脉宽调制（PWM）调速控制系统及变频器基本原理

脉宽调制（PWM）调速控制系统

2、可逆PWM变换器

1）双极式可逆PWM变换器

四个电力晶体管的基极驱动电压分为两组。VTl和VT4同时导通和关断，其驱动电压Ubl=Ub4；VT2和VT3同时动作，其驱动电压Ub2=Ub3=-Ub1，这种电路可工作在四种模态。

双极式H型PWM变换器的四种工作模态

0≤t≤t1 ，PWM变换器工作在模态Ⅰ： 电动机处于电动状态；

t1≤t≤T时， PWM变换器工作在模态Ⅱ： 电动机处于电动状态；

在t2~T期间， PWM变换器工作在模态Ⅲ： 电动机处于反接制动状态；

在T ~ t3期间， PWM变换器工作在模态Ⅳ： 电动机工作在制动状态。

对于双极性可逆PWM变换器，无论负载是轻还是重，电动机正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在+US和-US之间变换一次，故称为双极性。电动机端电压瞬时值为：
ud=			Us (0￡ t ￡ ton)
			-Us (ton￡ t ￡ T)
平均端电压为：		其中，
当 ρ > 0 时 电机正转； 　　　ρ < 0 时 电机反转； 　　　ρ＝0 时 Ud＝0电机停止转动， 　　　但其瞬时值不为零，所以它只是处于动态平衡中。
２） 单极式可逆PWM变换器

(a)	(b)

当ton ≤t≤T时，Ub1为正，VTl导通，电源US通过VTl和VT4加到电枢两端。UAB=+Us , +id上升 。 当ton≤t≤T时，Ubl为负，VTl截止，电动机电源被切断，+id经VT4及VD2续流以释放回路中磁场能量。UAB=0，但在数值上+id将减小。
平均端电压为：

3）受限单极式可逆PWM变换器

当电动机正转时，让Ub2恒为负，使VT2一直截止。 　　当电动机反转时，让Ubl恒为负，VTl一直截止。 　　这样，就不会产生VTl、VT2直通的故障。这种控 制方式称作受限单极式。

双极式、单极式和受限单极式可逆PWM变换器的比较（当负载较重时）

9.4 交流调速概述

交流电动机有同步电动机与异步电动机两大类。

同步电动机的调速靠改变供电电压的频率来改变其同步转速；

对异步电动机而言，常用的调速的方法有：

电磁转差离合器调速系统

交流调压调速系统

线绕式异步电动机调速系统

变频调速系统

异步电动机矢量控制系统

9.4.1 交流调速的特点和难点

众所周知，直流调速四通具有较为优良的静、动态性能指标，在很长的一个历史时期内，调速传

动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。直流电动机虽有调速性能好的优势，但也有一些固有的难于克服

的缺点。如机械式换向带来的弊端，使其事故率高，无法在大容量的调速领域中应用。而交流电动机有它固有

的优点，其容量、电压、电流和转速的上限不像直流电动机那样受限制，且结构简单，造价低廉，坚固耐用，

容易维护。它的最大的缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。

在各种交流调速中，变频调速的性能最好。变频调速电气传动调速范围大，静态稳定性好，运行率高，调

速范围广，是一种理想的调速系统。随着交流电动机理论问题的突破和调速装置性能的完善，交流电动机调速

性能差的缺点已经得到了克服。目前，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直

流调速系统。因而可以相信，在不久的将来，交流变频调速电气传动将替代包括直流调速传动在内的其他调速

电气传动。

电磁转差离合器调速系统 　　电磁转差离合器调速系统是通过改变电磁离合器的励磁电流实现调速的，对于异步电动机本身并不进行调速。这种调速系统的特点是线路简单、价格便宜，加上速度负反馈以后调速相当精确。缺点是低速运行时损耗比较大，而且效率比较低。 1． 电磁转差离合器的调速原理 　　电磁转差离合器调速系统，实质上就是在笼型转子异步机轴上装一个电磁转差离合器，并且晶闸管控制装置控制离合器绕组的电流，改变这一电流，即可以调节离合器的输出转速。 　　电磁转差离合器的基本作用原理是基于电磁感应原理。图所示为一个实心电磁离合器的示意图。由图可见，转差离合器主要是由主动和从动两部分组成。图中，1为主动部分，由笼型转子异步电动机带动，以恒速旋转。它是一个由铁磁材料制成的圆筒，习惯上称为电枢。2为从动部分，一般是由与电枢同材料制成，称为磁极。在磁极上装有励磁绕组3，绕组与磁极的组合称为感应子。被传动的生产机械流连接在感应子的轴上。绕组的引线接于集电环上，通过电刷与直流电源接通，绕组内流过的励磁电流即由直流电源提供，当励磁绕组通以直流电时，沿封闭的磁路就产生了主磁通，磁力线通过气隙—电枢—气隙—磁极—气隙而形成一个封闭回路。由于电枢为原动机所拖动，以恒定定向旋转，因此电枢与磁极间有相对运动，电枢切割磁场，从而在电枢中产生感生电动势，产生电流，并产生一个脉冲的电枢反应磁场，它与主磁通合成产生电磁力。此电磁力所形成的电磁转矩将驱使磁极跟着电枢同方向运动，这样磁极就带着生产机械一同旋转。其调速系统的原理框图如图 所示。由图可见，调速系统主要由晶闸管整流电源、电磁转差离合器和异步电动机三大部分组成。晶闸管整流电源通常采用单相全波或桥式整流电路，通过改变晶闸管的控制角可以方便改变直流输出电压的大小。

电磁转差离合器的调速原理

由于异步电动机的固有机械特性比较硬，因此，可以认为电枢的转速是近似不变的，而磁极的转速则由磁极磁场的强弱而定，也就是说，由提供给电磁离合器的电流大小而定。因此，只要改变励磁电流的大小就可以改变磁极的转速，也就可以改变工作机械的转速。 由此可见，当励磁电流等于零时，磁极时不会转动的，这就相当于工作机械被“离开”。一旦加上励磁电流，磁极即刻转动起来，这就相当于工作机械被“合上”。这就是离合器名字的由来。又因为它时基于电磁感应原理来发生作用的，因此，磁极与电枢之间一定要有转差才能产生涡流合电磁转矩，因此，全名就称为“电磁转矩离合器”。又因为它的作用原理合步进电动机相似，所以，又常将它连同它的异步电动机一起称为“滑差电机”。

2.电磁转差离合器的调速性能

由于转差离合器在原理上与异步电动机相似，因此，改变转差离合器的励磁电流时的调速特性与异步电动机改变定子电压的调速特性又很多相似的地方。图万点月撒所示为转差离合器在不同励磁电流下的一组机械特性曲线，可见励磁电流越小，特性越软。

交流调压调速系统

由异步电动机电磁转矩合机械特性方程可知，异步电动机的转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变异步电动机的定子电压也就是改变电动机的转矩合机械特性，从而实现调速，这是一种比较简单的方法。尤其是晶闸管技术的发展，以及晶闸管“交流开关”元件的广泛运用。从而彻底改变了过去利用笨重的饱和电抗或利用交流调压器来改变电压的状况。

晶闸管交流调压电路与晶闸管整流电路一样，也有单相合三相之分。 　　1） 单相交流调压电路 　　单相晶闸管交流调压电路的种类很多，但是应用最广的是反并联电路。现在以此电路代表分析它带电阻性及负载的工作情况。 　　 图所示为单相交流反并联电路及其带电阻性负载时的电压电流波形图。由图可知，当电源电压为正半周时，在控制角为α的时刻触发VS1使之导通，电压过零时，VS1自行关断。负半周时，在同一控制角α下触发VS2，如此不断重复，负载上便得到正负对称的交流电压。改变晶闸管控制角α的大小就可以改变交流　电压的大小。对于电阻性负载其电流波形与电压波形同相的。 晶闸管交流调压的触发电路在原理上与晶闸管整流所用的触发电路使相同的，只是要使每周期输出的　两个脉冲彼此没有公共点且要有良好的绝缘。 　　 若晶闸管调压电路带电阻性负载，其电流波形由于电感上的电流不能突变而有之后现象，其电路和波　形如图矩恒速惧所示。

由于电感性负载中的电流的波形滞后于电压的波形，因此，当电压过零变为负的时候电流经过一个延　迟角才能降到零，从而晶闸管也要经过一个延迟角才能关断。延迟角的大小与控制角α、负载功率因素角　φ都有关系，这一点与单相整流电路带电感性负载十分相似。 　　 2） 三相交流调压电路 　　 工业中常用的异步电动机都是三相的，因此，晶闸管交流调压电路大都采用三相交流调压电路。将三对反并联的晶闸管分别接至三相负载及构成了一个典型的三相交流调压电路。负载可以是Y形连接，也可以是三角形连接，Y形连接的电阻性负载如错觉阿瑟嘎所示。 　　 三相交流调压电路的分析与单相电路的分析大同小异。但是必须注意它的特殊性。就三相交流调压电路来说，为保证输出电压对称并有相应的控制范围，首先要求触发信号必须与交流电源有一致的相序和相位差。其次是在电感负载或小导通角情况下，为了确保晶闸管可靠触发，如同三相全控桥式整流电路一样，要求采用控制角大于60度的双脉冲或宽脉冲触发电路。

交流调速概述

9.4.2 交流调速的基本方法

变极调速

对鼠笼式异步电机可通过改变电机绕阻的接线方式，使电机从一种极对数变为另一种极对数，从而实现异步电动机的有极调速。变极调速所需设备简单，价格低廉，工作也比较可靠。一般为两种速度，过去应用很普遍的双速电机调速系统就是这种系统。三种速度以上的变极调速电机绕阻结构复杂，应用较少。变极调速电机的关键在于绕阻设计，以最少的绕阻抽头和该接以达到最好的电机技术性能指标。

由式 n0=60f/p 可知，如果磁极对数p减小一半，则旋转磁场的转速n0将提高一倍，转子转速n差不多也提高一倍。因此改变p可以得到不同的转速。 如何改变磁极对数，取决于定子绕组的布置和联接方式。

	原理：变换异步电动机绕组极数从而改变同步转速进行调速，其转速是按阶跃方式变化，而非连续变化。
	应用：变极调速主要用于笼型异步电动机，变极电动机有转换单绕组接线改变极数的电动机和同一铁芯上设置两个以上极数不同绕组的电动机。 　 左图是YD系列(IP44)变极多速三相异步电动机。

变转差率调速

对于绕线式异步电动机，可通过调节串联在转子绕阻中的电阻值、在转子电路值引入附加的转差电压、调整电机定子电压以及采用电磁转差离合器改变气隙磁场等方法均可实现变转差S，从而对电机进行无极调速。变转差率调速尽管效率不高，但在异步电动机调速技术中任占有重要的地位，特别式转差功率得到回收利用的串极调速系统，更是现代大容量风机、水泵等调速节能的重要手段。

变频调速 　　通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想的调速方法 。

原理：利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速。

间接变换方式（交-直-交变频）

原理:把交流电通过整流器变为直流电，再用逆变器将直流电变为频率可变的交流电供给异步电动机。

电压型变频调速

原理：整流输出经电感电容滤波，具有恒压源特性，逆变器具有反馈二极管，是一种方波电压逆变器。变频器对三相交流异步电动机提供可调的电压与频率成比例的交流电源。 缺点：这种方法若不设置与整流器反向并联的再生逆变器，则不能实现再生制动。 应用：电压型变频器一般在单方向运转、不要求快速调节及多台电动机协调运行等场合使用。

电流型变频调速

原理：整流输出靠直流电抗器滤波，具有恒流源特性，供给异步电动机方波电流。 特点：这种方式电力能返回电源。 应用：适用于4象限运行和要求快速调速的场合，在轧机、风机泵类等方面广泛采用。

脉冲宽度调制变频（PWM变频）调速

原理：脉冲宽度调制变频（PWM变频）调速的电路结构与电压型变频调速相似，只是用不可控整流器代替了原来的可控整流器，逆变器可以用晶闸管，但更多的是用大功率晶体管（GTR）或可关断晶闸管（GTO）等全控型器件。     脉冲宽度调制变频调速是将一个周期的逆变电压分割成几个脉冲。分配脉冲时使电源谐波成分尽量减少。改变脉冲数和脉冲宽度，使供给电动机的基波电压与频率成比例变化。频率越高脉冲数越少。

9.5 交流电机的数学模型

三相交流电机的种类繁多，主要分为同步机与异步机两大类，异步机分为绕线式和鼠笼式，同步机又分为自控式、他控式、永磁同步机等等。交流电机的基本特征在电机学中已经进行过详细分析，但是那时候着重讨论的是三相正弦电源电压和正弦电流作用提供给交流电机的电压和电流往往是非正弦的，含有大量的谐波分量。这些谐波能要求较高，我们必须对电机的动态过程进行分析，即分析瞬态的电流、电压、转速、转矩及它们之间的关系。为了分析研究交流电机的调速性能，我们有必要讨论交流电机的动态和稳定数学模型，以及通过各种变换获得的数学模型。让我们首先从电机的基本微分方程开始。

9.5.1 交流电机的基本方程

三相交流电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。为了建立数学模型，一般作如下假设： 　　　三相绕组对称。忽略空间谐波，磁势沿气隙圆周按正弦分布。 　　　忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是线性的。 　　　忽略铁损 　　　不考虑频率和温度变化对绕组的影响 　　　无论异步电机转子是绕线式还是鼠笼式，都将它等效成绕线转子，并折算到定子侧，折算前后的转　子每相匝数都相等。 　　　不失一般性地，可将多相绕组等效为空间上互差90°电角度的两相绕组，即直轴和交轴绕组。对于　同步机转子的阻尼绕组，假设阻尼条和转子导磁体对转子直轴d、交轴q对称。

在上述假设下得到的异步电动机和同步电动机定子的电压方程相同，只是转子的电压方程和磁链方程略有差异。 （1）定子的电压方程为：

式中，UA 、UB 、UC 为定子三相电压；iA 、iB 、iC 为定子三相电流；ψA 、ψB 、ψC 为定子三相绕组磁链； r1为定子各绕组电阻；p 为对时间的微分算子。

（2）转子的电压方程为：

式中，Ua 、Ub 、Uc 为定子三相电压；ia 、ib 、ic 为定子三相电流；ψa 、ψb 、ψc 为定子三相绕组磁链； r2为定子各绕组电阻；p 为对时间的微分算子。

（3）同步机转子的电压方程：包括励磁绕组的电压方程和阻尼绕组的电压方程。 　　励磁绕组的电压方程为：

式中，注脚f代表励磁绕组； 为施加于同步机滑环上的励磁电压； 分别为励磁绕组的电流和磁链； 为励磁绕组的电阻。 　　阻尼绕组等效为直轴和阻尼绕组d和交轴阻尼绕组q。直轴与交轴阻尼绕组的电压方程为：

（4） 异步机的磁链方程为：

式中，电感矩阵是6×6的矩阵，其中各元素分别是各绕组的自感和互感。电机中交链各绕组的磁通只有两类：一类是只与定子或转子某一绕组交链，而不穿过气隙的漏磁通；另一类是穿过气隙的公共主磁通。定子漏磁通所对应的电感是定子漏感 ，转子漏磁通所对应的电感是转子电感 ，如果用 表示与主磁通对应的定子电感， 表示与主磁通对应的转子电感，则定、转子的自感分别为： 　　由上述式子可以归纳出，定、转子共六个绕组，它们之间的互感可以分为两类：一类是A、B、C相定子绕组之间和a、b、c相转子绕组之间的互感，为常数，因为绕组之间的位置是固定的；另一类是定子任意一相与转子任意一相之间的互感，是角位移 的函数，因为转子的运动，定、转子之间的位置总是变化的。总之，电感矩阵的变参数是造成系统非线性的根源。 交流电机的数学模型 （5）同步机的磁链方程为： 交流电机的数学模型 9.5.2 坐标变换 交流电机的数学模型 交流电机的数学模型 9.5.3交流电机在两相静止坐标系的数学模型

交流电机的数学模型 9.5.4 交流电机在两相旋转坐标系上的数学模型

交流电机的数学模型

9.5.5 交流电机在两相坐标系的数学模型

上面讨论的同步旋转dp坐标系只限制了dp轴随定子磁场同步旋转，并未对d轴与旋转磁场的相对位置作任何限制。若进一步对d轴的取向进行限定，电机的模型将更加简化。 　　为了区别dp坐标系，我们定义M-T坐标系，它也是同步旋转的，其中M轴与电机转子总磁链 方向一致，T轴与 垂直。正是由于转子磁链 在T轴上没有分量，因此

交流电机的数学模型

9.5.6 异步电机的几种稳态等效电路

变频器基本原理

变频器基本原理

随着电力半导体器件的发展，变频器的发展也经历了几个阶段。电力电子器件的自断化、模块化、交流电路开关的高频化和控制手段的全数字化，促进了变频器的小型化、多功能化、高性能化。尤其是控制手段的全数字化，利用了微机的强大信息处理能力，使软件功能不断强化，变频器的灵活性和适用性不断增强。随着网络时代的到来，变频器的网络功能和通信不断增强，它不仅可以与设备网的现场总线直接相连，还可以与信息交换实时数据。 　　工业中使用的变频器按应用分，可分为通用变频器和专用变频器。通用变频器用于一般工业驱动，例如：扎钢、造纸、机床等领域；专用变频器则用于一些特定的控制对象，满足某些特定的控制要求，例如：电梯、机床伺服系统、电动车驱动等有些特殊要求的应用领域。本节着重介绍通用变频器。 　　衡量变频器的性能好坏，主要比较其以下功能：转速控制方法、频率上升和下降的最快时间、一般静差率下的最低、多段速度选择、载波频率设定、频率跨跳功能、速度反馈、定时控制、PI控制、数字设定、人机界面，网络通信接口、可编程控制器接口、各种安全保护措施、各种故障诊断和显示功能等。早期的变频器基本不具备这么全面的功能。 　　目前，国内变频器市场竞争非常激烈，主要的国外的厂家有：德国西门子，瑞典的ABB，美国的A—B，日本的富士、三菱等等。以A—B公司的1336系列波谱起为例，使用者可以使用变频器上的操作面板进行基本功能设定，也可以通过计算机网络进行远程在线监控，或用可编程控制器进行控制。它所提供的通用接口和独立的功能模块，使用户可以任意选配和组合。变频器内部可控制的参数和可检测的变量就有数百个，因此，可以说，使用变频器就像使用计算机一样，进入会使用阶段很容易，但是要使用好，使其工作在最佳状态、发挥最佳效果并不是一件容易的事情。这就需要我们对变频器结构和原理有更深入的了解。 　　变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。

9.6.1 变频器的基本结构和主要功能 　　变频器的主要任务就是把恒压频（constant voltage constant frequency CVCF）的交流电转换为变压变频（variable voltage variable frequency VVVF）的交流电，以满足交流电电机变频调速的需要。 　　从结构上看，变频器可分为直接变频和间接变频两类。间接变频器先将工频交流电源通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换为可控频率的交流，因此又称它为有中间直流环节的变频装置或交－直－交变频器。直接变频器将工频交流一次变换为可控频率交流，没有中间直流环节，即所谓的交－交变频器。目前应用较多的是交接变频器，因此，可以认为变频器的基本构成如图所示：

变频器的分类

变频器的分类方法很多，下面介绍几种主要的分类方法：

按直流电源的性质分 　　当逆变器输出测的负载为交流电动机是，在负载和直流电源之间将有无功功率交换，用于缓冲中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感，据此，变频器可分为电压型和电流型两类。

1）电压型变频器 　　这种变频器的特点是在直流侧并联了一个大滤波电容，用来存储能量以缓冲直流回路与电机之间的无功功率传输。 2）电流型变频器 　　电流型变频器的特点是在直流回路中串联了一个大电感，用来限制电流的变化以一手无功功率。

按逆变器开关方式分 　　按逆变器开关方式对变频器进行分类时，则变频器可分为PAW方式和PWM方式。PAM控制是Pulse Amplitude Modulation（脉冲振幅调制）控制的简称，由于这种控制方式必须同时对整流电流和逆变电路进行控制，控制电路比较复杂，而且低速运行时转速波动较大，因而现在主要采用PWM方式。 　　高频对称的载波信号 与具有要求频率同步的基准波比较，两个波形的交点决定半导体的开关状态。低频调制的基准波可以时矩形波、梯形波或正弦波。载波为高频对称的三角波。比较器输出的极电压时脉冲宽度调制波，它的基波频率等于基准波频率。 　　载波基准波的频率比定义为载波比N,N=fc/fr>1,它决定一个周期内极电压的脉冲个数。 　　载波幅值Uc与基准波幅值Ur的比值定义为调制系数M,M=Ur/Uc<1,它决定极电压波形中脉冲的宽度。

按控制方式分类 　　按控制方式变频器可分为V/F控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器。

按主开关器件分类

按导通模式分

按导通模式分，变频器有180o导通模式和120o导通模式。 　　（1）180o导通模式 每一器件在180o间隔导通和关断。逆变器三个桥臂中开关顺序之间保持互差120o相移，获得三相输出。这种模式的特点是任意 　　（2）120o导通模式 每一器件导通120，任意时刻只有两个管子同时导通，换流是在相邻桥臂之间进行的。这种模式的优点是在同一桥臂中的两个管子之间存在30的导通间隔，因此避免了直通的短路事故发生。但是，开关管的利用率较低，换流时断开的绕组中会引起较高的感应电势，应该采取过压保护措施。

按逆变器的调制方式分

按逆变器的调制方式分，变频器有同步调制、异步调制和分段调制三种 　　 （1）同步调制 在变频调速时，载波频率与基准波频率同步变化，即载波比 常数，因此，在逆变器输出电压的一个周期内调制脉冲数是固定的。若去N等于三的倍数，则同步调制能保证逆变器输出的正、负半波对称，也能保证三相平衡。但是，当输出频率很低时，相邻两脉冲的间距增大，谐波分量增加。这会使电机常数较大的转矩脉动和噪声，低速时运转不平稳。 　　（2）异步调制 在变频器的变频范围内，载波比N不等于常数。一般在改变基准波频率时保持载波频率不变，因此提高了低频时的载波比，这样变频器输出电压在一个周期内的脉冲个数可随输出频率的降低而增加，相应地可以减少电机地转矩脉动，改善低速性能。但是，随着载波比地变花，很难保证三相输出间地对称关系，也会影响电机地平稳运行。 　　（3）分段同步调制 将同步调制和异步调制结合起来，相互取长补短，形成分段同步调制。把变频器的整个变频范围划分成若干个频段，在每个频段内固定载波比。在不同的频段，N的取值不同，频率越低N越大。用同步调制保证输出波形对称，用分段调制可以改善低速性能，这就是这种方法的优点，也是它广泛采用的原因。

按逆变器输出电压波形分

按逆变器输出电压波形分，有 　　（1）180矩形波 　　（2）120矩形波 　　（3）单脉冲调制波 　　（4）多漫长调制波 　　（5）正弦PWM波