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1、,第三章 交压变频调速系统,第一节 变频调速技术的发展及应用,第二节 变频调速系统的工作原理,第四节 晶闸管变频调速系统,第五节 正弦波脉宽调制技术,第三节 变频调速系统无逆变电路,第一节 变频技术的发展及应用,什么叫变频?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。,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。,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。,0.1-130Hz范围内可调,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
2、呢？,上述两种情况实际运行中都不允许出现。因此，变频器不能只改变f1一个物理量！,解决方法:频率f1和供电电压u1配合调节,f1增大则磁通减小，从而会使得电磁转矩减小，对于恒转矩负载则会出现而带不动负载的现象。,如果f1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。,变频调速的现状：,风机、泵类所用55kW变频器市场价18000元，160kW:52000元左右，280kW:90000元左右，平均320350元/kW，如果系统的节电率是30%，半年内可收回投资，,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，中小功率的变频器台数多，总体容量不大。,国内市
3、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、ABB、Schneider（施耐德）、SIEI（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LG、三星、现代等；,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。,常见的变频器产品及特点,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；,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、价格低的优势而获得广泛应用。,变频器的发展趋
4、势：,低电磁噪音化：变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准,专用化：更好发挥变频器的独特功能并尽可能地方便用户,主控一体化：使逆变功率和控制电路达到一体化,小型化：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,系统化：通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多功能向集中型发展,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,总结起来就是两个部分：,第二节 变频调速的原理及基本控制方式,一.原理及控制方式的分类,1.异步电动机的转速：,改变电源频率，同步转速发生改变，从而改变电动机的转速。,由电机学知,如果忽略定子上的电阻压降，则有,2、变
5、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 U1 和 f1，便可达到控制磁通 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。,a、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,基频以下常采用恒磁通变频控制方式。,（1）保持不变，则当频率f1从额定值f1e向下调节时，须同时降低U1，使U1/f1=常数。,（2）因感应电势难以直接控制，忽略定子压降，认为定子相电压U1E1，则U1/f1=常数。这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
6、只能采用恒磁通的控制方式。,b、基频以上的变频控制方式,在基频以上时，频率可从f1N往上增高，但电压U1却不能增加得比额定电压U1N大，一般保持U1=U1N，使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。,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N向下调节。,c、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电流幅值恒定，即：I1=const，这种控制方式称为恒电流控制方式。,该控制方式的过载能力比较差而不太常用。,二.各控制方式的机械特性,1.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电磁转矩Tm及对应的临界转差
7、率Sm。根据表达式来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：,求解,求得：,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,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。,电动机的转速降为：,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。,此时的转速降,转速降随频率的增大而增大。,但此时机械特性曲线的斜率并不发生改变：,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矩不变化，而频率较小时，最大电磁转矩随频率减小而降低。,因此得出的机械特性曲线修改如下：,n,N,0,
8、n,01,n,02,n,03,n,0,e,T,1N,w,11,w,13,w,12,w,13,12,11,1N,w,w,w,w,对于恒转矩性质的负载则希望Tm保持不变。,为什么低频的时候Tm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，从而无法保持电动机的气隙磁通保持恒定，启动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。,解决方法：,在控制回路中加入一个函数发生器，补偿定子电阻上的压降，从而提升U1.,补偿定子压降后的特性,n,N,0,n,01,n,02,n,03,n,0,e,T,1N,w,11,w,13,w,12,w,13,12,11,1N,w,w,w,w,补偿后尽
9、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。,2.恒电压控制方式的机械特性,在基频f1N以上变频时，电压U1=U1N不变。其机械特性同样来分析最大电磁转矩、相应的转差率及转速降。,电压恒定,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。,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。,得出相对应的机械特性曲线如下图：,由图可见，当频率1提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移；转速降落随频率的提高而增大，特性斜率稍变大，其它形状基本相似。,当电压U1=U1N时的变频调速具有近似恒功率的特性,恒功率调速,证明,恒电流的控制方式,定子电流的幅
10、值保持不变,要保持定子电流幅值不变化，则要求变频电源为恒流源。因此通常需要通过电流调节器构成电流闭环控制来实现。,当恒定电流时系统的电磁转矩表达式如下：,求得最大电磁转矩的值及相应的转差率为：,=const,=const,根据上述的计算分析得出恒流变频调速时异步电动机的机械特性曲线如下图,相同的条件下，恒电流的最大电磁转矩比恒磁通能取得的最大电磁转矩要小一些。,对交流电机实现变频调速的变频电源装置叫变频器，其功能是将电网提供的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电，变频伴随变压。变频器的基本分类如下：,一、变频器的分类,第三节 变频电源,交-交变频器又称为直接变频器将电网交流电变成变压变频的交流电
11、没有明显的中间滤波环节,交-直-交变频器又称为间接变频器将电网交流电变成变压变频的交流电具有明显的整流-滤波-逆变环节,根据交-直-交变频器的中间滤波环节是采用电容性元件或是电感性元件，可将其分为电压源型变频器和电流源型变频器。,电压源型变频器,采用大电容滤波，输出直流电压恒定，类似于恒压源。这类变频器叫电压源型变频器，见图（a）所示。,电压源型变频器,采用大电感滤波，输出直流电流恒定，类似于恒流源。这类变频装置叫电流源型变频器，见图（b）所示。,电流源型变频器,电流源型变频器,性能比较,（1）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了
12、有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。,两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现如下：,因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。,（2）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。,（3）动态响应 正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得
13、多。,（4）输出波形 电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流波形为方波.,（5）应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。,交-直-交变频装置的不同结构形式,二、PWM型逆变器主电路,1、晶体管PWM型逆变器,VT7,电路中的电压Ed由整流电路所提供。与Ed所并接的电容对电压起平波的作用，同时还是一个能量储存器。,逆变器由6个电力晶体管和6个反馈二极管所组成。每相输出的脉宽调制
14、电压波形为双极性的，输出的电流则为带锯齿的正弦波。,每个电力晶体管附近都并接一个RCD的缓冲保护电路，抑制过电压。这个RCD在电路布置上尽量靠近晶体管，以减少分布电容。,过压保护,每个晶体管两端都并接了一个反馈二极管，电动机有反馈能量时，这些能量经反馈二极管向电容充电，平波电容在充电的过程中将提高Ed两端的电压。,Ed电压过高则电力晶闸管承受的压降必然增大。,不合适！怎么办？,加入了VT7管。VT7管的集电极上加入了制动电阻，当Ed两端的电压升高到一定值时，VT7管导通，也就把制动电阻加入到电路中，消耗掉一部分能量。,过压保护,重要概念：泵升电压,当电动机停车时，驱动信号被封锁，VT1VT7截
15、止。电动机轴上的机械能要可逆转换为电能，负载发出来的电能会通过 VD1VD6续流管组成的三相整流器向直流侧滤波电容Cd供电，造成直流母线电压的瞬间急剧升高，这个电压叫泵升电压。其危害是将VT器件瞬间击穿。,电路中还需要有过流的保护措施。对于小容量的变频器来说，就在电路中加入限流电阻即可。但是对于大容量的变频器我们需要加入电流检测的装置。例如电流互感器。,电流互感器通常安装在逆变器的直流侧的上下母线上即可检测到各种过流信号，把检测到的信号送入比较器及相应的控制电路中去。,也可以把互感器加在每个晶闸管之路中，但是所需器件多，费用就高！,过流保护,过热保护：,过热保护通常是对于功率器件。我们通常把功
16、率器件安装在散热器上。每块散热器上都安装有热敏电阻，散热片过热的时候，热敏元件就会断开电路，进行过热保护。,对于不同容量的逆变器来说，各种保护电路也不一样，例如最基本的缓冲保护电路，就有六个管子共用一套缓冲电路的，有同相共用一套缓冲电路，也有每个管子都有自己的缓冲电路的连接方式。,2.晶闸管PWM型逆变器,GTO(门极关断)晶闸管具有自关断的能力和高频开关的性能。但是实际应用中，大容量的逆变器常常还是采用没有自关断能力的晶闸管，在这样的电路中就需要加入强迫换相电路,晶闸管PWM型逆变器的主电路如下图所示：,换相电路,电路中六个VT管(晶闸管)和六个VD管(二极管)构成逆变电路，与VT并接的RC
17、电路为缓冲电路。,VT7-VT10及与之相连的器件构成换相电路。,VT11-VT12构成过载保护电路。,VD7-VD8为续流二极管，防止晶闸管承受过高电压。,之后电容C开始反向充电。与此同时VT7和VT8管在电容C放电电流过零时会自行关断。接下来就是VT2管的导通和被关断的过程。,电路中假设VT1导通，则电路中换相部分中的电容C被充电，且两端电压左正右负。左正右负会使得换相电路中的VT7和VT8两管导通，电容C则由VT7、VT8和VD4构成通路，给VT1管加上了反向的压降，直至VT1管关断。,过载保护电路则在正常情况下VT11导通工作，而VT12截止。电容C被充电，上正下负，此时如果直流主母线
18、上电流过大，则电容C两端电压增大，从而使得VT12导通，VT12导通就会对电容C构成一个放电回路，此时，VT11两端并接的电阻上的压降为左正右负，从而使得VT11管承受反向压降而关断，从而切断了主母线。,1.可控整流器与逆变器两套晶闸管变流装置，都需要设计触发控制线路，晶闸管为半控器件，控制电路复杂，装置庞大。,晶闸管交直交变频器存在的问题：,4.由于储能电容的充放电时间长，电压幅度调节慢，变频器的动态反应慢。,3.逆变器输出的交流电压是阶梯波，谐波分量大，输出电流、转矩脉动率大，电动机低速工作不稳定。,2.晶闸管整流装置接电网，功率因数太低。,现代变频器克服了晶闸管变频器的缺点，获得广泛应用
19、。,PWM变频器的主要特点：,1.现代脉宽调制型变频器使用了现代全控型电力电子器件，接电网侧采用了二极管整流器，功率因数很高。,2.运行中只需要控制逆变器同时完成变频变压，减少了受控器件的数量，控制电路简化，变频器体积大大缩小。,3.逆变器输出电压是正弦型脉宽调制（SPWM）波，谐波分量小，获得理想的拖动性能。,4.因为不再调幅所以动态反应很快。,第四节 取样PWM脉宽调制技术,PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。,PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。,所谓的脉
20、宽调制是用宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压或者电流信号。,大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。该原理被称为冲量（面积）等效原理。,大小、波形不相同的两个窄脉冲电压作用于RL电路时，只要两个窄脉冲电压的面积（冲量）相等，则它们形成的电流响应就相同。,PWM的重要理论基础面积等效原理,形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,取样脉宽调制就是通过调制波和载波的比较，生成控制逆变器中电力晶闸管开关状态的脉冲序列。,等幅不等宽的脉冲序列,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：,按载波分：有三角波和锯齿波两类,按调制
21、波分：有正弦波、梯形波和鞍形波,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,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。,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N,三相电路中每相之间相差120，我们为了保证三相之间的相互对称，载波频率比N通常取3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。,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：调制过程中调制波和载波始终保持同极性的关系。,锯齿波的极性始终保持为正值，调制波(通常为正弦波)正半周期时与载
22、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，再与载波同极性进行单极性调制。,单极性调制的正弦脉宽调制波形图：,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。,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。,单极性调制时，为了保证每相波形的正负半波对称，载波频率比N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。,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，即载波型号与调制信号的极性随时间不断正、负变化。,为了保证双极性调制的正负半波对称，载波频率比必须
23、为奇数,双极性调制的三相SPWM波形,逆变器的载波比N定义为载波频率ft与调制波频率f r之比。即N=,2.SPWM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。,a、同步调制：在改变f r的同时成正比地改变ft，使载波比N=常数；b、异步调制：整个变频范围内，载波比N不等于常数。c、分段同步调制：将同步调制和异步调制结合起来，成为分段同步调制方式,载波比,载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=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,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
24、,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),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,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当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会
25、过高，使开关器件难以承受,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负载产生不利影响,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、SPWM的实现方法,1、自然采样法2、规则采样法3、指定谐波消除法,调制深度：调制波和载波的峰值之比，记为M。,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
26、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，计算量比自然采样法小得多,缺点：实时计算工作量较大,占用计算机的内存和时间。,1、自然采样法：,按照SPWM控制的基本原理产生的PWM波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。,脉冲中点不和三角波(负峰点)重合。,规则采样法原理,2、规则采样法工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。,三角波两个正峰值之间为一个采样周期Ts,规则采样法脉冲中点和三角波负峰点重合，大为减化计算。,在tA和tB时刻控制开关器件的通断。,脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常
27、接近。,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,从图中可得,是SPWM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消除哪些指定的谐波，以这些次谐波为0作为约束条件，再通过解方程求解开关点，生成SPWM波形。,3、指定谐波消除法,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SPWM波形，约束条件是消除5、7次谐波。,输出三脉冲波的富氏级数为：,其k次谐波相电压幅值的表达式为,要消除第k次谐波分量，只须令上式Ukm=0，并满足基波幅值为所要求的电压值,常常希望消除影响最大的 5、7、11、13 次谐波，就让这些谐波电压的
28、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。,由于上述数值求解方法的复杂性，而且对应于不同基波频率应有不同的基波电压幅值，求解出的脉冲开关时刻也不一样，所以这种方法不宜用于实时控制，须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。,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。,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。,正弦波调制的三相PWM逆变电路，调制度M为1时，输出线电压的基波幅值为，直流电压利用率为0.866，实际还更低。,梯形波为调制信
29、号的PWM控制,梯形波调制可以分为六个区域，从而方便写出每相在各个区域的表达式。,梯形波调制的缺点：,输出波形中含5次、7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高15%，即最大的输出线电压能够等于电网的输入线电压,脉宽调制专用芯片SA866,SA866是专为感应电机的PWM控制设计的。它除了能产生合乎要求的PWM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、过热时快速关断PWM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
30、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EEPROM中，上电时自动读入SA866。,第五节 跟踪型脉宽调制技术,取样法：,从电源角度出发，考虑如何生成一个可调频调压的三相对称正弦波。,跟踪法：,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。,根据跟踪的目标不同有：电流跟踪型和磁链跟踪型。,跟踪型PWM变流电路中，电流跟踪控制应用最多。,1、滞环电流跟踪型,一、电流跟踪型PWM变频,电流跟踪型PWM单相电路,基本原理把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入。V1（或VD1）通时，i增大V2（或VD2）通时，i减小通过环宽为2I的滞环比较
31、器的控制，i就在i*+I和i*-I的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*。,这样的电路又称为电流控制型电压源PWM逆变器，它兼有电流源型和电压源型逆变器的优点。,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PWM变流电路有如下特点：,（1）硬件电路简单，工作可靠。,（2）实时控制，电流响应快，谐波小。,（3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。,（4）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。,（6）闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点,（5）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
32、为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，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“电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。,二、磁链跟踪型PWM变频,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。,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。,定子电流的调节又可以通过改变定子绕组端电压来实现,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,如图所示，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场
33、的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。,六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场,在常规的 PWM 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，这时的电压空间矢量运动轨迹是怎样的呢？,开关工作状态,如果，图中的逆变器采用180导通型，功率开关器件共有8种工作状态，其中6 种有效开关状态；,2 种无效状态（因为逆变器没有输出电压）：上桥臂开关 VT1、VT3、VT5 全部导通下桥臂开关 VT2、VT4、VT6 全部导通,开关状态表,开关控制模式,对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中6 种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔/3 时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这/
34、3 时刻内则保持不变。,这样，在一个周期中 6 个电压空间矢量共转过 2 弧度，形成一个封闭的正六边形，如图所示。,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/3，直到一个周期结束。,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,电压空间矢量的6个扇区,电压空间矢量的放射形式和6个扇区,开关状态顺序原则,第六节 采用单片机控制的变频调速系统,80C196MC单片机TMS320F2407A(DSP),一般而言，PWM算法占用较多CPU时间，若用软件直接生成PWM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。本节介绍两种高性能微处理器的PWM信号生成
35、方法：,80C196MC是Intel公司专为三相电机变频调速设计的16位单片机。,地址和数据总线都为16位,晶振频率可达16M,有64K字节的程序存贮器和数据存贮器空间,片内包括512字节的RAM，160字节的特殊功能寄存器组,13路模拟输入通道，2个16位定时器,1个三相波形发生器（WFG）,三相SPWM波形是由U、V、W三个单相SPWM波形发生器生成。,系统的组成框图如下：,限流电阻R0,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，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C充电，当
36、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。,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。,进线电抗器,这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。,控制系统构成,现代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PWM信号。微机
37、芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP。,80C196MC单片机为核心的开环通用变频器控制电路,该系统是没有测速反馈的转速开环变频调速。适用于调速要求不高的场合。,PWM信号产生由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。检测与保护电路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、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换器，输入给CPU作为控制算法的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。,信号设定需要设定的控制信息主要有：U/f 特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。由于通用变频器-异步电动机系统是转速或频率开环、恒压频比控制系统，低频时，或负载的性质和大小不同时，都得靠改变 U/f 函数发生器的特性来补偿，在通用产品中称作“电压补偿”或“转矩补偿”。,实现补偿的方法有两种：一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的U/f 函数，由用户根据需要选择最佳特性；另一种办法是采用霍耳电流传感器检测定子电流或直流回路电流，按电流大小自动补偿定子电压。但无论如何都存在过补偿或欠补偿的可能，这是开环控制系统的不足之处。,综上所述，PWM变压变频器的基本控制作用如图所示。近年来，许多企业不断推出具有更多自动控制功能的变频器，使产品性能更加完善，质量不断提高。,谢 谢,
