電機(jī)控制 課件 第二章 鼠籠異步電動機(jī)的控制

第二章鼠籠異步電動機(jī)的控制12.2異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型2.3異步電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速2.4異步電動機(jī)變頻調(diào)速理論2.5靜止變頻器及脈寬調(diào)制技術(shù)2.6異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)2.7異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型2.8異步電動機(jī)的矢量控制2.9異步電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制2.1異步電動機(jī)的調(diào)速方法鼠籠異步電動機(jī)的控制2?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.1異步電動機(jī)的調(diào)速方法32.1.1按轉(zhuǎn)速公式分類

一類：保持旋轉(zhuǎn)磁場同步速ns不變，改變轉(zhuǎn)差率s包含：調(diào)壓調(diào)速轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速滑差離合器調(diào)速和串級調(diào)速；另一類：保持轉(zhuǎn)差率不變，改變旋轉(zhuǎn)磁場的同步速度ns包含：變頻調(diào)速變極調(diào)速轉(zhuǎn)速公式：42.1.2按轉(zhuǎn)差功率變化情況分類功率分配定子輸入功率進(jìn)入氣隙電磁功率軸上輸出機(jī)械功率轉(zhuǎn)子回路轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速方式轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速方式轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速方式按轉(zhuǎn)差功率變化情況分類：52.1.2按轉(zhuǎn)差功率變化情況分類轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速方式內(nèi)容：將全部的轉(zhuǎn)差功率都消耗在轉(zhuǎn)子電路中，以消耗更多的轉(zhuǎn)差功率來換取轉(zhuǎn)速的下降優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，成本低缺點(diǎn)：效率較低轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速方式內(nèi)容：轉(zhuǎn)差功率在調(diào)速過程中基本保持不變優(yōu)點(diǎn)：效率高在定子電路中配備與電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)淖冾l器，增加了設(shè)備的成本轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速方式內(nèi)容：一部分的轉(zhuǎn)差功率被消耗掉，大部分功率通過電力電子電路回饋給電網(wǎng)或者轉(zhuǎn)化為機(jī)械能加以利用優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)速越低，回饋的功率越多，效率較高缺點(diǎn)：須在電路中增加一些設(shè)備，且僅局限于繞線型異步電動機(jī)系統(tǒng)62.1.3常見調(diào)速方法的基本原理及特點(diǎn)低效調(diào)速不改變旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，通過改變轉(zhuǎn)差率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速異步電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速高效調(diào)速通過改變旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)調(diào)速變極調(diào)速變頻調(diào)速串級調(diào)速（特殊）72.1.3常見調(diào)速方法的基本原理及特點(diǎn)串級調(diào)速從本質(zhì)上：從能量流動角度：似屬于低效調(diào)速而屬于高效調(diào)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法轉(zhuǎn)子回路中串入轉(zhuǎn)子同頻附加電動勢回收利用了多余轉(zhuǎn)差功率，減小了系統(tǒng)的實(shí)際損耗82.1.3常見調(diào)速方法的基本原理及特點(diǎn)1.變極調(diào)速通過改變定子繞組的聯(lián)結(jié)方式來改變籠型電動機(jī)定子的極對數(shù)，進(jìn)而改變旋轉(zhuǎn)磁場的同步速度以達(dá)到調(diào)速的目的優(yōu)點(diǎn)：具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好；無轉(zhuǎn)差損耗，效率高缺點(diǎn)：只有鼠籠式異步電機(jī)才能采用變極調(diào)速，屬于有級調(diào)速，無法實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速92.1.3常見調(diào)速方法的基本原理及特點(diǎn)2.滑差離合器調(diào)速內(nèi)容：通過調(diào)節(jié)滑差離合器的勵(lì)磁電流，改變其內(nèi)部的磁場強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：電磁滑差離合器結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，控制方便，運(yùn)行可靠缺點(diǎn)：低速運(yùn)行時(shí)損耗大，效率低10?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.2異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型112.2.1異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路忽略空間和時(shí)間諧波忽略鐵磁非線性飽和忽略鐵損異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等值電路122.2.1異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路忽略勵(lì)磁電流支路轉(zhuǎn)子相電流幅值為異步電機(jī)的簡化等效電路132.2.2異步電動機(jī)的機(jī)械特性異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 臨界轉(zhuǎn)差率臨界轉(zhuǎn)矩142.2.2異步電動機(jī)的機(jī)械特性當(dāng)轉(zhuǎn)差率較小當(dāng)轉(zhuǎn)差率較大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率近似成正比，如線段a所示轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)差率成反比，如曲線b所示152.2.3基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的調(diào)速方法常用調(diào)速方式（根據(jù)公式）：改變電動機(jī)參數(shù)、電源電壓（調(diào)壓調(diào)速）和電源頻率（變頻調(diào)速）異步電機(jī)的調(diào)速方法人為改變異步電機(jī)的自然機(jī)械特性，從而使得電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)偏移原有的機(jī)械特性，工作在人為機(jī)械特性上，達(dá)到調(diào)速的目的。16?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3異步電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速172.3異步電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速18內(nèi)容：保持異步電機(jī)供電電源頻率不變，只變定子電壓特點(diǎn)：

（1）如定子電壓升高，電機(jī)絕緣水平也相應(yīng)提高，增加電機(jī)本體成本

（2）電壓升高受磁路飽和限制只能降壓/弱磁調(diào)速2.3.1異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速的主電路晶閘管交流調(diào)壓器來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速觸發(fā)方式：相控和整周波通斷控制192.3.1異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速的主電路202.3.2異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性表達(dá)式為缺點(diǎn)：（1）帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)調(diào)速范圍十分有限（2）功率因數(shù)低、電流大等。212.3.2異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性高轉(zhuǎn)子電阻異步電動機(jī)通過增大轉(zhuǎn)子電阻來增大調(diào)速范圍優(yōu)點(diǎn)：

相比常規(guī)電機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍缺點(diǎn)：

機(jī)械特性較軟，轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響比較明顯222.3.3閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)提高降壓調(diào)速時(shí)機(jī)械特性的硬度增大籠型電機(jī)的調(diào)速范圍速度負(fù)反饋調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)及其閉環(huán)機(jī)械特性速度閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)勢：232.3.4降壓控制的應(yīng)用方法：定子Y/△改接起動、串電抗器起動、自耦變壓器降壓起動特點(diǎn)：都是一次降壓，起動中經(jīng)歷二次電流沖擊異步電動機(jī)不同起動方法的電流沖擊a—直接起動

b—一級降壓起動

c—恒流軟起動器起動（1）恒流軟起動器常規(guī)降壓起動改進(jìn)降壓起動方法：電子控制軟起動器

主電路采用晶閘管交流調(diào)壓器特點(diǎn)：限制起動電流起動時(shí)間更短242.3.4降壓控制的應(yīng)用（2）準(zhǔn)恒速輕載調(diào)壓節(jié)能異步電機(jī)定子繞組Y接法和△接法時(shí)運(yùn)行特性比較方法：輕載時(shí)能在確保拖動負(fù)載和轉(zhuǎn)速基本不變的條件下適當(dāng)降低電壓，此時(shí)電機(jī)內(nèi)磁場強(qiáng)度減弱，使得鐵損及磁化電流隨之降低特點(diǎn)：效率、功率因數(shù)明顯提高25?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.4異步電動機(jī)變頻調(diào)速理論26

為突出主要特性，計(jì)及負(fù)面效應(yīng)，研究方法擬討論：基波（變頻）決定的運(yùn)行特性說明：諧波產(chǎn)生的對運(yùn)行的負(fù)面影響∴以變頻的正弦基波討論調(diào)速特性

變頻調(diào)速時(shí)，控制供電頻率以改變旋轉(zhuǎn)磁場同步速。變頻時(shí)，其他量（如供電電壓）要不要變？按什么規(guī)律變？

-——變頻調(diào)速控制問題。2.4.1變頻調(diào)速的基本控制原理272.4.1變頻調(diào)速的基本控制原理

根據(jù)電機(jī)原理，電機(jī)運(yùn)行（恒速或變頻）時(shí)均希望其運(yùn)行性能（力能指標(biāo)、）保持在設(shè)計(jì)點(diǎn)上關(guān)鍵是保證電機(jī)磁路工作點(diǎn)不變或按要求變。

磁路工作點(diǎn)以每極磁通或磁密描述控制基點(diǎn)28

電機(jī)確定后，結(jié)構(gòu)參數(shù)確定（不變），則有說明：

變頻運(yùn)行時(shí)，必須同時(shí)調(diào)節(jié)，才能確保符合要求

控制要求是：基頻以下恒磁通，基頻以上弱磁2.4.1變頻調(diào)速的基本原理

反映在電機(jī)內(nèi)、外部電量關(guān)系上，有291、基頻以下（）設(shè)額定運(yùn)行點(diǎn)為、為保持良好運(yùn)行性能，要求維持磁路工作點(diǎn)——恒磁通。否則

磁路過飽和

磁路欠飽和→出力不夠維持要求隨線性變化，但為電機(jī)內(nèi)部量，只能通過端電壓間接控制2.4.1變頻調(diào)速的基本原理30規(guī)律：

①較高時(shí)：大（忽略）則（恒壓頻比控制)→圖中直線②很低時(shí)（）：小→不能忽略，且定子電阻壓降比重大不成立→只有適當(dāng)抬高以克服，使成立——低頻補(bǔ)償（低頻電壓提升）→圖中曲線b2.4.1變頻調(diào)速的基本原理312、基頻以上（）

后不能再作控制，否則對電力電子器件及電機(jī)絕緣耐壓造成危害→只能維持不變

高頻下，，則有即（弱磁）

電磁轉(zhuǎn)矩即2.4.1變頻調(diào)速的基本原理32電磁功率

結(jié)論：弱磁控制，實(shí)現(xiàn)恒功率運(yùn)行

關(guān)系成為變頻調(diào)速系統(tǒng)電壓/頻率協(xié)調(diào)控制的依據(jù)（紐帶）2.4.1變頻調(diào)速的基本原理332.4.2異步電機(jī)的工作特性變頻調(diào)速的機(jī)械特性(原式)當(dāng)轉(zhuǎn)差率s較小時(shí)，可以忽略上式分母上含s各項(xiàng)，經(jīng)化簡可得342.4.2異步電機(jī)的工作特性35變頻調(diào)速的機(jī)械特性當(dāng)異步電機(jī)帶一定負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)速降落Δn為當(dāng)轉(zhuǎn)矩保持不變時(shí)，采用恒壓頻比控制時(shí)，Δn基本不變，即改變頻率時(shí)其機(jī)械特性是平行下移的。2.4.2異步電機(jī)的工作特性變頻調(diào)速的機(jī)械特性最大轉(zhuǎn)矩(原式)缺點(diǎn)：當(dāng)頻率較低時(shí)最大轉(zhuǎn)矩值過小，將限制電動機(jī)的帶載能力。改進(jìn)：如果在低頻時(shí)適當(dāng)提高電壓U1以補(bǔ)償定子漏阻抗壓降，則可在局部低頻范圍內(nèi)提高最大轉(zhuǎn)矩，增強(qiáng)電機(jī)的帶載能力。36固定頻率下，T-S曲線變頻時(shí)T-S曲線將為一族不同的曲線，其形狀與不同電壓/頻率比控制方式有關(guān)，需分開討論2.4.2異步電機(jī)的工作特性37幾種磁通及其對應(yīng)電勢：氣隙磁通

氣隙電勢定子全磁通

定子電勢轉(zhuǎn)子全磁通

轉(zhuǎn)子電勢2.4.2異步電機(jī)的工作特性38轉(zhuǎn)子電流

固定某，求出一條特性；變化，可求得一族機(jī)械特性

控制下電磁轉(zhuǎn)矩

1、恒氣隙磁通（）控制基頻以下的電壓補(bǔ)償39（2）機(jī)械特性特點(diǎn)①恒最大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行——最大轉(zhuǎn)矩不變，與無關(guān)。證明：對式（2-36）中T求極值（），求得

②仍為恒轉(zhuǎn)矩特性（不同下相同），但線性段范圍更寬?；l以下的電壓補(bǔ)償40③低頻時(shí)起動轉(zhuǎn)矩比額定頻率起動轉(zhuǎn)矩大。原因：

起動轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)子內(nèi)功率因數(shù)角

起動時(shí)s=1，轉(zhuǎn)子頻率，完全決定于定子（電源）頻率基頻以下的電壓補(bǔ)償41

低頻起動時(shí)，小→小→轉(zhuǎn)子電流有功分量（）大→產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩大；額定頻率起動時(shí)，大→大→轉(zhuǎn)子電流有功分量（）小→產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩小。要實(shí)現(xiàn)恒最大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，必須確保氣隙磁通（恒定），即（恒定）。而外部控制量為，必須全頻范圍內(nèi)恰如其分地補(bǔ)償定子電阻壓降。須探討電壓補(bǔ)償規(guī)律?；l以下的電壓補(bǔ)償42（3）電壓補(bǔ)償規(guī)律

補(bǔ)償目標(biāo)：全頻范圍使最大轉(zhuǎn)矩保持為額定點(diǎn)（）的設(shè)運(yùn)行點(diǎn)（）：定義相對頻率

最大轉(zhuǎn)矩

解得

基頻以下的電壓補(bǔ)償43令

有

表示電機(jī)參數(shù)一定（Q一定）時(shí)，維持及恒定時(shí)定子電壓隨運(yùn)行頻率變化應(yīng)遵循的規(guī)律?；l以下的電壓補(bǔ)償442、恒轉(zhuǎn)子磁通（）控制

低頻時(shí)如將電壓作進(jìn)一步補(bǔ)償，除補(bǔ)償?shù)舳ㄗ勇┳杩箟航低猓傺a(bǔ)償?shù)艮D(zhuǎn)子漏阻抗壓降，最后保持轉(zhuǎn)子電勢隨線性變化，實(shí)現(xiàn)控制基頻以下的電壓補(bǔ)償45機(jī)械特性轉(zhuǎn)子電流電磁轉(zhuǎn)矩

確定頻率下，機(jī)械特性為一直線；不同頻率下，為一族平行線——并激直流電機(jī)特性基頻以下的電壓補(bǔ)償46轉(zhuǎn)子全磁通產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電勢，

控制能實(shí)現(xiàn)控制控制即異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制（矢量控制）以上三種電壓/頻率控制均保持相應(yīng)三種磁通恒定為原則，適合恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行?；l以下的電壓補(bǔ)償47基頻以上的恒功率運(yùn)行實(shí)際中還有恒功率運(yùn)行要求車輛驅(qū)動：低速大轉(zhuǎn)矩，高速小轉(zhuǎn)矩

變頻調(diào)速基頻以上弱磁控制，近似恒功率運(yùn)行

在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，由于定子電壓不能超過額定電壓值U1N，調(diào)速只能通過減小氣隙磁通來實(shí)現(xiàn)。

由于定子電壓一直為額定電壓值，異步電機(jī)的機(jī)械特性方程可以改寫為48基頻以上的恒功率運(yùn)行當(dāng)轉(zhuǎn)差率s較小時(shí)，忽略上式分母中含s各項(xiàng)，則由此可得帶一定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落Δn為當(dāng)頻率ω1升高而電壓保持不變時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之升高，臨界轉(zhuǎn)矩減小，對于同一轉(zhuǎn)矩，頻率ω1越大，轉(zhuǎn)速降落Δn越大，機(jī)械特性越軟。49?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.5靜止變頻器及脈寬調(diào)制技術(shù)50

靜止變頻器變頻☆變頻調(diào)速系統(tǒng)由變頻器+控制系統(tǒng)+電機(jī)構(gòu)成,，本節(jié)對變頻器作回顧和擴(kuò)充☆變頻方式分類（1）間接變頻：工頻交流直流變頻交流，稱交—直—交（間接）變頻，用于中、小容量調(diào)速傳動。

（2）直接變頻：工頻交流

變頻交流，稱交—交（直接）變頻，用于大容量、低速傳動。逆變整流511．結(jié)構(gòu)型式：按電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)方式區(qū)分（1）可控整流器調(diào)壓+逆變器變頻

◆協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)

■變相控調(diào)壓■改變逆變器換流快慢（脈沖頻率）實(shí)現(xiàn)變頻一、交—直—交變頻器52一、交—直—交變頻器◆優(yōu)點(diǎn)：調(diào)壓、變頻在兩個(gè)環(huán)節(jié)中完成，協(xié)調(diào)控制簡單、方便

缺點(diǎn)：

■低頻時(shí)電壓低低壓時(shí)角大（）

系統(tǒng)輸入功率因數(shù)低

■逆變器開關(guān)頻率低，輸出為六階梯波，低次諧波含量大（輸出特性差）53一、交—直—交變頻器（2）不控整流器整流+斬波器調(diào)壓+逆變器變頻◆協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)■不控整流（），提高輸入■不控整流輸出恒定，采用斬波器脈寬調(diào)制調(diào)壓■逆變器輸出六階梯波，仍有輸出特性差（低頻諧波）問題54一、交—直—交變頻器◆逆變器輸出特性改善——脈寬調(diào)制

■提高逆變器開關(guān)頻率，使最低次諧波頻率提高，負(fù)面影響削弱■采用正弦脈寬調(diào)制（SinePulsewidthModulation——PWM）控制，使輸出電壓以正弦基波為主（3）不控整流器整流+PWM逆變器調(diào)壓/變頻55一、交—直—交變頻器◆PWM逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓與變頻雙重功能◆采用自關(guān)斷器件作高頻開關(guān)■電壓控制型☆交—直—交變換中存在直流環(huán)節(jié)，采用不同濾波元件以平滑直流電壓/電流，因此形成了不同的逆變器電源內(nèi)阻特性。

■電流控制型562．逆變器的電源特性（1）電壓源型逆變器◆特性

■大電容濾波，逆變器電源內(nèi)阻為，動態(tài)時(shí)，，呈現(xiàn)低內(nèi)阻特性■輸出電壓不隨負(fù)載電流變，穩(wěn)定，呈電壓源性質(zhì)電壓源型變頻器57電流源型變頻器（2）電流源型逆變器◆特性

■大電感濾波，逆變器電源內(nèi)阻為，

動態(tài)時(shí)，，呈現(xiàn)高內(nèi)阻特性

■輸出電流穩(wěn)定，輸出電壓隨負(fù)載電流變，呈電流源特性58逆變器的電源特性（3）比較①功率開關(guān)導(dǎo)通方式——與逆變器類型有關(guān)

（A）電壓源型：180o導(dǎo)通型（每管導(dǎo)通半周期）

（a）換流在同相上、下橋臂元件間進(jìn)行，要求觸發(fā)信號互補(bǔ)59逆變器的電源特性（b）任何時(shí)刻均有三管導(dǎo)通，使三相電壓確定——電壓源型特點(diǎn)■如時(shí)刻，VT1、VT2、VT3通，形成三相繞組電壓狀態(tài)為60逆變器的電源特性（B）電流源型：1200導(dǎo)通型（每管導(dǎo)通1/3周期）

（a）換流在同組（共陽或共陰組）的三相元件間進(jìn)行61逆變器的電源特性（b）任何時(shí)候只有兩管導(dǎo)通，使三相電流確定——電流源特點(diǎn)■如時(shí)刻，VT1、VT2通，形成三相電流狀態(tài)為62逆變器的電源特性②四象限運(yùn)行能力☆具有四象限運(yùn)行能力的關(guān)鍵是：能量/功率可通過變頻器在電網(wǎng)與負(fù)載（電機(jī)）間雙向流動，這與逆變器類型有關(guān)。

（A）電壓源型逆變器（a）大電容濾波，直流母線電壓極性不能改變63逆變器的電源特性（b）兩橋開關(guān)元件單向?qū)щ娦詻Q定了直流電流流向不能變（c）功率只能從電網(wǎng)流向電機(jī)，電機(jī)只能作電動運(yùn)行，故無四象限運(yùn)行能力（d）如要功率倒流，在保證直流電壓極性不變條件下，必須改造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)64逆變器的電源特性（B）電流源型逆變器（a）大電感濾波，直流母線電壓極性允許改變（b）兩橋開關(guān)元件單向?qū)щ娦詻Q定直流電流流向不能變65逆變器的電源特性（c）功率流向改變?nèi)扛淖冎绷髂妇€電壓極性，這是通過調(diào)節(jié)兩橋變流器觸發(fā)角大小來實(shí)現(xiàn)66逆變器的電源特性③過流保護(hù)能力（A）電流源型：直流濾波電感表現(xiàn)出高阻抗特性，可阻止電流的上升，爭取了保護(hù)實(shí)施所需時(shí)間，有利過流保護(hù)。（B）電壓源型：直流濾波電容表現(xiàn)為低阻特性，對電流無限制，不利過電流保護(hù)。67逆變器的電源特性④應(yīng)用場合（A）電壓源型

■電源內(nèi)阻小，拖動多臺電機(jī)工作時(shí)小值電源內(nèi)阻不會影響端電壓，適合多機(jī)群控■因無制動功能，不能快速加、減速（B）電流源型

■電源內(nèi)阻大，多機(jī)運(yùn)行將通過大內(nèi)阻壓降相互影響，只適合單機(jī)運(yùn)行

■有四象限運(yùn)行能力，適合于有動態(tài)快速性要求的場合68逆變器的電源特性電壓源型與電流源型逆變器性能比較692.5.2脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)☆問題的提出——優(yōu)化交-直-交變頻器的輸入，輸出特性，解決：（1）輸出諧波問題■SCR逆變器開關(guān)頻率低（SCR每周期換流一次），輸出電壓為六階梯波，電流非正弦，富含低次諧波70脈寬調(diào)制型逆變器■為使輸出電壓基波含量大、低次諧波含量少且諧波高頻化，必須使逆變器開關(guān)器件按一定規(guī)律作高頻開關(guān)——逆變器高頻化●一定規(guī)律——脈寬調(diào)制（PWM）方式●高頻開關(guān)——自關(guān)斷器件電流控制型：GTO（kHz），GTR（2~4kHz）電壓控制型：IGBT（20kHz），P—MOSFET（100kHz）71脈寬調(diào)制型逆變器（2）輸入功率因數(shù)問題■交—直—交變頻常采用可控整流——無源逆變變流方式低速時(shí)低頻并配合低壓，以維持電機(jī)磁路工作點(diǎn)不變低壓時(shí)可控整流器觸發(fā)角系統(tǒng)輸入72脈寬調(diào)制型逆變器■為提高調(diào)速系統(tǒng)輸入功率因數(shù)，采用不控整流器，相當(dāng)可控整流器狀態(tài)。此時(shí)逆變器必須同時(shí)承擔(dān)調(diào)壓、變頻雙重任務(wù)，為此采用脈寬調(diào)制（PWM）控制來實(shí)現(xiàn)73脈寬調(diào)制型逆變器☆PWM逆變器的概念（1）結(jié)構(gòu)■直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，故為電壓型逆變器■與主開關(guān)元件反并聯(lián)的續(xù)流二極管為異步電機(jī)無功電流提供通路74■續(xù)流二極管工作機(jī)理●——應(yīng)接至+的上組橋臂元件通——應(yīng)接至－的下組橋臂元件通●——使電流流出A點(diǎn)的元件通

——使電流流入A點(diǎn)的元件通●——向電機(jī)提供能量（有功能量）

——從電機(jī)反饋能量（無功能量）φ脈寬調(diào)制型逆變器脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)（2）輸出電壓波形■逆變器輸入電壓恒定，為使電機(jī)端電壓基波成分量大，則逆變器輸出電壓波形為一組幅值恒定、寬度按正弦規(guī)律變化的高頻矩形脈沖——SPWM波■頻率分析結(jié)果主要成分為基波，諧波含量少，且為開關(guān)頻率的高次諧波76脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)☆PWM調(diào)制方法（波形生成）

PWM逆變器控制的核心，有三種重要調(diào)制方法①用開關(guān)方式生成一組三相正弦變頻電壓給電機(jī)，而不關(guān)心電機(jī)內(nèi)電流——正弦脈寬調(diào)制②用開關(guān)方式提供一組三相正弦變頻電流給電機(jī)，不關(guān)心電機(jī)內(nèi)的磁場分布——電流滯環(huán)控制③確保電機(jī)內(nèi)部形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場來綜合控制三相電壓——磁鏈追蹤控制77正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)1正弦脈寬調(diào)制原理■等效的原則：每一區(qū)間面積相等78正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)791正弦脈寬調(diào)制原理■方波電壓的傅立葉級數(shù)分析正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)801正弦脈寬調(diào)制原理■方波電壓的傅立葉級數(shù)分析正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)811正弦脈寬調(diào)制原理■方波電壓的基頻分量正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)2．正弦脈寬調(diào)制（SPWM）◆目標(biāo)：以開關(guān)方式生成三相對稱、正弦變化的變頻電壓◆方法：●自然采樣法●指定諧波消去法（1）自然采樣法：采用正弦“調(diào)制波”與等腰三角形“載波”相交，交點(diǎn)決定逆變器開關(guān)通、斷時(shí)刻產(chǎn)生出脈寬調(diào)制波單極性控制雙極性控制分方式82調(diào)壓變頻的實(shí)現(xiàn)——以自然采樣法為例說明■自然采樣法：輸出頻率的正弦“調(diào)制波”與高頻的等腰三角形“載波”相交，交點(diǎn)確定出各功率器的開關(guān)時(shí)刻●當(dāng)某相調(diào)制波電壓高于載波電壓時(shí)，該相上橋臂元件導(dǎo)通，輸出●當(dāng)某相調(diào)制波電壓低于載波電壓時(shí)，該相下橋臂元件通，輸出（單極性）83正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)以雙極性控制說明自然采樣法的原理特點(diǎn)（A）正弦調(diào)制波，三角載波均為正、負(fù)交變的雙極性84正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)（B）輸出的各半周期內(nèi)，逆變器同相橋臂上、下元件均工作，作互補(bǔ)通、斷●當(dāng)時(shí)，上臂元件通、下臂元件斷，輸出；●當(dāng)時(shí)，下臂元件通、上通元件斷，輸出；（C）任半周期內(nèi)，輸出電壓均有正、負(fù)極性——雙極性。直流電壓利用率高，但有上、下橋臂元件直通危險(xiǎn)，應(yīng)設(shè)死區(qū)保護(hù)。85正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)☆變頻時(shí)，SPWM輸出頻率變，要求調(diào)制波頻率變。載波頻率應(yīng)如何控制？③調(diào)制波與載波的配合控制（A）異步調(diào)制——調(diào)制波頻率變化，載波頻率恒定不變特點(diǎn)：（a）控制方便（b）輸出電壓不穩(wěn)定86正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)■載波比（）以保證波形■異步調(diào)制時(shí)●低頻運(yùn)行時(shí)大，半周期脈沖數(shù)多，諧波少；

●高頻運(yùn)行時(shí)小，半周期脈沖數(shù)少，諧波多；

●變頻運(yùn)行中變，不能確保，半周期脈沖數(shù)變化，甚至正、負(fù)半周中的脈沖數(shù)也不相同，分解出的基波相位也變，將造成電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定。87正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)（B）同步調(diào)制—（載波頻率與調(diào)制波頻率正比變化）特點(diǎn)：（a）任何頻率下，半周內(nèi)脈沖數(shù)相同，輸出電壓波形穩(wěn)定[例]N=388

（b）低頻時(shí)應(yīng)增大

N，以增加脈沖數(shù)，減小諧波正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)（C）分段同步調(diào)制（混合調(diào)制）特點(diǎn)：（a）將運(yùn)行頻率范圍分段，每段N不變，段內(nèi)N不變

（同步調(diào)制）（b）低頻段N大，以增加脈沖數(shù)，減少諧波89正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)說明：■為使三相對稱，N為3的倍數(shù)■分段及選N時(shí)，確保開關(guān)頻率限定在10~20kHz，以充分及安全利用IGBT■低頻異步調(diào)制，充分利用器件開關(guān)頻率；后，（方波），充分利用直流母線電壓90正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)橋臂元件開關(guān)死區(qū)對PWM變頻器輸出的影響實(shí)際中，若逆變器同橋臂上、下功率器件驅(qū)動信號互補(bǔ)，易發(fā)生直通短路，造成逆變器故障在上下橋臂驅(qū)動信號間設(shè)置死區(qū)時(shí)間td，使上、下橋臂均關(guān)斷。對IGBT來說，一般選定td=(2~5)us死區(qū)會造成電壓諧波，造成輸出電壓損失，調(diào)速性能惡化。以A相橋臂元件V1

、V4進(jìn)行說明91正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)92死區(qū)對輸出電壓波形的影響：無開關(guān)死區(qū)的理想A相電壓波形死區(qū)時(shí)間為td

的V1

、V4驅(qū)動信號平均偏差電壓實(shí)際與理想輸出電壓之差脈沖電壓uer

實(shí)際A相輸出電壓波形異步電機(jī)感性電流iA

正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)93死區(qū)對變頻器輸出的影響規(guī)律：計(jì)及死區(qū)效應(yīng)的實(shí)際輸出電壓基波幅值比不計(jì)及死區(qū)效應(yīng)的理想情況減小。且電動機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)越好，影響越大。隨著變頻器輸出頻率的降低，死區(qū)影響增大，故低頻、低速運(yùn)行時(shí)，死區(qū)效應(yīng)會越嚴(yán)重。理想輸出SPWM波形中只存在與載波比有關(guān)的高次諧波，不存在低次諧波。但計(jì)及死區(qū)效應(yīng)后，變頻器輸出波形發(fā)生畸變，存在非3的倍數(shù)低次諧波，引起電磁轉(zhuǎn)矩脈動，甚至發(fā)生機(jī)組震蕩。應(yīng)對措施：死區(qū)補(bǔ)償正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)

SPWM總結(jié)：■主電路采用一組可控功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)■采用不控整流，功率因數(shù)接近于1■逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻和調(diào)壓■可獲得接近正弦波的輸出電壓波形，提高了系統(tǒng)性能94正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)■調(diào)壓變頻●改變正弦調(diào)制波的頻率，調(diào)節(jié)PWM波脈寬變化周期，即調(diào)節(jié)頻率；●改變正弦調(diào)制波的幅值，改變相同位置處脈沖寬度，從而改變PWM波形中基波幅值，即調(diào)節(jié)輸出電壓大??；●將變頻、調(diào)壓統(tǒng)一在調(diào)制波頻率、幅值的調(diào)節(jié)上，使一個(gè)逆變器同時(shí)完成二種功能——PWM逆變器。95正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)2.5.4指定諧波消去法◆目標(biāo)：在開關(guān)次數(shù)少（減少開關(guān)損耗）原則下，通過開關(guān)角（開關(guān)時(shí)刻）優(yōu)化，消除對調(diào)速系統(tǒng)影響最大的某幾次諧波，獲得所需正弦電壓輸出（非諧波高頻化的簡單處理）◆方法：[例]1/4周期僅有三個(gè)開關(guān)角、、的單級性SPWM，要求消除最大的5、7次低次諧波96指定諧波消去法■圖示PWM作傅立葉級數(shù)分析，時(shí)間坐標(biāo)原點(diǎn)取在1/4周期處，有其中將圖中PWM波形分段描述，代入，則有97指定諧波消去法為無3及倍數(shù)次的奇次諧波■因：PWM波形軸對稱，無偶次諧波三相無中線系統(tǒng)，無3次諧波98指定諧波消去法■按要求聯(lián)立解，可求出消除5、7次影響最大諧波的SPWM的開關(guān)角■若要消除更多低次諧波，應(yīng)列更多方程聯(lián)立求解出更多開關(guān)解。一般最多5個(gè)，以消除5、7、11、13次諧波。992.5.5電流跟蹤型脈寬調(diào)制（CFPWM、HCC）電流跟蹤控制（電流型PWM）◆目標(biāo)：避開電壓波形正弦化，直接追求向電機(jī)三相繞組饋入頻率可變的正弦電流◆方法：給定電流正弦變化規(guī)律，迫使逆變器產(chǎn)生的實(shí)際電流在給定誤差范圍（滯環(huán)內(nèi)）變化；電流的強(qiáng)制變化必然是逆變器開關(guān)某種規(guī)律運(yùn)作的結(jié)果，由此產(chǎn)生出電流跟蹤控制PWM波100電流跟蹤型脈寬調(diào)制（CFPWM）■波形——給定正弦電流指令（參考值）——給定正弦電流允許誤差（單邊滯環(huán)帶寬）——逆變器輸出實(shí)際電流——電流跟蹤控制PWM電壓(雙極性)101電流跟蹤型脈寬調(diào)制（CFPWM）102■控制●當(dāng)（實(shí)際電流過大），控制逆變器下橋臂元件導(dǎo)通，輸出，衰減●當(dāng)（實(shí)際電流不夠大），控制逆變器上橋臂元導(dǎo)通，輸出，增長●這樣，將限定在范圍（電流滯環(huán)）內(nèi)，輸出雙極性PWM電壓電流跟蹤型脈寬調(diào)制（CFPWM）◆特點(diǎn)■輸出電流正弦，主要為基波及高頻開關(guān)諧波，無低次諧，波形與負(fù)載大小無關(guān)，故稱電流源型PWM逆變器■輸出電壓為雙極性PWM波，非正弦脈寬調(diào)制（SPWM）■器件開關(guān)頻率非恒定1032.5.6磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）◆目標(biāo)：將逆變器與電機(jī)作為一個(gè)整體，以圓形旋轉(zhuǎn)磁場為目標(biāo)來控制逆變器工作，由于磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量作用獲得，又稱電壓空間矢量調(diào)制。104磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）電壓空間矢量的定義105A、B、C分別三相繞組的軸線，它們在空間互差120°，三相定子電壓分別加在三相繞組上k為待定系數(shù)三相合成矢量磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）106空間矢量功率三相瞬時(shí)功率

根據(jù)空間矢量功率與三相瞬時(shí)功率相等的原則，可以求出電流矢量的共軛矢量特點(diǎn)：幅值為相電壓的倍，以角速度恒定旋轉(zhuǎn)磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）107當(dāng)定子三相電壓為三相平衡正弦電壓時(shí)，三相合成矢量為為相電壓幅值磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）

電壓與磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系定子電壓方程忽略定子電阻壓降或定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量只有實(shí)行恒壓頻比控制才能獲得保持旋轉(zhuǎn)磁場的幅值不變108磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）109PWM逆變器基本輸出電壓矢量

在電壓源型逆變器供電條件下，功率開關(guān)元件一般采用1800導(dǎo)通型，這樣在任一時(shí)刻都會有不同橋臂的三個(gè)元件同時(shí)導(dǎo)通上橋臂導(dǎo)通：取1下橋臂導(dǎo)通：取0三相開關(guān)函數(shù)組合

磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）110■開關(guān)器件1800導(dǎo)通型，輸出六階梯波磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）111①六階梯波時(shí)，電壓及磁鏈空間矢量

（A）電壓空間矢量——三相電壓的綜合描述■逆變器三相輸出電壓是六個(gè)功率器件不同開關(guān)狀組合的結(jié)果，故電壓矢量空間矢量與三相開關(guān)函數(shù)組合有關(guān)；不同電壓空間矢量可采用三相開關(guān)函數(shù)組合來區(qū)分即■共有八種三相開關(guān)狀態(tài)組合及相應(yīng)電壓六種有效電壓空間矢量二種零電壓空間矢量磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）112PWM逆變器基本輸出電壓矢量以（SA,SB,SC）=（1,0,0）為例(uA,uB,uC)=(Ud/2,-Ud/2,-Ud/2)u1-u6：有效空間矢量u0、u7：零矢量磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）基本空間電壓矢量113磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）114■電壓空間矢量類型●六個(gè)有效矢量、、、、、：幅值相等相位互差●二個(gè)無效矢量、：幅值、相位為零——零矢量，用于控制旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速——走走停停磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）115（B）磁鏈空間矢量

（a）磁鏈?zhǔn)请妷旱姆e分：離散化：說明磁鏈增矢量是電壓空間矢量與其作用時(shí)間的乘積

●電壓矢量方向決定了磁鏈增矢量方向●作用時(shí)間決定了磁鏈增矢量的大小磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）116（b）六階梯波逆變器，每種開關(guān)狀態(tài)持續(xù)1/6周期，因而每種電壓空間矢量作用時(shí)間，由此可導(dǎo)出磁鏈軌跡?！黾僭O(shè)：●初始磁矢量位于軸●從VT1、VT6、VT2開關(guān)狀態(tài)開始，

建立■在作用下，建立磁鏈增矢量則新磁鏈?zhǔn)噶看沛湼櫺蚉WM（SVPWM）117■在作用下，建立磁鏈增矢量則新磁鏈?zhǔn)噶看沛湼櫺蚉WM（SVPWM）118■按

順序作用，作用時(shí)間均為，可得六個(gè)磁鏈增矢量及磁鏈?zhǔn)噶看沛湼櫺蚉WM（SVPWM）正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場在一個(gè)周期內(nèi)，六個(gè)有效工作矢量按順序作用

時(shí)間119磁鏈增量可表示為定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動軌跡為磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場120氣隙磁場是步進(jìn)磁場而非圓形旋轉(zhuǎn)磁轉(zhuǎn)，包含有很多的磁場諧波，這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的波動，惡化了電機(jī)運(yùn)行性能。若要保證磁鏈幅值的恒定，變頻的同時(shí)需要調(diào)壓，帶來控制的復(fù)雜性，可以考慮引入零矢量根據(jù)正六邊形的性質(zhì)可得磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）

121電源角頻率ω1越低，Δt越長，保持Δt1為恒定值，零矢量的作用時(shí)間Δt0變長。零矢量可以使得定子磁鏈?zhǔn)噶客Ａ粼谠?，可有效解決定子磁鏈?zhǔn)噶糠蹬c旋轉(zhuǎn)速度的矛盾。零矢量的引入Δt1為有效矢量作用的時(shí)間磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）期望電壓空間矢量的合成122

如果想要獲得一個(gè)近似圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，可以采用細(xì)分矢量作用時(shí)間和組合新矢量的方法，形成盡可能逼近圓形的多邊磁鏈軌跡。

正六邊形旋轉(zhuǎn)磁場：帶有較大的諧波分量，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的脈動。磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）期望電壓空間矢量的合成123以第一扇區(qū)為例，說明期望電壓空間矢量合成的基本原理此時(shí)應(yīng)選用基本電壓矢量u1和u2來合成us。在一個(gè)開關(guān)周期T0內(nèi)，設(shè)u1的作用時(shí)間為t1，u2的作用時(shí)間為t2

磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）期望電壓空間矢量的合成正弦定理124剩余時(shí)間由零矢量補(bǔ)齊磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）期望電壓空間矢量的過調(diào)制分析125線性調(diào)制區(qū)：電壓空間矢量幅值位于電壓六邊形內(nèi)切圓內(nèi)過調(diào)制區(qū)：電壓空間矢量幅值超過電壓六邊形內(nèi)切圓磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）期望電壓矢量調(diào)制度線性調(diào)制區(qū)邊界對應(yīng)的調(diào)制度Mlin為：0<M<0.9069：期望電壓矢量位于線性調(diào)制區(qū)，使用常規(guī)SVPWM；0.9069<M<1.0472：期望電壓矢量位于過調(diào)制區(qū)，采用過調(diào)制方法，使其回到可調(diào)制范圍內(nèi)（六邊形范圍）。126磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）（1）單模式過調(diào)制算法基本原理：保證實(shí)際輸出電壓矢量的幅值和期望電壓矢量的幅值相等。實(shí)際輸出電壓矢量幅值為：r：期望電壓矢量的幅值Θr：期望電壓矢量的相角因?qū)嶋H電壓矢量被鉗制在限幅六邊形內(nèi)，需對實(shí)際輸出電壓矢量的相角α進(jìn)行校正。以0~π/3扇區(qū)為例：127磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）αg為保持角優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算處理方便、算法簡單問題：輸出電壓矢量的相位較期望電壓矢量有較大變化，輸出電壓諧波含量明顯增加。128磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）（1I）雙模式過調(diào)制算法需將整個(gè)過調(diào)制區(qū)分為兩個(gè)區(qū)間——過調(diào)制I區(qū)和過調(diào)制II區(qū)。在過調(diào)制I區(qū)內(nèi)：保持輸出電壓矢量相角和期望電壓矢量一致，只改變輸出電壓矢量的幅值；在過調(diào)制II區(qū)：為使輸出電壓盡可能連續(xù)，電壓矢量的相角和幅值同時(shí)調(diào)整。a）過調(diào)制I區(qū)期望電壓矢量幅值范圍為：129磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）雙模式過調(diào)制I區(qū)輸出電壓矢量軌跡保證實(shí)際輸出電壓矢量的基波幅值等于參考電壓矢量的幅值：實(shí)際輸出電壓矢量的相角仍與期望電壓矢量保持一致：130磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）雙模式過調(diào)制II區(qū)輸出電壓矢量軌跡雙模式的過調(diào)制算法通過對過調(diào)制區(qū)進(jìn)行二次劃分，可以減少電壓矢量過調(diào)制矯正而導(dǎo)致的諧波畸變率，但其控制算法相對比較復(fù)雜，并且實(shí)現(xiàn)過程通常需要利用查表法對大量復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助運(yùn)算，對處理器的內(nèi)存空間要求也比較大。131b過調(diào)制II區(qū)磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）SVPWM實(shí)現(xiàn)方式132

由期望輸出電壓矢量的幅值及位置可以確定相鄰的兩個(gè)基本電壓矢量以及它們的作用時(shí)間，并由此得到零矢量的作用時(shí)間，但是還沒有確定電壓矢量的作用順序。原則：開關(guān)損耗和諧波分量都較小，一般在減少開關(guān)次數(shù)的同時(shí)，盡量使得PWM輸出波形對稱，以減小諧波分量。磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）零矢量集中的實(shí)現(xiàn)方法將兩個(gè)有效工作矢量u1、u2的作用時(shí)間t1、t2平分為二后，安放在開關(guān)周期的首端和末端，把零矢量的作用時(shí)間放在開關(guān)周期的中間。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，有一相的狀態(tài)一直保持不變，且從一個(gè)矢量切換到另一個(gè)矢量時(shí)，只有一相的狀態(tài)發(fā)生改變，而開關(guān)次數(shù)少，開關(guān)損耗低。以第一扇區(qū)為例133磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）零矢量分散的實(shí)現(xiàn)方法將零矢量平分為四份，在開關(guān)周期的首、尾各放一份，中間放兩份在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，均以零矢量開始和結(jié)束，且從一個(gè)矢量切換到另一個(gè)矢量時(shí)只有一相的狀態(tài)發(fā)生改變，但在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)三相的狀態(tài)均發(fā)生改變，開關(guān)損耗略大于前一種方法134磁鏈跟蹤型PWM（SVPWM）SVPWM控制的定子磁鏈N=6N=12為了使定子磁鏈?zhǔn)噶康能壽E更接近圓，從而減小轉(zhuǎn)矩脈動和諧波分量，需要增大N的值1352.5.7變頻器非正弦供電對異步電機(jī)性能的影響

變頻器供電時(shí)，電機(jī)端部電壓或電流將非正弦，含有大量諧波，影響運(yùn)行性能——諧波負(fù)面效應(yīng)，本部分內(nèi)容。

諧波效應(yīng)分析思路■分析電壓源逆變器供電中電壓諧波成分——“頻譜”■計(jì)算諧波電壓作用下諧波電流（電流源逆變器供電分析直接由此開始）■計(jì)算各次諧波電流的效應(yīng)（諧波電流、諧波損耗、諧波轉(zhuǎn)矩等）■諧波效應(yīng)迭加（忽略鐵磁非線性）136變頻器供電的非正弦特性（一）變頻器供電輸出非正弦特性1.常見電壓源變頻器輸出波形●圖（a）六階梯波，5、7、11、13等低次諧波●圖（b）十二階梯波（兩六階梯波錯(cuò)開300——多重化的合成結(jié)果），11、13等低次諧波●圖（c）SPWM（正弦脈寬調(diào)制）波，開關(guān)頻率的高次諧波137變頻器供電的非正弦特性電壓諧波分析（頻譜）——六、十二階梯波式中Uk—k次諧波有效值，θk—k次諧波初相角，ω1—基波角頻率，k=1，5，7，11，13…（6m±1）1382.諧波電流計(jì)算

由諧波電壓求諧波電流。關(guān)鍵：建立異步電機(jī)諧波等值電路■k次諧波等值電路139變頻器供電的非正弦特性■k次諧波滑差sk

●基波滑差

●k次諧波滑差

無論電機(jī)靜止（s=1,n=0）或接近同步速運(yùn)行（s≈0，n≈ns），k次諧波滑差總為1140變頻器供電的非正弦特性■因k＞1●，激磁支路視為開路；●，忽略定子電阻；●，忽略轉(zhuǎn)子電阻

141變頻器供電的非正弦特性■等值電路（諧波任何轉(zhuǎn)速下）142變頻器供電的非正弦特性■諧波電流結(jié)論：●諧波電壓幅值與諧波次數(shù)呈反比；●諧波電流幅值與諧波次數(shù)平方呈反比；●要削弱諧波效應(yīng)（諧波電流），應(yīng)使諧波次數(shù)增高——高頻化143變頻器供電的非正弦特性3、電壓波形對諧波電流的影響（1）將六、十二階梯波諧波次數(shù)k（頻譜）代入得k次諧波幅值；（2）求總諧波電流有效值

（3）求總諧波電流有效值的標(biāo)么值；代入頻譜k后有：●六階梯波

●十二階梯波

式中，——短路電抗標(biāo)么值144變頻器供電的非正弦特性（4）額定負(fù)載I1N下，定子總電流（基波+諧波）有效值的標(biāo)么值●六階梯波

●十二階梯波

145變頻器供電的非正弦特性6階梯波電壓及電機(jī)定子電流波形146變頻器供電的非正弦特性結(jié)論：電壓波形對諧波電流含量及諧波效應(yīng)影響很大：①六階梯波電壓源供電下，按電機(jī)漏抗大小，額定電流有效值將比基波電流增大(2~10)%；大漏抗電機(jī)對諧波電流有較好限制作用。②十二階梯波電壓源供電下電流總有效值比基波電流略有增大，諧波效應(yīng)基本可忽略。③SPWM諧波電壓頻率高，經(jīng)電機(jī)漏抗限制諧波電流很小，諧波效應(yīng)可忽略。147變頻器供電的非正弦特性電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響非正弦供電對電機(jī)運(yùn)行性能的影響（以六階梯波電壓源供電為例）1.磁路工作點(diǎn)■磁通是電壓的積分

電壓非正弦，氣隙磁密（磁通）含有諧波，其時(shí)一空描述為148■各次諧波磁場為行波，有不同的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速；諧波迭加后，總磁場幅值隨時(shí)間、空間位置變化，最大可能幅值可按同相位迭加計(jì)將使六階梯波電壓源供電電機(jī)氣隙磁密比正弦波供電時(shí)大10%■結(jié)論：①常規(guī)電機(jī)（按電網(wǎng)正弦波供電設(shè)計(jì)）用于六階梯波電壓源逆變器供電時(shí)，磁路將飽和，使力能指標(biāo)η↓，cos↓②設(shè)計(jì)非正弦電壓源供電電機(jī)時(shí)，其磁路設(shè)計(jì)和空載試驗(yàn)須提高電壓10%，以計(jì)及諧波的飽和效應(yīng)149電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響2、定子漏抗

電流中的諧波將使槽電流增大（1.1倍），槽磁勢增大，漏磁路飽和，使定子漏抗減?。?5~20）%3、轉(zhuǎn)子回路參數(shù)■基波滑差s1很小，轉(zhuǎn)子頻率s1f1極低頻（1~2HZ）；諧波滑差，轉(zhuǎn)子頻率，為高頻，轉(zhuǎn)子集膚效應(yīng)嚴(yán)重。150電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響■集膚效應(yīng)致使●轉(zhuǎn)子電阻增大●轉(zhuǎn)子電流擠向槽口，分布不均，槽漏抗減小●轉(zhuǎn)子諧波電流●轉(zhuǎn)子諧波損耗

，轉(zhuǎn)子發(fā)熱劇烈。轉(zhuǎn)子諧波銅耗遠(yuǎn)大于基波銅耗，成為變頻調(diào)速電機(jī)主要問題之一151電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響4、功率因數(shù)電流諧波→增大電流有效值→提高磁路飽和程度→增加勵(lì)磁電流→降低cos↓5、損耗與效率

變頻器非正弦供電時(shí)，諧波電流增加了損耗、降低了效率。但效率變化趨勢與變頻器型有關(guān)152電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響電壓源型逆變器■直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，輸出電壓確定，輸出電流決定于電機(jī)負(fù)載■諧波電壓大小取決于變頻器輸出電壓波形，確定；諧波含量固定，與電機(jī)負(fù)載大小無關(guān)。故諧波電流大小及產(chǎn)生的諧波損耗Δp不隨負(fù)載Ρ2變化而恒定。153電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響■電機(jī)運(yùn)行效率●輕載時(shí)，Р2小，大小固定的Δp影響大，η↓多。●滿載時(shí)，Ρ2大，大小固定的Δp影響小，η↓少（2%）154電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響一般電壓源型PWM供電下，某異步電機(jī)損耗分配

單位（W）第一組損耗隨負(fù)載變化，第二組損耗基本與負(fù)載無關(guān)。各項(xiàng)損耗中，定子諧波損耗不是很大，滿載時(shí)僅使基本損耗增加30%。轉(zhuǎn)子諧波損耗很大，可達(dá)轉(zhuǎn)子基波銅耗的兩倍以上，這是轉(zhuǎn)子諧波的集膚效應(yīng)使轉(zhuǎn)子有效電阻大大增加的結(jié)果。如改用正弦SPWM供電時(shí)，隨著低次諧波的減小，損耗有所降低，但高次諧波損耗仍然比較大。155電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響6、諧波轉(zhuǎn)矩——兩種形態(tài)（1）恒定諧波轉(zhuǎn)矩■產(chǎn)生機(jī)理氣隙磁通中諧波磁通（激勵(lì)）→轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出同次諧波電流（響應(yīng)）作用產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩156電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響■特性

①性質(zhì)為異步轉(zhuǎn)矩（產(chǎn)生機(jī)理與異步電機(jī)基波轉(zhuǎn)矩相同）②同次諧波磁場與電流間作用，極對數(shù)相同，轉(zhuǎn)矩恒定（大小、方向確定）③諧波滑差→轉(zhuǎn)子回路頻率高頻→轉(zhuǎn)子回路電抗＞＞電阻→轉(zhuǎn)子回路內(nèi)功率因數(shù)角

，很差→諧波轉(zhuǎn)矩

很?。?%TN）→影響可忽略。157電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響158電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響（2）脈動轉(zhuǎn)矩■產(chǎn)生機(jī)理不同次數(shù)諧波磁場與基波磁場的相互作用結(jié)果①幅值最大低次(5、7次)諧波電流→建立5、7次諧波磁場→轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出5、7次轉(zhuǎn)子諧波電流②5次諧波轉(zhuǎn)子電流（磁勢）以5ω1反轉(zhuǎn)

基波旋轉(zhuǎn)磁場以ω1正轉(zhuǎn)7次諧波轉(zhuǎn)子電流（磁勢）以7ω1正轉(zhuǎn)

基波旋轉(zhuǎn)磁場以ω1正轉(zhuǎn)

均產(chǎn)生六倍頻諧波轉(zhuǎn)矩相差6ω1相差6ω1159電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響■性質(zhì)①脈振轉(zhuǎn)矩——不同次數(shù)磁場作用產(chǎn)生的非恒定轉(zhuǎn)矩,平均值為零②低速（低頻）時(shí)脈動幅值大（幅值），可達(dá)，造成噪聲、振動，影響大160電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響7、電應(yīng)力——電壓變化梯度■非正弦電壓波形上電壓變化梯度大，→■由于電機(jī)繞組線匝間有分布電容，瞬變的（浪涌電壓）將不按繞組阻抗分配，按匝間電容分布；分析結(jié)果是：繞組進(jìn)線第一匝電容小、容抗大，將承受40%的過電壓（電位梯度），使絕緣因電暈而老化、擊穿。這是變頻電機(jī)絕緣易損壞的原因。161電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響■變頻器輸出電壓與電纜末端電壓波形■變頻器輸出電壓與電機(jī)繞組電壓波形162電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響8、軸電流■產(chǎn)生機(jī)理①一方面：因變頻器主電路三相不對稱/功率元件開關(guān)過程不一致/連接不平衡→三相回路阻抗不對稱→三相電壓中點(diǎn)對地出現(xiàn)零序電壓②另一方面：因靜電耦合，電機(jī)各部分存在分布電容，構(gòu)成位移電流回路，其中重要的有經(jīng)軸承油膜構(gòu)成的零序回路。③零序電壓U0作用在零序回路上，形成流過軸、軸承的軸電流163電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響■特性

軸電流大小與零序阻抗成反比①對于電網(wǎng)（工頻）供電，頻率低、容性零序阻抗大，限制了軸電流，故影響不大（忽略）②對于變頻器供電，其中諧波頻率高，容性零序阻抗小，軸電流大。流過軸承，破壞油膜穩(wěn)定生成，形成干磨擦，燒毀電機(jī)，成為變頻電機(jī)常燒軸承的原因164電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響■措施①增大零序回路阻抗，阻斷軸電流。如采用高電阻率滑潤油脂，陶瓷（絕緣）滾子軸承。②阻止零序電壓形成。如定子槽楔覆金屬箔并接地，使零序電壓旁路（接地）——靜電屏蔽電機(jī)。165電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響9、結(jié)論

減小非正弦供電對異步電機(jī)運(yùn)行性能的負(fù)面影響，關(guān)鍵在于減小、限制諧波電流或電壓。①電壓源型變頻器輸出電壓諧波含量確定，要設(shè)計(jì)或選用漏抗大電機(jī)來限制諧波電流的產(chǎn)生惡果。②電流源型變頻器輸出電流諧波含量確定，要設(shè)計(jì)或選用漏抗小電機(jī)來限制諧波電壓的產(chǎn)生及惡果。166電源非正弦對電機(jī)運(yùn)行性能的影響?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.6異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)167異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)☆異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)分類（1）頻率開環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)：●頻率給定后不再調(diào)節(jié)——同步速固定●電機(jī)轉(zhuǎn)速決定于負(fù)載，有變化（）●靜態(tài)調(diào)速性能不佳，有差

（2）頻率閉環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)：●速度給定后頻率隨轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)，通過改變同步速來補(bǔ)償轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變化●電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載無關(guān)，恒定●靜態(tài)特性好，動態(tài)性能滿足一定要求1682.6.1頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）主電路

■不控整流+電容濾波

=電壓源型

■PWM逆變器，180o

導(dǎo)通型

■每個(gè)IGBT旁反并聯(lián)快速型續(xù)流二極管，為異步電機(jī)感性無功提供通路無功二極管導(dǎo)通續(xù)流機(jī)理169電壓控制頻率控制（2）控制回路分兩通道，頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)170頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)■速度給定：系統(tǒng)總指令：，正轉(zhuǎn)；,反轉(zhuǎn)；絕對值代表速度高、低■給定積分器：使階躍給定斜波給定，防止給定突變引起系統(tǒng)電流、轉(zhuǎn)矩、速度沖擊■絕對值電路：逆變器輸出電壓、頻率控制只需絕對值；配合轉(zhuǎn)向極性，以此簡化控制處理171頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)①頻率控制通道

電機(jī)驅(qū)動脈沖頻率設(shè)定172◆變換器：將速度電壓，經(jīng)壓控振蕩器處理，變成頻率信號，作為正弦調(diào)制波頻率

◆正弦波發(fā)生器：設(shè)為自然采樣法，其中

●正弦調(diào)制波

●三角載波頻率取決于調(diào)制方式：異步/同步/混合調(diào)制——調(diào)制方式控制頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)頻率——來自變換器

幅值——來自電壓調(diào)節(jié)器輸出（電壓控制通道）173◆調(diào)制方式控制：根據(jù)調(diào)制波頻率,按要求的調(diào)制方式，控制三角波發(fā)生器，輸出合適的載波頻率（幅值固定）◆SPWM調(diào)制：根據(jù)輸入的正弦調(diào)制波頻率、幅值，三角載波頻率、幅值，決定逆變器器件開關(guān)時(shí)刻，形成SPWM驅(qū)動信號●SPWM驅(qū)動信號應(yīng)按電機(jī)轉(zhuǎn)向分配至逆變器六個(gè)開關(guān)器件上，給三相繞組通以合適的電流，形成所需的旋轉(zhuǎn)磁場，控制電機(jī)正確運(yùn)轉(zhuǎn)頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)174頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)◆轉(zhuǎn)向判別：將速度信號極性取出，控制觸發(fā)脈沖在各開關(guān)元件上的施加（分配）輸出：+——正轉(zhuǎn)，導(dǎo)通的通電相序A→B→C－——反轉(zhuǎn)，導(dǎo)通的通電相序A→C→B175頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)◆脈沖分配器：按轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、分配三相、六管的驅(qū)動脈沖信號●正轉(zhuǎn)：脈沖次序●反轉(zhuǎn)：脈沖次序176頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)②電壓控制通道

177頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)◆函數(shù)發(fā)生器——電壓/頻率協(xié)調(diào)控制關(guān)鍵部件●輸入：代表運(yùn)行頻率的速度給定絕對值

●規(guī)律：

●輸出：電壓指令178頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)◆電壓檢測：檢測機(jī)端電壓，形成電壓反饋信號，通過電壓閉環(huán)控制使正弦調(diào)制波幅值指令嚴(yán)格按關(guān)系給出，確保電機(jī)磁路工作點(diǎn)正確◆電壓調(diào)節(jié)器：PI型，實(shí)現(xiàn)對端電壓的穩(wěn)態(tài)無差、動態(tài)快速調(diào)節(jié)179頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2．系統(tǒng)特點(diǎn)①無頻率反饋，但有電壓反饋，是常見開環(huán)VVVF（Variable-VoltageVariable-Freguency）控制方式②異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)滑差s小，空載、負(fù)載轉(zhuǎn)速變化不大，故適合長期穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、調(diào)速精度不高的場合，如風(fēng)機(jī)、水泵③頻率給定后不變，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化，但小1802.6.2轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)1．控制方法☆相對轉(zhuǎn)差與絕對轉(zhuǎn)差

相對轉(zhuǎn)差：（為同步速）

遍乘:

絕對轉(zhuǎn)差：

臨界絕對轉(zhuǎn)差：

181轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)☆轉(zhuǎn)差頻率控制分析用曲線☆轉(zhuǎn)差頻率控制是通過動態(tài)控制轉(zhuǎn)差，獲得轉(zhuǎn)矩動態(tài)控制的目的，故要討論轉(zhuǎn)矩與滑差的關(guān)系182轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)◆理論基礎(chǔ)■異步機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩

其中內(nèi)功率因數(shù)角

轉(zhuǎn)子有功電流■若在小轉(zhuǎn)差或下183轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)■從異步電機(jī)等效電路可得轉(zhuǎn)子電流小，184代入有■說明在小轉(zhuǎn)差條件下，若保持氣隙磁通恒定，有，即：

●電磁轉(zhuǎn)矩與絕對轉(zhuǎn)差呈線性關(guān)系●控制轉(zhuǎn)差，即可控制電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)1852．轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)電壓控制頻率控制186轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)控制通道◆總信號源：速度給定◆轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器：輸入速度給定與速度反饋之差,使輸出的電機(jī)絕對轉(zhuǎn)差始終保持在之內(nèi)。將分送整流器與逆變器兩控制通道187轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)①電壓控制通道■函數(shù)發(fā)生器●根據(jù)絕對轉(zhuǎn)差，產(chǎn)生定子電壓指令，保證電機(jī)磁通，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差頻率控制?！癖ＷC電機(jī)實(shí)現(xiàn)恒磁通、恒轉(zhuǎn)矩控制（控制）

■電壓調(diào)節(jié)器——PI型，構(gòu)成電壓閉環(huán)控制，確保嚴(yán)格按函數(shù)發(fā)生器生成電壓指令，保證188轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)②頻率控制通道■頻率給定

由于，保證隨轉(zhuǎn)速變化，起速度補(bǔ)償作用

其余部分的控制原理與頻率開環(huán)型調(diào)速系統(tǒng)一致。189轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)3.轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速過程☆分析中注意三點(diǎn)

■每種頻率下的曲線分電動區(qū)（）、制動區(qū)（）及同步點(diǎn)

■轉(zhuǎn)差頻率控制下，電機(jī)將以最大轉(zhuǎn)矩加、減速190轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)■定子頻率，因，使，即隨負(fù)載、轉(zhuǎn)速變，可做到速度無差?！钇饎?負(fù)載,減速過程分析（1）起動①突給速度命令，

起動瞬間速度很大,轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器飽和輸出

電機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩

從A點(diǎn)起動191轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)②起動中不變定子頻率隨同步增加電機(jī)始終以加速

③到轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器退出飽和,達(dá)理想空載點(diǎn)B，運(yùn)行于頻率曲線上192轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)（2）突加負(fù)載①突加后轉(zhuǎn)矩平衡于C點(diǎn)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出定子頻率增加至曲線上②因轉(zhuǎn)速無差，最終達(dá)

穩(wěn)定運(yùn)行在頻率曲線的D點(diǎn)上■注意：這是頻率調(diào)節(jié)（FT）而非速度調(diào)節(jié)（ST）的結(jié)果193（3）速度突減（給定）①速度給定突減為瞬間，轉(zhuǎn)速不能突變且很大轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器反向飽和輸出定子頻率為

轉(zhuǎn)子速高于旋轉(zhuǎn)磁場，反向切割電機(jī)進(jìn)入發(fā)電制動，