交流变频调速 1

中国石油大学（华东）信息与控制学院

二、关于大学生活四点建议

珍惜时间

多读好书

《论语别裁》《老子他说》

南怀瑾复旦大学出版社

《求医不如求己》

善用网络学好专业

多参加有意义的活动

电子设计竞赛、创新实验、挑战杯、假期实习生等等

三、关于考研

读研并不一定找到好的工作，生活不一定不辛苦，但或许可以改变自己的命运，在未来的生活中更有主动权。年轻的时候，应该“读万卷书，行万里路”。

工作好找，没有后顾之忧，为何不拼一下？不要等到发现工作不如意时再考研。

关键不在于基础好坏，而在于你是否能真正坚持。

能否学到东西，关键在于你自己，学校、导师只是给你提供客观条件。至于在本校和外校之间如何选择，各有优势，要自己决定。

§1 交流变频调速概述

一、为何要进行交流变频调速

1.为何要调速

工艺流程或生活的需要

数控机床、风机、各类泵、电动机车、风扇、空调等等节能的需要

抽油机、风机、各类泵

2.为何要进行交流调速

所谓交流调速是指交流电机的调速。在全控电力电子器件没有实用化以前（即上世纪70年代以前），高性能调速领域用的都是直流电机，而交流电机主要用在不调速的场合。随着电力电子技术、微电子技术的发展，交流电机的良好调速潜力被挖掘出来，直流电机的不足也日益不能让人接受，高性能的交流调速系统成为当前电力拖动的主要发展方向。直流电机的不足主要是换向器，机械的磨损使得换向器必须经常检修，换向火花使其不能运行在易燃易爆及粉尘多的场合，换向能力限制了其容量和速度。

交流电动机主要有两类：感应电动机和同步电动机。

感应电动机可根据转子结构的不同分为鼠笼式和绕线式两种。其中，鼠笼式感应电机在工业生产中应用最广。以它为核心的调速系统是本课程的主要内容。

同步电动机根据转子磁极的结构可以分为凸极和隐极两种，根据励磁方式又可分为电励磁和永磁两种。其中永磁同步电动机具有优异的性能（无需励磁电流、无转子损耗）在实际中也有许多应用。

由于课时所限，主要介绍鼠笼式感应电动机的调速，而对于永磁同步电动机的调速，有时间会简单介绍。

3.为何要进行变频调速

感应电动机有哪几种调速方式？鼠笼式感应电动机有哪几种调速方式？绕线式感应电机呢？

绕线式感应电动机

变极调速、变频调速、调压调速和转子回路串电阻调速鼠笼式感应电动机

作业：根据自己的理解，阐述绕线式感应电机三种调速方式的原理，分析各自的优缺点、适用场合。并以恒转矩负载为例，比较三种调速方式的转差功率大小。转差功率是什么？

转子铜耗

二、如何进行交流变频调速

1.一个单轴系统的转速由什么决定？

dTTZJdt电动机生产机械nTTzM不是由电动机的转矩决定，也不是由负载的转矩决定，它们之差只是决定了转速的变化率。

系统的转速决定于电动机的机械特性曲线和负载的转矩性曲线的交点，而且这个交点须是个稳定的平衡点。

三相感应电动机的机械特性曲线三种典型的负载转矩特性曲线：

nABC恒转矩（反抗性、位能性）、恒功率、风机泵类负载

四个交点中有几个稳定平衡点？判断的方法是什么？

D0T稳定平衡点的条件：dTZdTdndn2.如何来调速？

就是要改变两条曲线交点的位置，负载的转矩特性是确定的，可以通过改变电动机的机械特性改变交点的位置，对于鼠笼式感应电动机，可以通过调节定子端电压、变极、变频来改变其机械特性。

这是从稳态角度、宏观角度上的调速的思路。后面要学习的变压变频调速（VVVF）是以这条思路为指导。目前的通用变频器主要采用这一思路。这也是我们后续要学习的重要内容。这种控制又称为标量控制。

n0T还可以从微观、瞬态和矢量的角度去进行调速。

dTTZJdt尽管T不能决定转速，但T可以决定转速变化的大小和方向。比如，现在转速n较小，希望其升速，可以通过增加T来实现。只要能够瞬时地控制电机的电磁转矩，就可以快速地调速，稳定地运行。

矢量控制和转矩直接控制就是以这种思路为指导的调速方式。主要用于调速精度较高的高性能调速领域。我们也会重点介绍。目前的中高档变频器，都具有矢量控制的功能。

3.如何变频？

所谓的变频，就是改变交流电的频率，这仍然是基于一种稳态观点的称呼。

在实际应用中，应用的大都是电压源，而且通用的变频器绝大多数都是电压源型的。所以，我们只讲电压源型变频器。即将恒频恒压的电网电压变换成电压和频率可变的电压源。有两种实现方式，一种是交－交直接变频，一种是交－直－交变频。后者是我们要重点学习的重要内容。

三、本门课的主要内容

1. 三相鼠笼式感应电动机的基本原理、等效电路、机械特性2. 基于稳态等效电路的变压变频调速原理3. 交交变频、交直交变频、PWM技术4. 通用变频器的硬件构造分析及应用技术5. 矢量的概念、SVPWM

6. 三相感应电动机的动态数学模型及基于它的矢量控制7. 三相感应电动机的转矩直接控制和永磁同步电机的调速

§2 复习三相感应电机的基本内容

一、基本工作原理

1.简化模型

磁极旋转，分析线圈受力情况，线圈跟着磁极旋转。线圈会不会与磁极以相同的速度旋转？

此时导线不切割磁力线，没有电流，也没有电磁转矩产生。如果一点摩擦没有，可能。如果要带负载，线圈与磁场转速不同。

磁场与转子的转速不是同步的，所以也称这种电机为异步电动机。

转差率S

设磁场的转速为n1，磁场的转速又称为同步速，转子绕组的转速为n，则转差率S=（n1-n）/n1

它是感应电机的一个基本的参数，反映转速的大小。转速为0时转差率为？转速为同步速时，转差率为？电机的额定转差率为5%以下。

2.简化模型的三个问题及改进转子：既然不能与磁场同步，那么与磁场的相对位置时刻处于变化之中，产生的电磁转矩不均匀。旋转磁场的产生：肯定不是外力拖着永磁或直流励磁的磁极旋转，那这个旋转的磁极是怎么产生的？磁路：为减少励磁电流及励磁损耗，应采用高导磁材料构建磁路转子绕组改进

像不像笼子？笼型异步电机或鼠笼型异步电机，占异步电机的绝大多数3.旋转磁场的产生大小和方空间中静止的三相对称绕组（绕组匝数、节距、导线的粗细等完向由什么全一致，且在空间中互差120度电角度），通三相对称电流，则决定？会产生旋转的磁场。AiAImcostiBImcos(t120)iCImcos(t120)ofANiANImt0ooXBZA1fBNiBNImBC21CYfNiNICCm转向取决于三相绕组所通电流的相序，转速决定于电流的频率，o2oot60t120t180电角频率决定了旋转磁场的角速度，时间的量变成了空间的量。oo变频调速原理即通过改变电机三相绕组的电流的频率，来控制旋t240t300转磁场的转速从而使转子转速也发生变化。二、等效电路pCu1r1pFeX1pcu2'X2r2'I1ImrmE1XmI2'P1U1E'2PM1S'r2SP如果一台三相感应电动机在额定电压下运行，突然发现转速变慢了（假设电机没坏），则这时定子电流将会如何变化？

nS电机的等效阻抗将减少，定子电流会增加。

pcu2SPM电磁功率PMP1pcu1pFepcu2P电磁转矩

PMPT1转差功率三、机械特性

电动机的机械特性，就是电磁转矩与转速之间的关系。

pFe'p''rCu1XrX2rPMT13I'2221121pSI1ImrmE1XmI2'P1U1E'2PM1S'r2SP忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损和励磁电流

II1'2U12r2'r11L1L2S'22r2'3TS1U12'222r2'pr1S1L1L2n0T某公司购买了一台进口的额定电压为6KV的高压电机，试运行期间，为了保护电机，工程师决定先让其工作在400V的电网上，但事与愿违，运行不到半小时，发现电机被烧坏，工程师到网上求助，请您给予解答。（大作业）

学的知识总会有用的，但你要去用，不要老上网求助，而是自己看书、思考解决。

§3 变压变频调速基本控制方式

变压变频调速( VVVF (Variable Voltage Variable Frequency) )是一种传统的称谓。广义上讲，可以指所有的交流变频调速系统。但通常用它的狭义，即基于稳态等效电路的变频调速，实际上，称为标量控制更确切一些。

一、每极气隙磁通m对电机运行性能的影响

电机是以磁场为媒介，机械能和电能相互转换的电磁机械。这个磁场是很关键，几乎所有的电机内部的问题都是与这个磁场有关，调速也不例外。它的强弱会影响电机的运行。磁场太弱，产生相同的电磁转矩，导体中所需的电流就较大。太强，所需的励磁电流就越大。要以尽量小的励磁电流产生尽可能强的磁场，就需要用高导磁材料构造电机的铁芯。

高导磁材料以铁及铁的合金为主，所以称为铁磁材料，铁磁材料构成的电机磁路中的磁通与励磁电流之间存在非线性关系。称为电机的磁化曲线。

注意，与铁磁材料的磁化曲线不同。线性区，膝点，饱和区

膝点

根据尽量少的励磁电流产生足够的磁通的原则，电机额定运行时的磁通选在膝点附近最合适。

在调速过程中，希望保持磁通为额定运行时的磁通不变，这样既可以充分利用铁芯，又不会因为励磁电流太大而烧坏绕组。这是交流调速中最根本的问题。如何才能保持磁通不变？

二、保持气隙磁通m不变的原理

RsLlsI0R'rL'lrEg4.44f1NskNsm要保持气隙磁通不变，需保证每相气隙电动势与频率之比不变，即：

IsUsEgLm1S'RrSEgf1也就是说，要在改变频率的同时，成比例地改变EgEg无法直接控制，可以直接控制的只有U，但如果忽略定子漏

s阻抗上的压降：

CEgUsEgf1CUsCf1这就是所谓的恒压频比控制

UsUsN

b—带定子压降补偿a—无补偿在变频器中，有各种各样的补偿特性。比较麻烦。可不可以只降低频率不管电压？为什么？Of 1Nf 1

按这种方式控制电机肯定是不行的，恒压频比控制的前提是漏恒压频比控制特性

阻抗上的压降可以忽略。那么在什么情况下可以忽略，什么情况下又不可以忽略呢？

电机正常运行时，定子电流不会超过额定电流，定子漏阻抗的压降最大值一定。供电频率较高时，定子端电压也较高，定子漏阻抗上的压降相对值较小，可以忽略，低频时，不可忽略，恒压频比已不能保证恒磁通，须加定子电压补偿。

三、基频以上调速（弱磁调速）基频就是指电机的额定频率根据恒压频比调速的关系：

UsUsNCf1f1N当定子电压的频率要超过额定频率时，如果要保证气隙磁通不

变，定子电压要高于额定电压，这会导致电机损坏，是不允许的。所以，在基频以上调速，电机定子端电压保持为额定电压不变。随频率上升，气隙磁通下降，所以称为弱磁调速。

电机使用过程中，一定要注意几个限制，电流、电压、转速。电流过大会使电机绕组发热烧坏，不能超过额定电流，电压过高会加速绝缘老化或引起绝缘击穿，不能超过额定电压，转速不能超出机械部分所能承受的范围，可以超过额定转速，但不宜超出太多。

四、异步电机变压变频调速的控制特性

UsUsNΦm恒压频比调速弱磁调速ΦmNUsΦmOf1N异步电机变压变频调速的控制特性f1如果电机在不同转速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，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。

UsΦm恒转矩调速恒压频率比调速恒功率调速弱磁调速UsNΦmNUsΦmOf1Nf1本节要求

•基频以下，调速过程中保持气隙磁通恒定的原因及如何实现的原理。•基频以上，弱磁的原因。

§4 异步电机电压频率协调控制时的

机械特性

一、恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性Uss1RTe3np(sRR')2s22(LL')2sr1lslr1当s很小时，可忽略上式分母中含s各项

2'r注意与电机与拖动基础中的符号的差异Uss1Te3npsR'r1转矩近似与s成正比，机械特性Te= f（s）是一段直线

2当s 接近于1时，可忽略分母中的Rr'

Us1R1Te3np2s[R2(LL')2]s1s1lslr即转矩近似与s成反比，Te

= f（s）是对称于原点的一段双曲线

当s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段。根据实用表达式更容易理解2TmTSmSSSm2'rnsn00smTemaxTe10TemaxTe恒压恒频时异步电机的机械特性二、基频以下电压频率协调控制时的机械特性1. 恒压频比控制（Us/1）

n601n01f12πnp60nsn0s12πnpnnn0s1RTeUs3np12'r0T由此可见，当Us/1为恒值时，对于同一转矩Te，s1是基本不变的，因而n也是基本不变的。转子铜耗将如何变化？

pcu2sPMs1Te/np3npUs由最大转矩的公式：Temax21Rs212Rs'2(LlsLlr)11随着频率1的降低，最大转矩减少，将会影响电机在低频下的带载能力。需对定子漏阻抗的电压降进行补偿。n如不补偿，可否带满载起动？n0N1N111N111213如何补偿？n01n02n03O12补偿定子压降后的特性13Te2. 恒Eg/1控制

RsUsIsEsEgLmI0LlsLlr′I’rErRr′/s1如果恰当地提高电压Us的数值，使它在克服定子漏阻抗压降以后，能维持Eg/1为恒值（基频以下），则每极磁通m为常值。

Eg'Ir'2Rr2'2L1lrs2TePMm13np'2R3Ir1s1Rr'nps1'rE22g2'21LlrEgRs1Rr'3np'222'2s1Rrs1Llr'rEgs1RTe3np'222'21Rrs1Llr'r2当s很小时，可忽略分母中含s 项，则

EgTe3np1s1s'Rr2这表明机械特性的这一段近似为一条直线。当s 接近于1时，可忽略分母中的Rr'2项，则

2EgR1Te3npsL'2s1lr1'rs值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频比特性相似。但也有四点区别。

①比较

Uss1RTe3np(sRR')2s22(LL')2sr1lslr12'rEgs1RTe3np'222'21Rrs1Llr'r2相同的s，Te更大一些；相同的Te，s更小一些，这就意味着恒Eg/ 1控制的机械特性曲线将包在恒压频比控制机械特性的外面。

s0ab恒Us/1 控制恒Eg/1 控制10Te②临界转差率sm更大

恒Eg/1控制特性在最大转矩时的临界转差率恒Us/1控制特性在最大转矩时的临界转差率

Rsm'1LlrR2s21'r'2lr'rsmR(LlsL)③最大转矩Temax更大，且不随频率变化而变化23Eg1Temaxnp恒Eg/1控制特性的最大转矩'21Llr2恒Us/1控制特性的最大转矩

3npUs1Temax221RRs'2s(LlsLlr)11这表明恒Eg/1控制特性的线性段范围更宽s0ab恒Us/1 控制恒Eg/1 控制10Ten

n0N1N111N111213补偿了定子漏阻抗上的压降会有这么好的效果，如果再补偿转子漏抗上的压降，会如何？n01n02n03O

1213Temax恒Eg/1控制时变频调速的机械特性Te④最大起动转矩为最大转矩Temax，可以带满载起动恒Eg/1其稳态性能优于恒Us/1控制的性能，这是定子漏阻抗压降补偿的结果。RsLlsLlr′I’rUsIsEsEgLm1I0ErRr′/s3. 恒Er/1控制

Ers1RTe3np2''1Rrs1Rrs这是一条直线，只要能做到恒Er/1控制，三相感应电机就可以获得和直流电机一样的线性机械特性。

'rErI'Rr/s3npE2r'r2s

0

恒Er/1 控制cab恒Eg/1 控制恒Us/1 控制1

0Te

不同电压－频率协调控制方式时的机械特性

恒Eg/1控制对应的是气隙磁通不变，恒Er/1控制对应的是

'什么不变？E4.44fNkr1sNsr只要控制转子全磁通不变，就可以获得恒Er/1控制，进而获得

接近于直流电机的机械特性，这就是矢量控制所遵循的原则。

补偿的确可以达到比较好的控制特性，但是，如何能够准确补偿？道理很简单，但实现很难。恒Eg/1控制，要进行定子漏阻抗压降的补偿。

RsLlsLlr′要保持气隙磁通不变，根据4.44公式，若系统

IsI’r同步速确定，则Eg有效UsIRr′/sL0EEEm值是已知的，若知道定1sgr子电流的有效值Is，可否用下式来补偿？Why?

UsIsRXEg肯定不可以，应用相量形式：

2s2ls&I&(RjX)E&Ussslsg实际中，检测得到的是电流的瞬时值，如何得到其有效值和相

位？况且并不知道电动势相位，所以，实际中实现比较困难。转子电流根本不知道，无法实现准确的转子漏抗电压的补偿。

4.小结：1）恒压频比（Us/1=恒值）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，但低速带载能力有限，须对定子压降实行补偿。2）恒Eg/1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到m=恒值，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的。3）恒Er/1控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，需动态中也尽可能保持r恒定，这是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。三、基频以上恒压变频时的机械特性

在基频以上变频调速时，由于定子电压Us= UsN不变

Te3npUsN最大转矩表达式

2sR'22'21(sRsRr)s1(LlsLlr)'r2Temax312npUsN22'221RsRs1(LlsLlr)由此可见，当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩

减小，机械特性上移，而形状基本不变。直线段之间还会平行吗？

nn0cn0bn0an0N1c1b1N<1a<1b<1c恒功率调速1a1NO基频以上恒压变频调速的机械特性

Te由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。

本节要求

•等效电路及参数的物理意义•三种电压的物理意义

•三种电压频率协调控制的机械特性的特点（定性，会画图）

§5 电力电子变压变频器的主要类型

最早的变压变频装置是旋转变频机组。直流电动机拖动交流同步发电机，调节直流电动机的转速就能控制发电机输出的电压和频率。效率低，在电力电子器件没有实用化以前，用于变频调速是迫不得已。自从电力电子器件得到广泛应用后，静止式变压变频器已取代旋转变频机组。

变压变频器实际上就是将电网的恒压恒频的电能转换成变压变频电能的一种电力电子装置。电压源型直流储能器件分电流源型交-直-交电力电子变压变频器交-交按器件换流方式分晶闸管交-交变频矩阵式交-交变频180º导通型120º导通型一、交-直-交变压变频器

恒压恒频(CVCF)

中间直流环节

变压变频(VVVF)

AC~ 50Hz整流DC逆变AC

将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成电压和频率可控的交流，又称为间接式变压变频器。

1、传统的交-直-交变压变频器的类型

当前应用最广的是如图(c)所示的由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（Power MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制

（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器。

2、PWM变压变频器的优点：

1）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。2）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。

3）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。

4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较高，且不受逆变输出电压大小的影响。

由于PWM变压变频器具有以上的优点，所以目前商业化应用的变频器绝大多数是这一类变频器。

3、不足

由于是不控整流，(1)输入特性差，输入电流的谐波含量大，功率因数低；（2）功率不能双向流动，直流侧能量无法回馈。

4、改进

PWM整流器+PWM逆变器构成Back-to-Back PWM 变换器。

DCAC~ 50HzPWMPWM整流器CPWMPWM逆变器逆变器AC调压调频PWM整流器是个好装置，近年来应用非常广泛，不仅在高性能

调速领域，在可再生能源发电、电力有源滤波（APF）、无功补偿等领域。明年，你们将学习一种叫四象限变换器，实际上就是上图所示的变换器。

5. 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。受全控器件容量的限制，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），并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器

SCR可控整流器

六拍逆变器

AC~ 50HzDCAC

调压

调频

6、按中间直流环节直流电源性质的不同，可以分为电压源型变换器(VSC (Voltage Source Converter))和电流源型变换器(CSC（Current Source Converter))两类。两种类型的实际区别有两点：直流环节滤波器、开关器件。

应用最广的是电压源型逆变器，电流源型逆变器在大功率情况应用。

7、180度导通型与120度导通型（以前的晶闸管变频器的说法，现已很少提及）

180度导通型是指同一桥臂上下两管之间互相换流。用于电压源型逆变器。

特点：上下桥臂开关信号互补（但一般不再各导通180度），每一时刻总有三个管子导通。Why?

任一时刻，每一个桥臂总有一个管子导通。总共三相桥臂。

需要注意的是：上下两管之间要加死区以避免直通。死区是指开通和关断时，先断后通。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“死区时间”，再给应导通的器件发出开通信号。VT1理想驱动信号10VT1实际驱动信号t10VT4理想驱动信号t10VT4实际驱动信号t10t120度导通型是指在相邻桥臂的上管之间或下管之间相互换流的导通方式。主要用于电流源型逆变器。每一时刻只有两个管子导通，一个上管，一个下管。（对于PWM逆变器，120度导通型并不意味着三个桥臂的上管各导通120度，下管各导通120度）

8、电压源型逆变器与电流源型逆变器的优缺点及适用场合书中的优缺点的描述是针对晶闸管构成的逆变器而言。对于PWM型逆变器，结论不再适用。

适用场合：电压源型PWM逆变器应用很广泛，功率等级从几百W到几MW。电流源型逆变器主要用于大功率场合。

二、交-交变压变频器

CVCF

VVVF

AC50Hz~

交－交变频AC

交-交变压变频器只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器.也称作周波变换器（Cycloconveter）

1、晶闸管相控单相交-交变频器

由两个三相晶闸管相控整流桥反向并联构成，各工作半个周期，称为正、反两组。需要12个管子！

正、反两组晶闸管相控整流单元按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u0，u0的幅值决定于各组可控整流装置的控制角，u0的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果同组的控制角相同，则输出平均电压是方波。

已能实现变压变频，但谐波含量比较大，要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。

控制方法：在正向组导通的半个周期中，使控制角由/2（对应于平均电压u0= 0）逐渐减小到0（对应于u0最大），然后再逐渐增加到/2（u0再变为0）。

此时输出电压的频率为？有何结论？

2. 晶闸管相控三相交交变频器

三相交交变频电路由3个单相交交变频电路组成。共需要36个晶闸管，电路结构复杂。

3. 晶闸管交-交变压变频器的优点、不足及应用场合优点：可以做到高压、大容量

缺点：

器件多，设备复杂

输入功率因数较低，谐波电流含量大，须配置谐波滤波和无功补偿设备

频谱复杂，既有高频，又有低频，且随负载的变化而变化，滤波很麻烦。

其最高输出频率不超过电网频率的1/3 ~ 1/2应用场合：

一般用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。

4. 矩阵式交交变频器

由全控制器件构成的PWM交交变换器输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行。这类变压变频器尚处于开发阶段，其发展前景是很好的。

本节要求

➢了解变压变频器的分类情况

➢掌握不控整流+PWM逆变的变压变频器的优点和不足。

➢什么是死区？死区存在的原因？

➢了解晶闸管相控交-交变压变频的基本原理，其优点、不足与应用场合。

§6 正弦脉宽调制技术（SPWM）

一、PWM技术概述无论采用何种控制，最后控制的输出就是电压指令，即期望的逆变器输出电压。电网MS1~6调制是调制，控制是控制。（不要混淆，书中更正。）电压PWM指令整个变频器的控制无论过程多么复杂，最后都是通过6个开关的导通、关断来实现。6个开关怎么开关，持续多长时间是整个系统的关键。为了使实际的输出电压更好的逼近期望输出电压，脉宽调制技术（PWM）被引入到电力电子的开关信号的产生领域，调制本来是通讯领域的技术。

上世纪80年代，PWM技术从通讯领域移植到全控电力电子器件的开关控制上来。可以说是现在所有的全控电力电子器件都采用的是PWM技术。无论在AC/DC，DC/DC还是在DC/AC变换中。真实的输出电压与期望电压之间的差距、开关器件的损耗、电磁干扰等均与PWM技术密切相关，PWM技术在电力电子的应用领域非常关键、非常重要。为什么要用脉宽调制技术？

图中的矩形波与PWM波进行傅立叶分解后，基波是相同的，但二者相比，哪个更接近于正弦？

基波相同，但后者的谐波含量更少，更接近于正弦。如果开关频率更高，则谐波含量更少。

a)uOutb)O图6-3t在交流调速领域，从最开始的SPWM技术，发展了许多改进型PWM，如消除指定次数谐波型、三次谐波注入型、电流滞环型、电压空间矢量调制（SVPWM）等等，对于三相系统来说最为常用的是SVPWM。二、PWM基本原理

冲量等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。（骑自行车为例，窄脉冲为脚施加的转矩，效果是指车子速度。）

f (t)f (t)f (t)f (t)(t)Oa)tOb)tOc)tOtd)图6-1对于异步电动机而言，窄脉冲相当于电压，冲量就是电压脉冲

与时间轴所围的面积，作用效果表现在定子电流上，或者说表现在转速上。

三、SPWM基本原理

调制波信号波载波载波V1VDV31VDURL3d+V2uVDoV42VD4uru调制c电路单相桥式PWM逆变电路

图6-41、几个概念：载波、调制波；单极性调制、双极性调制；调制比；载波比；同步、异步调制。

uucuruurucOtuouofOtuoUduoUdO-UduofuoO-Udtt调频：调节调制波周期变压：调节调制波幅值

统一于调制波控制

2. 载波的确定：看似很简单，但具体实现会遇到这样的问题，如果ur就是的参考电压的实际值，那么载波该如何确定？（频率、幅值）

uurucOt频率就是器件的开关频率，从输出电压的质量上讲，应越高越好。但从开关损耗角度看，低一些好。O目前的分离IGBT器件，采用硬开-U关，可以达到20kHz。采用模块，一般为5~10kHz，大容量的系统，2kHz左右。

幅值取决于什么？

uoUduofuotd在频率一定的情况下，幅值决定了三角载波的斜率，也决定了与调制波的交点，从而影响开关的时间，进而影响输出电压。开关时间与直流电压的乘积才是输出电压的冲量，幅值与直流电压是否有一定的关系？

在载波比很大时，在一个开关周期内，调制波的值可以认为不变。urA=urB，根据冲量等效的原则：

'TcucMuucAurBtDtBturATcUdUd2Ud((Tc))Ud(2Tc)OtA根据三角形相似：

ucMurA2ucMTcucMurAurATc(0.5)Tc2ucM2ucM22uoUdOUd''turAurAurATcUd(2(0.5)TcTc)TcUd2ucMucMucMUd3. 线性区与过调制

当调制波小于载波的幅值，则在每一个开关周期，总可以得到与调制波等效的电压冲量，但当调制波高于载波幅值时，冲量等效原则无法成立，如果调制波是正弦波，此时，输出会发生畸变，不再是正弦。CurCTcUdTcTc此时单相电压型PWM逆变器已达到输出极限。不能使输出的电压冲量与期望的输出电压（即调制波电压）的电压冲量等效。这通常也称为过调制（Over-Modulation）

ucMuucAurBtDtBtOtA22uoUdOUd''t通常将调制波与载波都除以载波的幅值，进行归一化，则载波的幅值变为1，对于双极性调制，三角载波在-1到1之间变化，此时调制波的幅值就是调制比，如果其小于1，则说明是在线性调制区，输出的PWM电压可以较好地逼近期望得到的电压，而如果大于1，则进入过调制，波形发生畸变。

可见，对于单相系统，输出电压的能力唯一取决于什么？直流母线电压

对于三相系统，情况就不一样了，除直流母线电压之外，还与PWM方式有关。

4、三相SPWM

+VTV11CUVD1V33VTVD3V55VTUd2VD5NVD2N'Ud2+CVVDVDW46V44VTVTV2V66VT2urUurVurWuc调制电路三相桥式PWM逆变器主电路原理图此时，三角载波的幅值与单相一致吗？不一致，为直流电压的一半。

对于不控整流+PWM逆变系统，在波形不畸变情况下输出电压最高为多少？

电网M电网的输入电压为380V，得到的直流母线电压最多为3802=537(V)采用SPWM，逆变侧得到的线电压有效值最多为

(537/2)3/2=329(V)这就意味着，在电压不畸变的线性区，SPWM的电压传输比只有329/380=0.866。

如采用恒压频比控制，在43.3Hz以上就要进入过调制区，波形发生畸变，这是普通SPWM一个最大缺点。

变频器总不能连50HZ、380V的正弦电压输出不了吧！？

提高直流母线电压利用率，是各种三相PWM方法的一项重要指标比较典型的有两种方法，一是三次谐波注入SPWM，二是普通的SVPWM。

三次谐波注入法思路：

相电压波形不是正弦，线电压就一定不是正弦吗？

三相感应电机，要求线电压正弦还是相电压正弦？

相电压中含有相同的三次谐波时，线电压中是否有三次谐波？是否是正弦？

怎么才能让相电压中含有三次谐波？所对应的调制波中注入三次谐波三次谐波又有什么用？

注入三次谐波后，原来已进入过调制区的调制波现在又回到线性区，尽管得到的相电压滤掉高频分量后不是正弦基波，含有三次谐波，但线电压仍为正弦。

得到的正弦线电压的大小比传统SPWM得到的最大线电压要大。可提高直流母线电压利用率。

直流母线电压利用率是不是可以无限地升高？

不可以，变换器输出的最大的基波线电压是确定的（调制波为方波时的情况），最大的线性区也是确定的，三次谐波注入SPWM方法只是提高了SPWM的直流母线利用的潜力。

采用SPWM技术得到的电压中也含有谐波分量，为了消除特定次谐波，有了谐波消去法。

即使电机端电压很正弦，电机的电流也不一定是很正弦，从而引起转矩脉动，效率下降。为了得到正弦的电流，就有了电流滞环比较PWM技术的产生。

正弦电流的一个主要作用是产生圆形的旋转磁场，如果不以电压和电流正弦为目标，而是以产生圆形旋转磁场为目标，就产生了SVPWM技术。SVPWM有着比磁链追踪更深刻的物理意义，在交流调速以外的领域也被广泛应用。

在上面，所谓的相电压，参考点是直流母线的中点，而不是电机定子的中点，这两点的电位是不是一致的？

不一致，每一时刻都不会一致，这不一致的电位是变频器供电的一个重要的不足，将会引起漏电流，使电机轴承损坏。

作业：令SA、SB、SC分别为三相桥臂的开关函数，为1表示上管开，下管关；为-1表示上管关，下管开。试推导N与N’的电位差。

+VTV11CUVD1V33VTVD3V55VTUd2VD5NVD2N'Ud2+CVVDVDW46V44VTVTV2V66VT2urUurVurWuc调制电路三相桥式PWM逆变器主电路原理图本节要求

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深入理解PWM的原理

掌握PWM的一些基本的概念

SPWM逆变器是如何实现变压变频输出的逆变器输出电压的范围与什么因素有关，对于三相逆变器，提高直流母线电压利用率有何方法

•典型的PWM方法有哪几种

§7 死区的影响

一、死区产生的原因

电力电子器件存在着开关延时，为防止在上下桥臂进行换流的过程中发生短路，须保证该关断的管子关断之后再使该导通的管子导通。

为做到这一点，通常采用按时关，延时开的方法。这样同一桥臂的上下管之间有一段没有导通信号的时间，这就叫死区。在死区这段时间，逆变器有没有电压输出？

电网M死区是指没有导通信号，并不意味着没有电压输出。

对于IGBT，死区时间一般为2~5μs，小容量的IGBT，现在可以为1.5μs以下。

死区的存在，使得原来的开关信号发生了改变，逆变器的输出逼近期望电压的精度要受到影响。从而对控制目标也有影响。二、死区对输出波形的影响

以SPWM逆变器带电动机负载为例，假设电流为正弦，功率因数角为φ，且不考虑开关器件的反向恢复时间。1.当iA>0时，电流流出桥臂，可能的路径？

PVT1ANVD4AO'PUd2VT1VD1iA0iAM此时，上下管换流是指VT1与VD4之间换流，在VT1关断期间，VT4不会导通，即使有触发信号。

Ud2NVD4VT42.当iA<0时，电流流入桥臂，可能的路径？AVT4NAVD1PO'PUd2VT1VD1AiA0VD4iAM此时，上下管换流是指VT4与VD1之间换流，在VT4关断期间，VT1不会导通，即使有触发信号。Ud2NVT4在死区期间，上下两个开关管VT1和VT4是不会导通的，但VD1与VD4会导通，究竟哪个导通，取决于电流的流向。

死区期间，尽管开关管没有导通信号，但逆变器仍有输出电压，输出电压与电流流向有关。

3. 波形分析urAiAPUd2tVT1VD1iA0iA0iAO'MUd210VD4VT4NVT1理想驱动信号tVT1实际驱动信号104. 结论：

ttVT4理想驱动信号10VT4实际驱动信号10理想输出Ud2*AO'uttUd2实际输出uAO'Ud2Ud2死区造成的误差(1)实际输出电压由触发信号和电流确定。有触发信号时，输出电压与触发信号对应，没有触发信号时，即死区对应的时间，根据电流的流向确定输出电压。

tUdtUd(2)由于死区的影响，输出电压的实际波形发生畸变。

(3) 实际电压与理想电压的差异为一系列的脉冲电压，其宽度为死区宽度td，幅度为Ud，极性与iA相反，与输出电压基波的极性无关。

(4)基波频率确定的情况下，一个基波周期内，误差脉冲电压的个数取决于开关频率，即三角载波的周期，开关频率越高，误差脉冲越多，死区影响越大。

开关频率越高，输出电压波形越好，是有条件的，即不考虑死区的影响。考虑到死区影响和开关损耗，开关频率受到限制。(5)在载波频率一定的情况下，基波频率越低，一个基波周期内，误差脉冲个数越多，而此时，电压基波幅值较小，受到的影响越严重。

变压变频器在低频时受死区影响严重。而此时，还有什么问题？对于恒压频比控制，还有定子漏阻抗电压补偿的问题。

(6)根据PWM原理，这个误差脉冲电压相当于一个矩形波：

T1NueftdUd22(7)死区对基波的影响随功率因数的不同而不同。

(8)死区相当于在原来的正弦波上叠加了一个有相位差的矩形波，

这个矩形波有不少谐波分量，死区会增加输出电压的谐波含量，尤其是低频分量。

开关器件的发展会减弱死区的影响，闭环系统也将减弱死区的基波影响，合适的死区补偿方法，是削弱死区影响所必须的，是过去及现在的研究方向之一。

本节要求

•死区存在的原因

•死区是指同一桥臂上下开关管的导通信号之间不再互补，存在一段没有导通信号的时间，但逆变器仍有输出电压，输出电压由电流流向决定。

•死区对ＰＷＭ逆变器输出波形的影响（定性）

•为何死区的影响与电流有关。

§8 基于异步电动机稳态模型的变压变频

调速系统

异步电机的动态数学模型要比直流电机模型复杂得多，在相当长的时间里，人们对它的精确表述不得要领。所以，只能用稳态模型来设计控制系统。

不少机械负载，例如风机和水泵，并不需要很高的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行，因此可以只用电机的稳态模型来设计其控制系统。

异步电机的稳态数学模型就是其稳态等效电路和机械特性。根据稳态数学模型，为了实现恒气隙磁通控制，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频器控制系统。

如果要求更高一些的调速范围和起制动性能，可以采用转速闭环转差频率控制的方案。

一、转速开环恒压频比控制调速系统——通用变频器-异步电动机调速系统1. 概述现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件IGBT 或智能功率模块IPM (Intelegant Power Module)组成的PWM逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器，已经占领了全世界0.5~500kV·A 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。IPM是将多个IGBT及其驱动、过流、过热保护等电路都封装起来，便于使用，但坏掉一个管子，整个模块都要换掉。电网M所谓“通用”，包含着三个方面的含义：(1)可以和通用的笼型异步电机配套使用，有时可带同步电机；(2)具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载；(3)这种硬件结构对矢量控制系统都是适用的。2. 数字控制通用变频器-异步电动机调速系统

KUR~RR2VTb2R0R0RR11RRbUIM3~b显示设定接口微控制器电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测PWM发生器驱动电路(1)核心主电路——由二极管整流器、PWM逆变器和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容滤波，同时兼有无功功率交换的作用。

仅有核心主电路，变频器尚无法正常工作或工作性能比较差，所以除核心主电路外，还有一些很重要的辅助主电路。如：软起电路、泵升限制电路、进线电抗器、直流电抗器、输出滤波电感等。

软起电路：由一开关和限流电阻构成。为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻，通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将其短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。

大作业：设直流母线电容为2200微法，欲使其电压在1s以后升到正常电压的95%，则限流电阻该取多少？写出计算过程，并用Simulink仿真模型验证自己的结论。

泵升限制电路：二极管整流器能量只能单向流动，不能为异步电机的回馈制动提供能量的通路，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。回馈制动时，异步电机进入发电状态，向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。而且，在制动电阻的两端反并联一个二极管。有何用处？

电阻总是由导线做的，总有串联电感的存在，在开关器件关断的瞬间，在开关器件两端会有过电压，即直流母线电压加上电阻器电感引起的瞬态电压。易造成开关器的损坏。

在工程实际中，没有纯粹的电感、电阻和电容，只不过在特定的外界条件下哪一个特性起主要作用。

回馈制动有何特点？在实际应用中有哪些情况会出现回馈制动？实际转速与理想空载转速方向相同，且前者大。负载转矩方向变化(电车下坡)、变频降速和反向快速下放重物。

进线电抗器：二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此输入电流呈脉冲波形

三相二极管整流电路的输入电流波形

这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。为抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。