交流变频调速课件

交流變頻調速

§1交流變頻調速概述一、為何要進行交流變頻調速1.為何要調速工藝流程或生活的需要數控機床、風機、各類泵、電動機車、風扇、空調等等節能的需要抽油機、風機、各類泵地下油量較少，每次抽半桶，不如慢一點，每次抽滿，更節能。如果要減少廢氣排放，是調節閥門更能省電，還是使電機M的轉速降下來更省電？2.為何要進行交流調速所謂交流調速是指交流電機的調速。在全控電力電子器件沒有實用化以前（即上世紀70年代以前），高性能調速領域用的都是直流電機，而交流電機主要用在不調速的場合。隨著電力電子技術、微電子技術的發展，交流電機的良好調速潛力被挖掘出來，直流電機的不足也日益不能讓人接受，高性能的交流調速系統成為當前電力拖動的主要發展方向。直流電機的不足主要是換向器，機械的磨損使得換向器必須經常檢修，換向火花使其不能運行在易燃易爆及粉塵多的場合，換向能力限制了其容量和速度。交流電動機主要有兩類：感應電動機和同步電動機。感應電動機可根據轉子結構的不同分為鼠籠式和繞線式兩種。其中，鼠籠式感應電機在工業生產中應用最廣。以它為核心的調速系統是本課程的主要內容。同步電動機根據轉子磁極的結構可以分為凸極和隱極兩種，根據勵磁方式又可分為電勵磁和永磁兩種。其中永磁同步電動機具有優異的性能（無需勵磁電流、無轉子損耗）在實際中也有許多應用。由於課時所限，主要介紹鼠籠式感應電動機的調速，而對於永磁同步電動機的調速，有時間會簡單介紹。3.為何要進行變頻調速感應電動機有哪幾種調速方式？鼠籠式感應電動機有哪幾種調速方式？繞線式感應電機呢？變極調速、變頻調速、調壓調速和轉子回路串電阻調速鼠籠式感應電動機作業：根據自己的理解，闡述繞線式感應電機三種調速方式的原理，分析各自的優缺點、適用場合。並以恒轉矩負載為例，比較三種調速方式的轉差功率大小。轉差功率是什麼？轉子銅耗繞線式感應電動機二、如何進行交流變頻調速1.一個單軸系統的轉速由什麼決定？不是由電動機的轉矩決定，也不是由負載的轉矩決定，它們之差只是決定了轉速的變化率。系統的轉速決定於電動機的機械特性曲線和負載的轉矩性曲線的交點，而且這個交點須是個穩定的平衡點。三相感應電動機的機械特性曲線三種典型的負載轉矩特性曲線：恒轉矩（反抗性、位能性）、恒功率、風機泵類負載四個交點中有幾個穩定平衡點？判斷的方法是什麼？穩定平衡點的條件：2.如何來調速？就是要改變兩條曲線交點的位置，負載的轉矩特性是確定的，可以通過改變電動機的機械特性改變交點的位置，對於鼠籠式感應電動機，可以通過調節定子端電壓、變極、變頻來改變其機械特性。這是從穩態角度、宏觀角度上的調速的思路。後面要學習的變壓變頻調速（VVVF）是以這條思路為指導。目前的通用變頻器主要採用這一思路。這也是我們後續要學習的重要內容。這種控制又稱為標量控制。還可以從微觀、瞬態和向量的角度去進行調速。儘管T不能決定轉速，但T可以決定轉速變化的大小和方向。比如，現在轉速n較小，希望其升速，可以通過增加T來實現。只要能夠暫態地控制電機的電磁轉矩，就可以快速地調速，穩定地運行。向量控制和轉矩直接控制就是以這種思路為指導的調速方式。主要用於調速精度較高的高性能調速領域。我們也會重點介紹。目前的中高檔變頻器，都具有向量控制的功能。3.如何變頻？所謂的變頻，就是改變交流電的頻率，這仍然是基於一種穩態觀點的稱呼。在實際應用中，應用的大都是電壓源，而且通用的變頻器絕大多數都是電壓源型的。所以，我們只講電壓源型變頻器。即將恒頻恒壓的電網電壓變換成電壓和頻率可變的電壓源。有兩種實現方式，一種是交－交直接變頻，一種是交－直－交變頻。後者是我們要重點學習的重要內容。三、本門課的主要內容1.三相鼠籠式感應電動機的基本原理、等效電路、機械特性2.基於穩態等效電路的變壓變頻調速原理3.交交變頻、交直交變頻、PWM技術4.通用變頻器的硬體構造分析及應用技術5.向量的概念、SVPWM6.三相感應電動機的動態數學模型及基於它的向量控制7.三相感應電動機的轉矩直接控制和永磁同步電機的調速一、基本工作原理1.簡化模型磁極旋轉，分析線圈受力情況，線圈跟著磁極旋轉。線圈會不會與磁極以相同的速度旋轉？此時導線不切割磁力線，沒有電流，也沒有電磁轉矩產生。如果一點摩擦沒有，可能。如果要帶負載，線圈與磁場轉速不同。磁場與轉子的轉速不是同步的，所以也稱這種電機為非同步電動機。§2復習三相感應電機的基本內容轉差率S設磁場的轉速為n1，磁場的轉速又稱為同步速，轉子繞組的轉速為n，則轉差率S=（n1-n）/n1

它是感應電機的一個基本的參數，反映轉速的大小。轉速為0時轉差率為？轉速為同步速時，轉差率為？電機的額定轉差率為5%以下。2.簡化模型的三個問題及改進轉子：既然不能與磁場同步，那麼與磁場的相對位置時刻處於變化之中，產生的電磁轉矩不均勻。旋轉磁場的產生：肯定不是外力拖著永磁或直流勵磁的磁極旋轉，那這個旋轉的磁極是怎麼產生的？磁路：為減少勵磁電流及勵磁損耗，應採用高導磁材料構建磁路轉子繞組改進像不像籠子？籠型非同步電機或鼠籠型非同步電機，占非同步電機的絕大多數3.旋轉磁場的產生空間中靜止的三相對稱繞組（繞組匝數、節距、導線的粗細等完全一致，且在空間中互差120度電角度），通三相對稱電流，則會產生旋轉的磁場。大小和方向由什麼決定？轉向取決於三相繞組所通電流的相序，轉速決定於電流的頻率，電角頻率決定了旋轉磁場的角速度，時間的量變成了空間的量。變頻調速原理即通過改變電機三相繞組的電流的頻率，來控制旋轉磁場的轉速從而使轉子轉速也發生變化。二、等效電路如果一臺三相感應電動機在額定電壓下運行，突然發現轉速變慢了（假設電機沒壞），則這時定子電流將會如何變化？電機的等效阻抗將減少，定子電流會增加。電磁功率轉差功率電磁轉矩三、機械特性電動機的機械特性，就是電磁轉矩與轉速之間的關係。忽略空間和時間諧波，忽略磁飽和，忽略鐵損和勵磁電流某公司購買了一臺進口的額定電壓為6KV的高壓電機，試運行期間，為了保護電機，工程師決定先讓其工作在400V的電網上，但事與願違，運行不到半小時，發現電機被燒壞，工程師到網上求助，請您給予解答。（大作業）學的知識總會有用的，但你要去用，不要老上網求助，而是自己看書、思考解決。§3變壓變頻調速基本控制方式變壓變頻調速(VVVF(VariableVoltageVariableFrequency))是一種傳統的稱謂。廣義上講，可以指所有的交流變頻調速系統。但通常用它的狹義，即基於穩態等效電路的變頻調速，實際上，稱為標量控制更確切一些。一、每極氣隙磁通對電機運行性能的影響電機是以磁場為媒介，機械能和電能相互轉換的電磁機械。這個磁場是很關鍵，幾乎所有的電機內部的問題都是與這個磁場有關，調速也不例外。它的強弱會影響電機的運行。磁場太弱，產生相同的電磁轉矩，導體中所需的電流就較大。太強，所需的勵磁電流就越大。要以儘量小的勵磁電流產生盡可能強的磁場，就需要用高導磁材料構造電機的鐵芯。高導磁材料以鐵及鐵的合金為主，所以稱為鐵磁材料，鐵磁材料構成的電機磁路中的磁通與勵磁電流之間存在非線性關係。稱為電機的磁化曲線。線性區，膝點，飽和區注意，與鐵磁材料的磁化曲線不同。根據儘量少的勵磁電流產生足夠的磁通的原則，電機額定運行時的磁通選在膝點附近最合適。膝點在調速過程中，希望保持磁通為額定運行時的磁通不變，這樣既可以充分利用鐵芯，又不會因為勵磁電流太大而燒壞繞組。這是交流調速中最根本的問題。如何才能保持磁通不變？二、保持氣隙磁通不變的原理要保持氣隙磁通不變，需保證每相氣隙電動勢與頻率之比不變，即：也就是說，要在改變頻率的同時，成比例地改變

無法直接控制，可以直接控制的只有，但如果忽略定子漏阻抗上的壓降：這就是所謂的恒壓頻比控制OUsf1

恒壓頻比控制特性UsNf1Na

—無補償

b

—帶定子壓降補償

按這種方式控制電機肯定是不行的，恒壓頻比控制的前提是漏阻抗上的壓降可以忽略。那麼在什麼情況下可以忽略，什麼情況下又不可以忽略呢？電機正常運行時，定子電流不會超過額定電流，定子漏阻抗的壓降最大值一定。供電頻率較高時，定子端電壓也較高，定子漏阻抗上的壓降相對值較小，可以忽略，低頻時，不可忽略，恒壓頻比已不能保證恒磁通，須加定子電壓補償。在變頻器中，有各種各樣的補償特性。比較麻煩。可不可以只降低頻率不管電壓？為什麼？三、基頻以上調速（弱磁調速）基頻就是指電機的額定頻率根據恒壓頻比調速的關係：當定子電壓的頻率要超過額定頻率時，如果要保證氣隙磁通不變，定子電壓要高於額定電壓，這會導致電機損壞，是不允許的。所以，在基頻以上調速，電機定子端電壓保持為額定電壓不變。隨頻率上升，氣隙磁通下降，所以稱為弱磁調速。電機使用過程中，一定要注意幾個限制，電流、電壓、轉速。電流過大會使電機繞組發熱燒壞，不能超過額定電流，電壓過高會加速絕緣老化或引起絕緣擊穿，不能超過額定電壓，轉速不能超出機械部分所能承受的範圍，可以超過額定轉速，但不宜超出太多。f1N非同步電機變壓變頻調速的控制特性

恒壓頻比調速UsUsNΦmNΦm弱磁調速ΦmUsf1O四、非同步電機變壓變頻調速的控制特性如果電機在不同轉速時所帶的負載都能使電流達到額定值，即都能在允許溫升下長期運行，則轉矩基本上隨磁通變化，按照電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定時轉矩也恒定，屬於“恒轉矩調速”性質，而在基頻以上，轉速升高時轉矩降低，基本上屬於“恒功率調速”。f1N恒壓頻率比調速UsUsNΦmNΦm弱磁調速ΦmUsf1O恒轉矩調速恒功率調速本節要求基頻以下，調速過程中保持氣隙磁通恒定的原因及如何實現的原理。基頻以上，弱磁的原因。§4非同步電機電壓頻率協調控制時的機械特性一、恒壓恒頻正弦波供電時非同步電動機的機械特性當s很小時，可忽略上式分母中含s各項轉矩近似與s成正比，機械特性Te=f（s）是一段直線注意與電機與拖動基礎中的符號的差異當s接近於1時，可忽略分母中的Rr'即轉矩近似與s成反比，Te=f（s）是對稱於原點的一段雙曲線當s為以上兩段的中間數值時，機械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段。smnn0sTe100TeTemaxTemax恒壓恒頻時非同步電機的機械特性根據實用運算式更容易理解二、基頻以下電壓頻率協調控制時的機械特性1.恒壓頻比控制（Us/

1

）由此可見，當Us/

1

為恒值時，對於同一轉矩Te

，s

1

是基本不變的，因而

n

也是基本不變的。轉子銅耗將如何變化？由最大轉矩的公式：隨著頻率

1的降低，最大轉矩減少，將會影響電機在低頻下的帶載能力。需對定子漏阻抗的電壓降進行補償。On補償定子壓降後的特性如何補償？如不補償，可否帶滿載起動？如果恰當地提高電壓Us的數值，使它在克服定子漏阻抗壓降以後，能維持Eg/

1

為恒值（基頻以下），則每極磁通

m

為常值。2.恒

Eg/

1

控制Us

1RsLlsLlr′LmRr′/sIsI0I’rEgEsEr當s很小時，可忽略分母中含s項，則這表明機械特性的這一段近似為一條直線。當s接近於1時，可忽略分母中的Rr'2

項，則s值為上述兩段的中間值時，機械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡，整條特性與恒壓頻比特性相似。但也有四點區別。①比較相同的s，Te更大一些；相同的Te，s更小一些，這就意味著恒Eg/

1控制的機械特性曲線將包在恒壓頻比控制機械特性的外面。0s10Te恒Eg/

1控制ab

恒Us/

1控制②臨界轉差率sm更大恒Eg/

1控制特性在最大轉矩時的臨界轉差率恒Us/

1控制特性在最大轉矩時的臨界轉差率這表明恒Eg/

1控制特性的線性段範圍更寬③最大轉矩Temax更大，且不隨頻率變化而變化恒Eg/

1控制特性的最大轉矩恒Us/

1控制特性的最大轉矩0s10Te恒Eg/

1控制ab

恒Us/

1控制OnTemax恒

Eg/

1

控制時變頻調速的機械特性④最大起動轉矩為最大轉矩Temax，可以帶滿載起動恒Eg/

1其穩態性能優於恒Us/

1

控制的性能，這是定子漏阻抗壓降補償的結果。補償了定子漏阻抗上的壓降會有這麼好的效果，如果再補償轉子漏抗上的壓降，會如何？3.恒

Er/

1

控制Us

1RsLlsLlr′LmRr′/sIsI0I’rEgEsEr這是一條直線，只要能做到恒Er/

1

控制，三相感應電機就可以獲得和直流電機一樣的線性機械特性。0s10Te不同電壓－頻率協調控制方式時的機械特性恒Er/

1控制恒Eg/

1控制恒Us/

1控制ab

c恒Eg/

1

控制對應的是氣隙磁通不變，恒Er/

1控制對應的是什麼不變？只要控制轉子全磁通不變，就可以獲得恒Er/

1控制，進而獲得接近於直流電機的機械特性，這就是向量控制所遵循的原則。補償的確可以達到比較好的控制特性，但是，如何能夠準確補償？道理很簡單，但實現很難。恒Eg/

1控制，要進行定子漏阻抗壓降的補償。Us

1RsLlsLlr′LmRr′/sIsI0I’rEgEsEr要保持氣隙磁通不變，根據4.44公式，若系統同步速確定，則Eg有效值是已知的，若知道定子電流的有效值Is，可否用下式來補償？Why?肯定不可以，應用相量形式：實際中，檢測得到的是電流的暫態值，如何得到其有效值和相位？況且並不知道電動勢相位，所以，實際中實現比較困難。轉子電流根本不知道，無法實現準確的轉子漏抗電壓的補償。4.小結：1）恒壓頻比（Us/

1=恒值）控制最容易實現，它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調速要求，但低速帶載能力有限，須對定子壓降實行補償。2）恒Eg/

1控制是通常對恒壓頻比控制實行電壓補償的標準，可以在穩態時達到

m=恒值，從而改善了低速性能。但機械特性還是非線性的。3）恒Er/

1控制可以得到和直流他勵電機一樣的線性機械特性，需動態中也盡可能保持

r

恒定，這是向量控制系統的目標，當然實現起來是比較複雜的。三、基頻以上恒壓變頻時的機械特性在基頻以上變頻調速時，由於定子電壓Us=UsN不變最大轉矩運算式由此可見，當角頻率提高時，同步轉速隨之提高，最大轉矩減小，機械特性上移，而形狀基本不變。直線段之間還會平行嗎？恒功率調速O<<<基頻以上恒壓變頻調速的機械特性由於頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢必減弱，導致轉矩的減小，但轉速升高了，可以認為輸出功率基本不變。所以基頻以上變頻調速屬於弱磁恒功率調速。本節要求等效電路及參數的物理意義三種電壓的物理意義三種電壓頻率協調控制的機械特性的特點（定性，會畫圖）§5電力電子變壓變頻器的主要類型最早的變壓變頻裝置是旋轉變頻機組。直流電動機拖動交流同步發電機，調節直流電動機的轉速就能控制發電機輸出的電壓和頻率。效率低，在電力電子器件沒有實用化以前，用於變頻調速是迫不得已。自從電力電子器件得到廣泛應用後，靜止式變壓變頻器已取代旋轉變頻機組。變壓變頻器實際上就是將電網的恒壓恒頻的電能轉換成變壓變頻電能的一種電力電子裝置。電力電子變壓變頻器交-直-交交-交180º導通型120º導通型電壓源型電流源型直流儲能器件分按器件換流方式分晶閘管交-交變頻矩陣式交-交變頻變壓變頻(VVVF)中間直流環節恒壓恒頻(CVCF)逆變DCACAC~50Hz整流將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成電壓和頻率可控的交流，又稱為間接式變壓變頻器。一、交-直-交變壓變頻器

當前應用最廣的是如圖(c)所示的由二極體組成不控整流器和由功率開關器件（PowerMOSFET，IGBT等）組成的脈寬調製（PWM）逆變器，簡稱PWM變壓變頻器。1、傳統的交-直-交變壓變頻器的類型1）在主電路整流和逆變兩個單元中，只有逆變單元可控，通過它同時調節電壓和頻率，結構簡單。採用全控型的功率開關器件，只通過驅動電壓脈衝進行控制，電路也簡單，效率高。2）輸出電壓波形雖是一系列的PWM波，但由於採用了恰當的PWM控制技術，正弦基波的比重較大，影響電機運行的低次諧波受到很大的抑制，因而轉矩脈動小，提高了系統的調速範圍和穩態性能。4）採用不可控的二極體整流器，電源側功率因數較高，且不受逆變輸出電壓大小的影響。由於PWM變壓變頻器具有以上的優點，所以目前商業化應用的變頻器絕大多數是這一類變頻器。2、PWM變壓變頻器的優點：3）逆變器同時實現調壓和調頻，動態回應不受中間直流環節濾波器參數的影響，系統的動態性能也得以提高。

3、不足由於是不控整流，(1)輸入特性差，輸入電流的諧波含量大，功率因數低；（2）功率不能雙向流動，直流側能量無法回饋。4、改進PWM整流器+PWM逆變器構成Back-to-BackPWM變換器。PWM整流器是個好裝置，近年來應用非常廣泛，不僅在高性能調速領域，在可再生能源發電、電力有源濾波（APF）、無功補償等領域。明年，你們將學習一種叫四象限變換器，實際上就是上圖所示的變換器。5.PWM變壓變頻器常用的功率開關器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的電壓控制器件如IGCT、IEGT等。受全控器件容量的限制，特大容量電機的變壓變頻調速仍只好採用半控型的晶閘管（SCR），並用可控整流器調壓和六拍逆變器調頻的交-直-交變壓變頻器SCR可控整流器六拍逆變器DCACAC~50Hz調頻調壓6、按中間直流環節直流電源性質的不同，可以分為電壓源型變換器(VSC(VoltageSourceConverter))和電流源型變換器(CSC（CurrentSourceConverter))兩類。兩種類型的實際區別有兩點：直流環節濾波器、開關器件。

應用最廣的是電壓源型逆變器，電流源型逆變器在大功率情況應用。7、180度導通型與120度導通型（以前的晶閘管變頻器的說法，現已很少提及）180度導通型是指同一橋臂上下兩管之間互相換流。用於電壓源型逆變器。特點：上下橋臂開關信號互補（但一般不再各導通180度），每一時刻總有三個管子導通。Why?任一時刻，每一個橋臂總有一個管子導通。總共三相橋臂。需要注意的是：上下兩管之間要加死區以避免直通。死區是指開通和關斷時，先斷後通。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“死區時間”，再給應導通的器件發出開通信號。120度導通型是指在相鄰橋臂的上管之間或下管之間相互換流的導通方式。主要用於電流源型逆變器。每一時刻只有兩個管子導通，一個上管，一個下管。（對於PWM逆變器，120度導通型並不意味著三個橋臂的上管各導通120度，下管各導通120度）8、電壓源型逆變器與電流源型逆變器的優缺點及適用場合書中的優缺點的描述是針對晶閘管構成的逆變器而言。對於PWM型逆變器，結論不再適用。適用場合：電壓源型PWM逆變器應用很廣泛，功率等級從幾百W到幾MW。電流源型逆變器主要用於大功率場合。交－交變頻AC50Hz~ACCVCFVVVF二、交-交變壓變頻器交-交變壓變頻器只有一個變換環節，把恒壓恒頻（CVCF）的交流電源直接變換成VVVF輸出，因此又稱直接式變壓變頻器.也稱作周波變換器（Cycloconveter）1、晶閘管相控單相交-交變頻器由兩個三相晶閘管相控整流橋反向並聯構成，各工作半個週期，稱為正、反兩組。需要12個管子！正、反兩組晶閘管相控整流單元按一定週期相互切換，在負載上就獲得交變的輸出電壓u0，u0的幅值決定於各組可控整流裝置的控制角

，u0的頻率決定於正、反兩組整流裝置的切換頻率。如果同組的控制角相同，則輸出平均電壓是方波。已能實現變壓變頻，但諧波含量比較大，要獲得正弦波輸出，就必須在每一組整流裝置導通期間不斷改變其控制角。

控制方法：在正向組導通的半個週期中，使控制角

由

/2（對應於平均電壓u0=0）逐漸減小到0（對應於u0

最大），然後再逐漸增加到

/2（u0

再變為0）。此時輸出電壓的頻率為？有何結論？2.晶閘管相控三相交交變頻器三相交交變頻電路由3個單相交交變頻電路組成。共需要36個晶閘管，電路結構複雜。3.晶閘管交-交變壓變頻器的優點、不足及應用場合優點：可以做到高壓、大容量缺點：器件多，設備複雜輸入功率因數較低，諧波電流含量大，須配置諧波濾波和無功補償設備其最高輸出頻率不超過電網頻率的1/3~1/2頻譜複雜，既有高頻，又有低頻，且隨負載的變化而變化，濾波很麻煩。一般用於軋機主傳動、球磨機、水泥回轉窯等大容量、低轉速的調速系統，供電給低速電機直接傳動時，可以省去龐大的齒輪減速箱。應用場合：4.矩陣式交交變頻器由全控制器件構成的PWM交交變換器輸出電壓和輸入電流的低次諧波都較小，輸入功率因數可調，能量可雙向流動，以獲得四象限運行。這類變壓變頻器尚處於開發階段，其發展前景是很好的。瞭解變壓變頻器的分類情況掌握不控整流+PWM逆變的變壓變頻器的優點和不足。什麼是死區？死區存在的原因？瞭解晶閘管相控交-交變壓變頻的基本原理，其優點、不足與應用場合。本節要求§6正弦脈寬調製技術（SPWM）為了使實際的輸出電壓更好的逼近期望輸出電壓，脈寬調製技術（PWM）被引入到電力電子的開關信號的產生領域，調製本來是通訊領域的技術。整個變頻器的控制無論過程多麼複雜，最後都是通過6個開關的導通、關斷來實現。6個開關怎麼開關，持續多長時間是整個系統的關鍵。一、PWM技術概述無論採用何種控制，最後控制的輸出就是電壓指令，即期望的逆變器輸出電壓。調製是調製，控制是控制。（不要混淆，書中更正。）真實的輸出電壓與期望電壓之間的差距、開關器件的損耗、電磁干擾等均與PWM技術密切相關，PWM技術在電力電子的應用領域非常關鍵、非常重要。上世紀80年代，PWM技術從通訊領域移植到全控電力電子器件的開關控制上來。可以說是現在所有的全控電力電子器件都採用的是PWM技術。無論在AC/DC，DC/DC還是在DC/AC變換中。為什麼要用脈寬調製技術？圖中的矩形波與PWM波進行傅立葉分解後，基波是相同的，但二者相比，哪個更接近於正弦？基波相同，但後者的諧波含量更少，更接近於正弦。如果開關頻率更高，則諧波含量更少。在交流調速領域，從最開始的SPWM技術，發展了許多改進型PWM，如消除指定次數諧波型、三次諧波注入型、電流滯環型、電壓空間向量調製（SVPWM）等等，對於三相系統來說最為常用的是SVPWM。二、PWM基本原理衝量等效原理：衝量相等而形狀不同的窄脈衝加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。（騎自行車為例，窄脈衝為腳施加的轉矩，效果是指車子速度。）

對於非同步電動機而言，窄脈衝相當於電壓，衝量就是電壓脈衝與時間軸所圍的面積，作用效果表現在定子電流上，或者說表現在轉速上。三、SPWM基本原理調製波載波單相橋式PWM逆變電路1、幾個概念：載波、調製波；單極性調製、雙極性調製；調製比；載波比；同步、非同步調製。調頻：調節調製波週期變壓：調節調製波幅值統一於調製波控制頻率就是器件的開關頻率，從輸出電壓的品質上講，應越高越好。但從開關損耗角度看，低一些好。目前的分離IGBT器件，採用硬開關，可以達到20kHz。採用模組，一般為5~10kHz，大容量的系統，2kHz左右。2.載波的確定：看似很簡單，但具體實現會遇到這樣的問題，如果ur就是的參考電壓的實際值，那麼載波該如何確定？（頻率、幅值）幅值取決於什麼？在頻率一定的情況下，幅值決定了三角載波的斜率，也決定了與調製波的交點，從而影響開關的時間，進而影響輸出電壓。開關時間與直流電壓的乘積才是輸出電壓的衝量，幅值與直流電壓是否有一定的關係？在載波比很大時，在一個開關週期內，調製波的值可以認為不變。urA=urB，根據衝量等效的原則：根據三角形相似：說明：（1）這是雙極性調製，其三角載波是正負變化，幅值為直流側電壓。（2）正弦波大於三角波時，輸出電壓為正，反之為負。（3）這僅給出了輸出電壓的PWM波，還應將其轉化為開關管的開關信號。單極性調製的載波幅值如何選擇？正、負電壓對應的開關信號分別是什麼？說明：作業：已知直流母線電壓為311V，載波比為6，調製比為1，輸出交流電壓基波的頻率為50Hz。試畫出載波和調製波的圖形，並畫出與之對應的輸出電壓的波形和VT1、VT3的驅動信號波形。（不考慮死區影響，要求畫雙極性調製，也可以畫單極性調製）調製波載波3.線性區與過調製當調製波小於載波的幅值，則在每一個開關週期，總可以得到與調製波等效的電壓衝量，但當調製波高於載波幅值時，衝量等效原則無法成立，如果調製波是正弦波，此時，輸出會發生畸變，不再是正弦。此時單相電壓型PWM逆變器已達到輸出極限。不能使輸出的電壓衝量與期望的輸出電壓（即調製波電壓）的電壓衝量等效。這通常也稱為過調製（Over-Modulation）通常將調製波與載波都除以載波的幅值，進行歸一化，則載波的幅值變為1，對於雙極性調製，三角載波在-1到1之間變化，此時調製波的幅值就是調製比，如果其小於1，則說明是線上性調製區，輸出的PWM電壓可以較好地逼近期望得到的電壓，而如果大於1，則進入過調製，波形發生畸變。可見，對於單相系統，輸出電壓的能力唯一取決於什麼？直流母線電壓對於三相系統，情況就不一樣了，除直流母線電壓之外，還與PWM方式有關。三相橋式PWM逆變器主電路原理圖調製電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT24、三相SPWM此時，三角載波的幅值與單相一致嗎？不一致，為直流電壓的一半。對於不控整流+PWM逆變系統，在波形不畸變情況下輸出電壓最高為多少？這就意味著，在電壓不畸變的線性區，SPWM的電壓傳輸比只有329/380=0.866。電網的輸入電壓為380V，得到的直流母線電壓最多為採用SPWM，逆變側得到的線電壓有效值最多為如採用恒壓頻比控制，在43.3Hz以上就要進入過調製區，波形發生畸變，這是普通SPWM一個最大缺點。變頻器總不能連50HZ、380V的正弦電壓輸出不了吧！？提高直流母線電壓利用率，是各種三相PWM方法的一項重要指標比較典型的有兩種方法，一是三次諧波注入SPWM，二是普通的SVPWM。三次諧波注入法思路：相電壓波形不是正弦，線電壓就一定不是正弦嗎？三相感應電機，要求線電壓正弦還是相電壓正弦？相電壓中含有相同的三次諧波時，線電壓中是否有三次諧波？是否是正弦？所對應的調製波中注入三次諧波怎麼才能讓相電壓中含有三次諧波？三次諧波又有什麼用？注入三次諧波後，原來已進入過調製區的調製波現在又回到線性區，儘管得到的相電壓濾掉高頻分量後不是正弦基波，含有三次諧波，但線電壓仍為正弦。得到的正弦線電壓的大小比傳統SPWM得到的最大線電壓要大。可提高直流母線電壓利用率。直流母線電壓利用率是不是可以無限地升高？不可以，變換器輸出的最大的基波線電壓是確定的（調製波為方波時的情況），最大的線性區也是確定的，三次諧波注入SPWM方法只是提高了SPWM的直流母線利用的潛力。採用SPWM技術得到的電壓中也含有諧波分量，為了消除特定次諧波，有了諧波消去法。即使電機端電壓很正弦，電機的電流也不一定是很正弦，從而引起轉矩脈動，效率下降。為了得到正弦的電流，就有了電流滯環比較PWM技術的產生。正弦電流的一個主要作用是產生圓形的旋轉磁場，如果不以電壓和電流正弦為目標，而是以產生圓形旋轉磁場為目標，就產生了SVPWM技術。SVPWM有著比磁鏈追蹤更深刻的物理意義，在交流調速以外的領域也被廣泛應用。在上面，所謂的相電壓，參考點是直流母線的中點，而不是電機定子的中點，這兩點的電位是不是一致的？不一致，每一時刻都不會一致，這不一致的電位是變頻器供電的一個重要的不足，將會引起漏電流，使電機軸承損壞。作業：令SA、SB、SC分別為三相橋臂的開關函數，為1表示上管開，下管關；為-1表示上管關，下管開。試推導N與N’的電位差。三相橋式PWM逆變器主電路原理圖調製電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2深入理解PWM的原理掌握PWM的一些基本的概念SPWM逆變器是如何實現變壓變頻輸出的逆變器輸出電壓的範圍與什麼因素有關，對於三相逆變器，提高直流母線電壓利用率有何方法典型的PWM方法有哪幾種本節要求§7死區的影響一、死區產生的原因電力電子器件存在著開關延時，為防止在上下橋臂進行換流的過程中發生短路，須保證該關斷的管子關斷之後再使該導通的管子導通。為做到這一點，通常採用按時關，延時開的方法。這樣同一橋臂的上下管之間有一段沒有導通信號的時間，這就叫死區。死區是指沒有導通信號，並不意味著沒有電壓輸出。在死區這段時間，逆變器有沒有電壓輸出？對於IGBT，死區時間一般為2~5μs，小容量的IGBT，現在可以為1.5μs以下。死區的存在，使得原來的開關信號發生了改變，逆變器的輸出逼近期望電壓的精度要受到影響。從而對控制目標也有影響。二、死區對輸出波形的影響以SPWM逆變器帶電動機負載為例，假設電流為正弦，功率因數角為φ，且不考慮開關器件的反向恢復時間。1.當iA>0時，電流流出橋臂，可能的路徑？此時，上下管換流是指VT1與VD4之間換流，在VT1關斷期間，VT4不會導通，即使有觸發信號。2.當iA<0時，電流流入橋臂，可能的路徑？此時，上下管換流是指VT4與VD1之間換流，在VT4關斷期間，VT1不會導通，即使有觸發信號。在死區期間，上下兩個開關管VT1和VT4是不會導通的，但VD1與VD4會導通，究竟哪個導通，取決於電流的流向。死區期間，儘管開關管沒有導通信號，但逆變器仍有輸出電壓，輸出電壓與電流流向有關。3.波形分析4.結論：(1)實際輸出電壓由觸發信號和電流確定。有觸發信號時，輸出電壓與觸發信號對應，沒有觸發信號時，即死區對應的時間，根據電流的流向確定輸出電壓。(4)基波頻率確定的情況下，一個基波週期內，誤差脈衝電壓的個數取決於開關頻率，即三角載波的週期，開關頻率越高，誤差脈衝越多，死區影響越大。(2)由於死區的影響，輸出電壓的實際波形發生畸變。(3)實際電壓與理想電壓的差異為一系列的脈衝電壓，其寬度為死區寬度td，幅度為Ud，極性與iA相反，與輸出電壓基波的極性無關。開關頻率越高，輸出電壓波形越好，是有條件的，即不考慮死區的影響。考慮到死區影響和開關損耗，開關頻率受到限制。(5)在載波頻率一定的情況下，基波頻率越低，一個基波週期內，誤差脈衝個數越多，而此時，電壓基波幅值較小，受到的影響越嚴重。變壓變頻器在低頻時受死區影響嚴重。而此時，還有什麼問題？對於恒壓頻比控制，還有定子漏阻抗電壓補償的問題。(6)根據PWM原理，這個誤差脈衝電壓相當於一個矩形波：(7)死區對基波的影響隨功率因數的不同而不同。(8)死區相當於在原來的正弦波上疊加了一個有相位差的矩形波，這個矩形波有不少諧波分量，死區會增加輸出電壓的諧波含量，尤其是低頻分量。開關器件的發展會減弱死區的影響，閉環系統也將減弱死區的基波影響，合適的死區補償方法，是削弱死區影響所必須的，是過去及現在的研究方向之一。死區存在的原因死區是指同一橋臂上下開關管的導通信號之間不再互補，存在一段沒有導通信號的時間，但逆變器仍有輸出電壓，輸出電壓由電流流向決定。死區對ＰＷＭ逆變器輸出波形的影響（定性）為何死區的影響與電流有關。本節要求§8基於非同步電動機穩態模型的變壓變頻調速系統不少機械負載，例如風機和水泵，並不需要很高的動態性能，只要在一定範圍內能實現高效率的調速就行，因此可以只用電機的穩態模型來設計其控制系統。非同步電機的動態數學模型要比直流電機模型複雜得多，在相當長的時間裏，人們對它的精確表述不得要領。所以，只能用穩態模型來設計控制系統。非同步電機的穩態數學模型就是其穩態等效電路和機械特性。根據穩態數學模型，為了實現恒氣隙磁通控制，可以採用轉速開環恒壓頻比帶低頻電壓補償的控制方案，這就是常用的通用變頻器控制系統。如果要求更高一些的調速範圍和起制動性能，可以採用轉速閉環轉差頻率控制的方案。一、轉速開環恒壓頻比控制調速系統——通用變頻器-非同步電動機調速系統1.概述現代通用變頻器大都是採用二極體整流和由快速全控開關器件IGBT或智能功率模組IPM(IntelegantPowerModule)組成的PWM逆變器，構成交-直-交電壓源型變壓變頻器，已經佔領了全世界0.5~500kV·A中、小容量變頻調速裝置的絕大部分市場。所謂“通用”，包含著三個方面的含義：(1)可以和通用的籠型非同步電機配套使用，有時可帶同步電機；(2)具有多種可供選擇的功能，適用於各種不同性質的負載；(3)這種硬體結構對向量控制系統都是適用的。IPM是將多個IGBT及其驅動、過流、過熱保護等電路都封裝起來，便於使用，但壞掉一個管子，整個模組都要換掉。2.數字控制通用變頻器-非同步電動機調速系統M3~電壓檢測泵升限制電流檢測溫度檢測電流檢測微控制器顯示設定介面PWM發生器驅動電路~URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2(1)核心主電路——由二極體整流器、PWM逆變器和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，採用大電容濾波，同時兼有無功功率交換的作用。軟起電路：由一開關和限流電阻構成。為了避免大電容C在通電瞬間產生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻，通上電源時，先限制充電電流，再延時用開關K將其短路，以免長期接入時影響變頻器的正常工作，並產生附加損耗。僅有核心主電路，變頻器尚無法正常工作或工作性能比較差，所以除核心主電路外，還有一些很重要的輔助主電路。如：軟起電路、泵升限制電路、進線電抗器、直流電抗器、輸出濾波電感等。大作業：設直流母線電容為2200微法，欲使其電壓在1s以後升到正常電壓的95%，則限流電阻該取多少？寫出計算過程，並用Simulink仿真模型驗證自己的結論。泵升限制電路：二極體整流器能量只能單向流動，不能為非同步電機的回饋制動提供能量的通路，通用變頻器一般都用電阻吸收制動能量。回饋制動時，非同步電機進入發電狀態，向電容C充電，當中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時，通過泵升限制電路使開關器件導通，將電機釋放的動能消耗在制動電阻上。為了便於散熱，制動電阻器常作為附件單獨裝在變頻器機箱外邊。而且，在制動電阻的兩端反並聯一個二極體。有何用處？電阻總是由導線做的，總有串聯電感的存在，在開關器件關斷的瞬間，在開關器件兩端會有過電壓，即直流母線電壓加上電阻器電感引起的瞬態電壓。易造成開關器的損壞。在工程實際中，沒有純粹的電感、電阻和電容，只不過在特定的外界條件下哪一個特性起主要作用。回饋制動有何特點？在實際應用中有哪些情況會出現回饋制動？實際轉速與理想空載轉速方向相同，且前者大。負載轉矩方向變化(電車下坡)、變頻降速和反向快速下放重物。進線電抗器：二極體整流器雖然是全波整流裝置，但由於其輸出端有濾波電容存在，因此輸入電流呈脈衝波形

三相二極體整流電路的輸入電流波形這樣的電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污染。為抑制諧波電流，對於容量較大的PWM變頻器，都應在輸入端設有進線電抗器，有時也可以在整流器和電容器之間串接直流電抗器。還可用來抑制電源電壓不平衡對變頻器的影響。從濾波效果看，交流和直流電抗器差不多，但採用直流電抗器後，輸入功率因數較高。輸出濾波器：電壓型PWM逆變器輸出的是一系列的PWM電壓波，電壓變化率較大，易引起電機絕緣老化、軸承電流及電磁干擾等一系列問題。所以在一些應用中需加輸出濾波器，通常，用電感可以達到較好的濾波效果。這時可否加電容？電容兩端電壓不能突變，所以一定不能並接在開關管的兩端。也可以採用LC濾波器，可以達到很好的濾波效果。但又會引起新的問題。什麼問題？有了L、C，又有諧波，可能會發生諧振。我們所學的基礎知識不是沒有用，只是我們還沒有想到要用它們，還沒到用的時候。為避免用的時候找不到，現在要盡可能地多儲備一些。(2)控制電路：主要包括微控制器、檢測及信號處理電路、驅動及各處介面。數字控制單元：現代PWM變頻器的控制電路大都是以微控制器為核心的數字電路，其功能主要是接受各種設定資訊和指令，再根據它們的要求形成驅動逆變器工作的PWM信號。微控制器晶片主要採用8位或16位的單片機、32位的DSP，目前在高精度的交流調速控制中，出現浮點DSP及FPGA等功能強大的“大腦”。這是實現複雜演算法的重要保證。大部分的專用DSP和單片機將一些重要的週邊設備如A/D、PWM產生、測速用的QEP電路等集成起來，C和C++編程，還有一些標準的例程，大大方便了變頻器的開發。檢測及信號處理電路：檢測各物理量，將其變成數字單元能夠接收的電壓信號。在變頻器中，通常檢測以下物理量：直流母線電壓、直流母線電流、散熱片的溫度、輸出電流、電機轉速等。檢測直流母線電壓的作用：完成緩起；為泵升限制提供電壓值；故障保護(當電壓超過一定的值，為避免電容和開關管損壞，應採取保護措施)；為PWM提供Ud值。直流電流檢測的作用：保護，尤其是避免開關管直通。溫度檢測的作用：保護，半導體器件受溫度影響很大，系統的散熱很重要。輸出電流檢測：通常檢測兩相，在開環控制中，只有一個作用：保護，保護又分為過流和超載保護，前者是限制瞬態電流，後者是限制穩態的電流，用軟體實現，相當於熱繼電器。在閉環控制中，可用來計算電壓補償量或作為電流環的回饋。在目前的研究中，還可以利用電流來得到電機的轉速、位置，以及利用電流來判斷電機的運行狀態，是否發生故障等等。轉速檢測：顯示速度，或作為轉速閉環時的回饋量。檢測的物理量大部分是用來保護的。做一套系統，首先要把保護設計好。當然，保護不能不靈敏，也不能太靈敏。3.變壓變頻功能的實現根據PWM原理，從穩態的觀點來看，要輸出變壓變頻的電壓，只要給出合適的調製波就可以了。怎麼得到這個調製波？在實際應用中，如採用轉速開環恒壓頻比控制，我們會對轉速有個期望，根據這個期望轉速會估計出理想空載轉速（即同步速），從而得到變頻器的輸出頻率的設定值。頻率已知，根據電壓頻率協調控制的關係，可以得到電壓的有效值，進而產生三相正弦電壓的參考波形，即調製波。調製波與三角波比較，可以得到PWM開關信號，再經過驅動電路驅動IGBT，可以實現變壓變頻的輸出電壓。實際系統中，通常在工作頻率設定之後加一個頻率變化率限定環節。即加、減速時間限定環節。對於不同廠家生產的變頻器，加減速時間的定義略有差異。但一般來說，加速時間是從起動頻率到最高頻率的過渡時間，減速時間是從最高頻率降到0時的過渡時間。從而對頻率的變化率進行了限制。為什麼要限制頻率變化率？頻率變化太慢不好，加減速太慢。但頻率變化快了有什麼問題？先看升速，也就是升頻，假定原來穩定運行於A點，頻率指令由f2升到fN，如果升得太快，而系統的轉動慣量較大，則系統的轉速幾乎沒變，輸出電壓的頻率已變為fN，這樣會出現什麼現象？OnTemax變頻器的輸出電流很大，可能引起過流保護。如保護不可靠，則會燒壞變頻器。如變頻器容量較大，不發生保護，則系統起動不起來，最終停轉。OnTemax另外一種情況，負載較輕，則容易引起電流和機械衝擊，縮短系統壽命。為什麼慢慢升頻，就不會有電流和機械衝擊？為何降頻不能降得太快呢？假定系統原來穩定運行於A點，變頻器輸出頻率下降為機械特性②所對應的頻率，由於系統的慣性，轉速來不及變化，此時，電機對應於C點。此時電機處於何種運行狀態？是哪種制動？轉速與電磁轉矩方向相反，肯定是制動。實際轉速超過理想空載轉速且二者同方向，所以肯定是回饋制動，電機制動過程中發出的電能將流向變頻器。不控整流器不能將這部分電能回饋到電網，所以這部分電能會給直流母線電容充電，使其電壓升高，導致過壓保護。C點的電流大不大？S較大，且為負，電流較大。二、轉速閉環轉差頻率控制的變壓變頻調速系統1.概述轉速開環恒壓頻比調速解決了感應電機平滑調速、效率較高的要求，但是動靜態性能有限。靜態性能主要表現在兩個方面：一是轉速控制不精確，只能確定同步速；二是轉速隨負載變化而變化，易受干擾。OnTemax這樣的動靜態性能在要求不高的場合，如通風機、泵類負載，已足夠。它的主要優點在於：控制簡單、可靠，不需要轉速回饋。動態性能主要表現在加減速是否平穩快速。開環控制難以做到這一點。在一些對調速性能要求較高的場合，轉速開環已達不到要求，必須採用轉速閉環，在向量控制沒有出現以前，人們只能依據穩態等效電路進行轉速閉環系統的設計，於是就有了轉差頻率控制的變壓變頻調速系統。既然轉速閉環，則肯定要有測速環節，這一環節一般需要有硬體的測速裝置和軟體的轉速計算環節，成本要升高，這是提高系統動靜態性能的代價。轉速閉環系統的靜態特性比開環系統好，但是否能提高系統的動態性能？動態性能用什麼來量來體現？對於調速系統，我們所關注的動態性能最終體現在轉速的變化率上，而根據系統的運動方程式：轉速變化率取決於電磁轉矩的有效控制。調速系統的動態性能就是控制電磁轉矩的能力。在通用變頻調速系統中，可控制的量是電機端電壓的大小和頻率，如何通過它們實現對電磁轉矩的有效控制，這是提高調速系統動態性能的關鍵問題。電壓和頻率要協調控制，頻率確定了，電壓也確定。要找頻率與電磁轉矩的關係。OnTemax頻率與電磁轉矩沒有一一對應關係，不同頻率下可以有相同的電磁轉矩，而同一頻率也可以輸出不同的電磁轉矩。但是線上性區，電磁轉矩與轉速降存在著線性的關係，而轉速降與成正比。

為轉差頻率這就找到了電磁轉矩和頻率的關係，也就是轉差頻率控制的基本思路。2.轉差頻率控制的基本概念在直流轉速電流雙閉環調速系統中，外環是轉速環，轉速調節器的輸出是轉矩指令。在轉差頻率控制的轉速閉環系統中，轉速外環的輸出也是轉矩指令。在基於感應電機穩態模型的控制系統中，最終要確定的是輸出的頻率指令。如何從轉矩指令得到頻率指令，是整個閉環控制的關鍵恒Eg

/

1

控制（即恒

m控制）時的電磁轉矩公式為：又所以令

s=s1

，並定義為轉差角頻率是電機的結構常數當電機穩態運行時，s值很小，因而

s也很小，只有

1的百分之幾，可以認為

s

Llr'<<Rr'，則轉矩可近似表示為在s值很小的穩態運行範圍內，如果能夠保持氣隙磁通

m不變，非同步電機的轉矩就與轉差角頻率

s

近似成正比。這就是說，在非同步電機中控制

s

，就和直流電機中控制電流一樣，能夠達到間接控制轉矩的目的。控制轉差頻率就代表控制轉矩，這就是轉差頻率控制的基本概念。則：3.基於非同步電機穩態模型的轉差頻率控制規律根據在

m不變的情況下，可得ωsmaxωsmTemaxTemωsTeO在

s

較小的穩態運行段上，轉矩Te基本上與

s

成正比；當Te

達到其最大值Temax

時，

s

達到臨界值

smax。取dTe/d

s=0

可得Us

1RsLlsLlr′LmRr′/sIsI0I’rEgEsEr在控制中，只要給

s

限幅，使其限幅值為就可以基本保持Te與

s

的正比關係，也就可以用轉差頻率控制來代表轉矩控制。這是轉差頻率控制的基本規律之一。這是在保持

m恒定的前提下才成立的，於是問題又轉化為，如何能保持

m

恒定？按恒Eg/

1

控制時可保持

m恒定。如何實現？要實現恒Eg/

1控制，須在Us/

1=恒值的基礎上再提高電壓Us

以補償定子電流壓降。如果忽略電流相量相位變化的影響，不同定子電流時恒Eg/

1

控制所需的電壓-頻率特性Us=f(

1,Is)

如下圖所示。OUs/

1=Const.Eg/

1=Const.定子電流增大的趨勢只要Us

和

1及Is

的關係符合上圖所示特性，就能保持Eg/

1

恒定，也就是保持

m

恒定。這是轉差頻率控制的基本規律之二。

轉差頻率控制的規律是：（1）在

s

≤

sm

的範圍內，轉矩Te

基本上與

s

成正比，條件是氣隙磁通不變。（2）在不同的定子電流值時，按函數關係Us=f(

1,Is)

控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通

m恒定。4.轉差頻率控制的變壓變頻調速系統在一定的條件下，轉差頻率與電磁轉矩是線性關係。控制系統首先要想辦法滿足這些條件。轉差頻率指令限幅通過轉差頻率指令限幅和電壓補償來滿足這兩個條件。電磁轉矩與轉差頻率是比例關係，則轉速調節器的輸出為轉矩指令，再乘以比例係數可以得到轉差頻率指令，轉差頻率指令與轉速相加可得到頻率指令，即頻率給定。得到頻率指令以後，與開環恒壓頻比基本類似，不同之處有兩點，一是電壓補償引入了電流檢測，這樣更精確，更能保證恒氣隙磁通。二是？沒有頻率變化限制環節，這一環節對開環恒壓頻比很重要，為什麼在這裏不需要？轉差頻率指令與實測轉速信號相加後得到定子頻率給定信號，這是轉差頻率控制系統的突出特點和優點，可以使加減速平滑而穩定，同時保證了允許條件下的快速性。OnTemax電機穩定運行於A點，突然轉速指令變為n1,此時，轉速誤差較大，轉速調節器輸出飽和，從而限幅輸出。Tem電磁轉矩大於負載轉矩，轉速上升，頻率指令上升，頻率指令不會突變。在轉速誤差較大時，轉差頻率指令不變，為限幅輸出。TL電機始終以允許的最大電磁轉矩加速，且運行於每一條機械特性的線性段，不會出現過流。具有良好的動態特性。OnTemax抗負載干擾性能好，轉速控制精度高。大作業：在Simulink中，搭建通用變頻器的主電路及控制系統，並寫出相應的說明，已知輸入電壓為三相50Hz，380V，直流母線電容為2200微法，三相感應電機自己選。要求：（1）選取合適的軟起電阻及軟起電路，實現直流母線電壓軟起，並觀察和比較有無軟起時電容的充電電流的情況。（2）實現SPWM逆變器的變壓變頻輸出，開關頻率取10kHz。自己給定一個頻率，令感應電機空載和帶額定負載，觀察電機是否能夠按預定的轉速運行。觀察電機定子電流，是否是正弦。（3）採用恒壓頻比控制時，觀察電機的起動電流是否比較大，對頻率給定做出改進，使其在起動過程中電流不超過額定電流的1.5倍。（4）在上下橋臂的驅動信號中加入死區，設計正確的死區邏輯，並比較加入死區後對電機運行的影響（高、中、低速下的轉速、轉矩、電流比較）（5）模擬升速較快時（即頻率給定上升較快）定子電流發生衝擊的情況，並根據所學知識解釋之。（6）模擬降速較快時，電機處於回饋制動時，所發生的一些典型的現象（典型物理量的波形圖，如轉速、電磁轉矩、直流母線電壓）。並嘗試採用泵升限制環節來限制直流母線電壓。（7）比較沒有進線電抗器和直流電抗器的不控整流器與分別加上進線電抗器和直流電抗器的輸入特性（輸入電流的波形及諧波含量、功率因數）。兩類電抗器均取3mH。（8）對輸出線電壓、相對於直流母線中點的輸出相電壓進行低通濾波，選取合適的截止頻率，觀察它們與對應的調製波（即期望輸出的電壓）有何不同。分別比較30Hz/228V和50Hz/380V兩種狀況。（9）嘗試通過三次諧波注入法使逆變器輸出50Hz/380V的正弦線電壓。（10）讓電動機帶滿載，觀察採用恒壓頻比控制時其運行的性能，嘗試加入低頻補償，並進行對比。

（11）採用轉速閉環的轉差頻率控制，用實際波形的對比說明其具有比開環控制更優良的動靜態特性。要求內容完整的、分析嚴謹的報告，把它看作是你們工作後領導讓你們做的第一件事情，不要以應付的心態去做。相信，完全做完這些內容，你將對通用變頻調速系統有更深刻地理解，將來可以有能力解決工作中關於交流調速系統的大部分問題。可以為讀研奠定一個堅實的基礎。選做一半的內容，將讓你對通用交流調速系統有全面瞭解，並且會對此產生興趣，你自己建立的系統將對你將來的工作和學習產生巨大的作用。如果能夠深入地做好一兩項內容，也不錯，真正深入細緻，收穫是終生難忘的。三、通用變頻器的應用技術1、通用變頻器應用概述2、週邊設備3、主電路接線端子及連接方式4、變頻器的操作及運行控制5、變頻器的保護與故障處理1、通用變頻器應用概述國外品牌ABB、西門子、富士、艾默生等佔有絕大部分市場。技術較為成熟，國內品牌正迎頭趕上。通用變頻器作為一個大系統的一個部件來使用，需要與外界有主電路和信號的介面。信號介面主要是對電機和變頻器的監控所需的通訊或顯示設備電路。通用變頻器中，RS485串行通訊介面應用較多。一般來說，不同的變頻器有不同的通訊協議。使用信號介面可實現變頻器的遠程控制和組網控制。變頻器還可輸出一些模擬信號，來驅動一些儀錶。變頻器與電網和電機的連接，需要一些週邊的主電路設備。這些設備對變頻器的正常運行、異常保護及性能提高起重要作用。2、主電路週邊設備電源側斷路器、電磁接觸器、交直流電感、制動單元、無線電幹擾抑制濾波器。直流電抗器除了抑制輸入電流的諧波分量外，可使功率因數提高到0.95。輸入交流電感抑制輸入電流諧波，提高功率因數，但在0.8左右，還可有效抑制三相電網的輸入浪湧閃變和三相不平衡的影響。輸出濾波電感用於改善變頻器輸出電流波形，降低電機的諧波雜訊。3、主電路接線端子及連接方式3.1輸入電源連接三相輸入電源無相序之分。控制電源輸入應接在KM與QF之間，以保持故障資訊。（有些變頻器直接從直流母線取電，沒有專門的控制電源輸入）3.2輸出電源連接三相輸出電源有相序之分，若電機轉向不符合負載要求，應對調任兩相。超載保護需注意：若變頻器只接一臺電機，則無須接熱超載繼電器KH，但要注意根據電機的容量與工況設置變頻器的超載閾值；若變頻器接多臺電機，需在每臺電機中接入KH。不允許在電機出線端接補償電容。變頻器輸出線若超過一定長度，需注意電機端易發生過電壓。3.3接地線E(G、PE)接地是一臺電氣設備的重要環節，接地的主要作用有兩個：保護、抑制干擾。這個地是指大地，不是控制電路中的數字地和模擬地。後者只是一個參考電平。一般來說，機殼、散熱器需要接地，起保護作用。信號的輸入輸出如有遮罩線的，需要將遮罩線接地。3.4、制動單元和制動電阻的連接小功率(<10kW)的情況，一般為內置制動開關管。大功率(>10kW)的情況，尤其是負載轉動慣量較大，頻繁起動時，內置制動單元容量難以滿足要求，制動單元及制動電阻均需外接。同樣需進行超載保護連接。除了主電路上的連接外，還要進行超載保護的連接。可與電機保護相配合連接。若制動電阻和開關管不能滿足容量要求，可進行並聯，但超載保護要串聯。3.5、直流電抗器的連接P1與P之間出廠前短路，拆除後接DCL，DCL須在鐵芯加氣隙，以防飽和。4、變頻器的操作及運行控制4.1、輸出頻率設定面板鍵盤設定-10V~+10V模擬電壓給定4~20mA模擬電流給定(因變頻器而異)上位機通過RS485介面通訊給定頻率設定的方式由相應的功能碼進行設定，不同的變頻器一般不相同。偏置頻率及給定頻率線模擬電壓或電流輸入時，需要建立輸入量與頻率的一種一一對應的線性關係。如0~10Vfbias~fmax。fbias即為偏置頻率。4.2、變頻器的啟、停及正反轉控制面板鍵盤的RUN和STOP，FWD/REV外部端子控制通訊控制4.3、若干特定工作頻率的設定(1)基本頻率(基頻)和最高頻率(2)上、下限頻率基本頻率(基頻)，通常為電機額定頻率。為恒磁通調速和弱磁調速的分界點。最高頻率對應於給定信號的最大值(4)點動頻率(3)回避跳躍頻率生產機械和電機運轉時會有振動，振動的頻率與系統的轉速有關，在變頻器輸出某個頻率點上可能與機械系統的固有頻率一致而發生共振，從而導致變頻器過流、生產機械損壞。在輕載或空載時，轉動慣量小，易發生。通過變頻器的頻率設定，可使輸出避開共振頻率，即跳躍頻率。加減速過程中一般不跳躍。生產機械調試中或在新的加工過程開始之前，需要點動一下，觀察一下各部分的運動狀況。點動頻率一般比較低。OnTemax(5)起動頻率靜摩擦轉矩較大的負載，起動時必須有一定衝擊力才能易於起動，起動頻率可以低於下限頻率。通常，以鍵盤控制頻率時，變頻器起動後總是自動從起動頻率fs開始運行。(6)載波頻率載波頻率即逆變器的開關頻率，較低則導致輸出電壓的諧波含量大，電流波形差，電機轉矩脈動，產生振動雜訊，還可能與電機鐵芯固有頻率相等而發生諧振。開關頻率較高，雖然輸出電壓的波形可能會好一些，但開關損耗加大，發熱加劇，產生的電磁干擾增強。死區的影響加大。如需變頻器提高開關頻率，需降額使用。4.4、變頻器的加減速控制轉速開環恒壓頻率比控制時，升頻不宜太快，太快會導致：電流過大；電機帶負載起動不了；對機械負載造成衝擊，縮短壽命。升、降頻太慢會影響工作效率。降頻太快會使電機處於回饋制動狀態，使直流母線電壓升高，可能導致過壓保護。還可能導致過流。所以在轉速開環恒壓頻比控制中，需要在頻率設定環節之後加上一個頻率變化率限定環節。在變頻器中，通常通過對加/減速時間的設定來實現這一功能。加速時間：從起動頻率到最高頻率的過渡時間，從而限定了升頻的變化率。減速時間：從最高頻率降到0的過渡時間，從而限定了降頻的變化率。對於機械慣性大的系統，應設定加減速時間長一些。加減速模式：通常在升降頻時，由於有了頻率變化率限定，頻率隨時間線性變化。但不同的負載需要的不同，又有S形曲線、指數形曲線等不同的加減速模式。S型曲線模式可以減少轉矩衝擊，變速平穩，多用於變頻電梯，以增加舒適感。而指數形曲線多用於風機、泵類負載的加減速。4.5、變頻調速系統的能耗制動變頻器可以不用增加任何附加設備實現輸出直流電壓，從而很容易實現能耗制動。能耗制動主要有兩點應用：一是可使電機快速準確停車，電機降頻停車的過程中，隨頻率下降，電機端電壓下降，導致轉動慣量大的負載長時間停不了車，採用直流制動可使電機快速準確停車。二是為了保護電機，應從零速起動，起動前若電機有一定的轉速，直接給電機施加電壓，會引起過流。對於高速大慣性負載，不宜採用連續長時間大電流直流制動再起動的方式。4.6、電壓/頻率控制的設定功能①為基本U/F曲線；②為負補償；③為正補償。基本U/F曲線和正補償容易理解。為何需要負補償？對於風機泵類負載，負載轉矩的大小與轉速的平方成正比。低速下，負載轉矩較小。通過合理設定電壓與頻率關係，調整鐵耗和銅耗的比例，可以達到節能的目的。正補償要適當，不要過頭，否則，易使氣隙磁通增大，引起鐵耗增加，勵磁電流增大。4.7、自動電壓調節功能（AVR）變頻器交流輸入電壓降低會導致輸出電壓也降低，為何？從而影響電機的帶負載能力，為什麼？輸入電壓直接決定直流母線電壓的大小，而輸出決定於開關管的開關時間和直流母線電壓的實際大小，開關時間是根據正常的直流母線電壓計算得到的，若實際直流母線電壓降低，則輸出電壓降低。想一下降壓調速為何帶負載能力減弱。解決辦法：根源是氣隙磁通變小了，想辦法讓其不變。即自動降低基頻。4.9、節能運行功能輕載時，三相感應電機可以通過降壓實現節能運行，最常用的降壓方法是Y/Δ變換。降壓節能的原理是？感應電機的損耗包括三大部分，一是定轉子銅耗，二是鐵耗，三是雜散和摩擦損耗。電機的節能分析，主要從鐵耗和銅耗入手。輕載時，降低電機端電壓，若帶恒轉矩負載，轉子電流增加，轉子銅耗增加，但勵磁電流減少，定子電流不定。若降壓適當，S變化不大，轉子電流增加不大，而定子電流不增加，有可能使電機損耗減少。若降壓降得多了，S變化較大，使轉子電流的增大成為主流，則會使電機損耗增加，不能實現節能。工程應用中，經常會出現類似的事情，明明學得是輕載可以能過Y/Δ變換節能，卻發現不能節能，實際上是自己沒有把所學知識用好。變頻器帶負載時，輕載節能運行的原理與上述類似，即輕載時不再保持氣隙磁通不變，降壓使之降低，從而減少勵磁電流產生的定子銅耗和鐵芯損耗。5、變頻器的保護與故障處理5.1、過流(OverCurrent(OC))保護功能電機能夠承受較大的短時間的電流衝擊，而變頻器不能，所以過流保護功能主要是保護變頻器的。過電流產生的原因：運行中的過電流產生的原因：負載突增；變頻器輸出短路或電機內部短路；變頻器自身工作不正常升速中過電流產生的原因：頻率變化率限定值不合理，而且系統轉動慣量較大，導致升頻太快但轉速上升較慢。降速中過電流產生的原因：頻率變化率限定值不合理，而且系統轉動慣量較大，導致降頻太快但轉速下降較慢。變頻器處理過電流的原則：儘量不跳閘，有防跳閘功能。只有衝擊電流太大，或防止跳閘的措施不能解決問題時才迅速跳閘。5.2、超載(OverLoad(OL))保護功能超載保護功能主要是保護電機。超載保護採用具有反時限特性的熱繼電器，所謂反時限保護，即超載越多，保護動作時間越短。電機運行時，溫度呈指數上升，穩態溫升與電機的損耗有關，電機的超載電流越大，穩態溫升越高。而且達到額定溫升的時間越短。變頻器內部通過微處理器精密計算實現反時限超載保護，更準確可靠，稱為電子熱保護，或電子熱繼電器。設變頻器的超載保護功能時需注意：變頻器容量大而電機小的，應根據電機的容量設定保護值。低速運行時，電機散熱條件差，允許的持續電流減少，保護值應減少。變頻器帶多臺電機，應根據多臺電機的容量和進行保護值設定，且在每臺電機上要裝有超載保護裝置。5.3、電壓(OU)保護功能電壓保護分為過壓和欠壓保護兩種。過壓保護主要分為以下兩種網側電壓過電壓，一般規定，變頻器的輸入電壓不能超過額定電壓的10%，輸入電壓過高，則直流母線電壓升高，引起兩個問題：如採用開環控制，則在相同頻率下輸出電壓升高，電機的勵磁電流增大，鐵耗增大；直流母線電壓過高，使電容耐壓的裕量減少。再生過電壓，降速時因回饋制動過程中電機回饋的能量來不及釋放，造成直流母線電壓過壓。欠壓產生的原因：網側電壓過低；電源缺相；整流二極體損壞；起動限流電阻未切除等。欠壓的後果：電機最大電磁轉矩減少，電流增大。通用變頻器的主電路及輔助電路的作用通用變頻器的轉速開環恒壓頻比控制原理(明確各個環節、尤其是為何需要頻率變化率限定環節)轉速閉環轉差頻率控制的基本思想、基本規律、控制框圖，理解其動態性能(水漲船高)、抗擾性能較轉速開環好的原因。應用技術：頻率如何給定？若干工作頻率的意義及如何設定？加減速中易出現的問題及解決辦法，自動電壓調節功能的原理(為何輸入電壓降低會影響系統帶負載能力？)，節能運行的原理，過流保護與超載保護有何不同？系統轉動慣量大小對變頻器的設置有何要注意的？本節要求§9電壓空間向量調製技術（SVPWM）一、空間向量這並不是一個新的概念，在電機與拖動基礎中學過，在電力系統分析中也用到。這個概念是向量控制、轉矩直接控制、SVPWM及電力系統瞬態分析的基礎。1.單相正弦量的相量表示方法一個隨時間正弦變化的量可以看作是在複平面內一個以其交變角頻率為角速度、以其幅值為長度的相量或時間向量在參考軸上的投影。2.三相對稱正弦量的兩種表示方法：單軸多相量、多軸單相量單軸多相量每相正弦量的暫態值均可以看作一個旋轉的相量在