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1、一、变频调速系统中的功率变换器,变频调速系统：控制电路、主电路（功率变换器或变频器） 1. 功率变换的必要性 上面讨论的电压/频率协调控制，必须同时改变电机供电电源的电压幅值和频率，才能满足变频调速的要求。但交流电网的电源都是恒压恒频的，必须通过功率变换装置，才能获得变压变频的电源，这类用途的功率变换装置通称为变频器。 变频器的任务就是将电压和频率均固定不变的交流电源变换成两者均可调的交流电源。变频器是变频调速系统中最主要的部件。,2. 变频器的分类 根据变频方式的不同，变频器可分为直接变频器和间接变频器两大类型。 直接变频器：亦称交交变频器，结构如图（a）所示，它直接将固定频率的交流电源电压
2、变换成幅值和频率均可调的交流电压。AC-AC 间接变频器：亦称交直交变频器，结构如图（b）所示，它先通过整流器将固定频率的交流电源电压变换成平均值可调的直流电压，再通过逆变器将直流电压变换成幅值和频率均可调的交流电压。AC-DC-AC,根据滤波器不同，间接变频器又可分为： 电压源型变频器：电容滤波，变频电源近似于电压源 电流源型变频器：电感滤波，变频电源近似于电流源 下图所示为四种形式的交直交变频器：图（a）为电压源型变频器；图 (b)为电流源型变频器。,上图所示的这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。 具体的整流和逆变电路种类很多，
3、当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如下图所示。,交-直-交PWM变压变频器基本结构,交-直-交PWM变压变频器,变压变频 (VVVF),中间直流环节,恒压恒频 (CVCF),PWM 逆变器,DC,AC,AC,50Hz,调压调频,C,这种PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P- MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。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仍只好采用半控型的晶闸管（SCR）。 这种PWM变压变频器的应用之所以
4、如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点： 在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。,输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。 逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。 采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。,二、变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术,
5、正弦波脉宽调制(SPWM)技术 消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM)控制技术 电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术 电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术,1. 正弦波脉宽调制(SPWM)技术,（1） PWM调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，一般以频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波作为调制波（Modulation wave），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。,按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应
6、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。,（2）SPWM控制方式 单相桥式PWM逆变电路,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PWM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波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。,双极性PWM控制方式,（3）PWM控制电路,模拟电子电路 采用正弦波
7、发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制。 数字控制电路 硬件电路 软件实现,模拟电子电路,数字控制电路,自然采样法只是把同样的模拟电子电路实现方法数字化， 自然采样法的运算比较复杂； 规则采样法在工程上更实用的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。,自然采样法原理,规则采样法,规则采样法原理,三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc 自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合 规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化 在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过 D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时
8、刻 tA和B点时刻 tB控制开关器件的通断 脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近,由于PWM变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出口的电机控制用的8位、16位微机芯片和DSP。,（4） PWM调制方法,载波比载波频率 fc与调制信号频率 fr 之比N，既 N = fc / fr 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。, 异步调制,异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。 通常保持 fc 固定不变，当 fr 变化时，载波比 N 是变化的；
9、 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； 当 fr 较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小； 当 fr 增大时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。,同步调制,同步调制N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。 基本同步调制方式，fr 变化时N不变，信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 N 为3的整数倍，使三相输出对称； 为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数； fr 很低时，fc 也很低，由调制带来的谐波不易滤除
10、； fr 很高时，fc 会过高，使开关器件难以承受。,同步调制三相PWM波形,分段同步调制,把 fr 范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同； 在 fr 高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高； 在 fr 低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低；,分段同步调制方式,混合调制,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，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。,（5）PWM逆变器主电路及输出波形,控 制 电 路 框 图,三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形,上图为三相PWM波形，其中 urU 、urV 、urW为U，V，W三相的正弦调制波，
11、 uc为双极性三角载波； uUN 、uVN 、uWN 为U，V，W三相输出与电源中性点N之间的相电压矩形波形； uUV为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为+Ud和- Ud ； uUN为三相输出与电机中点N之间的相电压。,(6) 电压/频率协调控制的交流变频调速系统,原理示意图,2. 电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术,问题的提出 空间矢量的定义 电压与磁链空间矢量的关系 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制 SVPWM控制的实现,（1） 问题的提出,经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。 交流电动
12、机需要得到的是三相正弦电流的输入，其最终目的是使电动机内部形成圆形旋转磁场，以产生恒定的电磁转矩。 如果对准这一目标，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，其效果应该更好。 这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，下面的讨论将表明，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”。,（2） 空间矢量的定义,交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间相量来表示。 但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以如图所示，定义为空间矢量uA0， uB0 ， uC0 。,
13、电压空间矢量,定子电压空间矢量：uA0 、 uB0 、 uC0 的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也是120。 合成空间矢量：由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量 us 是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压幅值的3/2倍。,当电源频率不变时，合成空间矢量 us 以电源角频率1 为电气角速度作恒速旋转。当某一相电压为最大值时，合成电压矢量 us 就落在该相的轴线上。用公式表示，则有,与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量 Is 和s 。,（3） 电压与磁链空间矢量的关系,三相的电压平衡方程式相加，即得到用合成空间矢
14、量表示的定子电压方程式为,式中,us 定子三相电压合成空间矢量； Is 定子三相电流合成空间矢量； s 定子三相磁链合成空间矢量。,当电动机转速不是很低时，定子电阻压降所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为,磁链轨迹,我们知道：当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其磁链空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（一般简称为磁链圆）。定子磁链旋转矢量可用下式表示：,其中 m是磁链s的幅值，1为其旋转角速度。,综合前推导的关系式可得,上式表明，当磁链幅值一定时，电压的大小与频率（或供电电压频率）成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的
15、切线方向。,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，电动机定子旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。,旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹,（4）六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场,电压空间矢量运动轨迹 在常规的 PWM 变压变频调速系统中，异步电动机若由六拍阶梯波逆变器供电，其电压空间矢量运动轨迹是怎样的呢？ 为了讨论方便起见，再把三相逆变器-异步电动机调速系统主电路的原理图绘出，下图中六个功率开关器件都用开关符号代替，可以代表任意一种开关器件。,主电路原理图,三相
16、逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图,开关工作 状态分析：,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（见附表） ，其中： 6 种有效开关状态； 2 种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）： 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,六拍阶梯波开关控制模式,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 /3 时刻内则保持不变。,（a）开关模式分析,设工作周期从100状态开始，这时VT6、VT1、VT2导通，其等效电路如图所示。各相对直流电源中点的电压都是幅值为 UAO = Ud / 2 UBO = UCO = - Ud /2,（b）工作状态100的合成电压空间矢量,由图可知，三相的合成空间矢量为 u1，其幅值等于Ud，方向沿A轴
