第5章第二節(jié) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

—運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第5章基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速在基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，采用穩(wěn)態(tài)等值電路來(lái)分析異步電動(dòng)機(jī)在不同電壓和頻率供電條件下的轉(zhuǎn)矩與磁通的穩(wěn)態(tài)關(guān)系和機(jī)械特性，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。常用的基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法有調(diào)壓調(diào)速和變壓變頻調(diào)速兩類(lèi)。內(nèi)容提要異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速電力電子變壓變頻器轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容提要異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速電力電子變壓變頻器轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)5.2異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速是改變異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方法，同步轉(zhuǎn)速隨頻率而變化異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)速降

隨負(fù)載大小變化

異步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值忽略定子繞組電阻和漏磁感抗壓降異步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通氣隙磁通

如果為了保持氣隙磁通恒定，應(yīng)使

或近似為

基頻以下調(diào)速當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)在基頻（額定頻率）以下運(yùn)行時(shí)，如果磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果磁通過(guò)大，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。最好是保持每極磁通量為額定值不變?；l以下調(diào)速當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須使恒壓頻比的控制方式：當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，忽略定子電阻和漏感壓降，基頻以下調(diào)速低頻補(bǔ)償（低頻轉(zhuǎn)矩提升）低頻時(shí)，定子電阻和漏感壓降所占的份量比較顯著，不能再忽略。人為地把定子電壓抬高一些，以補(bǔ)償定子阻抗壓降。負(fù)載大小不同，需要補(bǔ)償?shù)亩ㄗ与妷阂膊灰粯?。通常在控制軟件中備有不同斜率的補(bǔ)償特性，以供用戶選擇。

a——無(wú)補(bǔ)償b——帶定子電壓補(bǔ)償基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率從向上升高，受到電機(jī)絕緣耐壓和磁路飽和的限制，定子電壓不能隨之升高，最多只能保持額定電壓不變。這將導(dǎo)致磁通與頻率成反比地降低，使得異步電動(dòng)機(jī)工作在弱磁狀態(tài)。變壓變頻調(diào)速在基頻以下，由于磁通恒定，允許輸出轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”方式。在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)磁通減小，允許輸出轉(zhuǎn)矩也隨之降低，由于轉(zhuǎn)速上升，允許輸出功率基本恒定，屬于“近似的恒功率調(diào)速”方式。變壓變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性內(nèi)容提要異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速電力電子變壓變頻器轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)5.3電力電子變壓變頻器異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速需要電壓與頻率均可調(diào)的交流電源，常用的交流可調(diào)電源是由電力電子器件構(gòu)成的靜止式功率變換器，一般稱為變頻器。交-直-交變頻器：先將恒壓恒頻的交流電整成直流，再將直流電逆變成電壓與頻率均為可調(diào)的交流，稱作間接變頻。交-交變頻器：將恒壓恒頻的交流電直接變換為電壓與頻率均為可調(diào)的交流電，無(wú)需中間直流環(huán)節(jié)，稱作直接變頻。a）交-直-交變頻器b）交-交變頻器

PWM變頻器主回路交-直-交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖PWM變頻器主回路左邊是不可控整流橋，將三相交流電整流成電壓恒定的直流電壓。右邊是逆變器，將直流電壓變換為頻率與電壓均可調(diào)的交流電。中間的濾波環(huán)節(jié)是為了減小直流電壓脈動(dòng)而設(shè)置的。主回路只有一套可控功率級(jí)，具有結(jié)構(gòu)、控制方便的優(yōu)點(diǎn)，采用脈寬調(diào)制的方法，輸出諧波分量小。缺點(diǎn)是當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)能量不能回饋至電網(wǎng)，造成直流側(cè)電壓上升，稱作泵升電壓。脈沖寬度調(diào)制技術(shù)脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation），簡(jiǎn)稱PWM。基本思想是控制逆變器中電力電子器件的開(kāi)通或關(guān)斷，輸出電壓為幅值相等、寬度按一定規(guī)律變化的脈沖序列，用這樣的高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓。以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調(diào)制波，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波。由它們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（SinusoidalpulseWidthModulation，簡(jiǎn)稱SPWM）。PWM控制的思想源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展使得實(shí)現(xiàn)PWM控制變得十分容易。PWM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。現(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術(shù)。重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同d)單位脈沖函數(shù)f(t)d(t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf(t)f(t)f(t)b)圖6-2具體的實(shí)例說(shuō)明“面積等效原理”a）u(t)－電壓窄脈沖，是電路的輸入。

i(t)－輸出電流，是電路的響應(yīng)。

若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。Ouωt>Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波OwtUd-Ud對(duì)于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個(gè)完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。等幅PWM波輸入電源是恒定直流

不等幅PWM波輸入電源是交流或不是恒定的直流

OwtUd-UduoωtPWM電流波電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波。PWM波可等效的各種波形直流斬波電路直流波形SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:

所需波形

等效的PWM波計(jì)算法和調(diào)制法計(jì)算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。本方法較繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。調(diào)制法單極性PWM控制方式（單相橋逆變）ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)唷．?dāng)ur>uc時(shí)使V4通，V3斷，uo=Ud。當(dāng)ur<uc時(shí)使V4斷，V3通，uo=0。ur負(fù)半周，請(qǐng)同學(xué)們自己分析。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）在ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得PWM波也有正有負(fù)，其幅值只有±Ud兩種電平。同樣在調(diào)制信號(hào)ur和載波信號(hào)uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制器件的通斷。ur正負(fù)半周，對(duì)各開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同。當(dāng)ur>uc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào)。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud。當(dāng)ur<uc時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4關(guān)斷信號(hào)。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。urucuOwtOwtuouofuoUd-UdurucuOwtOwtuouofuoUd-Ud對(duì)照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制，由于對(duì)開(kāi)關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。特定諧波消去法

(SelectedHarmonicEliminationPWM—SHEPWM)這是計(jì)算法中一種較有代表性的方法。輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各3次（不包括0和π），共6個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻可控。為減少諧波并簡(jiǎn)化控制，要盡量使波形對(duì)稱。OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3計(jì)算法首先，為消除偶次諧波，使波形正負(fù)兩半周期鏡對(duì)稱，即其次，為消除諧波中余弦項(xiàng)，應(yīng)使波形在正半周期內(nèi)前后1/4周期以π/2為軸線對(duì)稱

同時(shí)滿足式上式的波形稱為四分之一周期對(duì)稱波形，用傅里葉級(jí)數(shù)表示為

式中，an為滯環(huán)比較法(1)跟蹤型PWM變流電路中，電流跟蹤控制應(yīng)用最多。tOiii*+DIi*-DIi*

滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例基本原理把指令電流i*和實(shí)際輸出電流i的偏差i*-i作為滯環(huán)比較器的輸入。V1（或VD1）通時(shí)，i增大V2（或VD2）通時(shí)，i減小通過(guò)環(huán)寬為2DI的滯環(huán)比較器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*。參數(shù)的影響環(huán)寬過(guò)寬時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過(guò)窄時(shí)，跟蹤誤差小，但開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，開(kāi)關(guān)損耗增大。L大時(shí)，i的變化率小，跟蹤慢；L小時(shí)，i的變化率大，開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高。滯環(huán)環(huán)寬電抗器L的作用(2)三相的情況三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形三相電流跟蹤型PWM逆變電路異步調(diào)制和同步調(diào)制根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對(duì)稱的影響就變大載波比載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，N=fc/fr1.

異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式2.

同步調(diào)制——載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時(shí)使載波與信號(hào)波保持同步，即N等于常數(shù)。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud圖6-10同步調(diào)制三相PWM波形基本同步調(diào)制方式，fr變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱。為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，N應(yīng)取奇數(shù)。fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除。fr很高時(shí)，fc會(huì)過(guò)高，使開(kāi)關(guān)器件難以承受。分段同步調(diào)制——異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用。把整個(gè)fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段的N不同。在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過(guò)高；在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過(guò)低。分段同步調(diào)制方式舉例

為防止fc在切換點(diǎn)附近來(lái)回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法。同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)?？稍诘皖l輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，和分段同步方式效果接近。直流電壓利用率和減少開(kāi)關(guān)次數(shù)直流電壓利用率——逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值U1m和直流電壓Ud之比。提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸出能力。減少器件的開(kāi)關(guān)次數(shù)可以降低開(kāi)關(guān)損耗。正弦波調(diào)制的三相PWM逆變電路，調(diào)制度a為1時(shí)，輸出線電壓的基波幅值為，直流電壓利用率為0.866，實(shí)際還更低。梯形波調(diào)制方法的思路采用梯形波作為調(diào)制信號(hào)，可有效提高直流電壓利用率。當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí)，梯形波所含的基波分量幅值更大。PWM控制技術(shù)?小結(jié)PWM控制技術(shù)的地位PWM控制技術(shù)是在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并對(duì)電力電子技術(shù)產(chǎn)生了十分深遠(yuǎn)影響的一項(xiàng)技術(shù)。器件與PWM技術(shù)的關(guān)系IGBT、電力MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM控制技術(shù)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)。PWM控制技術(shù)用于直流斬波電路直流斬波電路實(shí)際上就是直流PWM電路，是PWM控制技術(shù)應(yīng)用較早也成熟較早的一類(lèi)電路，應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)就構(gòu)成廣泛應(yīng)用的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。PWM控制技術(shù)用于交流—交流變流電路斬控式交流調(diào)壓電路和矩陣式變頻電路是PWM控制技術(shù)在這類(lèi)電路中應(yīng)用的代表。目前其應(yīng)用都還不多。但矩陣式變頻電路因其容易實(shí)現(xiàn)集成化，可望有良好的發(fā)展前景。PWM控制技術(shù)用于逆變電路PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最具代表性。正是由于在逆變電路中廣泛而成功的應(yīng)用，才奠定了PWM控制技術(shù)在電力電子技術(shù)中的突出地位。除功率很大的逆變裝置外，不用PWM控制的逆變電路已十分少見(jiàn)。電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術(shù)把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，以圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為目標(biāo)來(lái)控制逆變器的工作，這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈軌跡的控制是通過(guò)交替使用不同的電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)的，所以又稱“電壓空間矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制”?？臻g矢量的定義空間矢量的定義交流電動(dòng)機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時(shí)間變化的，如果考慮到它們所在繞組的空間位置，可以定義為空間矢量。定義三相定子電壓空間矢量k為待定系數(shù)

空間矢量的合成三相合成矢量電壓空間矢量的合成矢量

空間矢量的定義定子電流空間矢量

定子磁鏈空間矢量

空間矢量表達(dá)式中系數(shù)k的推導(dǎo)三相異步電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)功率計(jì)算的一般表達(dá)空間矢量瞬時(shí)功率表達(dá)式

為共軛矢量（大小相等方向相反）

在復(fù)數(shù)域上“（向量a乘以向量b）等于（向量b乘以向量a）的共軛”空間矢量瞬時(shí)功率表達(dá)式展開(kāi)

空間矢量表達(dá)式考慮到

三相瞬時(shí)功率

按空間矢量功率與三相瞬時(shí)功率相等的原則

空間矢量表達(dá)式空間矢量表達(dá)式當(dāng)定子相電壓為三相平衡正弦電壓時(shí)，三相合成矢量空間矢量表達(dá)式以電源角頻率為角速度作恒速旋轉(zhuǎn)的空間矢量，幅值

在三相平衡正弦電壓供電時(shí)，若電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速已穩(wěn)定，則定子電流和磁鏈的空間矢量的幅值恒定，以電源角頻率為電氣角速度在空間作恒速旋轉(zhuǎn)。電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系

合成空間矢量表示的定子電壓方程式

忽略定子電阻壓降，定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為或電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系

當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌跡呈圓形（簡(jiǎn)稱為磁鏈圓）。定子磁鏈?zhǔn)噶慷ㄗ与妷菏噶侩妷号c磁鏈空間矢量的關(guān)系

圖5-22旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡圖5-23電壓矢量圓軌跡電壓空間矢量

直流電源中點(diǎn)O’和交流電動(dòng)機(jī)中點(diǎn)O的電位不等，但合成電壓矢量的表達(dá)式相等。因此，三相合成電壓空間矢量與參考點(diǎn)無(wú)關(guān)。8個(gè)基本空間矢量PWM逆變器共有8種工作狀態(tài)

當(dāng)8個(gè)基本空間矢量依此類(lèi)推，可得8個(gè)基本空間矢量。當(dāng)

8個(gè)基本空間矢量2個(gè)零矢量6個(gè)有效工作矢量幅值為空間互差

基本電壓空間矢量圖圖5-24基本電壓空間矢量圖正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

6個(gè)有效工作矢量完成一個(gè)周期，輸出基波電壓角頻率6個(gè)有效工作矢量每個(gè)有效工作矢量作用

順序分別作用△t時(shí)間，并使

正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

k=1,2,3,4,5,6定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽?/p>

定子磁鏈?zhǔn)噶窟\(yùn)動(dòng)方向與電壓矢量相同，增量的幅值等于正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)軌跡為

圖5-25定子磁鏈?zhǔn)噶吭隽空呅慰臻g旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

圖5-26正六邊形定子磁鏈軌跡在一個(gè)周期內(nèi)，6個(gè)有效工作矢量順序作用一次，定子磁鏈?zhǔn)噶渴且粋€(gè)封閉的正六邊形。正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

正六邊形定子磁鏈的大小與直流側(cè)電壓成正比，而與電源角頻率成反比。正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

在基頻以下調(diào)速時(shí)，應(yīng)保持正六邊形定子磁鏈的最大值恒定。若直流側(cè)電壓恒定，則ω1越小時(shí)，△t越大，勢(shì)必導(dǎo)致

增大。正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

要保持正六邊形定子磁鏈不變，必須使

在變頻的同時(shí)必須調(diào)節(jié)直流電壓，造成了控制的復(fù)雜性。正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

有效的方法是插入零矢量當(dāng)零矢量作用時(shí)，定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽勘砻鞫ㄗ哟沛準(zhǔn)噶客Ａ舨粍?dòng)。

正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

有效工作矢量作用時(shí)間當(dāng)零矢量作用時(shí)間定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽繛檎呅慰臻g旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

在時(shí)間△t1段內(nèi)，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E沿著有效工作電壓矢量方向運(yùn)行。在時(shí)間△t0段內(nèi)，零矢量起作用，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E停留在原地，等待下一個(gè)有效工作矢量的到來(lái)。正六邊形定子磁鏈的最大值正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

在直流電壓不變的條件下，要保持輸出頻率越低，△t越大，零矢量作用時(shí)間△t0也越大，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E停留的時(shí)間越長(zhǎng)。由此可知，零矢量的插入有效地解決了定子磁鏈?zhǔn)噶糠蹬c旋轉(zhuǎn)速度的矛盾。恒定，只要使△t1為常數(shù)即可。期望電壓空間矢量的合成

六邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶有較大的諧波分量，這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)。要獲得更多邊形或接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就必須有更多的空間位置不同的電壓空間矢量以供選擇。PWM逆變器只有8個(gè)基本電壓矢量，能否用這8個(gè)基本矢量合成出其他多種不同的矢量呢？期望電壓空間矢量的合成

按空間矢量的平行四邊形合成法則，用相鄰的兩個(gè)有效工作矢量合成期望的輸出矢量，這就是電壓空間矢量PWM（SVPWM）的基本思想。按6個(gè)有效工作矢量將電壓矢量空間分為對(duì)稱的六個(gè)扇區(qū)，當(dāng)期望輸出電壓矢量落在某個(gè)扇區(qū)內(nèi)時(shí)，就用與期望輸出電壓矢量相鄰的2個(gè)有效工作矢量等效地合成期望輸出矢量。期望電壓空間矢量的合成

圖5-27電壓空間矢量的6個(gè)扇區(qū)按6個(gè)有效工作矢量將電壓矢量空間分為對(duì)稱的六個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)期望電壓空間矢量的合成

基本電壓空間矢量圖5-28期望輸出電壓矢量的合成期望輸出電壓矢量與扇區(qū)起始邊的夾角

的線性組合構(gòu)成期望的電壓矢量期望電壓空間矢量的合成

在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期

T0圖5-28期望輸出電壓矢量的合成的作用時(shí)間

的作用時(shí)間

合成電壓矢量期望電壓空間矢量的合成

由正弦定理可得解得

零矢量的作用時(shí)間

期望電壓空間矢量的合成

兩個(gè)基本矢量作用時(shí)間之和應(yīng)滿足當(dāng)

輸出電壓矢量最大幅值

期望電壓空間矢量的合成當(dāng)定子相電壓為三相平衡正弦電壓時(shí)，三相合成矢量幅值

基波相電壓最大幅值基波線電壓最大幅值

期望電壓空間矢量的合成

SPWM的基波線電壓最大幅值為

兩者之比

SVPWM方式的逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，比SPWM逆變器輸出電壓最多提高了約15%。SVPWM的實(shí)現(xiàn)

通常以開(kāi)關(guān)損耗和諧波分量都較小為原則，來(lái)安排基本矢量和零矢量的作用順序，一般在減少開(kāi)關(guān)次數(shù)的同時(shí)，盡量使PWM輸出波型對(duì)稱，以減少諧波分量。零矢量集中的實(shí)現(xiàn)方法

按照對(duì)稱原則，將兩個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間平分為二后，安放在開(kāi)關(guān)周期的首端和末端。零矢量的作用時(shí)間放在開(kāi)關(guān)周期的中間，并按開(kāi)關(guān)次數(shù)最少的原則選擇零矢量。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，有一相的狀態(tài)保持不變，從一個(gè)矢量切換到另一個(gè)矢量時(shí)，只有一相狀態(tài)發(fā)生變化，因而開(kāi)關(guān)次數(shù)少，開(kāi)關(guān)損耗小。零矢量集中的實(shí)現(xiàn)方法

圖5-29零矢量集中的SVPWM實(shí)現(xiàn)零矢量分散的實(shí)現(xiàn)方法

將零矢量平均分為4份，在開(kāi)關(guān)周期的首、尾各放1份，在中間放兩份。將兩個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間平分為二后，插在零矢量間。按開(kāi)關(guān)次數(shù)最少的原則選擇矢量。零矢量分散的實(shí)現(xiàn)方法

圖5-30零矢量分布的SVPWM實(shí)現(xiàn)零矢量分散的實(shí)現(xiàn)方法

每個(gè)周期均以零矢量開(kāi)始，并以零矢量結(jié)束。從一個(gè)矢量切換到另一個(gè)矢量時(shí)，只有一相狀態(tài)發(fā)生變化。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，三相狀態(tài)均各變化一次，開(kāi)關(guān)損耗略大于零矢量集中的方法。SVPWM控制的定子磁鏈

將占據(jù)π/3的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E等分為N個(gè)小區(qū)間，每個(gè)小區(qū)間所占的時(shí)間

定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E為正6N邊形，軌跡更接近于圓，諧波分量小，能有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。SVPWM控制的定子磁鏈

在每個(gè)小區(qū)間內(nèi)，定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽繛閳D5-31期望的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E

非基本電壓矢量，必須用兩個(gè)基本矢量合成。SVPWM控制的定子磁鏈

為了產(chǎn)生

定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽繛?/p>

7步完成的定子磁鏈

圖5-32定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)的7步軌跡SVPWM控制的定子磁鏈

弧度內(nèi)實(shí)際的定子圖5-33N=4時(shí)，實(shí)際的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E磁鏈?zhǔn)噶寇壽E

定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E

SVPWM控制的定子磁鏈

弧度的定子圖5-34定子旋轉(zhuǎn)磁鏈?zhǔn)噶寇壽E磁鏈?zhǔn)噶寇壽E定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E

SVPWM控制的定子磁鏈

實(shí)際的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E在期望的磁鏈圓周?chē)▌?dòng)。N越大，磁鏈軌跡越接近于圓，但開(kāi)關(guān)頻率隨之增大。由于N是有限的，所以磁鏈軌跡只能接近于圓，而不可能等于圓。SVPWM控制的特點(diǎn)

8個(gè)基本輸出矢量，6個(gè)有效工作矢量和2個(gè)零矢量，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，每個(gè)有效工作矢量只作用1次的方式，生成正6邊形的旋轉(zhuǎn)磁鏈，諧波分量大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。用相鄰的2個(gè)有效工作矢量，合成任意的期望輸出電壓矢量，使磁鏈軌跡接近于圓。開(kāi)關(guān)周期越小，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)越接近于圓，但功率器件的開(kāi)關(guān)頻率將提高。SVPWM控制的特點(diǎn)

用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計(jì)算簡(jiǎn)便。與一般的SPWM相比較，SVPWM控制方式的輸出電壓最多可提高15%。*5.4.6交流PWM變頻器-異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的特殊問(wèn)題PWM變頻器的輸出電壓為等幅不等寬的脈沖序列，該脈沖序列可分解為基波和一系列諧波分量?；óa(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，而諧波分量則帶來(lái)一些負(fù)面效應(yīng)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

一般使PWM波正負(fù)半波鏡對(duì)稱和1/4周期對(duì)稱，則三相對(duì)稱的電壓PWM波可用傅氏級(jí)數(shù)表示

轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

當(dāng)諧波次數(shù)k是3的整數(shù)倍時(shí)，諧波電壓為零序分量，不產(chǎn)生該次諧波電流。因此，三相電流可表示為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)近似為正弦波

圖5-35單相等效電路轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

基波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與k次諧波電流傳輸?shù)乃矔r(shí)功率轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)k次諧波電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

k次諧波電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

5次和7次諧波電流產(chǎn)生6次的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，11次和13次諧波電流產(chǎn)生12次的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在PWM控制時(shí)，應(yīng)抑制這些諧波分量。當(dāng)k繼續(xù)增大時(shí)，諧波電流較小，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大，可忽略不計(jì)。電壓變化率

當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡電壓供電時(shí)，線電壓的變化率電壓變化率

采用PWM方式供電時(shí)，線電壓的跳變?cè)谒查g完成，幅值為因此，

很大

在電動(dòng)機(jī)繞組的匝間和軸間產(chǎn)生較大的漏電流，不利于電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。采用多重化技術(shù)，可有效降低電壓變化率，但變頻器主回路和控制將復(fù)雜得多。能量回饋與泵升電壓采用不可控整流的交-直-交變頻器，能量不能從直流側(cè)回饋至電網(wǎng)，交流電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量從電動(dòng)機(jī)側(cè)回饋至直流側(cè)，導(dǎo)致直流電壓上升，稱為泵升電壓。電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)存的動(dòng)能較大、制動(dòng)時(shí)間較短或電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，泵升電壓很高，嚴(yán)重時(shí)將損壞變頻器。泵升電壓的限制在直流側(cè)并入一個(gè)制動(dòng)電阻，當(dāng)泵升電壓達(dá)到一定值時(shí)，開(kāi)通與制動(dòng)電阻相串聯(lián)的功率器件，通過(guò)制動(dòng)電阻釋放電能，以降低泵升電壓。在直流側(cè)并入一組晶閘管有源逆變器或采用PWM可控整流，當(dāng)泵升電壓升高時(shí)，將能量回饋至電網(wǎng)，以限制泵升電壓。泵升電壓的限制圖5-36帶制動(dòng)電阻的交-直-交變頻器主回路泵升電壓的限制圖5-37直流側(cè)并晶閘管有源逆變器的交-直-交變頻器主回路泵升電壓的限制圖5-38PWM可控整流的交-直-交變頻器主回路對(duì)電網(wǎng)的污染

由于直流側(cè)存在較大的濾波電容，只有當(dāng)輸入交流線電壓幅值大于電容電壓時(shí)，才有充電電流流通，交流電壓低于電容電壓時(shí)，電流便終止。電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污染。對(duì)電網(wǎng)的污染圖5-39電網(wǎng)側(cè)輸入電流波形5.5轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵等調(diào)速性能要求不高的負(fù)載，可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，采用轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)電壓頻率協(xié)調(diào)控制的方案。通用變頻器控制系統(tǒng)可以和通用的籠型異步電動(dòng)機(jī)配套使用。具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質(zhì)的負(fù)載。5.5.1轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于系統(tǒng)本身沒(méi)有自動(dòng)限制起制動(dòng)電流的作用，頻率設(shè)定必須通過(guò)給定積分算法產(chǎn)生平緩的升速或降速信號(hào)，電壓--頻率特性電壓/頻率特性當(dāng)實(shí)際頻率大于或等于額定頻率時(shí)，只能保持額定電壓不變。而當(dāng)實(shí)際頻率小于額定頻率時(shí)，一般是帶低頻補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5-40轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)5.5.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖5-41數(shù)字控制通用變頻器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件原理圖系統(tǒng)硬件包括：

主電路、驅(qū)動(dòng)電路、微機(jī)控制電路、信號(hào)采集與故障綜合電路。5.6轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以滿足平滑調(diào)速的要求，但靜、動(dòng)態(tài)性能不夠理想。采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制可提高靜、動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。需增加轉(zhuǎn)速傳感器、相應(yīng)的檢測(cè)電路和測(cè)速軟件等。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速是基于異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。5.6.1轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念及特點(diǎn)異步電動(dòng)機(jī)恒氣隙磁通的電磁轉(zhuǎn)矩公式

將轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念及特點(diǎn)代入電磁轉(zhuǎn)矩公式

，得電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)

轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念及特點(diǎn)定義轉(zhuǎn)差角頻率

電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率s較小，轉(zhuǎn)矩可近似表示

轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想保持氣隙磁通不變，在s值較小的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍內(nèi)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率成正比。在保持氣隙磁通不變的前提下，可以通過(guò)控制轉(zhuǎn)差角頻率來(lái)控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想。轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想臨界轉(zhuǎn)差

最大轉(zhuǎn)矩（臨界轉(zhuǎn)矩）轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，必須使

在轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)允許的最大轉(zhuǎn)差頻率小于臨界轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律用轉(zhuǎn)差頻率來(lái)控制轉(zhuǎn)矩，是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律之一。圖5-42恒氣隙磁通控制的機(jī)械特性轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想如何保持氣隙磁通恒定，是轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)要解決的第二個(gè)問(wèn)題。保持氣隙磁通恒定，異步電動(dòng)機(jī)定子電壓

必須采用定子電壓補(bǔ)償控制，以抵消定子電阻和漏抗的壓降。

轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想定子電壓補(bǔ)償應(yīng)該是幅值和相位的補(bǔ)償，但控制系統(tǒng)復(fù)雜。忽略電流相量相位變化的影響，僅采用幅值補(bǔ)償，則電壓–頻率特性為其中

轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想高頻時(shí)，定子漏抗壓降占主導(dǎo)地位，可忽略定子電阻，簡(jiǎn)化為電壓—頻率特性近似呈線性；低頻時(shí)，定子電阻的影響不可忽略，曲線呈現(xiàn)非線性性質(zhì)。轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想高頻時(shí)，近似呈線性；低頻時(shí)，呈非線性。圖5-43定子電壓補(bǔ)償控制的電壓–頻率特性轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)差頻率成正比，條件是氣隙磁通不變，且在不同的定子電流值時(shí)，按定子電壓補(bǔ)償控制的電壓–頻率特性關(guān)系控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通恒定。

5.6.2轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能分析圖5-44轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩個(gè)轉(zhuǎn)速反饋:轉(zhuǎn)速外環(huán)為負(fù)反饋，ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，一般選用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出轉(zhuǎn)差頻率給定相當(dāng)于電磁轉(zhuǎn)矩給定。內(nèi)環(huán)為正反饋，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)差頻率給定與實(shí)際轉(zhuǎn)速相加，得到定子頻率給定信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由給定頻率和定子電流求得定子電壓給定由于正反饋是不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，必需設(shè)置轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)，才能使系統(tǒng)穩(wěn)