电力拖动与运动控制系统：第7章 交流异步电动机变频调速系统

1、Spring 2015Motion Control Systems第一部分第一部分 直流调速系统直流调速系统 （约（约2828学时）学时）1.1. 第一章（转速负反馈）单闭环直流调速系统第一章（转速负反馈）单闭环直流调速系统2.2. 第二章第二章 双闭环（速度环双闭环（速度环+ +电流环）直流调速系统电流环）直流调速系统 3.3. 第三章第三章 直流可逆（晶闸管反并联）调速系统直流可逆（晶闸管反并联）调速系统4.4. 第四章第四章 直流脉宽调速系统（直流脉宽调速系统（PWMPWM）5.5. 第五章第五章 数字控制的直流调速系统与数字控制的直流调速系统与MATLABMATLAB仿真（自学）仿真（

2、自学）第二部分第二部分 交流调速系统交流调速系统 （约（约2020学时）学时）1.1. 第六章第六章 交流调速系统（调压调速、串级调速）交流调速系统（调压调速、串级调速） 2.2. 第七章第七章 交流异步电动机变频调速系统交流异步电动机变频调速系统 （VVVFVVVF调速系统）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2Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统分体式变频空调控制电路原理框图分体式变频空调控制电路原理框图变频空调变频空调3Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章

3、变频调速系统变频调速系统数字控制通用变频器数字控制通用变频器异步电动机调速系统原理图异步电动机调速系统原理图M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR24Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统5Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 7.1 7.1 异步电动机变频调速的基本控制方式异步电动机变频调速的基本控制方式 7.2 7.2 变频器与逆变器变频器与逆变器 7.3 7.3

4、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 7.4 7.4 转速闭环转差频率控制的变频调速系统转速闭环转差频率控制的变频调速系统 7.5 7.5 异步电机的多变量数学模型和坐标转换异步电机的多变量数学模型和坐标转换 7.6 7.6 按转子磁场定向的矢量控制系统按转子磁场定向的矢量控制系统 本章内容提要本章内容提要6Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.1 7.1 异步电动机变频调速的基本控制方式异步电动机变频调速的基本控制方式 l问题的提出问题的提出 在进行电机调速时，常须考虑的重要因素在进行电机

5、调速时，常须考虑的重要因素磁通量磁通量 m m （励磁磁通、（励磁磁通、气隙磁通、主磁通的幅值）。气隙磁通、主磁通的幅值）。磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；若增大磁通，又会使铁芯饱和，导致励磁电流过大，严重时会因绕若增大磁通，又会使铁芯饱和，导致励磁电流过大，严重时会因绕组过热而损坏电机。组过热而损坏电机。直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应作合适补偿，可保直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应作合适补偿，可保持持 m m 。交流异步电动机中，磁通是定子和转子磁势合成产生的，需要认真交流异步电动机中，磁通是定子和转子磁势合成

6、产生的，需要认真研究。研究。 问：如何保持磁通量问：如何保持磁通量 m m 恒定？恒定？7Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统l 定子每相电动势定子每相电动势mN111g44. 4kNfE （7-1） 式中：式中：E Eg g 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值；气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值； 定子频率，单位为定子频率，单位为HzHz； 定子每相绕组串联匝数；定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数；基波绕组系数； 每极气隙磁通量，单位为每极气隙磁通量，单位为WbWb。 f1N1kN1 m说明：说明：由式（由式（7

7、-17-1）知，只要控制好）知，只要控制好E Eg g和和f f1 1，便可达到控制磁通，便可达到控制磁通 m m的目的，的目的，因此，需要考虑因此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。两种情况。 为保持主磁通不变，在为保持主磁通不变，在变频时必须同时变压变频时必须同时变压，使得，使得压频比压频比为一为一常数常数, , 这也是这也是VVVFVVVF控制又被称为控制又被称为恒压频比控制恒压频比控制的原因。的原因。8Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 然而，定子绕组中的感应电动势是然而

8、，定子绕组中的感应电动势是难以直接控制难以直接控制的，当电动的，当电动势值较高时，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，而认为定子相电压子相电压U U1 1E Eg g，则得，则得 这是这是恒压频比的控制方式。恒压频比的控制方式。7.1.1 基频以下调速基频以下调速由式（由式（7-17-1）可知，要保持）可知，要保持 m m不变，当频率不变，当频率f f1 1从额定值从额定值f f1N1N向向下调节时，必须同时降低下调节时，必须同时降低E Eg g，使，使 1gfE恒值恒值即即采用恒值电动势频率比的控制方式采用恒值电动势频率比的控制方式。 一般频率

9、是从额定频一般频率是从额定频率向下调，所以需要率向下调，所以需要同时降低电源电压同时降低电源电压11fU恒值恒值9Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.1.1 基频以下调速基频以下调速7.1.1.1 恒压频比控制恒压频比控制（U1/ 1= 恒值）恒值） 在第六章已给出异步电动机的机械特性方程式（如（在第六章已给出异步电动机的机械特性方程式（如（6-7）当定子电压当定子电压U1和和角频率角频率 1 ( ) 都为恒定值时，可以将都为恒定值时，可以将它改写成如下的形式：它改写成如下的形式：22121222121211pe)()(

10、3llLLsRsRRsUnT（7-27-2） 112 fNp磁极对数，前一章用磁极对数，前一章用p表示表示10Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统l 特性分析特性分析 当当s很小时，可忽略上式分母中含很小时，可忽略上式分母中含s各项则各项则 也就是说，当也就是说，当s很小时，转矩近似与很小时，转矩近似与s成正比，机械特性成正比，机械特性 Te= f(s) 是是一段直线一段直线。sRsUnT21211pe3当当s s 接近于接近于1 1时，可忽略式（时，可忽略式（7-27-2）分母中的）分母中的R R2 2 ，则，则 sLLR

11、sRUnTll1)(3221212121211pe即即s s接近于接近于1 1时转矩近似与时转矩近似与s s成反比，这时成反比，这时, ,Te= f(s) 是是对称于原对称于原点的一段双曲线点的一段双曲线。（7-3） 11Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统l 机械特性机械特性 当当 s 为以上两段的为以上两段的中间数值时，机中间数值时，机械特性从直线段械特性从直线段逐渐过渡到双曲逐渐过渡到双曲线段，如图所示线段，如图所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax图图7-1 恒压恒频时异步电机的机械特性恒压恒频时异步电

12、机的机械特性12Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 当定子旋转磁场的转速（同步转速）为当定子旋转磁场的转速（同步转速）为 时，则有时，则有因此转速降落为因此转速降落为 0np10260nn（7-57-5） （r/min） 1p0260snsnn（7-67-6） （r/min） nnsnnsnn0000)1 (由于由于 13Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统在式（在式（7-37-3）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出）所表示的机械特性近似直线段上，可

13、以导出211pe213UnTRs（7-7） 由此可见，由此可见，当当 U U1 1 / / 1 1 为恒值为恒值时，对于同一转矩时，对于同一转矩T Te e，s s 1 1 是是 基本不变的基本不变的，因而，因而 n n 也是基本不变的也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率这就是说，在恒压频比的条件下改变频率 1 1 时，时，机械特性机械特性 基本上是平行下移基本上是平行下移，它们和，它们和直流他励电机变压调速时直流他励电机变压调速时的情况的情况 基本相似。基本相似。所不同的是所不同的是: :当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就 折

14、回来了。而且频率越低时最大转矩值越小。如图折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小。如图7-27-2所示。所示。14Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统l 机械特性曲线机械特性曲线图图7-2 7-2 恒压频比控制时变频调速的机械特性恒压频比控制时变频调速的机械特性ns01TeTL15Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统异步电动机最大转矩为：异步电动机最大转矩为：22121s1s211pmaxe)(123llLLRRUnT（7-9） 可见最大转矩可见最大转矩

15、T Temaxemax 是随着的是随着的 1 1 降低而减小的。降低而减小的。频率很低时，频率很低时，T Temax emax 太小将限制电机的带载能力，太小将限制电机的带载能力，采采用定子压降补偿，适当地提高电压用定子压降补偿，适当地提高电压U U1 1，可以增强带，可以增强带载能力载能力，见图，见图7-27-2。16Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.1.1.2 恒恒 Eg / 1 控制控制 E Eg g 气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势；气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势； E Es s

16、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； E Er r 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。 图图7-3 异步电动机稳态异步电动机稳态T型等效电路和感应电动势型等效电路和感应电动势R1I1I0I2EsEgErU1sR21Lm1lL2lLoo11117Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 由等效电路可以看出由等效电路可以看出 222122g2lLsREI代入电磁转矩关系式（式（代入电磁转矩关系式（式（6-7），得），得2

17、 22122 12121gp22221222g1pe33llLsRRsEnsRLsREnT（7-11） （7-10） l 特性分析特性分析如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压U U1 1的数值，使它的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持在克服定子阻抗压降以后，能维持 E Eg g/ / 1 1 为恒值（基频以下），为恒值（基频以下），则由式（则由式（7-17-1）可知，无论频率高低，每极磁通）可知，无论频率高低，每极磁通 m m 均为常值。均为常值。18Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统

18、变频调速系统l 特性分析（续）特性分析（续）sRsEnT2121gpe3类似前面分析，当类似前面分析，当s s很小时，可忽略式（很小时，可忽略式（7-117-11）分母中含）分母中含s s ，则，则 （7-12） 这表明机械特性的这一段这表明机械特性的这一段近似为一条直线近似为一条直线。当当s s 接近于接近于1 1时，可忽略式（时，可忽略式（7-117-11）分母中的）分母中的 R R2 2 2 2 项，则项，则 sLsREnTl132 21221gpe（7-13） s s 值为上述两段的中间值时，机械特性在值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线直线和双曲线之间逐之间逐渐过渡，渐过渡

19、，整条特性与恒压频比特性相似整条特性与恒压频比特性相似。19Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统l 机械特性曲线机械特性曲线eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1Temax恒恒 E Eg g / / 1 1 控制时变频调速的机械特性控制时变频调速的机械特性20Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统l 性能比较性能比较 对比式（对比式（7-117-11）和式（）和式（7-27-2）可以看出，恒）可以看出，恒 E Eg g/ / 1 1

20、 特性分母中特性分母中含含s s 项的参数要小于恒项的参数要小于恒 U U1 1/ / 1 1 特性中的同类项，也就是说，特性中的同类项，也就是说，s s 值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒因此恒 E Eg g / / 1 1 特性的线性段范围更宽。特性的线性段范围更宽。212mlLRs恒恒E Eg g / / 1 1控制特性在最大转矩时的转差率控制特性在最大转矩时的转差率 最大转矩最大转矩221gpmaxe123lLEnT（7-14） （7-15） 21Spring 2015Motion Control Syst

21、ems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统值得注意的是，当值得注意的是，当E Eg g / / 1 1 为恒值时，为恒值时，T Temaxemax 恒定不变，恒定不变， 其稳态性能优于恒其稳态性能优于恒 U U1 1 / / 1 1 控制的性能。控制的性能。这正是恒这正是恒 E Eg g / / 1 1 控制中补偿定子压降所追求的目标。控制中补偿定子压降所追求的目标。 l 性能比较性能比较( (续续) )22Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.1.1.3 7.1.1.3 恒恒 Er/ 1 控制控制 如果把电压频率协调

22、控制中的电压再进一步提高，把转子漏如果把电压频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒抗上的压降也抵消掉，得到恒 E Er r / / 1 1 控制，那么，机械特性控制，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出会怎样呢？由此可写出 sREI/2r2（7-16） 2121rp2222r1pe33RsEnsRsREnT这时的机械特性完全是一条直线，见图这时的机械特性完全是一条直线，见图7-47-4。（7-17） 代入电磁转矩关系式（式（代入电磁转矩关系式（式（6-7），得），得23Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频

23、调速系统0s10Tel 几种电压频率协调控制方式的机械特性比较几种电压频率协调控制方式的机械特性比较图图7-4 7-4 不同电压频率协调控制方式时的机械特性不同电压频率协调控制方式时的机械特性恒 Er /1 控制恒 Eg /1 控制恒 U1 /1 控制ab c24Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统sRsUnT21211pe32s2mmeRKT异步电动机稳态等效电路、感应电动势、转矩方程（机械特性方程式）异步电动机稳态等效电路、感应电动势、转矩方程（机械特性方程式）sRsEnT2121gpe3sRsEnT2121rpe3mN

24、111g44. 4kNfE rmN111r44. 4kNfE R1I1I0I2EsEgErU1sR21Lm1lL2lLoo11125Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 按照式（按照式（7-17-1）电动势和磁通的关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与）电动势和磁通的关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在式（磁通成正比。在式（7-17-1）中，气隙磁通的感应电动势）中，气隙磁通的感应电动势 E Eg g 对应于气隙磁通对应于气隙磁通幅值幅值 m m ，那么，转子全磁通的感应电动势，那么，转子全磁通的感应电动势

25、E Er r 就应该对应于就应该对应于转子全磁通转子全磁通幅值幅值 rmrm ：rmN111r44. 4kNfE （7-18） 机械特性的比较结果：机械特性的比较结果： 恒恒 Er/Er/ 1 1 控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特 性。性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。问题：问题：如何控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的如何控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的 E Er r / / 1 1 呢？呢？ 由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值由此可见，只要能够按照转子全磁通幅

26、值 rmrm= Constant = Constant 进行控制，就可获进行控制，就可获得恒得恒 E Er r/ / 1 1 了。这正是矢量控制系统所遵循的原则，将在后面详细讨论。了。这正是矢量控制系统所遵循的原则，将在后面详细讨论。 26Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统几种协调控制方式的比较几种协调控制方式的比较 综上所述，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。综上所述，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。 恒压频比恒压频比（U U1 1/ / 1 1 = Constant = Con

27、stant）控制最容易实现控制最容易实现，它的变频机械特，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，但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，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。 恒恒E Eg/g/ 1 1 控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到稳态时达到 m m = Constant = Constant，从而改善了低速性能。但机械特性还，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。是非线性

28、的，产生转矩的能力仍受到限制。 恒恒 E Er/r/ 1 1 控制可以得到和控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性直流他励电机一样的线性机械特性，按按照转子全磁通照转子全磁通 rm rm 恒定进行控制恒定进行控制，即得，即得E Er/r/ 1 1 = Constant = Constant。而且，。而且，在动态中也尽可能保持在动态中也尽可能保持 rmrm 恒定恒定是是矢量控制系统的目标矢量控制系统的目标，当然实，当然实现起来是比较复杂的。现起来是比较复杂的。 27Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.1.2. 7.1

29、.2. 基频以上调速基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从在基频以上调速时，频率应该从f f1N1N 向上升高，但定向上升高，但定子电压子电压U U1 1 却不可能超过额定电压却不可能超过额定电压U U1N1N ，最多只能保持，最多只能保持U U1 1 = U= U1N1N ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当，这将迫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。于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。如下图所示。 28Spring 2015Motion Control Systems

30、第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统f1N 变压变频控制特性变压变频控制特性图图7-5 7-5 异步电机变压变频调速的控制特性异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速U1U1NmNm恒功率调速恒功率调速mU1f1O29Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 如果电机在如果电机在不同转速不同转速时所带的负载都能使电流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，按照电力拖动原理，在转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，

31、磁通恒定时基频以下，磁通恒定时转矩也恒定转矩也恒定，属于，属于“恒转恒转矩调速矩调速”性质，而在基频以上，性质，而在基频以上，转速升高时转矩转速升高时转矩降低降低，基本上属于，基本上属于“恒功率调速恒功率调速”。30Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统l 恒转矩负载恒转矩负载的特点是的特点是负载转矩与转速无关负载转矩与转速无关，任何转速下转矩总保持恒任何转速下转矩总保持恒定或基本恒定定或基本恒定。应用的场合比如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负。应用的场合比如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载。载以及

32、吊车、提升机等位能负载。l 恒功率负载恒功率负载的特点是的特点是负载转矩大体与转速成反比（负载转矩与转速乘负载转矩大体与转速成反比（负载转矩与转速乘积（即功率）基本保持不变）积（即功率）基本保持不变），如机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄，如机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等负载膜生产线中的卷取机、开卷机等负载 。负载的恒功率性质通常是就一。负载的恒功率性质通常是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，转矩定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，转矩不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。l 负

33、载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有影响，负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有影响，电动机在恒磁电动机在恒磁通调速时，最大容许输出转矩不变通调速时，最大容许输出转矩不变，属于，属于恒转矩调速恒转矩调速；而在；而在弱磁调速弱磁调速时，最大容许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速时，最大容许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。l 除了上述两类负载一般还有风机、泵类负载，他的特点是转矩和速度除了上述两类负载一般还有风机、泵类负载，他的特点是转矩和速度的的2次方成正比。次方成正比。附：恒转矩与恒功率调速附：恒转矩与恒功率调速 31Spring 2015Motion Control Syst

34、ems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统小小 结结 电压电压U U1 1与频率与频率 1 1是变频器是变频器异步电动机调速系统的两个独异步电动机调速系统的两个独立的控制变量，在变频调速时需要对这两个控制变量进行立的控制变量，在变频调速时需要对这两个控制变量进行协调控制协调控制。 在基频以下，有三种协调控制方式。采用不同的协调控制在基频以下，有三种协调控制方式。采用不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同，其中方式，得到的系统稳态性能不同，其中恒恒Er /Er / 1 1控制的性控制的性能最好能最好。 在基频以上，采用保持电压不变的在基频以上，采用保持电压不变的恒功率恒功率调速方法。调速

35、方法。32Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 7.17.1 异步电动机变频调速的基本控制方式异步电动机变频调速的基本控制方式 7.27.2 变频器与逆变器变频器与逆变器 7.3 7.3 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 7.4 7.4 转速闭环转差频率控制的变频调速系统转速闭环转差频率控制的变频调速系统 7.5 7.5 异步电机的多变量数学模型和坐标转换异步电机的多变量数学模型和坐标转换 7.6 7.6 按转子磁场定向的矢量控制系统按转子磁场定向的矢量控制系统 本章内容提要本章内容提要3

36、3Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统引引 言言 现有的交流供电电源都是恒压恒频的，必须通过变频装置，才能获得变压变频的电源，这样的装置通称为变压变频装置（VVVF）。 分类：p 间接变频装置；间接变频装置；p 直接变频装置。直接变频装置。 34Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.2.1 7.2.1 间接变频装置（交间接变频装置（交- -直直- -交变频装置）交变频装置） 图图7-6 间接变频器基本结构间接变频器基本结构 整 流逆 变A CD CA C

37、50Hz恒 压 恒 频(C V C F)中 间 直 流 环 节变 压 变 频(V V V F)35Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统可控整流器变压，逆变器变频的可控整流器变压，逆变器变频的 交交-直直-交变频装置交变频装置 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)逆变器逆变器DCACAC50Hz调频调频可控可控整流整流调压调压36Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统逆变器逆变器DCACAC50Hz调频调频不控不控整

38、流整流调压调压DCVVVF斩波斩波器器不可控整流器整流，斩波器变压，逆变不可控整流器整流，斩波器变压，逆变 器变频的交器变频的交- -直直- -交变频装置交变频装置 37Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统不可控整流器整流，不可控整流器整流，PWMPWM逆变器同时变压逆变器同时变压 变频的交变频的交- -直直- -交变频装置交变频装置 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DCACAC50Hz调压调频调压调频38Spring 2015Motion Control S

39、ystems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统39Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统40Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.2.2 7.2.2 电压源和电流源变频器电压源和电流源变频器 在交在交-直直-交变压变频器中，按照中间直流环节交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成直流电源性质的不同，逆变器可以分成p 电压源型电压源型p 电流源型电流源型 两种类型的两种类型的主要区别在于用什么储能元件来缓冲主要区别在于用什么储

40、能元件来缓冲无功能量。无功能量。如下示意图。如下示意图。 41Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统两种类型逆变器结构两种类型逆变器结构(a)(a)电压源变频器电压源变频器: :直流侧是电压源直流侧是电压源(b)(b)电流源变频器电流源变频器: :直流侧是电流源直流侧是电流源逆变器逆变器UdCdLd+a）b）+IdUd42Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 两种类型逆变器比较两种类型逆变器比较 变频器类别变频器类别比较项目比较项目电压源电压源电流源电流源直

41、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决定于负载,对异步电机负载近似对异步电机负载近似为正弦波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,有较大有较大的谐波分量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侧设置反并联逆变器须在电源侧设置反并联逆变器方便方便,主回路不需附加设备主回路不需附加设备调速动态响应调速动态响应较慢较慢快快对晶闸管的要求对晶闸管的要求关断时间要短关断时间要短,对耐压要求一般对耐压要求一般较低较低耐压高耐压高,对关断时间无

42、特殊要求对关断时间无特殊要求适用范围适用范围多电机拖动多电机拖动,稳频稳压电源稳频稳压电源单电机拖动单电机拖动,可逆拖动可逆拖动43Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统晶闸管三相六拍式交晶闸管三相六拍式交- -直直- -交变频器交变频器 基于晶闸管的电压源型三相六拍式交基于晶闸管的电压源型三相六拍式交-直直-交变频交变频器主电路原理图如图器主电路原理图如图79所示它由相控整流电路所示它由相控整流电路A，滤波电容，滤波电容C和有源逆变电路和有源逆变电路B构成。构成。 依晶闸管导通角的大小不同，逆变器有依晶闸管导通角的大小不同，

43、逆变器有180导电导电型型和和120导电型导电型两种不同的工作方式。两种不同的工作方式。 44Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统图图7-9 电压源型六拍式晶闸管交电压源型六拍式晶闸管交-直直-交变频器主电路交变频器主电路CV01V03V05V04V06 V02V4V6 V2V1V3V5UVWZWZVuUVuUZUAB45Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统180180导电型工作方式导电型工作方式 p逆变器每只晶闸管的导通角均为逆变器每只晶闸管的导通角均为

44、180p 导通顺序为导通顺序为V1V2V3V4V5V6 p 每一瞬间均有三只晶闸管处于导通状态每一瞬间均有三只晶闸管处于导通状态 p 换流则按规定的顺序在同一桥臂的上换流则按规定的顺序在同一桥臂的上 、 下两晶闸管之间进行下两晶闸管之间进行六只晶闸管的导通情况如图六只晶闸管的导通情况如图710所示。所示。 46Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统图图7-10 180导电方式下晶闸管的切换规律导电方式下晶闸管的切换规律V1V2V3V4 V5V60/3/3/34/3t47Spring 2015Motion Control Sys

45、tems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统UoZUZwWoWvzvZwoWZUvzvZwUZUZwzvoZVvZwUzvvoUd/ 3tttttt0uU O( a )( b )( c )uV O0( d )uWO0( e )uU V0( f )uV W0( g )uWU0( h )/ 3 2/ 3 / 3 / 3 V1V2V3V2V3V4zvVV3V4V5ZUVUV4V5V6UVWV5V6V7ZUWV6V1V2ZUZwUWoUdUd/ 32 Ud/ 3Ud/ 3Ud/ 32 Ud/ 3UdUd48Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系

46、统变频调速系统n 变频器输出相电压为阶梯波，线电压为间断式矩变频器输出相电压为阶梯波，线电压为间断式矩形波；形波；n 波形的幅值取决于相控整流器输出直流平均电压波形的幅值取决于相控整流器输出直流平均电压值值Ud的大小；的大小；n 频率则取决于换流频率，即每频率则取决于换流频率，即每60导电角所代表导电角所代表的时间长短（两者均可人为控制，可达到的时间长短（两者均可人为控制，可达到VVVF的要求）。的要求）。n 由于在每一个输出电源周期内产生六次切换动作，由于在每一个输出电源周期内产生六次切换动作，故称此类变频器为三相六拍故称此类变频器为三相六拍 式变频器。式变频器。 输出电压波形分析输出电压波

47、形分析49Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.2.3 7.2.3 直接变频装置（交直接变频装置（交- -交变频）交变频） 交交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流）的交流电源直接变换成电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变输出，因此又称直接式变压变频器。压变频器。 有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。）。 50Spring 20

48、15Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统变频器的基本结构变频器的基本结构图图7-14 7-14 直接（交直接（交- -交）变压变频器交）变压变频器交-交变 频A CA C50HzCV CFV V V F51Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统(a) 电路原理图 b)方波型平均输出电压波形 交交- -交变频装置的基本电路结构交变频装置的基本电路结构图图7-15 交交-交变频装置每一相的基本电路及波形交变频装置每一相的基本电路及波形负载正组50Hz50Hz反 组正 组通反 组 通t

49、a)b)0u变频器输出的每一相变频器输出的每一相都是一个由正、反两都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都也就是说，每一相都相当于一套直流可逆相当于一套直流可逆调速系统的反并联可调速系统的反并联可逆线路逆线路52Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 交交-交变压变频器的控制方式交变压变频器的控制方式 整半周控制方式整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换；正、反两组按一定周期相互切换； u0 的幅值决定于各组控制角的幅值决定于各组控制角 ； u0 的

50、频率决定于正、反两组的切换频率；的频率决定于正、反两组的切换频率； 如果控制角一直不变，则输出平均电压是如果控制角一直不变，则输出平均电压是 方波，如下图方波，如下图 b 所示。所示。53Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统图6-15 -b 方波型平均输出电压波形tu0正组通正组通反组通反组通正组通正组通反组通反组通输出电压波形54Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统abcaud0r0 t2 Ud0r tIcpicpud0f ud0f tabca02 Ud

51、0f0rud055Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 交交-交变压变频器的控制方式交变压变频器的控制方式 调制控制方式调制控制方式u 要获得正弦波正弦波输出，就必须在每一组整 流装置导通期间不断改变其控制角改变其控制角 。例如例如：在正向组导通的半个周期中: 控制角：0/2平均电压U0：Umax0/2056Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统图7-16 交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形 输出电压波形57Spring 2015Motion Cont

52、rol Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统三相交交变频器的主电路三相交交变频器的主电路M3TU相电路V相电路W相电路 图图7-17 7-17 三相交变变频主电路三相交变变频主电路58Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.2.4 正弦波脉宽调制（正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器）逆变器2问题的提出问题的提出 在基于晶闸管的交在基于晶闸管的交- -直直- -交变频器供电的变压变频调速系交变频器供电的变压变频调速系统中，为了获得变频调速所要求的电压频率协调控制，调速统中，为了获得变频调速所要求的电压频率协调控

53、制，调速时须同时控制整流器和逆变器，这样就带来了一系列问题。时须同时控制整流器和逆变器，这样就带来了一系列问题。 主电路有两个可控的功率环节，电路复杂；主电路有两个可控的功率环节，电路复杂；存在大惯性元件（电容、电感），使系统的动态响应缓慢；存在大惯性元件（电容、电感），使系统的动态响应缓慢； 由于整流器是可控的，供电电源的功率因数随变频装置输出由于整流器是可控的，供电电源的功率因数随变频装置输出频率的降低而变差，并产生高次谐波电流；频率的降低而变差，并产生高次谐波电流； 逆变器输出为六拍阶梯波交变电压（电流）在拖动电动机中逆变器输出为六拍阶梯波交变电压（电流）在拖动电动机中形成较多的各次谐波

54、，从而产生较大的脉动转矩，影响电动形成较多的各次谐波，从而产生较大的脉动转矩，影响电动机的稳定工作。机的稳定工作。59Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统u PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。形（含形状和幅值）。u PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也控制技术在逆变电路中的应用最为广泛

55、，对逆变电路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变型逆变电路电路。u PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控控制变得十分容易。制变得十分容易。u PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。u PWM控制技术正是有赖于在控制技术正是有赖于在逆变电路逆变电路中的成功应用，才确定了它在中

56、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。技术。PWM 控制技术控制技术60Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统（1） PWM控制的基本原理控制的基本原理面积等效原理面积等效原理 是是PWM控制技术的重要理论基础控制技术的重要理论基础。 原理内容：原理内容：冲量相等冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同效果基本相同。 冲量即指窄脉冲的面积。冲量即指窄脉

57、冲的面积。 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。频段略有差异。 实例实例 将图将图7-1a、b、c、d所示的脉冲作为输入，加在图所示的脉冲作为输入，加在图7-2a所示的所示的R-L电路电路上，上，设其电流设其电流i(t)为电路的输出，图为电路的输出，图7-2b给出了不同窄脉冲时给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。的响应波形。 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 冲量相同的各种窄

58、脉冲的响应波形冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 61Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统（1） PWM控制的基本原理控制的基本原理用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 将正弦半波看成是由将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度个彼此相连的脉冲宽度为为 /N，但幅值顶部是，但幅值顶部是曲线曲线且大小按且大小按正弦规律变化正弦规律变化的脉冲序列组成的。的脉冲序列组成的。 把上述脉冲序列利用相同数量的把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相

59、应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是分面积（冲量）相等，这就是PWM波形波形。 对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到到PWM波形。波形。 脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形）波形。 PWM波形可分为波形可分为等幅等幅PWM波波和和不等幅不等幅PWM波波两种，由直流电源产生的两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅波通常是等幅PWM波。波。基于等效面积

60、原理，基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。等。 用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 62Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统（2 2） 计算法与调制法计算法与调制法计算法计算法 根据逆变电路的根据逆变电路的正弦波输出频率正弦波输出频率、幅值幅值和半个周期内的和半个周期内的脉冲脉冲数数，将，将PWM波形中各脉冲的波形中各脉冲的宽度宽度和和间隔间隔准确计算出来，按照计准确计算出来，按照计算结果控制逆变电路中各开