第六章变频调速1

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1、第六章第六章交流异步电动机交流异步电动机变压变频调速系统变压变频调速系统内容提要内容提要 6.16.1交流电机拖动基础交流电机拖动基础 6.26.2交流调速的基本类型交流调速的基本类型 6.36.3变频调速的构成及基本要求变频调速的构成及基本要求 6.46.4静止式变频装置简介静止式变频装置简介 6.56.5正弦波脉宽调制（正弦波脉宽调制（SPWMSPWM）变频器）变频器 6.66.6异步电动机电压、频率协调控制的稳态机械特性异步电动机电压、频率协调控制的稳态机械特性 6.76.7转速开环、恒压频比控制的变频调速系统转速开环、恒压频比控制的变频调速系统 6.86.8转速闭环转差频率控制的变频调

2、速系统转速闭环转差频率控制的变频调速系统前前 言言直流电力拖动和交流电力拖动在直流电力拖动和交流电力拖动在1919世纪先后诞生世纪先后诞生. .在在2020世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机机. .而约占电力拖动总容量而约占电力拖动总容量80%80%以上的不变速拖动系统以上的不变速拖动系统则采用交流电机则采用交流电机. .medTKI前前 言言十九世纪末，交流电机十九世纪末，交流电机出现，经济实用的鼠笼出现，经济实用的鼠笼机，功率因数高的同步机，功率因数高的同步机，多

3、不调速。机，多不调速。二十世纪八十年代以前，二十世纪八十年代以前，晶闸管发展促使直流调晶闸管发展促使直流调速的发展，相位控制、速的发展，相位控制、PWM控制控制二十世纪后期，随着全控二十世纪后期，随着全控型器件的出现、微机控制型器件的出现、微机控制技术的以及现代控制理论技术的以及现代控制理论的发展促使交流调速兴起，的发展促使交流调速兴起，直流调速直流调速20%, 交流调速交流调速80%交流化：交流化：前前 言言交流化：交流化：前前 言言交流化：交流化：以节电为目的：交流不调速以节电为目的：交流不调速-交流调速交流调速以减少维护为目的：直流调速以减少维护为目的：直流调速-交流调速交流调速大功率场

4、合：直流调速达不到的领域，大功率，大功率场合：直流调速达不到的领域，大功率，高压，高速高压，高速交流化：交流化： 交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域一般性能的交流节能调速：如风机水泵；一般性能的交流节能调速：如风机水泵； 高性能的交流调速系统（高铁牵引）和伺服高性能的交流调速系统（高铁牵引）和伺服系统系统 （数控机床等）（数控机床等）特大容量（矿井提升机等）、极高转速的交特大容量（矿井提升机等）、极高转速的交流调速（如离心机）流调速（如离心机） 前前 言言1）一般性能的节能调速一般性能的节能调速 在过去在过去 “不变速交流拖动不变速交流拖动”中，风机、水泵等通用机械中，风机、

5、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上一半以上； 如果换成交流调速系统，把消耗在如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门挡板和阀门上的能量上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约 20 % - 30% 20 % - 30% 以上的电能，效果是很可观的；以上的电能，效果是很可观的； 而且风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不而且风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。高，只需要一般的调速性能。 交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域前前 言言2） 高性能的

6、交流调速系统和伺服系统高性能的交流调速系统和伺服系统精密仪器加工，机床、军事火炮精密仪器加工，机床、军事火炮存在的问题存在的问题 交流电机结构上的原因，电磁转矩不能像直流电交流电机结构上的原因，电磁转矩不能像直流电机一样通过电枢电流施行灵活的实时控制机一样通过电枢电流施行灵活的实时控制。 交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域前前 言言u变频调速技术：变频调速技术：u矢量控制技术矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，通过，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换坐标变换，把交流电机的把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用，用来分别控制电机的转矩和

7、磁通，就可以获得和直流电机来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。突破性的进展。u直接转矩控制、解耦控制直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。统。新方法与新手段新方法与新手段 交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域前前 言言10p60 fnn3）特大容量、极高转速的交流调速）特大容量、极高转速的交流调速u直流电机的换向能力限制了它

8、的容量转速积不超过直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106 kW .r /min，超过这一数值时，其设计与制造就超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。非常困难了。u交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等.以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。以采用交流调速为宜。 交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域前前 言言6.1 6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础

9、知识 电动机的转速电动机的转速n与电磁转矩与电磁转矩Te之间的关系之间的关系 n = f (Te)三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性直流电机由于转矩和电枢电流成正比，直流电机由于转矩和电枢电流成正比，因此机械特性也表示为因此机械特性也表示为n = f (Te)= f (Id)6.1 6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础知识1）三相异步电动机电磁转矩公式）三相异步电动机电磁转矩公式 E1 = E2U1I1R1 jX1jX2 R2I21s R2 sRmjXmI0异步机等效电路异步机等效电路6.1 6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础知识1)三相异步电动机电磁转矩公式三

10、相异步电动机电磁转矩公式 6.1 6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础知识1)三相异步电动机电磁转矩公式三相异步电动机电磁转矩公式 6.1 6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础知识1)三相异步电动机电磁转矩公式三相异步电动机电磁转矩公式 6.1 6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础知识1)三相异步电动机电磁转矩公式三相异步电动机电磁转矩公式 6.1 6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础知识1)三相异步电动机电磁转矩公式三相异步电动机电磁转矩公式 6.1 6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础知识电磁转矩公式电磁转矩公式 1MpPT112f1222cosMP

11、m E I221 2MrPm Is222222cos()rsrxs电磁转矩两种表达式转子边功率因数6.1 6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础知识2.三相异步电动机电磁转矩物理表达式三相异步电动机电磁转矩物理表达式211112mEEf N K1112222coscos2mTmpmTN KICI1112TpmCN K1MpPT由其中其中为转矩常数为转矩常数22cosTmTCI机械特性机械特性物理表达式：物理表达式：1222mechPm E I6.1 6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础知识2.三相异步电动机电磁转矩参数表达式三相异步电动机电磁转矩参数表达式12222112()()

12、UIrrxxs(由T型等效电路中略去励磁电流得到)112f221122211122()()rm psTUrfrxxs对对s求导，由求导，由= 0，得，得: dTds1mechpPT 6.1 6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础知识+ +号对应电动状态，号对应电动状态，- -号对应发电状态。号对应发电状态。若考虑到若考虑到 , ,可得到：可得到：222112()mrsrxx 2112211112122() mm pTUfrrxx 212mrsxx 21111214mm pTUfxx 最大（临界）转矩最大（临界）转矩 临界转差率临界转差率 211xxr远小于T (Tm) U12 , Tm

13、与与 R2 无关。无关。smR2 ，sm 与与 U1无关无关6.1 6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础知识由此可见：由此可见： 当电动机参数和电源频率不变时，当电动机参数和电源频率不变时，最大转矩最大转矩Tm与电源与电源电压电压U1的平方成正比，临界转差率的平方成正比，临界转差率Sm与电源电压无关与电源电压无关，即即T (Tm) U12 , sm 与与 U1 无关。无关。 当电源电压和频率不变时，当电源电压和频率不变时，临界转差率临界转差率Sm与转子电阻成与转子电阻成正比，最大转矩与转子电阻无关正比，最大转矩与转子电阻无关，即，即 smR2 ，Tm 与与 R2 无关。无关。当电源电压

14、和频率不变时，当电源电压和频率不变时，临界转差率临界转差率Sm与最大转矩都与最大转矩都与（与（x1+x2）成反比例关系）成反比例关系。6.1 6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础知识R2+Rs3sm2R2+Rs2sm1R2+Rs11 0Tst3Tes n0n1smR2Rs3Rs2Rs1Tst1TstTst2串电阻机械特性串电阻机械特性p10260nn6.1 6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础知识（1）转子回路串电阻并不改变同步转速）转子回路串电阻并不改变同步转速n1，因此，因此转子串接不同电阻的人为机械特性都通过固有特性转子串接不同电阻的人为机械特性都通过固有特性的同步转速点

15、；的同步转速点；（2）因为临界转差率）因为临界转差率sm与转子电阻成正比，而最与转子电阻成正比，而最大转矩大转矩Tm与转子电阻无关，因此随转子回路所串电与转子电阻无关，因此随转子回路所串电阻阻Rs的增大，临界转差率的增大，临界转差率sm也增大也增大, 但最大转矩但最大转矩Tm保持不变；保持不变；（3）转子回路所串电阻）转子回路所串电阻Rs的增大，起动转矩的增大，起动转矩Tst也也增大增大 串电阻机械特性特点串电阻机械特性特点6.1 6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础知识3 3）电磁转矩的实用公式电磁转矩的实用公式 221122211122()()rm psTUrfrxxs211221

16、1112122() mm pTUfrrxx 两式相除6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础知识222 22111122 22 222112112222212 2222222221121122 2 () ()()()()2222()( )2()( )2mmmmmmmmrrrrrrxxssTsrrTrxxrxxssr rr rs ss ssrsrrrrrsrxxrrssrsssss机械特性实用表达式：机械特性实用表达式：2mmmTTssss电磁转矩的实用公式电磁转矩的实用公式 6.1 6.1 交流电机拖动基础知识交流电机拖动基础知识 三种机械特性表达式，参数表达式、实用公三种机械特性表达式，

17、参数表达式、实用公式主要用于计算式主要用于计算;物理表达式用于定性讨论。物理表达式用于定性讨论。感应电动机的转速：感应电动机的转速：0010)1 (60)1 (nnnssnfsnnp0n1fpns式中 ：同步转速，单位为r/min；定子频率，单位为Hz； 磁极对数；转差率。 6.2 交流调速的基本类型交流调速的基本类型从上述转速公式可以看出调速的基本方法从上述转速公式可以看出调速的基本方法按交流电动机的调速方法分类按交流电动机的调速方法分类型变频调速：绕线式、笼：绕线式串级调速（转差电压）调转子电阻：绕线式调压（定子电压）变转差率调速变极调速：笼型异步机6.2 交流调速的基本类型交流调速的基本

18、类型)1 (60)1 (10snfsnnpl 按电动机的能量转换类型分类 按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分。 一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率 s 成正比。 PmechPMPs6.2 交流调速的基本类型交流调速的基本类型PM = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 即 PM = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高是消

19、耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类系统分成三类 。6.2 交流调速的基本类型交流调速的基本类型转差功率消耗型调速系统转差功率消耗型调速系统 全部转差功率都转换成热能消耗掉。上全部转差功率都转换成热能消耗掉。上述的述的调压、转子串电阻调压、转子串电阻调速方法均属于这一类。调速方法均属于这一类。这类调速系统的效率最低。但因系统结构简单，这类调速系统的效率最低。但因系统结构简单，所以仍有一定应用场合，但将逐渐减少。所以仍有一定应用场合，但将逐渐减少。 6.2 交流调速的基本类型交流调速的基本类型 转差

20、功率的一小部分消耗掉，大部分则通过转差功率的一小部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈电网，或转化为机械能予以利用。变流装置回馈电网，或转化为机械能予以利用。串级调速串级调速属于这一类，调速效率显然比第一类要属于这一类，调速效率显然比第一类要高，高，但要增加一些能量回馈设备。但要增加一些能量回馈设备。6.2 交流调速的基本类型交流调速的基本类型转差功率消耗型调速系统转差功率消耗型调速系统转差功率不变型调速系统转差功率不变型调速系统 无论转速高低转差功率的消耗基本不变，因无论转速高低转差功率的消耗基本不变，因此效率最高。此效率最高。变极数变极数、变频调速变频调速方法属于这一类。方法属于这一类。其中

21、变极对数的调速方法，只能进行有级调速，其中变极对数的调速方法，只能进行有级调速，应用场合有限。变频调速的调速范围宽、平滑性应用场合有限。变频调速的调速范围宽、平滑性好、效率高、具有优良的静态及动态特性，是应好、效率高、具有优良的静态及动态特性，是应用最广的一种高性能的交流调速。用最广的一种高性能的交流调速。 6.2 交流调速的基本类型交流调速的基本类型 变频调速系统主要由变频调速系统主要由静止式变频装置静止式变频装置、交流交流电动机电动机和和控制电路控制电路三大部分组成，静止式变频装三大部分组成，静止式变频装置的输入是三相或单相恒频、恒压电源，输出则置的输入是三相或单相恒频、恒压电源，输出则是

22、频率和电压均可调的三相交流电。是频率和电压均可调的三相交流电。 一、变频调速的构成一、变频调速的构成6.3 交流调速的构成及要求交流调速的构成及要求一、变频调速的构成一、变频调速的构成 U、f 可可 变变M33整流电路整流电路逆变电路逆变电路50 Hz控制控制电路电路 直直 流流6.3 交流调速的构成及要求交流调速的构成及要求定子每相电动势定子每相电动势mNs1gS44. 4kNfE 式中 Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）； 定子频率（Hz）； 定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数； 每极气隙磁通量（Wb）。 f1NskNsm二、二、 变频调速的基本要求变频调速的基本要求 6

23、.3 交流调速的构成及要求交流调速的构成及要求SgmsN114.44EN kfg1EKf11UKfl希望保持电机中每极磁通量希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。为额定值不变。l对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，反应有恰当的补偿， m 保持不变是很容易做到保持不变是很容易做到的。的。l在交流异步电机中，气隙磁通在交流异步电机中，气隙磁通 m 由定子和转子磁由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折。势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折。二、二、 变频调速的基本要求变频调速的基本要求 6.3 交流调速的

24、构成及要求交流调速的构成及要求1. 基频以下调速基频以下调速 要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使 常值1gfE即采用恒值电动势频率比的控制方式。 .1.1111.1 )(IZEILjREUglg二、二、 变频调速的基本要求变频调速的基本要求 6.3 交流调速的构成及要求交流调速的构成及要求 绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得则得 这是恒压频比的控制方式（恒压

25、频比的控制方式（ 恒恒V/F 控制）控制）。常值1fUs1. 基频以下调速基频以下调速 二、二、 变频调速的基本要求变频调速的基本要求 6.3 交流调速的构成及要求交流调速的构成及要求 在低频时在低频时 ，Us 和和 Eg 都较小，定子阻抗压降都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿抬高一些，以便近似地补偿定子压降。定子压降。 带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的图中的 b 线，无补偿的控制特性则为线，无补偿的控制特性则为a

26、线线。 1. 基频以下调速基频以下调速 二、二、 变频调速的基本要求变频调速的基本要求 6.3 交流调速的构成及要求交流调速的构成及要求OUsf 1恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 二、二、 变频调速的基本要求变频调速的基本要求 6.3 交流调速的构成及要求交流调速的构成及要求2. 基频以上调速基频以上调速 在基频以上调速时，在基频以上调速时，频率应该从频率应该从 f1N 向上升向上升高，但定子电压高，但定子电压Us 却不可能却不可能超过额定电压超过额定电压UsN ，最多只最多只能保持能保持Us = UsN ，这将迫使这将迫使磁通与频率成反比地降

27、低，磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机相当于直流电机弱磁升速弱磁升速的的情况情况。 f1N恒转矩调速恒转矩调速U1U1NmNm恒功率调速恒功率调速mU1f1O异步电机变频调速的控制特性异步电机变频调速的控制特性二、二、 变频调速的基本要求变频调速的基本要求 6.3 交流调速的构成及要求交流调速的构成及要求 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时

28、转矩也恒定，属于矩也恒定，属于“恒转矩调速恒转矩调速”性质，而在基频性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功恒功率调速率调速”。2. 基频以上调速基频以上调速 二、二、 变频调速的基本要求变频调速的基本要求 6.3 交流调速的构成及要求交流调速的构成及要求uV/FV/F控制必须是改变频率的同时，改变逆变器控制必须是改变频率的同时，改变逆变器的输出电压，才能保证调速电机的效率、功的输出电压，才能保证调速电机的效率、功率因数不下降。率因数不下降。uV/FV/F控制比较简单，多用于通用型变频器、风控制比较简单，多用于通用型变频器、风机泵类的节能、生

29、产流水线的工作台传动、机泵类的节能、生产流水线的工作台传动、空调和家电等。空调和家电等。 二、二、 变频调速的基本要求变频调速的基本要求 6.3 交流调速的构成及要求交流调速的构成及要求u间接变频装置构成及控制方式间接变频装置构成及控制方式u电压源和电流源变频器电压源和电流源变频器u交交- -直直- -交电压源变频器工作原理交电压源变频器工作原理 6.4 静止式变频装置简介静止式变频装置简介 1. 变频调速系统中，静止式变频装置（变频调速系统中，静止式变频装置（变频变频器器）是系统的中心环节，任务是把频率和电压恒）是系统的中心环节，任务是把频率和电压恒定的电网电压变成定的电网电压变成频率和电压

30、可调的交流电频率和电压可调的交流电，这，这样的装置通称为变压变频（样的装置通称为变压变频（VVVFVVVF）装置）装置。6.4 静止式变频装置简介静止式变频装置简介 2.2.静止变频装置可分为两类：静止变频装置可分为两类：间接变频间接变频：交：交- -直直- -交变频器；交变频器； 直接变频：直接变频：直接变频装置则将工频交流一次变直接变频装置则将工频交流一次变换成可控频率的交流，没有中间直流环节。大换成可控频率的交流，没有中间直流环节。大功率低频（功率低频（1/21/2fs）调速，特殊场合使用。缺点：）调速，特殊场合使用。缺点：谐波。谐波。 目前应用较多的还是间接变频装置。目前应用较多的还是

31、间接变频装置。 1.交交- -直直- -交变压变频器及其基本结构交变压变频器及其基本结构 交交- -直直- -交变压变频器先将工频交流电源通过交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流。率和电压的交流。一、间接变频装置的构成及其控制方式一、间接变频装置的构成及其控制方式6.4 静止式变频装置简介静止式变频装置简介变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC 50Hz整流整流双双PWM变频器变频器 具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用具体的整流和逆变电

32、路种类很多，当前应用最广的是由最广的是由二极管组成不控整流器二极管组成不控整流器和由和由功率开关功率开关器件器件（IGBT等）等）组成的脉宽调制组成的脉宽调制（PWM）逆变逆变器器，简称，简称PWM变压变频器变压变频器.6.4 静止式变频装置简介静止式变频装置简介1. 交交-直直-交变压变频器基本结构交变压变频器基本结构交交-直直-交交PWM变压变频器变压变频器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC 50Hz调压调频调压调频C PWM变压变频器特点：变压变频器特点： 1 1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变）在主电路

33、整流和逆变两个单元中，只有逆变单元需要控制。结构简单，效率高单元需要控制。结构简单，效率高。 2 2）调频调压的实现与直流环节参数无关，加快）调频调压的实现与直流环节参数无关，加快了动态响应。了动态响应。 3 3）负载电机在近似正弦波的电压下运行，转矩）负载电机在近似正弦波的电压下运行，转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。 4 4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数接近数接近1 1，但有一定的谐波。，但有一定的谐波。 PWM PWM变频器变频器结构简单、性能优良结构简单、性能优良，应用最广。，应用最广

34、。 6.4 静止式变频装置简介静止式变频装置简介PWMPWM逆变器的功率开关器件逆变器的功率开关器件：u PWMPWM变压变频器常用的功率开关器件有：变压变频器常用的功率开关器件有：P-P-MOSFETMOSFET，IGBTIGBT，GTOGTO和替代和替代GTOGTO的电压控制器的电压控制器件如件如IGCTIGCT、IEGTIEGT等。等。u 受到开关器件额定电压和电流的限制，对受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调速以往只好采于特大容量电机的变压变频调速以往只好采用半控型的晶闸管（用半控型的晶闸管（SCRSCR），但目前可以采用），但目前可以采用组成组成多电平变流电

35、路多电平变流电路，以实现高压变流的目，以实现高压变流的目的，现多采用的，现多采用IGBTIGBT即可。即可。6.4 静止式变频装置简介静止式变频装置简介6.4 静止式变频装置简介静止式变频装置简介七电平七电平H桥级联逆变器桥级联逆变器6.4 静止式变频装置简介静止式变频装置简介模块化多电平逆变器（模块化多电平逆变器（MMC） 普通交普通交- -直直- -交变压变频器的基本结构交变压变频器的基本结构SCR可控可控整流器整流器 六六 拍拍逆变器逆变器DCACAC 50Hz调频调频调压调压可控整流器调压、六拍逆变器调频的交可控整流器调压、六拍逆变器调频的交- -直直- -交变压变频器交变压变频器6.

36、4 静止式变频装置简介静止式变频装置简介2. 交交-直直-交变频器结构交变频器结构 在交在交- -直直- -交变压变频器中，按照中间直流交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，源型和电流源型两类，两种类型的实际两种类型的实际区别在于区别在于直流环节采用怎样的滤波器直流环节采用怎样的滤波器。6.4 静止式变频装置简介静止式变频装置简介逆变器逆变器LdIdCdUdUd+-a) 电压源逆变器电压源逆变器b) 电流源逆变器电流源逆变器 电压源型和电流源型逆变器示意图电压源型和电流源型逆变器示意图6.4 静止式变

37、频装置简介静止式变频装置简介2. 交交-直直-交变频器结构交变频器结构 电压源型逆变器电压源型逆变器（Voltage Source InverterVSI ），直流环节采用直流环节采用大电容滤波大电容滤波，因而直流，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的为零的恒压源恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯输出交流电压是矩形波或阶梯波波，有时简称电压型逆变器。在变频器中占绝，有时简称电压型逆变器。在变频器中占绝大所数。大所数。6.4 6.4 静止式变频装置简介静止式变频装置简介2. 交交-直直-交变频器结构交变频器结构感性负载感性负载能量回馈：能

38、量回馈：2种种 电流源型逆变器电流源型逆变器（Current Source Inverter CSI），直流环节采用直流环节采用大电感滤波大电感滤波，直流电流，直流电流波形比较平直，相当于一个波形比较平直，相当于一个恒流源恒流源，输出交流输出交流电流是矩形波或阶梯波电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。，或简称电流型逆变器。 6.4 6.4 静止式变频装置简介静止式变频装置简介2. 交交-直直-交变频器结构交变频器结构感性负载感性负载能量回馈容易：能量回馈容易：第一组有源逆变第一组有源逆变应用：中频感应加热炉应用：中频感应加热炉 电压源和电流源交电压源和电流源交-直直-交变频器主要特点比较

39、交变频器主要特点比较 变频器类型变频器类型比较项目比较项目电压源型电压源型电流源型电流源型直流回路滤波环节直流回路滤波环节无功功率缓冲环节无功功率缓冲环节电容器电容器电抗器电抗器输出电压波形输出电压波形矩形波矩形波决定于负载，对异步电决定于负载，对异步电机负载近似为正弦波机负载近似为正弦波输出电流波形输出电流波形决定于负载的功率因数，决定于负载的功率因数，由交大的谐波分量由交大的谐波分量矩形波矩形波输出阻抗输出阻抗小小大大回馈制动回馈制动须在电源则侧设置反并须在电源则侧设置反并联逆变器联逆变器方便，主电路不需要附方便，主电路不需要附加设备加设备调速动态响应调速动态响应较慢较慢快快适用范围适用范

40、围多电机拖动，稳频稳压多电机拖动，稳频稳压电源电源单电机拖动，可逆拖动单电机拖动，可逆拖动6.4 6.4 静止式变频装置简介静止式变频装置简介3.3.交交- -直直- -交电压源变频器工作原理交电压源变频器工作原理 交交- -直直- -交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源电路，以便输出三相交流变频电源VT1VT3VT5VT4VT6VT2Ud 三相桥式逆变器主电路三相桥式逆变器主电路M36.4 6.4 静止式变频装置简介静止式变频装置简介 注意注意，必须，必须防止同一桥臂的上、下两管防止同一桥臂的上、下两管同时同时导通，否则将

41、造成直流电源短路，谓之导通，否则将造成直流电源短路，谓之“直直通通”。为此，在换流时，必须采取。为此，在换流时，必须采取“先断后通先断后通”的方法，即先给应关断的器件发出关断信号，的方法，即先给应关断的器件发出关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，叫做待其关断后留一定的时间裕量，叫做“死区死区时时间间”，再给应导通的器件发出开通信号。，再给应导通的器件发出开通信号。6.4 6.4 静止式变频装置简介静止式变频装置简介3.交交-直直-交电压源变频器工作原理交电压源变频器工作原理 死区时间的长短视器件的开关速度而定，器死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快时，所留的死区时间可以越件

42、的开关速度越快时，所留的死区时间可以越短。为了安全起见，设置短。为了安全起见，设置死区死区时间是非常必要时间是非常必要的，但它的，但它会造成输出电压波形的畸变会造成输出电压波形的畸变。6.4 6.4 静止式变频装置简介静止式变频装置简介3.交交-直直-交电压源变频器工作原理交电压源变频器工作原理 了解变频调速系统的了解变频调速系统的应用应用领域和基本领域和基本类型类型 理解变频调速的基本理解变频调速的基本要求要求 掌握掌握变频器的类型变频器的类型和各自的和各自的特点特点； 小小 结结 问题的提出问题的提出 正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制(SPWM)(SPWM)技术技术6.5正弦波脉宽调制（正弦波

43、脉宽调制（SPWM）变频器）变频器 问题的提出 早期的交早期的交- -直直- -交变压变频器所输出的交流波交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波（对于电压型逆变器）或矩形形都是六拍阶梯波（对于电压型逆变器）或矩形波（对于电流型逆变器），这是因为当时逆变器波（对于电流型逆变器），这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，其关断的不可控性和只能采用半控式的晶闸管，其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形不可能近较低的开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化，从而会有较大的低次谐波，使似按正弦波变化，从而会有较大的低次谐波，使电机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性电机输

44、出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能，在低速运行时更为明显。能，在低速运行时更为明显。 为了改善交流电动机变压变频调速系统的性为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在科技工作者在20世纪世纪80年代开发了应用年代开发了应用PWM技技术的逆变器术的逆变器。 由于它的优良技术性能，当今国内外各厂商由于它的优良技术性能，当今国内外各厂商生产的变压变频器都已采用这种技术，只有在生产的变压变频器都已采用这种技术，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才属例外。全控器件尚未能及的特大容量时才属例外。 问题的提出问题的提

45、出该电路的主要特点是： 逆变侧全控器件逆变侧全控器件； 功率因数高功率因数高； 逆变器在调频的同时调压，加快了动态响应；逆变器在调频的同时调压，加快了动态响应； 输出电压波形好，抑制或消除低次谐波，使负载电机输出电压波形好，抑制或消除低次谐波，使负载电机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，扩可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，扩展了拖动系统调速范围。展了拖动系统调速范围。M3URUISPWMSPWM交交- -直直- -交变频器原理交变频器原理图图一、一、 SPWM变频器的工作原理变频器的工作原理1. PWM调制原理调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频以正弦波作为逆变

46、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并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波波作为调制波（Modulation wave），），当调制波与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。内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。与正弦波等效的等幅与正弦波等效的等幅 矩形脉冲序列波矩形脉冲序列波 按照波形面积

47、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。 SPWM变频器电路原理图变频器电路原理图a) 主电路主电路 b)控制电路框图控制电路框图2. SPWM控制方式控制方式 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

48、之间变化，叫做双极性控制方式双极性控制方式。图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud（1）单极性单极性PWMPWM控制方式控制方式2. SPWM控制方式控制方式（2）双极性双极性PWMPWM控制方式控制方式图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud2. SPWM控制方式控制方式3. PWM控制电路控制电路 模拟电子电路模拟电子电路 采用正弦波发生器、三角波发生器和采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的比较器来实现上述的SPWMSPWM控制。控制。 数字控制电路数字控制电路硬件电路硬件电路软件实现软件实现 1）用模拟器件实现，称为模拟控制方法；用模拟器件实现，称为模

49、拟控制方法； 2 2）用数字器件实现，称为数字控制方法。数字控）用数字器件实现，称为数字控制方法。数字控制方法有分为三种：制方法有分为三种： a. a. 微处理机通过软件生成微处理机通过软件生成SPWMSPWM波；波； b. b. 使用专门用于使用专门用于SPWMSPWM控制的控制的集成电路芯片集成电路芯片产产生生SPWMSPWM波形；波形； c. c. 采用采用微处理机和专用集成电路微处理机和专用集成电路相结合的方相结合的方法，共同完成控制功能。目前，法，共同完成控制功能。目前，SPWMSPWM控制大多使控制大多使用后两种方法用后两种方法SPWMSPWM波形的生成方法分为：波形的生成方法分为

50、：二、二、SPWMSPWM变频器的同步调制和异步调制变频器的同步调制和异步调制 载波比载波比 载波频率载波频率 ft与调制信号频率与调制信号频率 fr 之比之比N，即即 N = ft / fr 根据载波和信号波是否同步及载波比根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，的变化情况，PWM调制方式分为调制方式分为异步调制异步调制和和同步调制同步调制。（一）异步调制（一）异步调制 异步调制异步调制 载波信号和调制信号不同步的调载波信号和调制信号不同步的调制方式。制方式。通常保持通常保持 ft 固定不变，当固定不变，当 fr 变化时，载波比变化时，载波比 N 是是变化的变化的；在信号波的半周期内在信

51、号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固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，定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；周期的脉冲也不对称；二、二、SPWMSPWM变频器的同步调制和异步调制变频器的同步调制和异步调制当当 fr 较低时，较低时，N 较大，一周期内脉冲数较较大，一周期内脉冲数较多多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；脉冲不对称产生的不利影响都较小；当当 fr 增高时，增高时，N 减小，一周期内的脉冲减小，一周期内的脉冲数减少，数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。脉冲不对称的影响就变大。（一）异步调制（一）异步调

52、制二、二、SPWMSPWM变频器的同步调制和异步调制变频器的同步调制和异步调制（二）同步调制同步调制 同步调制同步调制N 等于常数，并在变频时等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步使载波和信号波保持同步。基本同步调制方式，基本同步调制方式，fr 变化时变化时N不变不变，信信号波一周期内输出脉冲数固定；号波一周期内输出脉冲数固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取三相电路中公用一个三角波载波，且取 N 为为3的整数倍，使三相输出对称。的整数倍，使三相输出对称。二、二、SPWMSPWM变频器的同步调制和异步调制变频器的同步调制和异步调制为使一相的为使一相的PWM波正负半周镜对称，波正负半周镜对

53、称，N应取应取奇数；奇数；fr 很低时，很低时，ft 也很低，由调制带来的谐波不也很低，由调制带来的谐波不易滤除；易滤除；fr 很高时，很高时，ft 会过高，使开关器件难以承受。会过高，使开关器件难以承受。二、二、SPWMSPWM变频器的同步调制和异步调制变频器的同步调制和异步调制同步调制三相同步调制三相PWMPWM波形波形 uturAurBurCuuAOuBOOtttt000uCO2Ud2Ud二、二、SPWMSPWM变频器的同步调制和异步调制变频器的同步调制和异步调制（三）分段同步调制（三）分段同步调制把把 fr 范围划分成若干个频段，每个频段内范围划分成若干个频段，每个频段内保持保持N恒定

54、，不同频段恒定，不同频段N不同不同；在在 fr 高的频段采用较低的高的频段采用较低的N，使载波频率使载波频率不致过高；不致过高；在在 fr 低的频段采用较高的低的频段采用较高的N，使载波频率使载波频率不致过低。不致过低。二、二、SPWMSPWM变频器的同步调制和异步调制变频器的同步调制和异步调制 逆变器输出频率逆变器输出频率载波比载波比N开关频率比开关频率比3262185761116163136576111681572576108047.514457610802ftf分段同步调制的频段和载波比分段同步调制的频段和载波比（HZ）（HZ）二、二、SPWMSPWM变频器的同步调制和异步调制变频器的同

55、步调制和异步调制00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr /Hzfc /kHz分段同步调制时分段同步调制时f ft t与与f f2 2的关系曲线的关系曲线二、二、SPWMSPWM变频器的同步调制和异步调制变频器的同步调制和异步调制 载波比载波比N N值的选定与逆变器的输出频率、功率值的选定与逆变器的输出频率、功率开关器件的允许工作频率以及所用的控制手段都开关器件的允许工作频率以及所用的控制手段都有关系。为了使逆变器的输出尽量接近正弦波，有关系。为了使逆变器的输出尽量接近正弦波，应尽可能增大载波比，但若从逆变器本身看，载

56、应尽可能增大载波比，但若从逆变器本身看，载波比又不能太大，应受到下述关系式的限制，波比又不能太大，应受到下述关系式的限制，即即信号频率频段内最高的正弦参考关频率功率开关器件的允许开N二、二、SPWMSPWM变频器的同步调制和异步调制变频器的同步调制和异步调制 分段同步调制虽然比较麻烦，但在微电分段同步调制虽然比较麻烦，但在微电子技术迅速发展的今天，这种调制方式是子技术迅速发展的今天，这种调制方式是很容易实现的。当利用微机生成很容易实现的。当利用微机生成SPWMSPWM脉冲脉冲波形时，还应注意使三角载波的周期大于波形时，还应注意使三角载波的周期大于微机的采样计算周期。微机的采样计算周期。二、二、

57、SPWMSPWM变频器的同步调制和异步调制变频器的同步调制和异步调制（四）混合调制（四）混合调制 可在低频输出时采用异步调制方式，高可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。二、二、SPWMSPWM变频器的同步调制和异步调制变频器的同步调制和异步调制5.PWM逆变器主电路及输出波形逆变器主电路及输出波形三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 1 tOOOOUd2-Ud21 t1 t1 t1 turaurburcutuAO-Ud2Ud2-Ud2-U

58、dUd2UduCOuBOuAB三、三、 电流跟踪电流跟踪式变频器式变频器 应用PWM控制技术的变压变频器一般都是电压源型的，它可以按需要方便地控制其输出电压，为此前面两小节所述的PWM控制技术都是以输出电压近似正弦波为目标的。 在交流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。 三、三、 电流跟踪电流跟踪式变频器式变频器 电流跟踪控制的脉宽调制变频器由通常的PWM电压源型变频器和电流控制环组成，使变频器输出可控的

59、正弦波电流。最常用的电流跟踪式PWM逆变器是电流滞环跟踪控制。具有电流滞环跟踪控制的PWM逆变器的一相控制原理图如下图所示。在这里，电流控制器是滞环的比较器。 三、三、 电流跟踪电流跟踪式变频器式变频器电流环跟踪控制的一相原理图滞环比较方式电流跟踪控制原理滞环比较方式电流跟踪控制原理 三、三、 电流跟踪电流跟踪式变频器式变频器 图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。 将给定电流 i*a 与输出电流 ia 进行比较，电流偏差 ia 超过时 h，经滞环控制器HBC控制逆变器 A相上（或下）桥臂的功率器件动作。B、C 二相的原理图均与此相同。三、三、 电流跟踪电流跟踪式变频器式变频器 采用电

60、流滞环跟踪控制时，变压变频器的电流波形与PWM电压波形如下图 如果， ia i*a ， 且i*a - ia h，滞环控制器 HBC输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件VT1导通，变压变频器输出正电压，使增大。当增长到与相等时，虽然，但HBC仍保持正电平输出，保持导通，使继续增大 直到达到ia = i*a + h ， ia = h ，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断VT1 ，并经延时后驱动VT4三、三、 电流跟踪电流跟踪式变频器式变频器滞环比较方式的指令电流和输出电流滞环比较方式的指令电流和输出电流 电流滞环跟踪控制时的电流波形电流滞环跟踪控制时的电流波形a) a) 电流波形电流波形电压波形电压

61、波形三、三、 电流跟踪电流跟踪式变频器式变频器 上图给出了在给定正弦波电流半个周期内的输出电流波形和相应的相电压波形。可以看出，在半个周期内围绕正弦波作脉动变化，不论在的上升段还是下降段，它都是指数曲线中的一小部分，其变化率与电路参数和电机的反电动势有关。三、三、 电流跟踪电流跟踪式变频器式变频器三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形 三相电流跟踪型PWM逆变电路 三相电流跟踪型PWM逆变电路 +-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVWVT1VT4VT6VT2VT3VT5 因此，输出相电压波形呈PWM状，但与两侧窄中间宽的SPWM波相反，两侧增宽而中间变窄，这说

62、明为了使电流波形跟踪正弦波，应该调整一下电压波形。 电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。这是一对矛盾的因素，实用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽可能小的环宽。 三、三、 电流跟踪电流跟踪式变频器式变频器小小 结结 电流滞环跟踪控制方法的精度高，响应快，且易于实现。但受功率开关器件允许开关频率的限制，仅在电机堵转且在给定电流峰值处才发挥出最高开关频率，在其他情况下，器件的允许开关频率都未得到充分利用。为了克服这个缺点，可以采用具有恒定开关频率的电流控制器，或者在局部范围内限制开关频率，但这样对电流波形都会产生影响。