1、第二章 通用變頻器調速的控制原理變頻調速拖動系統是由變頻器供電的電動機帶動生產機械運轉的系統。描述轉速n和轉矩T之間的關系nf(T)稱為機械特性。電力拖動系統的穩態工作情況取決于電動機和負載的機械特性。因此，要學習變頻調速的控制原理，有必要了解負載的機械特性和電動機的機械特性。2-1 各類負載的機械特性分析負載的機械特性決定于負載阻轉矩的構成以及負載對工況的限制和要求。工礦企業生產機械的類型很多，它們的機械特性也各不相同。但大體上說，主要有三類： 一、恒轉矩負載 1轉矩特點 在不同的轉速下，負載的阻轉矩基本恒定：TLconst即負載阻轉矩TL的大小與轉速nL的高低無關。 2功率特點 負載的功率

2、PL和轉矩TL、轉速nL之間的關系是 該公式為通用公式 【注意：9550中P單位為千瓦，9.55中P單位為瓦】即負載功率與轉速成正比。（轉速越快，負載功率越大；轉速越小，負載功率越小。轉速為零則不存在功率消耗）3.典型實例帶式輸送機是恒轉矩負載的典型例子之一，其基本結構和工作情況，負載轉矩的大小決定于傳動帶與滾筒間的摩擦阻力F和滾筒半徑r：TLFr由于F和r都和轉速的快慢無關，所以在調節轉速nL的過程中，轉矩TL保持不變即具有恒轉矩的特點。二、恒功率負載1.功率特點在不同的轉速下，負載的功率基本恒定：PLconst即負載功率大小與轉速的高低無關。2轉矩特點即負載轉矩的大小與轉速成反比。3.典型

3、實例各種薄膜的卷取機械是恒功率負載的典型例子之一。其工作特點是：隨著“薄膜卷”的卷徑逐漸增大，卷取輥的轉速應該逐漸減小，以保持薄膜的線速度恒定，從而也保持了張力的恒定。 【v=w.r角速度乘于半徑就是線速度】負載阻轉矩的大小決定于卷取物的張力F（在卷取過程中，要求張力保持恒定)和卷取物的卷取半徑r(隨著卷取物不斷卷到卷取輥上，·將越來越大)。TLF r由于具有以上特點，因此，在卷取過程中，拖動系統的功率是恒定的，即PLF vconst機械能WPLtF vt式中 v卷取物的線速度，在卷取過程中，為了使張力大小保持不變，要求線速度也保持恒定。轉速越快則轉矩越小，轉速越慢則轉矩越大。卷取物

4、直徑越大則角速度越慢三、二次方率負載（平方轉矩負載）1.轉矩特點負載的阻轉矩TL與轉速nL的二次方成正比，即2.功率特點負載的功率PL與轉速nL的三次方成正比，即式中，KT，KP二次方率負載的轉矩常數和功率常數。3.典型實例離心式風機和水泵都屬于典型的二次方率負載。以風扇葉片為例。事實上，即使在空載的情況下，電動機的輸出軸上，也會有損耗轉矩T0，如摩擦轉矩等。因此，嚴格地講，其轉矩表達式應為功率表達式為功率表達式為：式中，P0空載損耗。【教材印刷錯誤】【轉矩是轉速的二次方，功率是轉速的三次方】2-2 異步電動機的機械特性一、異步電動機的等效電路P27三相異步電動機的電路分析三相交流異步電動機的

5、每相等效電路類似于變壓器，定子繞組相當于變壓器的原繞組，閉合的轉子繞組相當于的副繞組，其電磁關系也同變壓器類似，如下圖所示。變壓器：F 變化® eU1 »E1= 4.44 f N1F E2= 4.44 f N2FE1 、E2 頻率相同，都等于電源頻率。電動機：當定子繞組接三相電源電壓時u1，則有三相電流i1通過。產生旋轉磁場，并通過定子和轉子鐵心而閉合。旋轉磁場在定子繞組和轉子繞組分別感應產生電動勢e1和e2。此外，漏磁通產生的漏磁電動勢分別為e1和e2。定子電路1.旋轉磁場的磁通F異步電動機：旋轉磁場切割導體® e， U1 » E1= 4.44f1N1

6、F2.定子感應電勢的頻率 f1感應電勢的頻率與磁場和導體間的相對速度有關。旋轉磁場與定子導體間的相對速度為 n0 ，所以 f1= 電源頻率 f轉子電路1. 轉子感應電勢頻率 f2定子導體與旋轉磁場間的相對速度固定，而轉子導體與旋轉磁場間的相對速度隨轉子的轉速不同而變化旋轉磁場切割定子導體和轉子導體的速度不同定子感應電勢頻率 f1¹ 轉子感應電勢頻率 f2轉子感應電勢頻率 f2= s f 1 【， 轉子和旋轉磁場相對速度為，轉子和定子的相對速度是n。異步的來由】2. 轉子感應電動勢E2E2= 4.44 f2N2F = 4.44s f 1N2F 當轉速 n = 0(s=1)時， f2最高

7、，且 E2 最大，有E20= 4.44 f1N2F 即E2= s E20  3. 轉子感抗X2和阻抗Z2 當轉速 n = 0(s =1)時， f 2最高，且 X2 最大，有X20= 2 pf1Ls2，即X2=sX20  4. 轉子電流 I2 5. 轉子電路的功率因數 cosY2結論：轉子轉動時，轉子電路中的各量均與轉差率 s有關，即與轉速 n有關。作業：1. 根據力矩公式，線速度與角速度的關系，角速度與轉速的關系，以及功率與功的關系，推導公式。2. 根據上述內容，說明為什么電動機啟動時啟動電流很大，但功率因數卻不大。二、固有機械特性電磁轉矩：電動機內電流和磁場的相互作用的結

8、果。異步電動機的電磁轉矩的大小與電流和磁通量的乘積成正比。公式： （1-21）式中穩定工作區：轉矩變大的時候轉速變小不穩定工作區：轉矩和轉速同方向變化（適用于風機型負載）以最大轉矩為分界點當電動機的電源電壓、頻率一定時，電動機的電磁轉矩T與轉差率有關，.三相異步電動機的機械特性：把電磁轉矩T近似為輸出轉矩T2（忽略空載轉矩T0）作為橫坐標，利用公式，把轉速代替轉差率s作為縱坐標，將它畫成曲線。如果式121中各參數均處于額定狀態，電動機按規定的接線方式接線，定子及轉子電路中不外接電阻(電抗或電容)時所獲得的機械特性稱為異步電動機的固有機械特性，如圖126所示。 由圖l26可知，固有機械特性曲線的

9、形狀主要決定于以下三點：(1) 理想空載點E（TM0，nMn0） 理想空載點E的位置主要反映了理想空載轉速的大小。在異步電動機中，理想空載轉速就是旋轉磁場的轉速（同步轉速）：(2) 啟動點S(TMTs，nM0) 啟動點S主要說明當電動機剛接通電源，尚未轉起來時啟動轉矩Ts的大小。啟動轉矩又稱為堵轉轉矩，(3) 最大轉矩點（TMTK，nMnK） 最大轉矩點的位置對于評價機械特性來說是十分重要的。1） 電動狀態最大轉矩點P（TP，nP） 是臨界轉矩，也叫最大轉矩，反映電動機的過載能力，是臨界轉速，它的大小決定了P點的最大電磁轉矩，反映了機械特性的硬度。2） 回饋發電制動最大轉矩P（TP，nP） 在

10、回饋制動時異步電動機的過載能力較電動狀態時大，即 【回饋制動P31】當ssmr2/X02時，轉矩T達到最大值： 最大轉矩與電壓U1平方成正比，而與轉子電阻r2無關，轉差率Sm與r2成正比。如果增大電阻r2（繞線式異步電動機轉子串接電阻），可增大Sm，從而增大電動機的啟動轉矩，當r2X02時，Sm1（轉子轉速為零），電動機有最大的啟動轉矩TstTm，能重載啟動，但機械特性變軟。 籠型 繞線式(4) 額定運行點B（TMTN，nMnN）三相異步電動機在額定運行電B工作時，轉速、電磁轉矩、輸出功率、定子電流和轉子電流都是額定值。按照條件在額定運行點工作，能使電動機得到充分的利用。三、三相異步電動機的啟

11、動聲明：必須區分籠型和繞線式異步電動機。籠型異步電動機的轉子不能串接任何阻抗。繞線式則可以。要求： ·有不太大的起動電流 但是直接起動時情況恰恰相反·足夠大的起動轉矩·動態轉矩T很小1、三相籠型異步電動機的啟動（1）直接啟動 籠型轉子異步電動機最簡單的啟動方法，就是將定子直接接到額定電壓、額定功率的電網上進行啟動，這就是直接啟動。直接啟動的優點是設備和操作簡單，缺點是啟動電流較大，可達額定電流的47倍，這樣會使線路的壓降明顯增大，造成電網電壓顯著下降，從而影響其他用電設備的正常工作。 （2）降壓啟動 凡是不允許直接啟動的籠型轉子異步電動機，都要采取措施限制啟動電流

12、。由于籠型轉子不可能外接任何阻抗，所以限制啟動電流只能在定子電路中采取措施。可以在定子電路中串聯電阻或電抗，也可以用變壓器降低電壓，有時還可以改變定子繞組的連接方法來降低每相繞組上的電壓。這些方法都是靠降低電動機啟動時的電壓來限制啟動電流的，統稱為降壓啟動。1）定子串聯電阻或電抗器啟動 啟動電阻Rst(或啟動電抗器Xst)串聯在定子電路中，較大的啟動電流在啟動電阻Rst(或啟動電抗器Xst) 上產生較大的電壓降，從而降低了加在電動機定子上的電壓。Q1是主開關，起隔離電源的作用，Q2是轉換開關。首先Q2閉合，電動機串聯電阻(或電抗器)啟動。當轉速升高到額定數值時，Q1閉合，切除啟動電阻(或電抗器

13、)，定子直接接到電網，在固有特性上繼續加速至穩定轉速，啟動過程的機械特性如圖1-2-8所示。轉矩正比于電源電壓，降壓啟動，使電壓降低，導致：最大轉矩變小，啟動轉矩也變小。機械特性變軟。2）自耦變壓器降壓啟動 自耦變壓器降壓啟動是利用自耦變壓器降低電動機定子繞組的電壓，以減小啟動電流。啟動過程：首先閉合Ql和Q3，電網電壓U1經自耦變壓器降低為U2加到電動機的定子進行啟動，當轉速升高到一定數值時，斷開Q3，電動機按照串聯電抗器方式繼續加速，最后閉合Q2，電動機加上全電壓，在固有特性上繼續加速直至穩定狀態。啟動結束，斷開Q1，將自稠變壓器從電網上切除。3）星三角降壓啟動（Y啟動） 當籠型異步電動機

14、的定子繞組按三角形連接時，可以在啟動過程中先接成星形，以減小啟動電流。因為接成三角形時，加在每相繞組上的電壓是電網電壓，而接成星形時加在每相繞組上的電壓只有電網電壓的1/，所以是降壓啟動。啟動過程：首先閉合KM2和KM3，將定子繞組按成星形啟動，當轉速升高到一定數值時，斷開Q3，閉合Ql，將定子繞組接成三角形，在固有特性上繼續加速到穩定狀態，啟動過程結束。因為先按星形連接進行降壓啟動，然后按三角形連接加全電壓繼續加速，所以稱星三角降壓啟動只適用于電動機是三角形聯接的情況。2.繞線式異步電動機的啟動三相繞線式異步電動機可有轉子串聯電阻及轉子串聯頻敏變阻器兩種啟動方法。 (1)轉子串聯電阻啟動 三

15、相繞線式異步電動機轉子串聯電阻啟動時，要隨著轉速的升高，分段切除啟動電阻。以三級啟動為例，接線和機械特性如圖1-2-11所示，啟動開始時，圖中的加速接觸器節點1C，2C，3C均斷開，電源接觸器接點閉合，對應于圖b中的a點。隨著轉速升高，在機械特性上b，d，f各點依次切除啟動電阻rc1，rc2，rc3，最后在h點穩定運行，啟動過程結束。繞線式異步電動機轉子串聯電阻分級啟動，雖然能夠限制啟動電流并增大啟動轉矩，但電阻逐段變化，轉矩變化較大，啟動不夠平滑，平均啟動轉矩也不夠大，所有控制設備占地面積較大，操作維護不便。如采用頻敏電阻器，則可克服上述缺點。(2)轉子串聯頻敏變阻器啟動 四、三相異步電動機

16、的制動在電動機中，凡電磁轉矩的方向和轉子的實際旋轉方向相反的狀態，統稱為制動狀態。（1）工作原理 當異步電動機的轉子轉速nM超過同步轉速n0時，電動機便處于回饋制動狀態。這時的異步電動機實際上處于發電的狀態，或者說，拖動系統的動能被“再生”成電能了。其基本特征是： 1) n0與nM同方向。 2) n0nM （2）機械特性 回饋制動的機械特性是電動狀態機械特性向第二象限的延伸。分析關鍵點：慣性存在，轉速不能突變。 當起重機下放重物時，因為轉子轉速超過了同步轉速，故工作點順著原機械特性曲線1向第二象限移動，直至電磁制動轉矩TM與重物的牽引轉矩TG相等，這時的工作點已移至G點(-TM=TG，nG)當

17、變頻調速系統降速時，由于頻率降低，機械特性變成了曲線2。但由于拖動系統的慣性，系統的轉速不可能突變，因而工作點將從曲線1上的Q點(TQ，nQ)按轉速未變的原則“跳轉”到曲線2上。由于曲線2上與轉速nQ對應的點是第二象限的B點，于是得到反方向的制動轉矩了TB，使拖動系統迅速降速。2.直流制動（能耗制動）(1)方法和原理 在定子繞組里通入直流電流，從而產生一個固定磁場。由于磁場不動，所以，轉子繞組按其旋轉方向切割磁力線，從而產生制動轉矩，直流制動的原理與再生制動十分類似，但它卻不能像再生制動那樣把拖動系統的動能再生成電能反饋回去，而只能讓拖動系統的動能完全消耗掉，放又稱為能耗制動。 (2)機械特性

18、 直流制動的原理與再生制動類似，所以，其機械特性實際上就是f0Hz再生制動的機械特性，如圖1214所示。當系統直流制動時，由于拖動系統的慣性，系統的轉速不可能突變，因而工作點將從曲線1上的Q點(TQ，nQ)按轉速未變的原則“跳轉”到曲線2上。由于曲線2上與轉速nQ對應的點是第二象限的B點，于是得到反方向的制動轉矩TB，使拖動系統迅速降速。3.反接制動 (1)狀態特征 電動機的實際旋轉方向與電磁轉矩的旋轉方向相反時的狀態即為反接制動動狀態。(2)定子兩相反接的反接制動 眾所周知，改變電動機電源進線的相序(交換任意兩相進線)，可使旋轉磁場的旋轉方向相反，并最終導致電動機的反轉。由于反轉時電磁轉矩和

19、轉速都是負的，故其機械特性在第三象限。設電動機正轉時工作點為曲線1上的Q點(TQ，nQ)，則在剛反接的瞬間，其工作點將從Q點跳轉到曲線2的B點(在第二象限)。然后，轉速迅速下降為0，并開始反轉。這里，從B點下降到nM0的那一段(即第二象限中的那一段)，電磁轉矩TM是負的，而轉速nM是正的。電動機處于反接制動狀態。開始反轉后又成為電動狀態。這種反接制動狀態在用作快速制動的方法時，具有不易操作、比較危險等缺點，故變頻調速系統中基本不用。(3)倒拉式反接制動 起重機在緩慢下放重物時，有時采用這樣的方法：電動機的電磁轉矩力圖使重物上升，但因“帶不動”，結果轉子的實際旋轉方向被重物倒拉成反轉了。其機械特

20、性如圖1216中曲線2所示的向第四象限延伸的部分，這時的工作點為Q點。電磁轉矩是正的，而轉速卻是負的。五、能量圖及其與機械特性的對應關系1、異步電動機的能量圖（1）輸入功率P1是電動機從電源吸取的電功率。（2）輸出功率P2是電動機帶動負載時的機械功率。（3）電磁功率PM是電動機的定子側通過磁場傳遞到轉子側的功率。（4）損耗功率主要有：由于定子和轉子的鐵損已另行計算，故式124和式l一25算出的電磁功率是相等的。因此，圖12一17所示的定轉子繞組可以不必畫出，能量圖可簡化為圖1218所示。公式表示：2、機械特性與轉子側能量圖的關系在圖l219中，P2籠統地代表了轉子側所有的損耗功率。由圖可知，轉

21、子側損耗功率P2的大小是和轉差n成正比的，故常常統稱之為轉差功率。六、三相異步電動機的調速異步電動機的轉速表達式要調節異步電動機的轉速，可從改變下列三個參數入手：(1)改變定子繞組的極對數p。(2)改變供電電源電壓的頻率f1。(3)改變電動機的轉差率s。1、變極調速改變定子繞組的極對數，可使異步電動機的同步轉速改變，從而使電動機轉速得到調節。改變定子極對數，通常用改變定子繞組連接的方法，這種電動機一般是采用籠型轉子。其轉子的極對數能自動與定子的極對數相對應。改變定子繞組連接的方法有YYY和YY兩種。變極調速的平滑性不高，【有極調速】，調速范圍約等于2。2、改變轉差率調速(1)繞線異步電動機轉子

22、串聯電阻調速從圖中的機械特性可以看出，改變轉子的串聯電阻可以調節轉速。轉子串聯電阻越大，轉速越低，因為改空轉子的串聯電阻不影響同步轉速，只改變轉差率，因此屬于轉差率調速。電動機在某一轉速下穩定運行時，由于串聯電阻增大，必然引起轉子電流減小，從而引起電磁轉矩減小，使電動機轉矩小于負載轉矩，電動機減速，轉差率增大。 (2)串級調速 異步電動機的串級調速就是在異步電動機轉子電路內引入感應電動勢Ef，以調節異步電動機的轉速。引入電動勢的方向，可與轉子電動勢方向相同或相反，其頻率與轉子頻率相同。·因為電動機的工作電壓不允許超過額定值，所以調節電壓只能在額定電壓以下進行。所以調壓調速也稱為降壓調

23、速。因為改變電壓不影響同步轉速，所以調壓調速屬于改變轉差率調速這一類。普通籠型異步電動采用調壓調速的機械特性如圖1225所示。由圖可知，其調速范圍很小，且電壓越低，機械特性直線部分的硬度越小，這就限制了調壓調速的范圍，為了克服這個缺點，通常采用閉環來增大調速范圍。3、變頻調速變極調速只用于籠型異步電動機，設備簡單，但是平滑性不好。【教材印刷錯誤】。籠型異步電動機調壓調速即改變定子電壓調速。屬于改變轉差率調速范疇，它的轉差功率消耗在轉子中，效率低，發熱嚴重。只適用于較小容量的生產機械。繞線式異步電動機轉子串電阻調速，其低速特性軟、調速范圍小、效率低、平滑性差、串級調速其轉差功率能夠回饋電網、調速

24、效率高、特性硬、能實現無級調速，但低速時過載能力較低、功率因數不高，而變頻調速最大限度地克服了上述調速方法的缺點。在各種異步電動機調速系統中，效率最高，性能也最好，可實現恒轉矩調速，且保持電動機過載能力不變，調速范圍大，低速特性硬。可實現無級調速。 (1)在基本頻率(基頻)flN以下調速 在基本頻率flN以下調速時，采用的是U/f恒定控制方式。在恒壓頻比條件下改變頻率時，機械特性基本上是平行下移的，如圖1226所示。當轉矩增大到最大值以后，特性曲線就折回來了。如果電動機在不同轉速下都具有額定電流，則電動機都能在溫升允許條件下長期運行，這時轉矩基本上隨磁通變化，由于在基頻以下調速時磁通恒定，所以

25、轉矩也恒定。在基頻以下調速屬于“恒轉矩調速”的性質。（2）在基本頻率(基頻) flN以上調速 在基頻以上調速時，頻率可以從flN往上增高，但電壓U1卻不能超過額定電壓UIN，最多只能保持U1UIN。 在基頻flN以上變頻調速時，由于電壓U1UIN不變，不難證明，當頻率提高時，同步轉速隨之提高，最大轉矩減小，機械特性上移，如圖l227所示。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁動勢必然減弱，導致轉矩減小。由于轉速升高了，可以認為輸出功率基本不變：所以基頻以上變頻調速屬于弱磁恒功率調速。 把基頻以上調速和基頻以下調速兩種情況結合起來，可得圖1228所示的異步電動機變頻調速控制特性。應該注意，以上所分析的機

26、械特性都是在正弦波電壓供電下的情況。如果電壓源含有諧波，將使機械特性受到扭曲變形，并增加電動機中的損耗。因此在選購變頻器時，變頻器輸出的諧波越小越好。通過分析得出如下結論：當flflN時，變頻裝置必須在改變輸出頻率的問時改變輸出電壓的幅值，才能滿足對異步電動機的變頻調速的基本要求。這樣的裝置通稱變壓變頻(VVVF)裝置，其中VVVF是Variable Voltage Variable Frequency的縮寫。這是通用變頻器工作的最基本原理，也是設計變頻器時應滿足的最基本要求。后面章節將詳細介紹通用變頻器是如何實現變壓變頻的。2-3 SPWM控制技術變頻器按調制方式來分有脈幅調制PAM和脈寬調

27、制PWM。兩種方法的共同特點是變頻器在改變輸出頻率的同時改變輸出電壓，只不過PAM改變的是輸出電壓的振幅值，而PWM改變的是輸出電壓的脈寬占空比(振幅值不變)。不論是PAM還是PWM，其輸出電壓和電流的波形都是非正弦波，具有許多諧波成分。正弦脈寬調制(SPWM)可以使輸出電壓的波形接近于正弦波。本節重點講述SPWM方式。一、 SPWM原理所謂正弦脈寬調制波形，就是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，如圖l229所式。等效的原則是每一區間的面積相等。如果把一個正弦半波分成n等份(在圖1229中，n12)，然后把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩

28、形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點與正弦波每一等份的中點相重合；這樣，由n個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周波形等效，稱為SPWM波形。同樣正弦波的負半周也可用相同的方法與一系列負脈沖等效。這種正弦波正負半周分別用正負脈沖等效的SPWM波形稱為單極式SPWM。圖1230所示為SPWM變壓變頻器主電路原理圖。在SPWM脈沖系列中，各脈沖的寬度以及相互間的間隔是由正弦波(基準波或調制波)和等腰三角波(載波)的交點來決定的。二、單極性SPWM技術1、調制波和載波ut是載波，采用了等腰三角波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，和電動機的電壓為額定電壓時的調制波的振幅相同，每半個周期內，所有三

29、角波的極性均相同(單極性)；ura是正弦調制波，其周期決定于所需要電壓波形的頻率，其振幅決定于所需要的電壓波形的振幅，即ura是所希望得到的電壓波形。調制情況：當希望得到的電壓ura高于三角波電壓ut時，相應比較器的輸出電壓uda為“正”電平，反之則產生“零”電平。只要正弦調制波的最大值低于三角波的幅值。由圖l231a的調制結果必然形成圖123lb所示的等幅不等寬，而且兩側窄中間寬的SPWM脈寬調制波形。負半周是用同樣的方法調制后再倒相而成。調制波和載波的交點，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖間的間隔寬度，每半周期內的脈沖系列是單極性的。2、單極性調制的工作特點每半個周期內，逆變橋同一橋臂的

30、兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規律時通時斷地工作，另一個完全截止；而在另半個周期內，兩個器件的工作情況正好相反。流經負載Z的便是正、負交替的交變電流，如圖1232所示。三、雙極性SPWM技術1、調制波和載波ut是載波，采用了雙極性的等腰三角波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，和電動機的電壓為額定電壓時的調制波的振幅相同。ura是正弦調制波，其周期決定于所需要電壓波形的頻率，其振幅決定于所需要的電壓波形的振幅，即ura是所希望得到的電壓波形。2雙極性調制的工作特點逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規律交替地導通和關斷，而流過負載Z的電流是按線電壓規律變化的交變

31、電流。 四、SPWM的軟件控制法 軟件控制法是由微型計算機來實現SPWM控制的方法，是目前經常采用的主要有如下幾種： 1表格法(又稱ROM法) 這種方法是預先將SPWM波的數據計算出來，存入ROM中，然后根據調頻指令再將這些數據順序取出，由輸出口輸出，控制逆變器的開關動作。表格法的缺點是占用大量的內存，且無實時處理功能.。2隨時計算法(又稱RAM法)3. 實時計算法脈沖寬度調制技術的概念1脈沖寬度調制（縮寫為PWM）：是通過按照一定的規則和要求對一系列脈沖寬度進行調制，來得到所需要的等效波形。2以變頻調速常用的電路結構為例來說明PWM含義：一般異步電動機需要的是正弦交流電，而逆變電路輸出的往往

32、是脈沖。PWM控制的目的就是通過對逆變電路輸出脈沖的寬度進行調制，使之與正弦波等效。這樣，雖然電動機的輸入信號仍為脈沖，但它是與正弦波等效的調制波，那么電動機的輸入信號也就等效為正弦交流電了。PWM技術的基本原理1PWM技術的理論基礎：采樣控制理論中的一個重要結論面積等效控制原理2SPWM原理：將一個正弦半波電壓分為N等份，并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點與相應正弦等份的中點重合，得到脈沖列，這就是PWM波。正弦波的另外半波也用同樣的辦法來等效，就可以得到與正弦波等效的脈寬調制波，又稱其為SPWM。SPWM波在變頻電路中被廣泛采用。根據

33、采樣控制理論，N值越高（即脈沖頻率越高），SPWM越接近正弦波，但脈沖頻率一方面受變頻器中開關器件工作頻率的限制，另一方面頻率太高，電磁干擾增大，要帶來一些新的問題。3實際應用中SPWM波的形成：調制方法 調制波ur 所希望生成的正弦波載波uT 等腰三角波或鋸齒波利用載波和調制波相的比較方式來確定脈寬和間隔。4按照調制脈沖的極性關系，PWM逆變電路的控制方式分 單極性控制雙極性控制三、單相橋式SPWM逆變電路分析。1單極性SPWM控制設定載波uT、調制波ur，如圖所示。在ur正半周，讓VT1一直保持通態，VT4保持斷態。當uruT時，控制VT3為通態，負載輸出電壓uo=Ud；當uruT時，控制

34、VT3為斷態，負載輸出電壓uo=0，此時負載電流可以經過VT1與VD2續流。在ur負半周，讓VT4一直保持通態，VT1保持斷態。當uruT時，控制VT2為通態，負載輸出電壓uo=-Ud；當uruT時，控制VT2為斷態，負載輸出電壓uo=0，此時負載電流可以經過VT4與VD3續流。這樣，就得到了SPWM波uo ，uof為uo的基波分量。可見，在任一半個周期中，SPWM波只能在一個方向變化，故稱為單極性SPWM控制方式。由于改變ur的幅值時，調制波的脈寬將隨之改變，從而改變輸出電壓的大小；而改變ur的頻率時，則輸出電壓的基波頻率也隨之改變，所以這就實現了既可調壓又可調頻的目的。2雙極性SPWM控制

35、設定調制波ur、載波uT，載波uT改為正負兩個方向變化的等腰三角波，如圖1-17a所示。當uruT時，給VT1和VT3導通信號，而給VT2和VT4關斷信號，負載輸出電壓uo=Ud；當uruT時，給VT2和VT4導通信號，而給VT1和VT3關斷信號，負載輸出電壓uo=-Ud。這樣，就得到了SPWM波uo。可見，在任一半個周期中，SPWM波在正、負兩個方向交替，故稱為雙性SPWM控制方式。改變ur的幅值和頻率，即可達到調壓、調頻的目的。四、變頻器的三相橋式SPWM逆變電路由電路結構可見，其控制方式為用雙極性控制。電路的開關器件采用IGBT，負載為感性。其工作原理如下：1調頻原理U、V、W三相載波信

36、號公用一個三角載波uT，三相調制信號urU、urV、urW為相位依次相差1200的正弦波。改變三相調制信號urU、urV、urW的頻率，即可變頻器的輸出頻率，達到變頻之目的。U、V、W三相的IGBT控制規律相同，現以U相為例來說明電路的控制過程。當urUuT時，給VT1導通信號，給VT4關斷信號，則U相相對于電源假想中點N¹的輸出電壓uUN=Ud/2；當urUuT時，給VT4導通信號，給VT1關斷信號，則U相相對于電源假想中點N¹的輸出電壓uU N=-Ud/2。VT1和VT4的驅動信號始終是互補的。當給VT1（VT4）加導通信號時，可能是VT1（VT4）導通，也可能是二極管

37、VD1（VD4）續流導通，這要由感性負載中原來電流的方向和大小來決定，和單相橋式PWM逆變電路雙極性控制時的情況相同。V相和W相的控制方式和U相相同。uUN、uVN和uWN的波形如圖所示。線電壓uUV的波形可由uUN-uVN得出。若求負載的相電壓可由式uUN =uUN-(uUN+uVN+uWN)/3求得，其波形略。2調壓原理變頻器的調壓和調頻是同時進行的。當將三相調制信號urU、urV、urW的頻率調低（高）時，三個信號的幅度也相應調小（大），使得調制信號的U/為常數，或按照設定的要求變化。若調制信號的幅度變小，則變頻器的輸出脈沖寬度變窄，等效電壓變低；若調制信號的幅度變大，則變頻器的輸出脈沖

38、寬度變寬，等效電壓變高。綜上所述，變頻器的調壓調頻過程是通過控制三相調制信號進行的。在雙極性SPWM控制方式中，理論上要求同一相上下兩個橋臂的驅動信號互補，但實際上為了防止上下兩個橋臂直通而造成電源短路，通常要求先加關斷信號，再延遲t時間，才給另一個施加導通信號。延遲時間t的長短主要由功率開關器件的關斷時間決定。由于這個延時將會給輸出PWM波帶來不利影響，使其偏離正弦波，所以在保證電路可靠工作的前提下，延遲時間要盡可能短2-4 U/f控制方式變頻器按控制方式來分，有U/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器。一、 U/f控制原理相異步電機定子每相電動勢的有效值是：式中 氣隙磁通在定子

39、每相中感應電動勢的有效值 定于頻率，Hz； Nl 定子每相繞組串聯匝數； 與繞組結構有關的常數； 每極氣隙磁通量，Wb。 如果定子每相電動勢的有效值不變，改變定子頻率時就會出現下面兩種情況： (1)如果大于電動機的額定頻率，那么氣隙磁通量就會小于額定氣隙磁通量。其結果是：盡管電動機的鐵心沒有得到充分利用是一種浪費，但是在機械條件允許的情況下長期使用不會損壞電動機。 (2)如果小于電動機的額定頻率，那么氣隙磁通量就會大于額定氣隙磁通量。其結果是：電動機的鐵心產生過飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機： 要實現變頻調速，在不損壞電動機的條件下，充分利用電動機鐵心，發揮電動機

40、轉矩的能力，最好在變頻時保持每極磁通量為額定值不變。 要保持不變，當頻率從額定值向下調節時，必須同時降低，使得為常數，即采用電動勢與頻率之比恒定的控制方式。然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢的值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓，則得常數 這就是U/f控制方式。在恒壓頻比條件下改變頻率時，機械特性基本上是平行下移的。低頻時，和都較小，定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著，不能再忽略，結果是，電動機的臨界轉矩隨之減小。為此，在低頻時，可以人為地把電壓抬高一些，以便近似地補償定子壓降。這種方法稱為轉矩補償，也叫轉矩提升。二、 U/f控制的應用1、 普通型U/f控制

41、通用變頻器普通型U/f控制通用變頻器是轉速開環控制，無需速度傳感器，控制電路比較簡單，電動機選擇通用標準異步電動機，因此其通用性比較強，性價比比較高，是目前通用變頻器產品中使用較多的一種控制方式。日本SAMCO公司生產的SVF系列變頻器是一種典型的普通型U/f通用變頻器，此系列通用變頻器是以單片機為主，配以脈寬調制發生器組成的SPWM控制系統。該通用變頻器輸出電壓為SPWM正弦脈寬調制波，電流近似為正弦波，達到了輸出給電動機的電流為正弦波的要求。有興趣的讀者可查找其說明書。2、 具有恒定磁通功能的U/f通用變頻器通用變頻器驅動不同類型的異步電動機時，根據電動機的特性對壓頻比的值進行恰當的調整是

42、十分困難的。一旦出現電壓不足，電動機的特性與負載特性就會沒有穩定運行交點，可能出現過載或跳閘。 要想使電動機特性在最大轉矩范圍內與負載特性處處都有穩定運行交點，就應當讓轉子磁通恒定而不隨負載發生變化。如果采用磁通反饋控制讓異步電動機所輸入的三相正弦電流在空間產生圓形旋轉磁場，那么就會產生恒定的電磁轉矩。這樣的控制方法就叫作“磁鏈跟蹤控制”c由于磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，所以有人把“磁鏈跟蹤控制”稱為“電壓空間矢量控制”。考慮到這種功能的實現是通過控制定子電壓和頻率之間的關系來實現的，所以恒定電磁轉矩的控制方法仍然屬于Uf控制方式。采用這種控制方式，可使電動機在極低的速度下轉矩過載能

43、力達到或超過150；頻率設定范圍達到1：30；電動機的靜態機械特性的硬度高于在工頻電網上運行的自然機械特性的硬度。在動態性能要求不高的情況下，這種通用變頻器甚至可以替代某些閉環控制，實現閉環控制的開環化。這種具有恒定磁通功能的通用變頻器，由于限流功能比較好，一般不會出現過流跳閘現象，因此有人把這種通用變頻器稱為“無跳閘變頻器”。當生產工藝提出具有較高的靜態、動態性能指標要求時，可以采用轉速閉環控制構成轉差頻率控制系統來滿足許多工業應用中的要求。2-5 轉差頻率控制方式對交流異步電動機進行控制時，如果能像控制直流電動機那樣，用直接控制電樞電流的方法控制轉矩，就可以用異步電動機來得到與直流電動機同

44、樣的靜、動態特性。轉差頻率控制就是一種直接控制轉矩的方法。異步電動機穩態運行時所產生的電磁轉矩為：由上式可知：當轉差頻率fs較小時，如果E1/f1常數，則電動機的轉矩基本上與轉差頻率fs成正比，即在進行控制E1/f1的基礎上，只要對電動機的轉差頻率fs進行控制，就可以達到控制電動機輸出轉矩的目的。這是轉差頻率控制的基本出發點。轉差頻率fs是施加于電動機的交流電壓頻率f1(變頻器的輸出頻率)與以電動機實際速度nn作為同步轉速所對應的電源頻率fn的差頻率，即f1fs+fn。在電動機轉子上安裝測速發電機等速度檢出器可以得出fn，并根據希望得到的轉矩(對應于轉差頻率設定值fs0)調節變頻器的輸出頻率f

45、1，就可以輸出電動機具有設定的轉差頻率fs0，即使電動機具有所需的輸出轉矩。這是轉差頻率控制的基本控制原理。 控制電動機的轉差頻率還可以達到控制電動機轉子電流的目的，從而起到保護電動機的作用。為了控制轉差頻率，雖然需要檢測電動機的速度，但系統的加減速特性比開環的U/f獲得了提高，過電流的限制效果也更好。但是，當生產工藝提出更高的靜態、動態性能指標要求時，轉差頻率控制系統還是不如轉速、電流雙閉環直流調速系統。為了解決這個問題，需要采用矢量控制的變壓變頻通用變頻器。2-6 矢量控制方式一、矢量控制的控制原理矢量控制是一種高性能異步電動機的控制方式，它基于電動機的動態數學模型，分別控制電動機的轉矩電流和勵磁電流，具有直流電動機相類似的控制性能。矢量控制的基本思想是仿照直流電動機的調速特點，把異步電動機的定子電流，即變頻器輸出電流分解為產生磁場的電流分量(勵磁電流)和產生轉矩的電流分量(轉矩電流)。因此，通過控制電動機定子電流的大小和相位(即定子電流矢量)就可以分別對電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制電動機轉矩的目的，進而控制電動機的轉速。二、異步電動機的坐標變換交流電動機的轉子能夠產生旋轉的原因，是因為交流電動機的定子能夠產生旋轉磁動勢。而旋轉磁動勢是交流電動機三相對稱的靜止繞組A，B，C，通過三相平衡的正弦電流所產生的。但是，旋轉磁動勢并不一定非要