毕业设计（论文）-基于模糊PID的通用变频器的设计.doc

辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第i页 基于模糊 pid 的通用变频器设计 摘要 论文研究设计了无速度传感器异步电机间接矢量控制系统。以电机控制专 用 tms320f2407 为核心构成控制电路，进行电流的解耦控制，产生了 svpwm 波形，实现了交流异步电机速度闭环控制。论文的主要工作和创新点 如下： 1、深入研究了转子磁场定向矢量控制系统的数学模型。对矢量控制的两种 类 型:直接型和间接型矢量控制系统进行了分析比较。 2、通过对空间磁链矢量幅值和相位控制调节电机转速，减少了逆变器输出 电 流的谐波，降低了脉动转矩，提高了电压的利用率。 3、采用模糊 pid 自适应控制器取代传统 pid 控制器，提高了系统的鲁棒 性， 简化了无速传感器矢量控制系统的设计。 4、利用 tms320lf2407 强大的实时运算能力和内部集成的专用硬件模块 大 大优化了 svpwm 的实现算法，提高了生成 svpwm 波形的质量。 5、设计构造了实验室原理样机检验实验系统;验证了系统设计方案的有效 性和可行性。最后提出改进方向。 关键词：通用变频器，pid 控制器，模糊控制 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第ii页 abstract a speed-sensorless indirect vector control system of ac motor is presented in the thesis. by means of the digital signal processor (dsp) tms320f240x developed for motor control, it can realize uncoupling of stators current and the algorithm of svpwm .the main contents and innovations of this paper are as follows: 1、analyse the mathematics model of indirect foc system，study and compare the direct and indirect vector control systems, which are of the two control methods of vector control system. 2、thealgorithm of svpwm that is adopted by the system implements speed regulation by control of magnitude and phase of motor flux. it can generate less harmonics in the output current of power inverter and less losses of ac motor, reduce pulsant component in output torque and raise availability of dc supply voltage. 3、fuzzy pid adaptive controllers are used instead of classic pid ones to improve the performance while simplifying the design of speed-sensorless vector control system. 4、by means of powerful calculation and abundant function module of tms320lf2407.the algorithm and the effect of svpwm has been greatly optimized. 5、lots of experiments based on the design of the software and hardware of the vector control system prove the rationality and feasibility of the control system. key words: general inverter. pid controller. fuzzy control 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第iii页 目录 第 1 章 绪论6 1.1 通用变频器概念6 1.2 国内、国外变频器的发展概况6 1.2.1 国内变频器发展基本概况6 1.2.2 国外变频器的发展概况.6 1.3 异步电机调速控制系统的研究重点7 1.3.1 采用新型电力电子器件和脉宽调制（pwm）控制技术.7 1.3.2 开发新型电机和无机械传感器技术.7 1.4.论文的研究内容8 第 2 章 通用变频器的原理及应用的研究9 2.1 变频器概述9 2.1.1 变频器的功用9 2.1.2 变频器主要功能10 2.1.3 变频器的核心电力电子器件发展及控制方式.10 2.2 变频器基本原理11 2.2.1 变频调速的构成.11 2.2.2 变频调速的基本要求.12 2.2.3 变频器的分类12 2.2.4 交-交与交-直-交变频器14 2.2.5 pwm 控制技术.19 2.2.6 变频器的四中控制方式.24 2.3 变频器的保护功能26 2.3.1 过电流保护功能26 2.3.2 过载保护功能27 2.3.3 电压保护功能.27 2.3.4 其他保护功能28 2.4 变频器的干扰及防止28 2.4.1 变频器产生干扰的原因28 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第iv页 2.4.2 干扰信号的传播方式29 2.4.3 变频调速系统的抗干扰措施29 2.5 变频器应用31 第 3 章 pid 控制器的原理与应用 32 3.1 pid 控制器概述.32 3.2 反馈回路32 3.3 pid 控制器理论.33 3.4 pid 控制器控制规律.34 3.4.1 比例（p）控制.34 3.4.2 比例积分（pi）控制.34 3.4.3 比例微分（pd）控制35 3.4.4 pid 控制.36 3.5 pid 控制器调试方法.36 3.5.1 比例系数的调节.36 3.5.2 积分系数的调节.36 3.5.3 微分系数的调节.37 第四章 模糊控制原理与应用38 4.1 模糊控制概述38 4.1.1 模糊控制概念38 4.2 变量选择与论域分割39 4.2.1 变量选择.39 4.2.2 论域分割.39 第五章 基于模糊 pid 的通用变频器设计 .40 5.1 通用变频器的设计40 5.1.1 交-直-交电压型逆变器转速开环调速系统40 5.2 模糊自适应整定 pid 控制原理.43 总 结47 致 谢48 参考文献49 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第v页 附 录50 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第1页 第 1 章 绪论 1.1 通用变频器概念 变频器是把工频电源(50hz 或 60hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电 机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电 变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直 流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说， 有时还需要一个进行转矩计算的 cpu 以及一些相应的电路。变频调速是通过改 变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。 1.2 国内、国外变频器的发展概况 1.2.1 国内变频器发展基本概况 变频器应用领域非常广阔。目前低压变频器在我国应用较多的行业为纺织 印染、电梯、起重机械、冶金、电力、石油石化、建筑楼宇、市政、化工、建 材及机床等，同时，在一些原来应用变频技术较少的轨道交通、制冷等行业中， 变频器应用的增长也十分强劲。 近年来中国低压变频器行业发展迅速，从 2007 年开始整体市场规模已达 100 亿元以上。尽管整个行业在 2008 年和 2009 年受到全球金融危机的一定影 响，但整体市场仍保持正增长，随着 2010 年我国整体宏观经济的好转，低压 变频器市场将逐步恢复到危机前的增长水平。未来随着我国装备制造业的快速 发展以及我国继续深入贯彻低碳、绿色、节能的发展思路，低压变频器作为先 进的自动化装备及节能改造的核心设备之一，必将受益于新一轮的产业升级及 新兴产业崛起。基于此，预计未来三年内我国低压变频器市场仍将继续保持两 位数的增长态势，整体规模有望在 2013 年突破 235 亿元。 1.2.2 国外变频器的发展概况 国外各大品牌的变频器生产商，起步较早，初步形成了系列化的产品，如 abb 公司的 acs-1000 系列，西门子公司的 simovert mv 系列，ab 公司的 power flex 7000 系列等，其控制系统也已实现全数字化。abb 公司的 acs- 1000 系列采用了 igct（integrated gate commutated thyristors）器件，功率范 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第2页 围为 315kw-5000kw，输出电压范围为 2.3 kv-4 kv，采用电压型三电平结构， 并提供有源前端( afe，active front end)技术，可以实现能量双向流动。西门 子公司的 simovert mv 系列采用最新的 hv-igbt(high-voltage insulated gate bipolar transistor)器件，输出电压范围为 2.3 kv-6 kv，电压源型三电平结 构并提供有源前端( afe，active front end)技术。 1.3 异步电机调速控制系统的研究重点 1.3.1 采用新型电力电子器件和脉宽调制（pwm）控制技术 电力电子器件的不断进步，为交流电机控制系统的完善提供了物质保证， 尤其是新的开关断器件，如金属氧化物半导体场相应晶体管（mosfet)、绝缘 栅双极型晶体管（igbt)和 ipm 使得高频化 pwm 技术成为可能。如第四代 igbt 的应用使变频器的性能有了更大的提高。其一是 igbt 开关器件发热减少， 将曾占主 回路发热 50_70%的器件发热降低到了 30%。其二是高载波控制，使 输出电流波形 有明显改善；其三是开关频率提高，使之超过人耳的感受范围， 即实现了电机运 行的静音化：其四是驱动功率减少，体积趋于更小。而 ipm 包含了 igbt 芯片及外 围的驱动和保护电路采用 ipm，可以降低开关电源容 量、驱动功率容量，简化电 路，提高系统的综合性能，是种更有潜力的集成型 功率器件。典型的电力电子变频装置有电流型、电压型和交一交型三种。其中， pwm 电压型变频器在中小功率电机控制系统中无疑占主导地位。目前，正在 研制的新型变频器，如矩阵式变频器，串、并联谐振式变频器等也开始进入实 用阶段，预示着新一代电机控制系统即将产生。 1.3.2 开发新型电机和无机械传感器技术 各种交流控制系统的发展对电机本身也提出了更高的要求。电机设计和建 模 有了新的研究内容，诸如三维涡流场的计算、考虑转子运动及外部变频供电 系统 方程的联解、电机阻尼绕组的合理设计及笼条的故障检测等问题。为了更 详细的 分析电机内部过程，如绕组短路或转子断条等问题，多回路理论应运而 生。此外, 开关变磁阻理论及新材料的发展使开关磁阻电机迅速发展。开关磁 阻电机与反应 式步进电机相类似，在加了转子位置检测后可有效的解决失步问 题，可方便的启 动、调速或点控，成为未来伺服系统的一个发展方向。为了实 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第3页 现无速度传感器的 转速闭环控制成本合理、性能良好的无速度传感器交流调速 系统成为研究热点。 目前提出了许多种方法；动态速度估计器、模型参考自适 应方法（mras)、基于 pi 调节器法、自适应转速观测器、转子齿谐波法、高 频注入法、基于人工神经元网 1.4.论文的研究内容 论文研究和设计了基于模糊 pid 的通用变频器控制系统。深入研究了模糊 控制原理、pid 控制器工作原理、通用变频器的基础知识。系统采用电压型逆 变器转速开环的变频调速系统。为了增强系统的鲁棒性、提高系统的静、动态 性能，构造了 pid 自适应控制器，取代传统 pi 控制。 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第4页 第 2 章 通用变频器的原理及应用的研究 2.1 变频器概述 三相交流异步电机的结构简单、坚固、运行可靠、价格低廉，在冶金、建 材、矿山、化工等重工业领域发挥着巨大作用。人们希望在许多场合下能够用 可调速的交流电机来代替直流电机，从而降低成本，提高运行的可靠性。如果 实现交流调速，每台电机将节能 20%以上，而且在恒转矩条件下，能降低轴上 的输出功率，既提高了电机效率，又可获得节能效果。 异步电机调速系统的种类很多，但是效率很高、性能最好、应用最广的是 变频调速，它可以构成高动态性能的交流调速系统来取代直流调速系统，是交 流调速的 主要发展方向。变频调速是以变频器向交流电机供电，并构成开环或 闭环系统，从而实现对交流电机的宽范围内无级调速。变频器可把固定电压、 固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电。 随着电力电子技术的发展，出现了高耐压、大功率、具有自关断的全控型 电力电子器件，它具有驱动功率小、开关频率高等特点，应用在逆变电路中可 极大提高变频的性能。 脉宽调制（pwm)变频就是把通讯系统中的调制技术推广应用到交流变频 中，可使变频器具有良好的输出波形，降低了噪声和谐波，提高了系统的性能。 采用全数字微机控制技术，使变频器减小了体积、降低了成本、提高了效 率、增强了功能。目前变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用， 而且已扩展到了工业生产的所有领域，以及空调器、洗衣机、电冰箱等家电中。 2.1.1 变频器的功用 变频器的功用是将频率固定(通常为工频 50hz)的交流点(三相的或单相的) 交换成频率连续可调的三相交流电源。 如下图 2. 1 所示，变频器的输入端(r,s,t)接至频率固定的三相交流电源， 输出端(u,v,w)输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电机。 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第5页 vvvf(variation voltage variation frequency)频率可变、电压可变。 2.1.2 变频器主要功能 1、软启动马达 2、调频调压调电流 3、空（轻）载时能在维持转速的时候减少电流（节能）变频器总体来说用 在启动频繁的马达上，节能效果明显 问题：这种在小标题下还分条怎么表示？这样表示就行么？ 2.1.3 变频器的核心电力电子器件发展及控制方式 1.电力电子器件的发展 20 世纪 80 年代中期以前，变频装置功率回路主要采用第一代电力电子器 件，以晶闸管元件为主，这种装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容 量的直流调速装置相比。 80 年代中期以后采用第二代电力电子器 gtr.cto, vdmos-igbt 等制造 的变频装置在性能和价格比上可以与直流调速装置相媲美。 随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，第三代 电力电子器件是 20 世纪 90 年代制造变频装置的主流产品，中小功率的变频调 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第6页 速装置(1-1000kw)主要采用 igbt，大功率的变频调速装置(1000-10000kw)采用 gto 器件。 20 世纪 90 年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代，如高压 igbt, igct,iegt,sgct、智能功率模块 ipm 等。 2.控制方式 变频器用不同的控制方式，得到的调速性能、特性及用途是不同的。控制 方式大体分为开环控制及闭环控制。 开环控制有 u/f 电压与频率成正比的控制方式。 闭环有转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。 现在矢量控制可以实现与直流机电枢电流控制相媲美，直接转矩控制直接 取交流电动机参数进行控制，其方便准确精度高。 2.2 变频器基本原理 2.2.1 变频调速的构成 要实现变频调速，必须有频率可调的交流电源，但电力系统却只能提供固 定频率的交流电源，因此需要一套变频装置来完成变频的任务。历史上曾出现 过旋转变频机组，但由于存在许多缺点而现在很少使用。现代的变频器都是由 大功率电子器件构成的。相对于旋转变频机组，被称为静止式变频装置，是构 成变频调速系统的中心环节。 一个变频调速系统主要由静止式变频装置、交流电动机和控制电路 3 大部 分组成，静止式变频装置的输入是三相式单相恒频、恒压电源，输出则是频率 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第7页 和电压均可调的三相交流电。至于控制电路，变频调速系统要比直流调速系统 和其他交流调速系统复杂得多，这是由于被控对象感应电动机本身的电磁关 系以及变频器的控制均较复杂所致。因此变频调速系统的控制任务大多是由微 处理机承担。 2.2.2 变频调速的基本要求 为了充分利用铁心材料，在设计电动机时，总是让电动机在额定频率和额 定电压下工作时的气隙磁通接近磁饱和值。因此，在电动机调速时，希望保持 每极磁通量为额定值不变。如果过分增大磁通又会使铁心过分饱和，从而导致 励磁电流急剧增加，绕组过分发热，功率因数降低，严重时甚至会因绕组过热 而损坏电动机。故而希望在频率变化时仍保持磁通恒定，即实现恒磁通变频调 速，这样，调速时才能保持电动机的最大转矩不变。 对于三相异步电动机，钉子没想电动势的有效值是： （2.1） = 4.44111 式中为定子每相绕组串联匝数；为基波绕组系数；为每极气隙磁 11 通，wb；为气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值，v；为定子 1 电源频率，hz。 由此可得： (2.2) = 1 4.4411 1 = 1 式（2.2）表明，为了保持不变，在改变电源频率的同时，必须按比例 1 改变感应电动势，才能有效地利用铁心。 2.2.3 变频器的分类 1.按变换环节分 （1）交-交变频器：把频率固定的交流电源直接变换成频率可调的交流电， 又称直接式变频器。 （2）交-直-交变频器：先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电 逆变成频率连续可调的交流电，又称间接式变频器。 2.按电压的调节方式分： 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第8页 （1）pam(脉幅调制)变频器 输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。在中小容量变频器 中，这种方式几近绝迹。 （2）pwm (脉宽调制) 变频器 输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。目前普通应用的 是占空比按正弦规律安排的正弦脉宽调制(spwm)方式。 3. 按直流环节的储能方式分（对交直交）： （1）电流型 直流环节的储能元件是电感线圈 lf,如图所示。 图 2.3 （2）电压型 直流环节的储能元件是电容器 cf,如图所示。 图 2.4 2.2.4 交-交与交-直-交变频器 1、交-交变频器工作原理 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第9页 交交变频电路，也称周波变流器。把电网频率的交流电变成可调频率的交 流电的变流电路，属于直接变频电路。广泛用于大功率交流电动机调速传动系 统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。 （由三组输出电压相位各差 120的单相交交变频电路组成） 。 图 2.5 单相交交变频电路原理图和输出电压波形（波形图怎么画？） 三相输入单相输出的交交变频电路由 p 组和 n 组反并联的晶闸管变流电路 构成，其结构如图 1(a)所示。结合图 2.1(a)，下面分析三相输入单相输出的交- 交变频电路的工作原理： p 组工作时，负载电流 为正；n 组工作时， 为负；两组变流器按一定的 00 频率交替工作，负载就得到该频率的交流电；改变切换频率，就可改变输出频 率；改变变流电路的控制角 ，就可以改变交流输出电压幅值；为使波形 0 0 接近正弦，可按正弦规律对 角进行调制，在半个周期内让 p 组 角按正弦规律 从 90减到 0或某个值，再增加到 90，每个控制间隔内的平均输出电压就 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第10页 按正弦规律从零增至最高，再减到零。由若干段电源电压拼接而成，在一 00 个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波如图 1(b)。 2、交-直-交变频器工作原理 其结构如下，它由主电路和控制电路组成。 图 2.6 交-直-交变频器主电路 目前，通用型变频器绝大多数是交-直-交型变频器，通常尤以电压器变频 器为通用，其主电路图（见图 2.6） ，它是变频器的核心电路，由整流电路（交- 直交换） ，直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路（直-交变换）组成。 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第11页 1、交-直变换部分 （1）vd1vd6 组成三相整流桥，将交流变换为直流。 （2）滤波电容器 cf 作用： a、滤除全波整流后的电压纹波； b、当负载变化时，使直流电压保持平衡。 因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组， 又由两个电容器组串联而成。如图中的 cf1 和 cf2。由于两组电容特性不可能 完全相同，在每组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻 rc1 和 rc2。 （3）限流电阻 rl 和开关 sl rl 作用：变频器刚合上闸瞬间冲击电流比较大，其作用就是在合上闸后的 一段时间内，电流流经 rl，限制冲击电流，将电容 cf 的充电电流限制在一定 范围内。 sl 作用：当 cf 充电到一定电压，sl 闭合，将 rl 短路。一些变频器使用晶 闸管代替（如虚线所示） 。 2、能耗电路部分 （1）制动电阻 rb 变频器在频率下降的过程中，将处于再生制动状态，回馈的电能将存贮在 电容 cf 中，使直流电压不断上升，甚至达到十分危险的程度。rb 的作用就是 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第12页 将这部分回馈能量消耗掉。一些变频器此电阻是外接的，都有外接端子（如 db，db） 。 （2）制动单元 vb 由 gtr 或 igbt 及其驱动电路构成。其作用是为放电电流 ib 流经 rb 提 供通路。 3、直交变换部分 （1）逆变管 v1v6 组成逆变桥，把 vd1vd6 整流的直流电逆变为交流电。这是变频器的核 心部分。 （2）续流二极管 vd7vd12 作用：a、电机是感性负载，其电流中有无功分量，为无功电流返回直流电 源提供“通道” ； b、频率下降，电机处于再生制动状态时，再生电流通过 vd7vd12 整流 后返回给直流电路； c、v1v6 逆变过程中，同一桥臂的两个逆变管不停地处于导通和截止状 态。在这个换相过程中，也需要 vd7vd12 提供通路。 4、缓冲电路 缓冲电路如图 2 所示。 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第13页 逆变管在导通和判断的瞬间，其电压和电流的变化率是比较大的，可能全 逆变管受到损害。因此，每个逆变管旁边还要接入缓冲电路，其作用就是减缓 电压和电流的变化率。 （1）c01c06 逆变管 v1v6 每次由导通到截止的判断瞬间，集电极 c 和发射极 e 间的 电压将迅速地由 0v 上升为直流电压 ud。过高的电压增长率将导致逆变管的损 坏。c01c06 的作用就是减小逆变管由导通到截止时过高的电压增长率，防止 逆变损坏。 （2）r01r06 逆变管 v1v6 由导通到截止的瞬间，c01c06 所充的电压（等于 ud） 将 v1v6 放电。此放电电流的初值很大，并且叠加在负载电流上，导致逆变 管的损坏。r01r06 的作用就是限制逆变管在导通瞬间 c01c06 的放电电流。 （3）vd01vd06 r01r06 的接入，又会影响到 c01c06 在 v1v6 关断时减小电压增长 率的效果。vd01vd06 接入后，在 v1v6 关断过程中，使 r01r06 不起 作用；而在 v1v6 接通过程中，又迫使 c01c06 的放电电流流经 r01r06。 3、交-交与交-直-交变频器的比较 （1）交-交变频器 过载能力强 效率高输出波形好 但输出频率低 使用功率器件多 输入无功功率大 高次谐波对电网影响大 （2）交-直-交变频器 结构简单 输出频率变化范围大 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第14页 功率因数高 谐波易于消除 可使用各种新型大功率器件 （注意：这样写行么？） 2.2.5 pwm 控制技术 pwm 控制技术一直是变频技术的核心技术之一。从最初采用模拟电路完 成三角调制波和参考正弦波的比较，产生正弦脉宽调制 spwm 信号以控制功率 器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的 pwm 信 号输出，pwm 在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。由 于 pwm 可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，因此在交流传动乃至其他 能量交换系统中得到广泛的应用。 pwm 控制技术大致可以分为三类：正弦 pwm，优化 pwm，随机 pwm。 正弦 pwm 具有改善输出电压和电流波形、降低电源系统谐波的多重 pwm 技术，在大功率变频器中有其独特的优势；优化 pwm 所追求的则是实现电流 谐波畸变率最小、电压利用率最高、效率最优、转矩脉动最小及其他特定优化 目标；随机 pwm 原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声， 尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。 1、正弦波脉宽调制(spwm)变频器 spwm 变频器结构简单，性能优良，主电路不用附加其他装置，已成为当 前最有发展前途的一种结构形式。图 3 所示为 spwm 变频器的电路原理，该电 路的主要特点是： a、主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构； b、使用了不可控的整流器，使电网功率因数与变频器输出电压的大小无关 而接近于 1； c、变频器在调频的同时实现调压，而与中间直流环节的元件参数无关，加 快了系统的动态响应； 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第15页 d、可获得比常规 6 拍阶梯波更好的输出电压波形，能抑制或消除低次谐波， 使负载电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，大大扩展了拖 动系统调速范围，并提高了系统的性能。 （1）spwm 变频器的工作原理： 所谓正弦波脉宽调制(spwm)就是把正弦波等效为一系列等幅不等宽的矩形 脉冲波形，如图 4 所示，等效的原则是每一区间的面积相等。 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第16页 如果把一个正弦半波分作 n 等份(图中 n=12)，然后把每一等份的正弦曲线 与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲 的中点与正弦波每一等份的中点重合，而宽度是按正弦规律变化的如图 4(b)所 示。这样，由 n 个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦半周等效， 称作 spwm 波形。同样，正弦波负半周也可用相同方法与一系列负脉冲波来等 效。 图 4(b)所示的一系列脉冲波形就是所期望的变频器输出 spwm 波形。可以 看到，由于各脉冲的幅值相等，所以变频器可由恒定的直流电源供电，即这种 交-直-交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器即可，变频器输出脉冲 的幅值就是整流器的输出电压幅值。当变频器各开关器件都是在理想状态下工 作时，驱动相应开关器件的信号也应为与图 4(b)所示形状相似的一系列脉冲波 形。 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第17页 （2）异步调制和同步调制 载波比：载波频率与调制信号频率之比，。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。 a、异步调制：载波信号和调制信号不同步的调制方式 通常保持固定不变，当变化时，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。当较低时，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。当增高时，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。 b、同步调制：载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波 与信号波保持同步，即 n 等于常数 基本同步调制方式，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。很低时，也很低，由调 制带来的谐波不易滤除。很高时，会过高，使开关器件难以承受。 c、分段同步调制：异步调制和同步调制的综合应用 为防止在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。同步调制比异步 调制复杂，但用微机控制时容易实现。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。 （3）规则采样法 a、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。 b、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。 规则采样法原理： 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第18页 三角波两个正峰值之间为一个采样周期。自然采样法中，脉冲中点不和 三角波(负峰点)重合。 如图所示确定 a、b 点，在和时刻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。 图 6.12 规则采样法计算公式推导： 正弦调制信号波：（这里名字和工十分开了能行么？多打一行空格行么？ ） (x.x) = sin a 称为调制度，； 为信号波角频率 0 1 从图 6.12 得： 1 + sin /2 = 2 /2 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第19页 推到得： （6.6） = 2 (1 + sin ) 三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度： （6.7） = 1 2( )= 4 (1 sin ) c、三相桥逆变电路的情况 三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差。同一三角波周期内三 120 相的脉宽分别为、和，脉冲两边的间隙宽度分别为、和，同一 时刻三相调制波电压之和为零，由式（6.6）得 (6.8) + + = 3 2 由式（6.7）得 (6.9) + + = 3 4 利用以上两式可简化三厢 spwm 波的计算 2.2.6 变频器的四中控制方式 变频器对电动机进行控制是根据电动机的特性参数及电动机运转要求，进 行对电动机提供电压、电流、频率进行控制达到负载的要求。因此就是变频器 的主电路一样，逆变器件也相同，单片机位数也一样，只是控制方式不一样， 其控制效果是不一样的。所以控制方式是很重要的。它代表变频器的水平。目 前变频器对电动机的控制方式大体可分为 u/f 恒定控制 ，转差频率控制，矢量 控制，直接转矩控制。 a、u/f 恒定控制 u/f 控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动 机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降。因 为是控制电压与频率之比，称为 u/f 控制。 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第20页 恒定 u/f 控制存在的主要问题是：低速性能较差，转速极低时，电磁转矩 无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩 的变化;其次是无法准确的控制电动机的实际转速。由于恒 u/f 变频器是转速开 环控制，由异步电动机的机械特性图可知，设定值为定子频率也就是理想空载 转速，而电动机的实际转速由转差率所决定，所以 u/f 恒定控制方式存在的稳 定误差不能控制，故无法准确控制电动机的实际转速。 b、转差频率控制 在稳态情况下，当稳态气隙磁通恒定时，异步电机电磁转矩近似与转差角 频率成正比。因此，控制就相当于控制转矩。采用转速闭环的转差频率控制， 使定子频率，则随实际转速增加或减小，得到平滑而稳定的 1= + 1 调速，保证了较高的调速范围。 转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需 要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以 电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。与 u/f 控制相比，其加减 速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈 构成闭环控制，速度的静态误差小。然而要达到自动控制系统稳态控制，还达 不到良好的动态性能。 c、矢量控制 矢量控制，也称磁场定向控制。它是 70 年代初由西德 f.blasschke 等人首 先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。由此开创了交流 电动机和等效直流电动机的先河。 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流 、 、 。通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流、 1 ，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流、 11 (相当于直流电动机的励磁电流 ，相当于直流电动机的电枢电流)，然 111 后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反 变换实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第21页 在电动机的调速领域里全方位的处于优势地位。但是，矢量控制技术需要对电 动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的话题。 d、直接转矩控制 1985 年，德国鲁尔大学的 depenbrock 教授首次提出了直接转矩控制理论， 该技术在很大程度上解决了矢量控制的不足，它不是通过控制电流，磁链等量 间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。 转矩控制的优越性在于 ，转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转 速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定 子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器， 这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。 直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较： 直接转矩控制系统与矢量控制系统都采用转矩和磁链分别控制。矢量控制 系统强调转矩与转子磁链的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实 2 行连续控制，调速范围宽，可达 1：100；按定向时受电机转子参数影响，降 2 低了适应性。 直接转矩控制系统则直接进行转矩控制，避开了旋转坐标变换；控制定 子磁链，而不是转子磁链，不受转子参数的影响；不可避免地产生转矩脉动， 1 降低了调速性能，因此只适用于风机、水泵以及牵引传动等对调速范围要求不 高的场合。 2.3 变频器的保护功能 2.3.1 过电流保护功能 1、过电流原因 （1）外部故障引起的过电流。如电动机堵转、变频器输出侧短路等。 （2）运行过电流。如加速或减速时间过短引起的过电流等。 （3）变频器自身故障引起的过电流。 2、变频器对过电流的处理 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第22页 变频器将首先根据电流上升的 “陡坡”来判断是否出现短路或接地，如果 是，则立即跳闸；如果不是短路，而属于运行过电流，则首先进行自处理，在 自处理不能使电流下降的情况下，则跳闸。 自处理方法：当电流超过设定值时，变频器首先将工作频率适当降低，到 电流低于设定值时，工作频率再逐渐恢复。 2.3.2 过载保护功能 过载保护功能是保护电动机过载的。从根本上说，对电动机进行过载保护 的目的，是使电动机不因过热而烧坏。因此，进行保护的主要依据便是电动机 的温升不 应超过其额定值。 1、发热保护的反时限特性 电动机的热保护功能应该具有反时限特性。即，电动机的运行电流越大， 保护动作的时间越短。 2、温升与频率的关系 电动机在低频运行时，如没有外部强迫通风，散热情况将变差。 3、变频器中的电子热保护功能。 电子热保护功能主要特点有： （1）具有反时限特性。 （2）在不同的运行频率下有不同的保护曲线，频率越低，允许连续运行的 时间越短。 2.3.3 电压保护功能 1、过电压的原因和保护 （1）电源过电压。当电源过电压时，可利用变频器的 “自动电压调整” 功能，使输出的平均电压维持恒定。但电压太高，电动机侧电压脉冲的幅值过 高，对电动机绕组的绝缘不利，必须跳闸，进行保护。 （2）降速过电压。即降速过快引起的过电压，变频器将首先进行自处理， 如自处理后电压仍偏高，则跳闸。 2、欠电压的原因及保护 发生欠电压的原因大致有以下几种情况： 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第23页 （1）电源电压过低或缺相。 （2）变频器的整流桥损坏。 （3）变频器整流后的限流电阻未切除电路。这是由于和限流电阻并联的晶 闸管或继电器发生故障所致。 对于电源欠电压，如运行频率低于 50hz，变频器可在一定范围内通过“自 动电压调整”功能调整其输出电压。对于其他几种情况，变频器必须跳闸，进 行保护。 2.3.4 其他保护功能 1、模块的过热保护 逆变模块除是关键器件外还因为它累计损耗功率较大，是主要的发热器件， 因此变频器内部最需要进行发热保护的部件是逆变模块，变频器内设置了温度 检测环节，当温度超过一定值，变频器将跳闸。 2、软件的自检保护 由于变频器软件系统的运算错误有可能导致十分严重的后果，因此变频器 对自身的软件具有完善的自检系统，一旦软件运算出错，将立即跳闸。 3、接受外部故障信号的保护 变频器的输入控制端中，有 12 个专门接受外部故障信号的 端子，拖动系 统中任何需要保护的信号，都可以接到该端子上。变频器在接到外部故障信号 时，将立即跳闸，进行保护。 2.4 变频器的干扰及防止 在工农业生产中，生产机械对拖动设备的调速性能有了很高的要求， 而变 频调速以其优越的调速能在调速系统中占有很大的比重，但变频器在工作过程 中会产生高频的谐波电流，这些高次谐波电流不但增加了输入侧的无功功率、 降低功率因数，而且这些频率较高的谐波电流将以各种方式把能量传播出去， 形成对其它设备的干扰信号。 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第24页 2.4.1 变频器产生干扰的原因 变频器输入和输出电流中具有高次谐波成分，是变频器产生干扰信号的根 本原因。变频器的输入电流中的高次谐波成分除了影响功率因数外，也可能对 其它设备形成干扰。由于绝大多数逆变桥都采用 spwm 调制方式，其输出电压 为占空比按正弦规律分布的系列矩形波，而由于电机定子绕组的电感性质，其 定子电流十分接近正弦波，但其中与载波频率相等的谐波分量仍较大。 2.4.2 干扰信号的传播方式 1、电路传导方式 （1）通过电网传播：是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式。 （2）通过漏电流传播：是变频器输出侧电流干扰信号的主要传播方式。 2、感应耦合方式 当变频器的输入或输出电路与其它设备的电路挨得很近时，变频器的高次 谐波信号将通过感应的方式耦合到其它设备中去。 感应的方式有 2 种： （1）电磁感应方式：是电流干扰信号的主要传播方式。 （2）静电感应方式：是电压干扰信号的主要传播方式。 3、空中辐射方式 频率很高的谐波分量具有向空中辐射电磁波的能力，从而对其它设备形成 干扰，尤其对通信设备的干扰更为严重。 2.4.3 变频调速系统的抗干扰措施 1、合理布线 合理布线能够在相当大程度上削弱干扰信号的强度，布线时应遵循以下原 则： （1）远离原则：干扰信号的大小与受干扰控制线和干扰源之间距离的平方 成反比. （2）相绞原则：2 根控制线相绞，能够有效地抑制差模干扰信号。 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第25页 （3）不平行原则：控制线如果和变频器的输入、输出线平行，则两者间的 互感越大，分布电容也越大，故电磁感应和静电感应的干扰信号也越大，因此， 控制线在空间上，应尽量和变频器的输入、输出线交叉，最好是垂直交叉。 2、削弱干扰源 （1）接入电抗器 变频器在电源输入侧接人电抗器，可使输入电流的波形大为改善，不但能 够提高功率因数，还可以有效地削弱输入电流中的高次谐波成分对其它设备的 干扰。 （2）接入滤波器 滤波器主要用于抑制具有辐射能力的频率很高的谐波电流，串联在变频器 的输人输出电路中，滤波器主要由线圈和电容器组成。必须注意变频器输出侧 的滤波器中，其电容器只能接在电机侧，且应串入电阻，以防止逆变管因电容 器的充、放电而受到冲击 （3）降低载波频率 变频器输出侧谐波电流的辐射能力、电磁感应和静电感应的能力都和载波 频率有关，适当降低载波频率，对于抑制干扰是有利的。 3、对线路进行屏蔽 屏蔽的主要作用是吸收和削弱高频电磁场。屏蔽的主要方式有： （1）主电路的屏蔽主要是吸收和削弱干扰源向外辐射的能力。变频器到电 机之间的连接线，应尽量穿人金属管，金属管应接地。 （2）控制电路的屏蔽主要是防止外来的干扰信号窜入控制电路。控制电路 的屏蔽，常用的方法是采用屏蔽线。当控制线和变频器相接时，屏蔽层可不用 接地，而只需将其中的一端接至变频器的信号公共端即可。 4、隔离干扰信号 隔离技术主要用于把已经窜入线路的干扰信号阻隔掉，主要的方式有： （1）电源隔离：对于一些耗电量小的仪表设备，其电源可通过隔离变压器 和电网进行隔离，以防止入电网的干扰信号进入仪器。 （2）信号隔离：信号隔离是设法使已经窜人控制线的干扰信号不进入仪器， 隔离器件是采用线性光电耦合管。 辽宁科技学院本科生毕业设计（论文） 第26页 5、准确接地 设备接地的主要目的是安全，但对于一些具有高频干扰信号的设备来说， 也具有把高频干扰信号引入大地的功能，接地时，应注意以下几点： （1）接地线应尽量地粗一些，接地点应尽量靠近变