第5章基于稳态模型的异步电动机调速系统

1、电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统第第5章章基于稳态模型的异基于稳态模型的异步电动机调速系统步电动机调速系统 5.1.1异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型l转差率与转速的关系转差率与转速的关系11nnsn1(1)ns n或或 电动机极对数电动机极对数 供电电源频率供电电源频率 l同步转速同步转速 1160pfnn1fpn5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法1.异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路假定条件：假定条件：忽略空间和时忽略空间和时间谐波，间谐波，忽略磁饱和忽略磁饱和忽略铁损忽略铁损2212lrlsrs

2、srsLLsRRUII2.异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机传递的电磁功率异步电动机传递的电磁功率 sRIPrm223l机械同步角速度机械同步角速度m1 pmppnnfnnfn11111122l异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式 ）pmn1122122122212122 113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPTsRIPrm223异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性对对s求导，并令求导，并令 0dsdTel最大转矩，又称临界转矩最大转矩，又称临界转矩 221212)(

3、23lrlsssspemLLRRUnT异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l临界转差率：对应最大转矩的转差率临界转差率：对应最大转矩的转差率2212)(lrlssrmLLRRs异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性当当s很小时，忽略分母中含很小时，忽略分母中含s各项各项213psern U sTsRl转矩近似与转矩近似与s成正比，机械特性近似为直成正比，机械特性近似为直线线 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性当当s较大时，忽略分母中较大时，忽略分母中s的一次项和零次项的一次项和零次项l转矩近似与转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲成反比，机械特性是一段双曲线线22221131ps

4、reslslrn U RTss RLL异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性图图5-3 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性TL可知，能够改变的参数可分为可知，能够改变的参数可分为3类：类：电动机参数、电源电压和电源频率电动机参数、电源电压和电源频率（或角频（或角频率）。率）。22222113psresrlslrn U R sTsRRsLL5.1.2异步电动机的调速方法与气隙磁通异步电动机的调速方法与气隙磁通1.异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法2.异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通l三相异步电动机定子每相电动势的有效值三相异步电动机定子每相电动势的有效值忽略定子绕组电阻和漏

5、磁感抗压降忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N kEgl气隙磁通气隙磁通为了保持气隙磁通恒定，应使为了保持气隙磁通恒定，应使 11/mgsEfUf1gEf常数s1Uf常数或近似为或近似为 在进行调速时希望保持电动机中每极磁通在进行调速时希望保持电动机中每极磁通m为额定值不变为额定值不变，如果，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费，如果过分增磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费，如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机

6、。因绕组过热而损坏电机。5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速l保持电源频率为额定频率，只改变定保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速。子电压的调速方法称作调压调速。l由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又定子电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速。称作降压调速。异步电动机调压调速异步电动机调压调速l调压调速的基本特征：电动机同步转速保调压调速的基本特征：电动机同步转速保持额定值不变持额定值不变 l气隙磁通气隙磁通 随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。11160N

7、Npfnnn14.44SsmsNUf N k5.2.1 异步电动机调压调速的异步电动机调压调速的主电路主电路图图5-4 晶闸管交流调压器调速晶闸管交流调压器调速TVC双双向晶闸管向晶闸管交流调压交流调压器器a) 不可逆不可逆电路电路b) 可逆电可逆电路路5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性可调可调 l调压调速的机械特性表达式调压调速的机械特性表达式22222113psresrlslrn U R sTsRRsLLsUl电磁转矩与定子电压的平方成正比电磁转矩与定子电压的平方成正比 5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l临界转差率保持不

8、变临界转差率保持不变 l理想空载转速保持为同步转速不变理想空载转速保持为同步转速不变 01Nnn2212)(lrlssrmLLRRs5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l临界转矩临界转矩 221212)(23lrlsssspemLLRRUnTl 随定子电压的减小而成平方比地下随定子电压的减小而成平方比地下降降5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性图图5-5 异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降带恒转矩负载时，

9、普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为压调速时的稳定工作范围为 调速范围有限，图中调速范围有限，图中A、B、C为恒转矩负载为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。在不同电压时的稳定工作点。l带风机类负载运行，调速范围可以稍大一带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中些，图中D、E、F为风机类负载在不同电压为风机类负载在不同电压时的稳定工作点。时的稳定工作点。0mss5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率磁功率故电磁功率恒定不变，与转速无关。故电磁功率恒定不变，与转速无关。 11Lmm

10、LpTPTn1LT、均为常数均为常数 5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l转差功率转差功率 随着转差率的加大而增加。随着转差率的加大而增加。l带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出功率来换取转速的降低。差功率、减小输出功率来换取转速的降低。l增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消耗型的由来。这就是转差功率消耗型的由来。1 LsmmLpTPsPsTsn5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l增加转子电阻值，增加转子电阻值，临界转差率加大，

11、临界转差率加大，可以扩大恒转矩负可以扩大恒转矩负载下的调速范围，载下的调速范围，这种高转子电阻电这种高转子电阻电动机又称作交流力动机又称作交流力矩电动机。矩电动机。l缺点是机械特性缺点是机械特性较软。较软。 图图5-6 高转子电阻电动机（交流力矩高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性电动机）在不同电压下的机械特性5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l要求带恒转要求带恒转矩负载的调矩负载的调压系统具有压系统具有较大的调速较大的调速范围时，往范围时，往往须采用带往须采用带转速反馈的转速反馈的闭环控制系闭环控制系统统。图图5-7 带转速负反馈闭环控带转速负反馈闭

12、环控制的交流调压调速系统制的交流调压调速系统 5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l当系统带负载稳定时，如果负载增大或减当系统带负载稳定时，如果负载增大或减小，引起转速下降或上升，反馈控制作用小，引起转速下降或上升，反馈控制作用会自动调整定子电压，使闭环系统工作在会自动调整定子电压，使闭环系统工作在新的稳定工作点。新的稳定工作点。l按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起来便是闭环系统的静特性。来便是闭环系统的静特性。5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l静特性左右静特性左右两边都有极两边都有极限，它们是限，它们是额定电压

13、下额定电压下的机械特性的机械特性和最小输出和最小输出电压下的机电压下的机械特性。械特性。图图5-8 转速闭环控制的交流转速闭环控制的交流调压调速系统静特性调压调速系统静特性sNUminsU5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速l变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化调速方法，同步转速随频率而变化ppnnfn260601115.3.1 变压变频调速的基本原理变压变频调速的基本原理要要保持磁通恒定保持磁通恒定，在变频的同时要改变电源电压在变频的同时要改变电源电压14.44SsgsmNUEf N kl当频率从额

14、定值向下调节时，必须使当频率从额定值向下调节时，必须使 14.44SgsNmNEN kf常值l基频以下应采用基频以下应采用 为恒值的控制方式。为恒值的控制方式。1fEg1.基频以下调速基频以下调速基频以下调速基频以下调速 常值fUsgsEU 则得则得这就是这就是恒压频比控制方式恒压频比控制方式。由于磁通恒定由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定允许输出转矩也恒定，属于恒转矩调速属于恒转矩调速由于电动势难以控制，当电动势值较高时，忽略定子由于电动势难以控制，当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降电阻和漏感压降glsssEILjRU11)(Eg基频以下调速基频以下调速 当频率比较低时，定子电阻和漏感压

15、降所占当频率比较低时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。仅保持的份量比较显著，不能再忽略。仅保持Eg/f1=常数不能保持磁通恒定。常数不能保持磁通恒定。因此要人为地把定子电压抬高一些，以补偿因此要人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。定子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。样。glsssEILjRU11)(基频以下调速基频以下调速 l通常在控制软件通常在控制软件中备有不同斜率中备有不同斜率的补偿特性，以的补偿特性，以供用户选择。供用户选择。a无补偿无补偿 b带定子电带定子电压补偿压补偿图图5-9 恒压频比控制特性恒压

16、频比控制特性2.基频以上调速基频以上调速 l在基频以上调速时，频率从基频向上升高，受到电机绝在基频以上调速时，频率从基频向上升高，受到电机绝缘耐压限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额缘耐压限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。定电压不变。 这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机磁这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机磁通减少，通减少，Te减小。即转速上升，电磁转矩减少。只能实减小。即转速上升，电磁转矩减少。只能实现现恒功率恒功率调速。调速。14.44SsgsmNUEf N k变压变频调速变压变频调速 图图5-10 异步电动机变压变频调速的控制特性异步电动机

17、变压变频调速的控制特性5.3.2 变压变频调速时的机械特性变压变频调速时的机械特性l一、基频以下采用一、基频以下采用恒压频比恒压频比控制控制 异步电动机机械特性方程式改写为异步电动机机械特性方程式改写为22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT基频以下调速基频以下调速l当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项，各项，sRsUnTrspe1213或或 2113sperUnTRssTe很小时当s. 1基频以下调速基频以下调速2.转速降落基本不变转速降落基本不变在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平行

18、下移的。械特性基本上是平行下移的。2111210602reeppsR TnsnsTnnU 2113sperUnTRs基频以下调速基频以下调速3.临界转矩随着频率的降低而减小。临界转矩随着频率的降低而减小。 l当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。221121)(123lrlsssspemLLRRUnTl4.转差功率（转子铜损）与转速无关转差功率（转子铜损）与转速无关故称作故称作转差功率不变型转差功率不变型。21213resmespR TPsPsTUn在恒

19、压频比的条件下把频率向下调节时，机械在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平行下移，临界转矩特性基本上是平行下移，临界转矩 减小减小2113sperUnTRs221121)(123lrlsssspemLLRRUnT二、基频以上调速二、基频以上调速1.电压保持额定值不变，电压保持额定值不变，Te随着频率的增大而减小随着频率的增大而减小2.临界转矩随着频率的增大而减小临界转矩随着频率的增大而减小 2212212)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT221212)(123lrlssssNpemLLRRUnT基频以上调速基频以上调速l临界转差临界转差 l当当s很小时，忽略

20、上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项各项 2212)(lrlssrmLLRRs213sNeprUsTnR或或21123repsNR Tsn U基频以上调速基频以上调速3.转速降落增大转速降落增大 l对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，降落越大，机械特性越软机械特性越软，与直流电动机弱，与直流电动机弱磁调速相似。属于恒功率调速磁调速相似。属于恒功率调速21112210602reppsNR TnsnsnnU 21123repsNR Tsn U基频以上调速基频以上调速4.转差功率基本不变转差功率基本不变l带恒功率负载运行时带恒功率负载运行时2211

21、23resmepsNR TPsPsTn U221eT常数转差功率基本不变转差功率基本不变变压变频调速时的机械特性变压变频调速时的机械特性图图5-11 异步电动机变压变频调速机械特性异步电动机变压变频调速机械特性变压变频调速变压变频调速l在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于也恒定，属于“恒转矩调速恒转矩调速”方式。方式。l在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，由于转速上升，允许输出转矩也随之降低，由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于出功率基本恒定，属于“近似的恒功率调速近似的恒功率调速

22、”方式。方式。5.3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。法具有控制简便的优点。l但负载变化时定子压降不同，将导致磁通改但负载变化时定子压降不同，将导致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。变，须采用定子电压补偿控制。l根据根据定子电流的大小改变定子电压，以保持定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。磁通恒定。glsssEILjRU11)(5.3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l为了使参考极性为了使参考极性与电动状态下的与电动状态下的实际极性相吻合，实际极性相吻合，感应

23、电动势采用感应电动势采用电压降的表示方电压降的表示方法，由高电位指法，由高电位指向低电位向低电位。 图图5-12 异步电动机等值电路和感应电动势异步电动机等值电路和感应电动势三种磁通三种磁通l气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势 14.44SgsmNEf N kl定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 l转子全磁通在转子每相绕组中的感应电动势转子全磁通在转子每相绕组中的感应电动势 14.44SssmsNEf N k14.44SrsmrNEf N k1.恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l保持定子磁通恒定：保持定子磁通恒定：

24、定子电动势不好直接控制，能够直接控制定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压，按的只有定子电压，按l补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。 1/ fEssssEIRU1常值常值14.44SssmsNEf N k恒定子磁通恒定子磁通 控制控制 1fEs忽略励磁电流，忽略励磁电流，转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 2212)(lrlsrsrLLsREI22122 121221221)(3)(3lrlsrrsprlrlsrspeLLsRRsEnsRLLsREnT恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l临界转矩临界转矩 )(12321lrlsspemLLE

25、nT结论：结论：恒定子磁通控制的临界转矩大于恒压频比控制方式。恒定子磁通控制的临界转矩大于恒压频比控制方式。221121)(123lrlsssspemLLRRUnT2.恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 l保持气隙磁通恒定：保持气隙磁通恒定： l定子电压定子电压l除了补偿定子电阻压除了补偿定子电阻压l降外，还应补偿定子降外，还应补偿定子l漏抗压降。漏抗压降。 1/gEglsssEILjRU11)(常值常值恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 2212lrrgrLsREI2 2122 12122122133lrrrgprlrrgpeLsRRsEnsRLsREnT恒气隙磁通

26、控制恒气隙磁通控制 21123lrgpemLEnTl临界转矩临界转矩 与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控制方与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控制方式的式的临界转矩更大临界转矩更大，机械特性更硬。，机械特性更硬。 )(12321lrlsspemLLEnT3.恒转子磁通控制恒转子磁通控制 l保持转子磁通恒定：保持转子磁通恒定： l定子电压定子电压l除了补偿定子电阻除了补偿定子电阻压降外，还应补偿压降外，还应补偿定子和转子漏抗压定子和转子漏抗压降。降。 1/rE11()sslslrrURjLLIE常值常值恒转子磁通控制恒转子磁通控制 l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 sREIrrr/

27、12122133rrprrrpeRsEnsRsREnT恒转子磁通控制恒转子磁通控制 优点：机械特性完全是一条直线，可优点：机械特性完全是一条直线，可以获得和直流电动机一样的线性机以获得和直流电动机一样的线性机械特性，械特性，这正是高性能交流变频调速所要求的这正是高性能交流变频调速所要求的稳态性能。稳态性能。4. 小结小结（1）不同控制方式下的机械特性不同控制方式下的机械特性 a）恒压频比控制恒压频比控制b）恒定子磁通控制）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制）恒气隙磁通控制 d）恒转子磁通控制）恒转子磁通控制(2)不同控制方式下的比较不同控制方式下的比较la)恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特

28、性基本上恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低频时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。低频时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。l(b)恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。需要定子电压补偿，控制要复杂一些。l(c)恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限性能。但机械特性还是非线性的，仍受

29、到临界转矩的限制。制。l(d)恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。的线性机械特性，性能最佳。5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器l异步电动机变频调速需要电压与频率均可异步电动机变频调速需要电压与频率均可调的交流电源，常用的交流可调电源是由调的交流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。一般称为变频器。5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器l交交-直直-交变频器：先将恒压恒频的交流电整成直交变频器：先将恒压恒频的交流电整成直流

30、，再将直流电逆变成电压与频率均为可调的交流，再将直流电逆变成电压与频率均为可调的交流，称作流，称作间接变频间接变频。l交交-交变频器：将恒压恒频的交流电直接变换为交变频器：将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均为可调的交流电，无需中间直流环电压与频率均为可调的交流电，无需中间直流环节，称作节，称作直接变频直接变频。(这种方案在一个阶段曾占这种方案在一个阶段曾占主流，但因为它对电网污染严重，且已经有替代主流，但因为它对电网污染严重，且已经有替代品而退出主流，面临淘汰。品而退出主流，面临淘汰。5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器图图5-14 变频器结构示意图变频器结构示意图a）交）交-直

31、直-交变频器交变频器b）交）交-交交变频器变频器 5.4.1 交直交交直交PWM变频器主回路变频器主回路图图5-15 交交-直直-交变频器主回路结构图交变频器主回路结构图l左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压。直流电压。l右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电。交流电。l中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。1.系统结构系统结构l主回路只有一套可控功率级，具有结构简单、主回路只有一套可控功率级，具有结构简单、控

32、制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小。波分量小。l缺点是当电动机工作在回馈制动状态时能量不缺点是当电动机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网，造成直流侧电压上升，称作泵升能回馈至电网，造成直流侧电压上升，称作泵升电压。电压。2.特点特点（1）正弦波脉宽调制（）正弦波脉宽调制（SPWM）技术）技术（2）消除指定谐波的）消除指定谐波的PWM（SHEPWM）控制技）控制技术术（这种方法计算工作量太大，不宜用于实时控制）（3）电流跟踪（）电流跟踪（F）控制技术）控制技术（）电压空间矢量（）电压空间矢量PWM（SVPWM)控制技术控制技术 常用常用

33、 的有（的有（1）（）（3）（）（4）三种）三种3.PWM脉宽调制的方法有四种脉宽调制的方法有四种5.4.2正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制（SPWM）技术技术l以频率与期望的输出电压波相同的正弦波以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波。三角波作为载波。l由它们的交点确定逆变器开关器件的通断由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称作正弦波变化的脉冲序列，这种调制方法称作正弦波脉宽调制（脉宽调制（Sinusoid

34、al pulse Width Modulation，简称，简称SPWM）。）。图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud5.4.2 正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术图6-19 三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT25.4.2 正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术图图5-17 三相三相PWM逆变器双极逆变器双极性性SPWM波形波形a) 三相正弦调制波与三相正弦调制波与双极性三角载波双极性三角载波b）、）、c）、）、d）三相）三相电压电压

35、e）输出线电压）输出线电压f）电动机相电压）电动机相电压调制波调制波ur它与期望的变频器输出电压基波的频率和相位相它与期望的变频器输出电压基波的频率和相位相同，幅值成正比。同，幅值成正比。Uc为三角载波为三角载波,Uda1去驱动去驱动A相上桥臂，相上桥臂， Uda4驱动下桥臂开关器件，则驱动下桥臂开关器件，则A相输出电压相输出电压UAO为序列为序列脉冲，其基波频率和相位与脉冲，其基波频率和相位与UA相同，幅值与相同，幅值与Ur成正比。成正比。在调制度为在调制度为1 时，时， UAO的基波幅值为的基波幅值为1/2Ud，而线电，而线电压的幅值为压的幅值为0.866Ud,因此直流电压的利用率只有因此

36、直流电压的利用率只有0.866.这是这是SPWM调制技术的主要缺点。调制技术的主要缺点。上图表示自然采样法，此法不易实现，通常采用规则采样上图表示自然采样法，此法不易实现，通常采用规则采样法，规则采样法是由微处理器的数字式波形发生器实现法，规则采样法是由微处理器的数字式波形发生器实现的。的。5.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术l电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM，Current Follow PWM）的控）的控制方法是：制方法是：l在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。流快速跟随给定值。l

37、在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的电压控制的SPWM获得更好的性能。获得更好的性能。图图5-19 电流滞环跟踪控制的电流滞环跟踪控制的A相原理图相原理图5.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术l电流控制器是带滞环的比较器，环宽为电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差超过超过h时，经滞环控制器时，经滞环控制器HBC控制逆变器控制逆变器上（或下）桥臂的功率器件动作。上（或下）桥臂的功率器件动作。三相电流跟踪型PWM逆变电路

38、+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVWVT1VT4VT6VT2VT3VT55.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术l电流滞环跟踪控制方法的电流滞环跟踪控制方法的精度高、响应快，且易于精度高、响应快，且易于实现。但功率开关器件的实现。但功率开关器件的开关频率不定。开关频率不定。5.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术l电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。受到功率开关器件允许开关频率的制约。l当环宽选得较大时，开关频率低，但电

39、流波形失当环宽选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波分量高；真较多，谐波分量高；l如果环宽小，如果环宽小，电流跟踪性能好电流跟踪性能好，但开关频率却增，但开关频率却增大了。大了。l实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的环宽。尽可能选择小的环宽。5.4.5 电压空间矢量电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术）控制技术l把逆变器和交流电动机视为一体，以把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形圆形旋转磁场旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作控制方法称作“磁链跟踪控制磁链跟踪控制”，磁链轨迹

40、，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量电压空间矢量实现的，所以又称实现的，所以又称“电压空间矢量电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制）控制”。1.空间矢量的定义空间矢量的定义l交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是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，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，随时间变化的，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义为可以定义为空间矢量空间矢量。l 定义三相定子电压空间矢量定义三相定子电压空间矢量 2AOjBOjCOkukuekueAOBOCOuuu32k为待定系数为待定系数

41、 1）定子电压空间矢量）定子电压空间矢量2jjAOBOCOkukuekuesAOBOCOuuuu图图5-21 电压空间矢量电压空间矢量000AOBOCOuuu的合成矢量的合成矢量 l2）定子电流空间矢量）定子电流空间矢量 2jjAOBOCOkikiekiesAOBOCOiiii2jjAOBOCOkkekesAOBOCOl3）定子磁链空间矢量）定子磁链空间矢量 l4）功率空间矢量）功率空间矢量2222222p =Re()Re()()()Re()s sjjjjAOBOCOAOBOCOAO AOBO BOCO COjjjBO AOCO AOAO BOjjjCO BOAO COBO COkuueuei

42、ieiekuiuiuikuieuieuieuieuieuieu iss、ii共轭矢量共轭矢量 考虑到考虑到 0AOBOCOiii232233p =()22AO AOBO BOCO COkuiuiuik pp=AO AOBO BOCO COuiuiuil按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则 23k三相瞬时功率三相瞬时功率)(21)(Re2222COCOBOBOAOAOjCOBOjCOAOjBOCOjBOAOjAOCOjAOBOiuiuiukeiueiueiueiueiueiuk2.空间矢量表达式空间矢量表达式 22()3jjAOBOCOuueuesu22(

43、)3jjAOBOCOiieiesi22()3jjAOBOCOees32smUUl当定子相电压为三相平衡正弦电压时当定子相电压为三相平衡正弦电压时112111224cos()cos()cos()33332jjmmmjtjtmsUtUteUteU eU esAOBOCOuuuu23us是一个以电源频率是一个以电源频率1为角速度作恒速旋转的空为角速度作恒速旋转的空间矢量间矢量，当某一相电压为最大值，当某一相电压为最大值 时，合成矢量时，合成矢量us就落在就落在该相该相 绕组的轴线上绕组的轴线上3.三相合成矢量三相合成矢量us4.电压空间矢量与磁链空间矢量的关系电压空间矢量与磁链空间矢量的关系 l合成

44、空间矢量表示的定子电压方程式合成空间矢量表示的定子电压方程式 忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成磁链空间矢忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为量的近似关系为dtdRssssiudtdssu dtssu或或l当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机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，其空间矢量以恒速旋转，磁定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（简称为磁链圆）。链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（简称为磁链圆）。l定子磁链矢量定子磁链矢量)(1tjsesl定子电压矢量定子电压矢量111()()()211()jtsjtjtssd

45、edtjeesu电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 1)磁链的运动方向与电压空间矢量的运动方向一致。磁链的运动方向与电压空间矢量的运动方向一致。2)因此，因此，电动机旋转磁场的轨迹问题就转化为电压空电动机旋转磁场的轨迹问题就转化为电压空间矢量的轨迹问题。间矢量的轨迹问题。ssU15.PWM逆变器输出基本电压矢量逆变器输出基本电压矢量lPWM逆变器共有逆变器共有8种工作状态种工作状态 当当 100ABCSSSuuu222dddABCUUU2423322(1)(1)3 23 2224242(1 coscos)(sinsin)3 233333jjjjddddUUeeeeUjU1u8个基

46、本空间矢量个基本空间矢量依此类推，可得依此类推，可得8个基本空间矢量个基本空间矢量 。当当 1 10ABCSSSuuu222dddABCUUU2423332(1)(1)3 2222424(1 coscos)(sinsin)3 2333322(13)3 23jjjjdddjddUUeeeeUjUjU e2u16uul2个零矢量个零矢量l6个有效工作矢量个有效工作矢量07uu、幅值为幅值为 23dU空间互差空间互差 33132kjdkeUu6.正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 16uu6Tt l6个有效工作矢量完成一个周期，输出基波个有效工作矢量完成一个周期，输出基波l电压角频率电压角频率

47、 l6个有效工作矢量个有效工作矢量也即每个有效工作矢量作用也即每个有效工作矢量作用 3顺序分别作用顺序分别作用t时间，并使时间，并使 t31正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 k=1,2,3,4,5,6 l定子磁链矢量的增量定子磁链矢量的增量 tss = u(1)3( )( )23sskjdkktUt e ul定子磁链矢量运动方向与电压矢量相同，增量定子磁链矢量运动方向与电压矢量相同，增量的幅值等于的幅值等于23dUt正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l定子磁链矢量的运动轨定子磁链矢量的运动轨迹为迹为 图图5-25 定子磁链矢量增量定子磁链矢量增量(1)( )( )( )( )s

48、sssskkkkk t us的旋转方向，也是的旋转方向，也是us的方向的方向正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 图图5-26 正六边形定子磁链轨迹正六边形定子磁链轨迹l在一个周期内，在一个周期内，6个有个有效工作矢量效工作矢量顺序顺序作用一作用一次，定子磁链矢量是一次，定子磁链矢量是一个封闭的正六边形。个封闭的正六边形。l六边形旋转磁场带有较大的谐波分量，六边形旋转磁场带有较大的谐波分量，这将这将导致转矩与转速的脉动导致转矩与转速的脉动。不能应用于。不能应用于变频调速系统。解决的方法是采用正多边变频调速系统。解决的方法是采用正多边形的磁链轨迹，如正十二边形，正二十四形的磁链轨迹，如正十二

49、边形，正二十四边形边形1）基本思想）基本思想l按空间矢量的平行四边形合成法则，按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效工作矢量用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量合成期望的输出矢量，这就是电压空间矢量，这就是电压空间矢量PWM（SVPWM）的）的基本思想。基本思想。l按按6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区，个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区，当期当期望输出电压矢量落在某个扇区内时望输出电压矢量落在某个扇区内时，就用与期望输出电压矢量相，就用与期望输出电压矢量相邻的邻的2个有效工作矢量等效地合成期望输出矢量个有效工作矢量等效地合成期望输出矢量。7.期望电压

50、空间矢量期望电压空间矢量2）电压空间矢量的六个）电压空间矢量的六个扇区扇区图图5-27 电压空间矢量的电压空间矢量的6个扇区个扇区l按按6个有效工作个有效工作矢量将电压矢量矢量将电压矢量空间分为对称的空间分为对称的六个扇区，每个六个扇区，每个扇区对应扇区对应33）以正十二边形磁链轨迹为例，）以正十二边形磁链轨迹为例，如图示。若初始磁链为如图示。若初始磁链为s（0），在磁链的），在磁链的扇区，扇区， s（0）的起点为）的起点为A点，正十二点，正十二边形的边为边形的边为AB，根据前述原理，根据前述原理，AB的边的边的方向既是的方向既是s的旋转方向，也是的旋转方向，也是us的方向，的方向，但但us不

51、是基本的电压矢量，要获得不是基本的电压矢量，要获得us，可，可采用基本矢量的线性组合。采用基本矢量的线性组合。us落在电压空落在电压空间矢量的间矢量的I扇区扇区.l在在AB段，是电压空间矢量段，是电压空间矢量图图5-28 期望输出电压矢量的合成期望输出电压矢量的合成的夹角的夹角 的线性组合的线性组合1usu) 1 (s为为2u1u与与su) 2 (s每个扇区为一个开关周期每个扇区为一个开关周期T0，在一个开关周期在一个开关周期 T0图5-28 期望输出电压矢量的合成的作用时间的作用时间 为为1u2u1t的作用时间为的作用时间为2t121200123002233sjddttTTttUU eTTu

52、uu合成电压矢量合成电压矢量l由正弦定理可得由正弦定理可得解得解得 120022332sinsin()sin33ddsttUUTTus012sin()3du TtUs022usindTtU两个基本矢量作用时间之和应满足两个基本矢量作用时间之和应满足ss1202u2usin()sin cos()136ddttTUU2100ttTt当当 l输出电压矢量最大幅值输出电压矢量最大幅值 6120ttTsmax2dUu其余时间可用零矢量其余时间可用零矢量u0和和u7来填补来填补l零矢量的作用时间零矢量的作用时间 取决于取决于us与与u1的夹角，对于正十二边形，在一个磁链扇区，的夹角，对于正十二边形，在一个

53、磁链扇区，每个开关器件换相两次，在第一换相周期每个开关器件换相两次，在第一换相周期1=150，在第二，在第二个换相周期个换相周期2=450最大最大ss1202u2usin()sin cos()136ddttTUU3）电压空间矢量的合成的优点）电压空间矢量的合成的优点： l当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量幅值相合成矢量幅值 l基波相电压最大幅值基波相电压最大幅值 l基波线电压最大幅值基波线电压最大幅值 32smUUmaxmax3lmmdUUUmaxmax233dmsUUusmax2dUu期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 lSPWM的基

54、波线电压最大幅值为的基波线电压最大幅值为 两者之比两者之比 lSVPWM方式的逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，方式的逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比比SPWM逆变器输出电压最多提高了约逆变器输出电压最多提高了约15%。23maxdlmUU1.1532maxmaxlmlmUU8.SVPWM的实现的实现 l通常以通常以开关损耗开关损耗和和谐波分量谐波分量都较小为原都较小为原则，来安排基本矢量和零矢量的作用顺序，则，来安排基本矢量和零矢量的作用顺序，一般在一般在减少开关次数减少开关次数的同时，尽量使的同时，尽量使PWM输出波型输出波型对称，以减少谐波分量。对称，以减少谐波分量。 (

55、1)零矢量集中的实现方法零矢量集中的实现方法 1) 按照对称原则，将两个基本电压矢量的作用时间按照对称原则，将两个基本电压矢量的作用时间平分为二后，安放在开关周期的首端和末端。平分为二后，安放在开关周期的首端和末端。2) 零矢量的作用时间放在开关周期的中间，并按开零矢量的作用时间放在开关周期的中间，并按开关次数最少的原则选择零矢量。关次数最少的原则选择零矢量。l特点：在一个开关周期内，有一相的状态保持不特点：在一个开关周期内，有一相的状态保持不变，从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状变，从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状态发生变化，因而态发生变化，因而开关次数少，开关损耗小开关次数少

56、，开关损耗小。 零矢量集中的实现方法零矢量集中的实现方法 图图5-29 零矢量集中的零矢量集中的SVPWM实现实现(2)零矢量分散的实现方法零矢量分散的实现方法 l将零矢量平均分为将零矢量平均分为4份，在开关周期的首、尾份，在开关周期的首、尾各放各放1份，在中间放两份。份，在中间放两份。l将两个基本电压矢量的作用时间平分为二后，将两个基本电压矢量的作用时间平分为二后，插在零矢量间。插在零矢量间。l按开关次数最少的原则选择矢量。按开关次数最少的原则选择矢量。零矢量分散的实现方法零矢量分散的实现方法 图图5-30 零矢量分布的零矢量分布的SVPWM实现实现零矢量分散的实现方法零矢量分散的实现方法

57、l特点：每个周期均以零矢量开始，并以特点：每个周期均以零矢量开始，并以零矢量结束。零矢量结束。l从一个矢量切换到另一个矢量时，只有从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状态发生变化。一相状态发生变化。l在一个开关周期内，三相状态均各变化在一个开关周期内，三相状态均各变化一次，开关损耗略大于零矢量集中的方法。一次，开关损耗略大于零矢量集中的方法。8.SVPWM控制的定子磁链控制的定子磁链 l将占据将占据/3的定子磁链矢量轨迹等分为的定子磁链矢量轨迹等分为N个小区个小区间，每个小区间所占的时间间，每个小区间所占的时间 NT103l定子磁链矢量轨迹为正定子磁链矢量轨迹为正6N边形，轨迹更接边形，轨迹

58、更接近于圆，谐波分量小，能有效减小转矩脉动。近于圆，谐波分量小，能有效减小转矩脉动。SVPWM控制的定子磁链控制的定子磁链 l在每个小区间内，定在每个小区间内，定子磁链矢量的增量为子磁链矢量的增量为图图5-31 期望的定子磁链矢量轨迹期望的定子磁链矢量轨迹 0)()(Tkkssu非基本电压量必非基本电压量必须用两个基本矢量须用两个基本矢量合成。合成。( )skuSVPWM控制的定子磁链控制的定子磁链 l为了产生为了产生 l定子磁链矢量的增量为定子磁链矢量的增量为 (0)s51212361000022(0)33jsddttttU eUTTTTuuu53016211222(0)(0)33jssdd

59、TtttU etUuuu7步完成步完成的定子磁链的定子磁链，采用零矢量分散实现的方法，采用零矢量分散实现的方法 图图5-32定子磁链矢量的运动定子磁链矢量的运动的的7步轨迹步轨迹211616211.(0,1)02.(0,2)23.(0,3)2(0,*)4.(0,4)05.(0,5)26.(0,6)27.(0,7)0ssssssssttttuuuuSVPWM控制的定子磁链控制的定子磁链 弧度内实际的定子弧度内实际的定子图图5-33 N=4时，实际的定子磁链矢量轨迹时，实际的定子磁链矢量轨迹3磁链矢量轨迹磁链矢量轨迹 l定子磁链矢量轨迹定子磁链矢量轨迹 合成和要用21)3(),2(uussSVPW

60、M控制的定子磁链控制的定子磁链 弧度的定子图图5-34 定子旋转磁链矢量轨迹定子旋转磁链矢量轨迹磁链矢量轨迹 l定子磁链矢量轨迹定子磁链矢量轨迹 20SVPWM控制的定子磁链控制的定子磁链 l实际的定子磁链矢量轨迹在期望的磁链实际的定子磁链矢量轨迹在期望的磁链圆周围波动。圆周围波动。N越大，磁链轨迹越接近于越大，磁链轨迹越接近于圆，但开关频率随之增大。圆，但开关频率随之增大。l由于由于N是有限的，所以磁链轨迹只能接是有限的，所以磁链轨迹只能接近于圆，而不可能等于圆。近于圆，而不可能等于圆。SVPWM控制有以下的特点控制有以下的特点 1）8个基本输出矢量，个基本输出矢量，6个有效工作矢量和个有效