样法原理原理2、规则采样法、规则采样法工程实用方法，效果接近自工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。然采样法，计算量小得多。三角波两个正峰值之间为三角波两个正峰值之间

27、为一个采样周期一个采样周期T Ts s规则采样法脉冲中点和三角波规则采样法脉冲中点和三角波负峰点重合，大为减化计算。负峰点重合，大为减化计算。在在t tA A和和t tB B时刻控制开关器件的通时刻控制开关器件的通断。断。脉冲宽度脉冲宽度和用自然采样法得和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。到的脉冲宽度非常接近。规则采样法计算公式推导规则采样法计算公式推导正弦调制信号波三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度M称为调制度调制度，0M1；w1为信号角频率从图中可得,是是SPWMSPWM控制模式中比较有意义的算法。与前两种控制模式中比较有意义的算法。与前两种方法的思路截然不同。这种算法先确定变频器要方法的

28、思路截然不同。这种算法先确定变频器要消除哪些指定的谐波，以这些次谐波为消除哪些指定的谐波，以这些次谐波为0 0作为约束作为约束条件，再通过解方程求解开关点，生成条件，再通过解方程求解开关点，生成SPWMSPWM波形。波形。3、指定谐波消除法、指定谐波消除法缺点是方程十分难于求解。缺点是方程十分难于求解。下面举例说明下面举例说明例如上图所示，只需要产生三脉冲波的单极性例如上图所示，只需要产生三脉冲波的单极性SPWMSPWM波形，约束条件是消除波形，约束条件是消除5 5、7 7次谐波。次谐波。输出三脉冲波的富氏级数为输出三脉冲波的富氏级数为：其其k次谐波相电压幅值的表达式为次谐波相电压幅值的表达式

29、为要消除第要消除第k k次谐波分量，只须令上式次谐波分量，只须令上式Ukm=0Ukm=0，并满并满足基波幅值为所要求的电压值足基波幅值为所要求的电压值常常希望消除影响最大的常常希望消除影响最大的 5 5、7 7、1111、1313 次谐波，次谐波，就让这些谐波电压的幅值为零，并令基波幅为需要就让这些谐波电压的幅值为零，并令基波幅为需要值，代入下式可得一组三角函数的联立方程。值，代入下式可得一组三角函数的联立方程。由于上述由于上述数值求解方法的复杂性数值求解方法的复杂性，而且对应于不同基，而且对应于不同基波频率应有不同的基波电压幅值，求解出的脉冲开关波频率应有不同的基波电压幅值，求解出的脉冲开关

30、时刻也不一样，所以这种方法时刻也不一样，所以这种方法不宜用于实时控制不宜用于实时控制，须，须用计算机离线求出开关角的数值，放入微机内存，以用计算机离线求出开关角的数值，放入微机内存，以备控制时调用。备控制时调用。梯形波脉宽调制：调制信号为梯形波。梯形波脉宽调制：调制信号为梯形波。之前介绍的调制信号都是正弦波，正弦波调制输之前介绍的调制信号都是正弦波，正弦波调制输出信号的谐波含量比较大。出信号的谐波含量比较大。优点：高效率的抑制逆变器输出谐波。优点：高效率的抑制逆变器输出谐波。当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值更大。波分量幅值更

31、大。正弦波调制的三相正弦波调制的三相PWMPWM逆变电路，调制度逆变电路，调制度M M为为1 1时，输时，输出线电压的基波幅值为出线电压的基波幅值为 ，直流电压利用率为，直流电压利用率为0.8660.866，实际还更低。，实际还更低。ucurUurVurWuuUNOwtOwtOwtOwtuVNuUV梯形波为调制信号的PWM控制梯形波调制可以分为六个区域，从而方便写出每梯形波调制可以分为六个区域，从而方便写出每相在各个区域的表达式。相在各个区域的表达式。梯形波调制的缺点：梯形波调制的缺点：输出波形中含输出波形中含5 5次、次、7 7次等低次谐波次等低次谐波鞍形波调制：逆变器输出的电压波形谐波得到

32、进一步鞍形波调制：逆变器输出的电压波形谐波得到进一步改善，变频器线性输出线电压幅值比正弦波调制时提改善，变频器线性输出线电压幅值比正弦波调制时提高高15%15%，即最大的输出线电压能够等于电网的输入线电，即最大的输出线电压能够等于电网的输入线电压压脉宽调制专用芯片脉宽调制专用芯片SA866SA866SA866SA866是专为感应电机的是专为感应电机的PWMPWM控制设计的。它除了能控制设计的。它除了能产生合乎要求的产生合乎要求的PWMPWM脉冲外，还集成了完备的过流、脉冲外，还集成了完备的过流、过压保护功能，并可在紧急情况如短路、过热时快过压保护功能，并可在紧急情况如短路、过热时快速关断速关断

33、PWMPWM脉冲，保护逆变器和电机。它的最大特脉冲，保护逆变器和电机。它的最大特点是可以独立运行，无需微处理器。它的输出频率点是可以独立运行，无需微处理器。它的输出频率及加减速的快慢都可由外接电位器在线连续调节。及加减速的快慢都可由外接电位器在线连续调节。所有需定义的参数如载波频率、死区时间、最小脉所有需定义的参数如载波频率、死区时间、最小脉宽、调制波形等均存储在外接的串行宽、调制波形等均存储在外接的串行EEPROMEEPROM中，上中，上电时自动读入电时自动读入SA866SA866。第五节第五节 跟踪型脉宽调制技术跟踪型脉宽调制技术取样法：取样法：从电源角度出发，考虑如何生成一个可从电源角度

34、出发，考虑如何生成一个可调频调压的三相对称正弦波。调频调压的三相对称正弦波。跟踪法：跟踪法：从电动机的角度出发，考虑如何让电动从电动机的角度出发，考虑如何让电动机获得理想的电流或磁场。机获得理想的电流或磁场。根据跟踪的目标不同有：电流跟踪型和磁链跟踪型。根据跟踪的目标不同有：电流跟踪型和磁链跟踪型。跟踪型跟踪型PWMPWM变流电路中，电流跟踪控制应用最多。变流电路中，电流跟踪控制应用最多。1 1、滞环电流跟踪型、滞环电流跟踪型一、电流跟踪型一、电流跟踪型PWMPWM变频变频电流跟踪型电流跟踪型PWMPWM单相电路单相电路基本原理基本原理把指令电流把指令电流i i*和实际输出电流和实际输出电流i

35、 i的偏差的偏差i i*-i i作为滞环比较器的输入。作为滞环比较器的输入。V V1 1（或（或VDVD1 1）通时，通时，i i增大增大V V2 2（或（或VDVD2 2）通时，通时，i i减小减小通过环宽为通过环宽为2 2I I的滞环比较器的控制，的滞环比较器的控制，i i就就在在i i*+I I和和i i*-I I的范围内，呈锯齿状地的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流跟踪指令电流i i*。这样的电路又称为电流控制型电压源这样的电路又称为电流控制型电压源PWMPWM逆变器，逆变器，它兼有电流源型和电压源型逆变器的优点。它兼有电流源型和电压源型逆变器的优点。tOiii*+D Ii*-D Ii*

36、参数的影响参数的影响环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。L L大时，大时，i i的变化率小，跟踪慢；的变化率小，跟踪慢；L L小时，小时，i i的变化率大，开关频率过高。的变化率大，开关频率过高。电源电压电源电压E E越大电流上升和下降的速度越快，频率越高越大电流上升和下降的速度越快，频率越高三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形 三相电流跟踪型PWM逆变电路采用滞环比较方式的电流跟踪型采用滞环比较方式的电流跟踪型PWMPWM变流电路有如变流电路有如下下

37、特点特点：（1 1）硬件电路简单，工作可靠。硬件电路简单，工作可靠。（2 2）实时控制，电流响应快，谐波小。）实时控制，电流响应快，谐波小。（3 3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。（4 4）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出 电流中高次谐波含量多。电流中高次谐波含量多。（6 6）闭环控制，是各种跟踪型）闭环控制，是各种跟踪型PWMPWM变流电路的共同特点变流电路的共同特点 （5 5）系统运行不受负载参数的影响，实现方便。）系统运行不受负载参数的影响，实现方便。把逆变器和交流电动机视为一体

38、，按照跟踪圆形把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，这种控制方法称旋转磁场来控制逆变器的工作，这种控制方法称作作“磁链跟踪控制磁链跟踪控制”，磁链的轨迹是交替使用不，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间电压空间矢量矢量PWMPWM（SVPWMSVPWM，Space Vector PWMSpace Vector PWM）控制）控制”。二、磁链跟踪型二、磁链跟踪型PWMPWM变频变频保持定子磁链不变化，即实现定子磁链对给定值保持定子磁链不变化，即实现定子磁链对给定值的动态跟踪。的动态跟踪。保持磁通不变则可通

39、过调节定子电流来改变电磁转矩从保持磁通不变则可通过调节定子电流来改变电磁转矩从而控制电机的转速。而控制电机的转速。定子电流的调节又可以通过改变定子绕组端电压来实现定子电流的调节又可以通过改变定子绕组端电压来实现s s开关开关模式模式选择选择PWM逆变逆变器器M计算器计算器（比较（比较器）器）IsUss sTT控制系统的原理框图为：控制系统的原理框图为：磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系 如图所示，当磁如图所示，当磁链矢量在空间旋转一周链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运按磁链圆的切线方向运动动2 2 弧度，其轨迹

40、与弧度，其轨迹与磁链圆重合。磁链圆重合。这样，电动机旋这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的转化为电压空间矢量的运动轨迹问题运动轨迹问题。六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场在常规的在常规的 PWM PWM 变压变频调速系统中，异步变压变频调速系统中，异步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时的电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时的电压空间矢量运动轨迹是怎样的呢？电压空间矢量运动轨迹是怎样的呢？开关工作状态开关工作状态 如果，图中的逆变器采用如果，图中的逆变器采用180180导通型，功率导通型，功率开关器件共有开关器件共有8 8种工作状态，其中种工作状态，其中l

41、6 6 种有效开关状态；种有效开关状态；l2 2 种无效状态（因为逆变器没有输出电压）：种无效状态（因为逆变器没有输出电压）：上桥臂开关上桥臂开关 VT1VT1、VT3VT3、VT5 VT5 全部导通全部导通下桥臂开关下桥臂开关 VT2VT2、VT4VT4、VT6 VT6 全部导通全部导通开关状态表开关状态表 开关控制模式开关控制模式 对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中周期中6 6 种有效的工作状态各出现一次。逆变器种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔每隔 /3/3 时刻就切换一次工作状态（即换相），时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这而在

42、这 /3/3 时刻内则保持不变。时刻内则保持不变。u1u2u3u4u5u6u7 u8这样，在一个周期中这样，在一个周期中 6 6 个电压空间矢量共转过个电压空间矢量共转过 2 2 弧度，形成一个封弧度，形成一个封闭的正六边形，如图所闭的正六边形，如图所示。示。随着逆变器工作状态的切换，电压空间随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转矢量的幅值不变，而相位每次旋转 /3/3 ，直到一个周期结束。，直到一个周期结束。六拍逆变器供电时电动机电压六拍逆变器供电时电动机电压空间矢量与磁链矢量的关系空间矢量与磁链矢量的关系 电压空间矢量的6个扇区电压空间矢量的放射形式和电压空间矢量

43、的放射形式和6 6个扇区个扇区 u3(010)u4(011)u6(101)u1(100)u5(001)u0(000)u7(111)t1t2Uoutu2(110)开关状态顺序原则开关状态顺序原则 在实际系统中，应该尽量减少开关状态变在实际系统中，应该尽量减少开关状态变化时引起的开关损耗，因此不同开关状态的顺化时引起的开关损耗，因此不同开关状态的顺序必须遵守下述原则：序必须遵守下述原则：每次切换开关状态时，每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，以满足最小开关损只切换一个功率开关器件，以满足最小开关损耗。耗。第六节第六节 采用单片机控制的变频调速系统采用单片机控制的变频调速系统80C196MC

44、80C196MC单片机单片机TMS320F2407A(TMS320F2407A(DSPDSP)一般而言，一般而言，PWMPWM算法占用较多算法占用较多CPUCPU时间，若用软件时间，若用软件直接生成直接生成PWMPWM信号，需要采用多字长、运算速度高信号，需要采用多字长、运算速度高的微处理器来实现高质量的信号输出。本节介绍的微处理器来实现高质量的信号输出。本节介绍两种高性能微处理器的两种高性能微处理器的PWMPWM信号生成方法：信号生成方法：80C196MC80C196MC是是IntelIntel公司专为三相电机变频调速设公司专为三相电机变频调速设计的计的1616位单片机。位单片机。地址和数据

45、总线都为地址和数据总线都为1616位位晶振频率可达晶振频率可达16M16M有有64K64K字节的程序存贮器和数据存贮器空间字节的程序存贮器和数据存贮器空间片内包括片内包括512512字节的字节的RAMRAM，160160字节的特殊功能寄字节的特殊功能寄存器组存器组 1313路模拟输入通道，路模拟输入通道，2 2个个1616位定时器位定时器1 1个三相波形发生器（个三相波形发生器（WFGWFG）三相三相SPWMSPWM波形是由波形是由U U、V V、W W三个单相三个单相SPWMSPWM波形波形发生器生成。发生器生成。外部中断外部中断保护请求保护请求外外部部中中断断输输入入各载波周期各载波周期中

46、断请求中断请求U+tdtdU-td三角波发生三角波发生U相脉冲相脉冲比较及生成比较及生成脉宽值设定脉宽值设定死区时间死区时间发生器发生器死区互锁，脉死区互锁，脉冲分配与输出冲分配与输出方式控制方式控制保护电路保护电路系统的组成框图如下：系统的组成框图如下：u限流电阻R0u为了避免大电容为了避免大电容C C在通电瞬间产在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时，先限阻（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关制充电电流，再延时用开关K K将其将其短路，以免长期接入时影响变频

47、器短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。的正常工作，并产生附加损耗。泵升限制电路泵升限制电路由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压（通充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升称泵升电压）升高到一定的

48、限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。耗在制动电阻上。二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此输入电流呈脉冲波形。出端有滤波电容存在，因此输入电流呈脉冲波形。iwt进线电抗器进线电抗器 这这样样的的电电流流波波形形具具有有较较大大的的谐谐波波分分量量，使使电电源受到污染。源受到污染。为为了了抑抑制制谐谐波波电电流流，对对于于容容量量较较大大的的PWMPWM变变频频器器，都都应应在在输输入入端端设设有有进进线线电电抗抗器器，有有时时也也可可以以在在整

49、整流流器器和和电电容容器器之之间间串串接接直直流流电电抗抗器器。还还可可用用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。控制系统构成控制系统构成 现代现代PWMPWM变频器的控制电路大都是以微处理器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动逆变器工作的PWMPWM信号。微机芯片主要采用信号。微机芯片主要采用8 8位或位或1616位的单片机，或用位的单片机，或用3232位的位的DSPDSP。80C196MC80C

50、196MC单片机为核心的开环通用变频器控制电路单片机为核心的开环通用变频器控制电路该系统是没有测速该系统是没有测速反馈的转速开环变反馈的转速开环变频调速。适用于调频调速。适用于调速要求不高的场合。速要求不高的场合。uPWMPWM信号产生信号产生由微机本身的软件产生，由由微机本身的软件产生，由PWMPWM端口输出，也可采用专用的端口输出，也可采用专用的PWMPWM生成电路芯片。生成电路芯片。u检测与保护电路检测与保护电路各种故障的保护由电压、电各种故障的保护由电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入光电隔离