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运动控制系统第1页，共88页，编辑于2022年，星期三*6.3 电力电子变压变频器的主要类型电力电子变压变频器的主要类型本节内容提要本节内容提要交交-直直-交和交交和交-交变压变频器交变压变频器电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器180180导通型和导通型和120120导通型逆变器导通型逆变器第2页，共88页，编辑于2022年，星期三1、交、交-直直-交和交交和交-交变压变频器交变压变频器v交交-直直-交变频器和交交变频器和交-交变频器有何区别？交变频器有何区别？v普通交普通交-直直-交变频器与交变频器与PWMPWM交交-直直-交变频器交变频器相比较，各有何特点？相比较，各有何特点？v交交-交变频器有哪几种控制方式？交变频器有哪几种控制方式？第3页，共88页，编辑于2022年，星期三间接间接变频变频器和器和直接直接变频变频器的器的结构结构区别区别变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC50Hz整流整流交交-直直-交（间接）变压变频器交（间接）变压变频器交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF交交-交（直接）变压变频器交（直接）变压变频器第4页，共88页，编辑于2022年，星期三变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC50Hz调压调频调压调频C普通普通间接间接变频变频器和器和PWM间接间接变频变频器器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC50Hz整流整流普通交普通交-直直-交（间接）变压变频器交（间接）变压变频器交交-直直-交交PWM变压变频器变压变频器第5页，共88页，编辑于2022年，星期三PWMPWM变压变频器的优点变压变频器的优点 （1 1）在在主主电电路路整整流流和和逆逆变变两两个个单单元元中中，只只有有逆逆变变单单元元可可控控，通通过过它它同时调节电压和频率，结构简单同时调节电压和频率，结构简单。（2 2）输输出出电电压压波波形形虽虽是是一一系系列列的的PWMPWM波波，但但由由于于采采用用了了恰恰当当的的PWMPWM控控制制技技术术，正正弦弦基基波波的的比比重重较较大大，影影响响电电机机运运行行的的低低次次谐谐波波受受到到很很大大的的抑抑制制，因而因而转矩脉动小转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。，提高了系统的调速范围和稳态性能。（3 3）逆逆变变器器同同时时实实现现调调压压和和调调频频，动动态态响响应应不不受受中中间间直直流流环环节节滤波器参数的影响，系统的滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高动态性能也得以提高。（4 4）采用不可控的二极管整流器，）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高电源侧功率因素较高，且，且不受逆不受逆变输出电压大小的影响变输出电压大小的影响。第6页，共88页，编辑于2022年，星期三交交-交变频器的控制方式交变频器的控制方式v整半周控制方式整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压电压u0，u0的幅值决定于各组可控整流装置的控制角的幅值决定于各组可控整流装置的控制角，u0的频率的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。决定于正、反两组整流装置的切换频率。v 调制控制方式调制控制方式 为获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不为获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。断改变其控制角。第7页，共88页，编辑于2022年，星期三b）方波型平均输出电压波形）方波型平均输出电压波形tu0正组正组通通反反组组通通正组正组通通反组反组通通单相电路结构与输出电压波形单相电路结构与输出电压波形VRVFId-Id+-+a)电路结构电路结构负负载载50Hz50Hzu0第8页，共88页，编辑于2022年，星期三2AOw ta=a=0 p 2a=p BCDEFu0图图6-14 交交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形交变压变频器的单相正弦波输出电压波形输出电压波形输出电压波形第9页，共88页，编辑于2022年，星期三交交-直直-交变频器和交交变频器和交-交变频器的区别交变频器的区别间接变频器间接变频器v输入功率因数高输入功率因数高v谐波电流含量小谐波电流含量小v最高输出频率可调最高输出频率可调v用于中小容量、中高转用于中小容量、中高转速的调速系统速的调速系统直接变频器直接变频器v输入功率因数较低输入功率因数较低v谐波电流含量大谐波电流含量大v最高输出频率不超过电最高输出频率不超过电网频率的网频率的1/31/31/21/2v用于轧机主传动、球磨用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统量、低转速的调速系统第10页，共88页，编辑于2022年，星期三2、电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器v电压源型和电流源型逆变器在结构上有何区电压源型和电流源型逆变器在结构上有何区别？别？v电压源型与电流源型逆变器在本质上有何区电压源型与电流源型逆变器在本质上有何区别？别？第11页，共88页，编辑于2022年，星期三 两种类型逆变器结构两种类型逆变器结构LdIdCdUdUd+-a)电压源逆变器电压源逆变器b)电流源逆变器电流源逆变器图图6-15 电压源型和电流源型逆变器示意图电压源型和电流源型逆变器示意图第12页，共88页，编辑于2022年，星期三电压源与电流源型逆变器的区别电压源与电流源型逆变器的区别v电流源型逆变器电流源型逆变器（Current Source Inverter-CSI），），直流直流环节采用环节采用大电感滤波大电感滤波，直流，直流电流波形比较平直，相当于电流波形比较平直，相当于一个一个恒流源恒流源，输出交流电流，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。流型逆变器。v电压源型逆变器电压源型逆变器（Voltage Source Inverter-VSI）直流环节采用直流环节采用大电容滤波大电容滤波，因而，因而直流电压波形比较平直，在理直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的想情况下是一个内阻为零的恒恒压源压源，输出交流电压是矩形波，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆或阶梯波，有时简称电压型逆变器。变器。第13页，共88页，编辑于2022年，星期三电压源与电流源型逆变器的区别电压源与电流源型逆变器的区别电压源型电压源型电流源型电流源型无功能量的缓冲无功能量的缓冲电容器电容器电感器电感器能量的回馈能量的回馈实现回馈制动和四象限实现回馈制动和四象限运行很困难运行很困难容易实现能量的回馈，容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行从而便于四象限运行动态响应动态响应慢慢快快输出波形输出波形电压波形为方波，电流电压波形为方波，电流为近似正弦波为近似正弦波电流波形为方波，电压电流波形为方波，电压为近似正弦波为近似正弦波应用场合应用场合多台电机同步运行多台电机同步运行快速起制动和可逆运行快速起制动和可逆运行的单台电机的单台电机第14页，共88页，编辑于2022年，星期三3 3、180180导通型和导通型和120120导通型逆变器导通型逆变器CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd 2Ud 2RL图图6-17 三相桥式逆变器主电路三相桥式逆变器主电路第15页，共88页，编辑于2022年，星期三180180导通型和导通型和120120导通型逆变器的波形图导通型逆变器的波形图v180180导通型导通型v120120导通型导通型tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uAOuAOuABiAiduBOuCOuOOUdUd2Ud3Ud62 Ud3tOtOtOtOIdiViWuUViU第16页，共88页，编辑于2022年，星期三180180导通型和导通型和120120导通型逆变器的比较导通型逆变器的比较项目项目180180 导通型导通型120120 导通型导通型导通顺序导通顺序VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6-VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6-每个开关管导通每个开关管导通180180 120120 触发移相触发移相6060 6060 每次导通开关管数每次导通开关管数3个2个换相换相发生在同一桥臂的发生在同一桥臂的上下两管中，易发上下两管中，易发生直通现象生直通现象发生在相邻两桥臂发生在相邻两桥臂的元件上，无直通的元件上，无直通现象现象输出电压输出电压高高低低第17页，共88页，编辑于2022年，星期三180180导通型和导通型和120120导通型逆变器的比较导通型逆变器的比较项目项目180180 导通型导通型120120 导通型导通型相电压相电压线电压线电压第18页，共88页，编辑于2022年，星期三6.4 6.4 变压变频调速系统中的脉宽调制变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)(PWM)技术技术本节提要本节提要v正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制(SPWM)技术技术v消除指定次数谐波的消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM)控制技术控制技术v电流滞环跟踪电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术控制技术v电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术（或称磁链跟踪控控制技术（或称磁链跟踪控制技术）制技术）第19页，共88页，编辑于2022年，星期三6.4.1 正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制(SPWM)技术技术1.PWM调制原理调制原理 以以正弦波正弦波作为逆变器输出的作为逆变器输出的期望波形期望波形，以频率比期望波高得多的，以频率比期望波高得多的等腰三角波等腰三角波作为作为载波载波（Carrier wave），并用），并用频率和期望波相同的正弦波频率和期望波相同的正弦波作为作为调制波调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。等宽的矩形波。按照按照波形面积相等波形面积相等的原则，每一的原则，每一个个矩形波的面积与相应位置的正弦矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等波面积相等，因而这个序列的矩形波，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波与期望的正弦波等效等效。这种调制方。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称，简称SPWM），这种序列的矩形波称作），这种序列的矩形波称作SPWMSPWM波波。图图6-18 PWM调制原理调制原理第20页，共88页，编辑于2022年，星期三2.SPWM控制方式控制方式v如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的的SPWMSPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式单极性控制方式。v如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则正负极性之间连续变化，则SPWMSPWM波也是在正波也是在正负之间变化，叫做负之间变化，叫做双极性控制方式双极性控制方式。第21页，共88页，编辑于2022年，星期三两种极性两种极性PWM控制方式的比较控制方式的比较v单极性单极性PWM控制方式控制方式v双极性双极性PWM控制方式控制方式第22页，共88页，编辑于2022年，星期三3.PWM控制电路控制电路v模拟电子电路模拟电子电路 采用正弦波发生器、采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器三角波发生器和比较器来实现上述的来实现上述的SPWMSPWM控制控制v数字控制电路数字控制电路硬件电路；硬件电路；软件实现软件实现自然采样法自然采样法只是把同样的方只是把同样的方法数字化，法数字化，自然采样法的运算比自然采样法的运算比较复杂；较复杂；规则采样法规则采样法在工程上更实用在工程上更实用的简化方法，由于简化方法的的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。不同，衍生出多种规则采样法。第23页，共88页，编辑于2022年，星期三（1）自然采样法原理）自然采样法原理 利用正弦波与三角利用正弦波与三角波的自然交点，决定波的自然交点，决定脉冲输出信号极性。脉冲输出信号极性。由于采用计数器计由于采用计数器计数定时，故计数器计数定时，故计数器计数决定脉冲宽度或间数决定脉冲宽度或间歇时间。歇时间。第24页，共88页，编辑于2022年，星期三（2）规则采样法）规则采样法 规则采样法原理规则采样法原理三角波两个正峰值之间为一个三角波两个正峰值之间为一个采样周期采样周期Tc自然采样法中，自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合期的中点（即负峰点）重合规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为相应的三角波中点为对称对称，使计算大为简化，使计算大为简化在三角波的负峰时刻在三角波的负峰时刻tD 对正弦信号波采样得对正弦信号波采样得D点，过点，过 D作水平直线和三角波分别交于作水平直线和三角波分别交于A、B点，点，在在A点时刻点时刻tA和和B点时刻点时刻tB控制开关器件的控制开关器件的通断通断脉冲宽度脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近非常接近第25页，共88页，编辑于2022年，星期三规则采样法原理规则采样法原理正弦调制信号波正弦调制信号波 式中，式中，M M 称为调制度，称为调制度，0 0 a a 11；r r为信号波角频率。从图中可得为信号波角频率。从图中可得因此可得因此可得三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度第26页，共88页，编辑于2022年，星期三实现方法实现方法v查表法查表法可以先离线计算出相应的脉宽可以先离线计算出相应的脉宽d d 等数等数据存放在内存中，然后在调速系统实时控制过程中据存放在内存中，然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。间。v实时计算法实时计算法事先在内存中存放正弦函数和事先在内存中存放正弦函数和T Tc c/2/2值，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的调制度值，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的调制度M M作乘法运算，再根据给定的载波频率查出相应的作乘法运算，再根据给定的载波频率查出相应的T Tc c/2/2值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。第27页，共88页，编辑于2022年，星期三4.PWM调制方法调制方法v载波比载波比载波频率载波频率 f fc c与调制信号频率与调制信号频率 f fr r 之比之比N N，既既 N N=f fc c/f fr r 根据载波和信号波是否同步及载波比根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，的变化情况，PWMPWM调制方式分为调制方式分为异步调制异步调制和和同步调制同步调制。第28页，共88页，编辑于2022年，星期三（1）异步调制）异步调制异步调制异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。载波信号和调制信号不同步的调制方式。v通常保持通常保持f fc c 固定不变，当固定不变，当f fr r 变化时，载波比变化时，载波比 N N 是变化的；是变化的；v在信号波的半周期内，在信号波的半周期内，PWMPWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/41/4周期的脉冲也不对周期的脉冲也不对称；称；v当当f fr r 较低时，较低时，N N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；利影响都较小；v当当f fr r 增高时，增高时，N N 减小，一周期内的脉冲数减少，减小，一周期内的脉冲数减少，PWMPWM脉冲不对称的影脉冲不对称的影响就变大响就变大第29页，共88页，编辑于2022年，星期三（2）同步调制）同步调制同步调制同步调制N N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。步。基本同步调制方式，基本同步调制方式，f fr r变化时变化时N N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取三相电路中公用一个三角波载波，且取N N 为为3 3的整数倍，使三相输出对称；的整数倍，使三相输出对称；为使一相的为使一相的PWMPWM波正负半周镜对称，波正负半周镜对称，N N应取奇数；应取奇数；f fr r很低时，很低时，f fc c也很低，由调制带来的谐波不易滤除；也很低，由调制带来的谐波不易滤除；f fr r很高时，很高时，f fc c会过高，使开关器件难以承受。会过高，使开关器件难以承受。第30页，共88页，编辑于2022年，星期三同步调制三相同步调制三相PWM波形波形 ucurUurVurWuuUNuVNOtttt000uWN2Ud-2Ud第31页，共88页，编辑于2022年，星期三（3）分段同步调制）分段同步调制把把f fr r范围划分成若干个频范围划分成若干个频段，每个频段内保持段，每个频段内保持N N恒恒定，不同频段定，不同频段N N不同；不同；在在f fr r高的频段采用较低的高的频段采用较低的N N，使载波频率不致过高；，使载波频率不致过高；在在f fr r低的频段采用较高的低的频段采用较高的N N，使载波频率不致过低，使载波频率不致过低第32页，共88页，编辑于2022年，星期三（4）混合调制）混合调制 可在低频输出时采用异步调制方式，高可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。接近。第33页，共88页，编辑于2022年，星期三5.PWM逆变器主电路及输出波形逆变器主电路及输出波形图图6-19 三相桥式三相桥式PWM逆变器主电路原理图逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2第34页，共88页，编辑于2022年，星期三图图6-20 三相桥式三相桥式PWM逆变器的双极性逆变器的双极性SPWM波形波形 uuUNOw tOOOOUd2-Ud2uVNuWNuUVuUNw tw tw tw tOw turUurVurWucUd23Ud2第35页，共88页，编辑于2022年，星期三 图图6-206-20为三相为三相PWMPWM波形，其中波形，其中vu urUrU、u urVrV、u urWrW为为U U，V V，W W三相的正弦调制波，三相的正弦调制波，u uc c为双极性为双极性三角载波；三角载波；vu uUNUN、u uVNVN、u uWNWN为为U U，V V，W W三相输出与电源中性点三相输出与电源中性点NN之间的相电压矩形波形；之间的相电压矩形波形；vu uUVUV为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为+U Ud d 和和 -U Ud d；vu uUN UN 为三相输出与电机中点为三相输出与电机中点N N之间的相电压。之间的相电压。第36页，共88页，编辑于2022年，星期三*6.4.2 消除指定次数谐波的消除指定次数谐波的SPWM控制技术控制技术 脉宽调制（脉宽调制（PWMPWM）的目的是使变压变频）的目的是使变压变频器输出的电压波形尽量接近正弦波，减少器输出的电压波形尽量接近正弦波，减少谐波，以满足交流电机的需要。要达到这谐波，以满足交流电机的需要。要达到这一目的，除了上述采用正弦波调制三角波一目的，除了上述采用正弦波调制三角波的方法以外，还可以采用直接计算各脉冲的方法以外，还可以采用直接计算各脉冲起始与终了相位起始与终了相位 1 1，2 2，2m2m的方法，的方法，以消除指定次数的谐波，构成近似正弦的以消除指定次数的谐波，构成近似正弦的PWMPWM波形波形(Selected Harmonics Elimination PWMSHEPWM）。）。第37页，共88页，编辑于2022年，星期三 特定谐波消去法的输出波形特定谐波消去法的输出波形图图6-21 特定谐波消去法的输出特定谐波消去法的输出PWM波形波形第38页，共88页，编辑于2022年，星期三 对对图图6-216-21的的PWMPWM波波形形作作傅傅氏氏分分析析可可知知，其其k k次谐波相电压幅值的表达式为次谐波相电压幅值的表达式为 （6-266-26）式中式中U Ud d变压变频器直流侧电压；变压变频器直流侧电压；1 1以以相相位位角角表表示示的的PWMPWM波波形形第第i i个个起起始始或终了时刻。或终了时刻。第39页，共88页，编辑于2022年，星期三 从理论上讲，要消除第从理论上讲，要消除第k k次谐波分量，次谐波分量，只须令式（只须令式（6-266-26）中的，并满足基波幅值为）中的，并满足基波幅值为所要求的电压值，从而解出相应的值即可。所要求的电压值，从而解出相应的值即可。第40页，共88页，编辑于2022年，星期三 可采用可采用数值法迭代数值法迭代，在上述方程组，在上述方程组求解求解出开关时出开关时刻刻相位角相位角 1 1，2 2，然后再利用，然后再利用1/41/4周期对称性，计周期对称性，计算出算出 2m2m=-1 1，以及，以及 2m-12m-1.各值。各值。由于上述数值求解方法的复杂性，而且对应于不由于上述数值求解方法的复杂性，而且对应于不同基波频率应有不同的基波电压幅值，求解出的脉同基波频率应有不同的基波电压幅值，求解出的脉冲开关时刻也不一样，所以这种方法不宜用于实时冲开关时刻也不一样，所以这种方法不宜用于实时控制，须用计算机离线求出开关角的数值，放入微控制，须用计算机离线求出开关角的数值，放入微机内存，以备控制时调用。机内存，以备控制时调用。第41页，共88页，编辑于2022年，星期三*6.4.3 电流滞环跟踪电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术控制技术 在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量值，不含脉动分量。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪PWMPWM（Current Hysteresis Band PWM CHBPWM）控制，具有电流滞环跟踪控制，具有电流滞环跟踪PWMPWM控控制的制的PWMPWM变压变频器的变压变频器的A A相控制原理图示于图相控制原理图示于图6-226-22。第42页，共88页，编辑于2022年，星期三1.滞环比较方式电流跟踪控制原理滞环比较方式电流跟踪控制原理 图图6-22电流滞环跟踪控制的电流滞环跟踪控制的A相原理图相原理图负载L+-iiaia*V1V42Ud2UdVD4VD1HBCVT1VT4第43页，共88页，编辑于2022年，星期三 图中，电流控制器是带滞环的比较器，图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为环宽为2 2h h。将给定电流将给定电流i i*a a与输出电流与输出电流i ia a 进行比较，进行比较，电流偏差电流偏差 i ia a超过时超过时 h h，经滞环控制器，经滞环控制器HBCHBC控控制逆变器制逆变器A A相上（或下）桥臂的功率器件动作。相上（或下）桥臂的功率器件动作。B B、C C 二相的原理图均与此相同。二相的原理图均与此相同。第44页，共88页，编辑于2022年，星期三 采用电流滞环跟踪控制时，变压变频器的采用电流滞环跟踪控制时，变压变频器的电流波形与电流波形与PWMPWM电压波形示于图电压波形示于图6-236-23。v如果，如果，i ia a i i*a a，且，且i i*a a-i ia ah h，滞环控制器，滞环控制器HBCHBC输出正电平，输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件驱动上桥臂功率开关器件V V1 1导通，变压变频器输出正电压，导通，变压变频器输出正电压，使增大。当增长到与相等时，虽然，但使增大。当增长到与相等时，虽然，但HBCHBC仍保持正电平仍保持正电平输出，保持导通，使继续增大输出，保持导通，使继续增大v直到达到直到达到i ia a =i i*a a+h h，i ia a=h h，使滞环翻转，使滞环翻转，HBCHBC输出负输出负电平，关断电平，关断V V1 1，并经延时后驱动，并经延时后驱动V V4 4。第45页，共88页，编辑于2022年，星期三 但此时未必能够导通，由于电机绕组但此时未必能够导通，由于电机绕组的电感作用，电流不会反向，而是通过二的电感作用，电流不会反向，而是通过二极管续流，使受到反向钳位而不能导通。极管续流，使受到反向钳位而不能导通。此后，逐渐减小，直到滞环偏差的下限值，此后，逐渐减小，直到滞环偏差的下限值，使使HBCHBC再翻转，又重复使导通。这样，与交再翻转，又重复使导通。这样，与交替工作，使输出电流给定值之间的偏差保替工作，使输出电流给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化。持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化。从图从图 6-23 6-23 中可以看到，输出电流是十分中可以看到，输出电流是十分接近正弦波的。接近正弦波的。第46页，共88页，编辑于2022年，星期三滞环比较方式的指令电流和输出电流滞环比较方式的指令电流和输出电流 图图6-23电流滞环跟踪控制时的电流波形电流滞环跟踪控制时的电流波形第47页，共88页，编辑于2022年，星期三三相电流跟踪型三相电流跟踪型PWM逆变电路逆变电路 图图6-24 三相电流跟踪型三相电流跟踪型PWM逆变电路逆变电路+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVWVT1VT4VT6VT2VT3VT5第48页，共88页，编辑于2022年，星期三三相电流跟踪型三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形逆变电路输出波形 第49页，共88页，编辑于2022年，星期三 因此，输出相电压波形呈因此，输出相电压波形呈PWMPWM状，状，但与两侧窄中间宽的但与两侧窄中间宽的SPWMSPWM波相反，两波相反，两侧增宽而中间变窄，这说明为了使电侧增宽而中间变窄，这说明为了使电流波形跟踪正弦波，应该调整一下电流波形跟踪正弦波，应该调整一下电压波形。压波形。第50页，共88页，编辑于2022年，星期三6.4.4 电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术控制技术 （或称磁链跟踪控制技术）（或称磁链跟踪控制技术）本节提要v问题的提出问题的提出v空间矢量的定义空间矢量的定义v电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系v六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场v电压空间矢量的线性组合与电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制控制 第51页，共88页，编辑于2022年，星期三n 问题的提出问题的提出 经典的经典的SPWMSPWM控制主要着眼于使变压变控制主要着眼于使变压变频器的频器的输出电压尽量接近正弦波输出电压尽量接近正弦波，并，并未顾未顾及输出电流的波形及输出电流的波形。而电流滞环跟踪控制。而电流滞环跟踪控制则则直接控制输出电流，使之在正弦波附近直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。，这就比只要求正弦电压前进了一步。然而交流电动机需要输入三相正弦电流的然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩场，从而产生恒定的电磁转矩。第52页，共88页，编辑于2022年，星期三 如果对准这一目标，把逆变器和交流如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作来控制逆变器的工作，其效果应该更好。，其效果应该更好。这种控制方法称作这种控制方法称作“磁链跟踪控制磁链跟踪控制”，下，下面的讨论将表明，面的讨论将表明，磁链的轨迹是交替使用磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的不同的电压空间矢量得到的，所以又称，所以又称“电压空间矢量电压空间矢量PWMPWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制）控制”。第53页，共88页，编辑于2022年，星期三1.空间矢量的定义空间矢量的定义 交流电动机绕组的电交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物压、电流、磁链等物理量都是随时间变化理量都是随时间变化的，分析时常用的，分析时常用时间时间相量相量来表示，但如果来表示，但如果考虑到它们所在绕组考虑到它们所在绕组的空间位置的空间位置，也可以，也可以如图所示，定义为如图所示，定义为空空间矢量间矢量u uA0A0，u uB0B0，u uC0C0。图图6-25 电压空间矢量电压空间矢量 第54页，共88页，编辑于2022年，星期三 电压空间矢量的相互关系电压空间矢量的相互关系v定子电压空间矢量定子电压空间矢量：u uA0A0 、u uB0B0 、u uC0C0的方向的方向始终始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也是的角度也是120120。v合成空间矢量合成空间矢量：由三相定子电压空间矢量由三相定子电压空间矢量相加相加合成的空间矢量合成的空间矢量u us s 是一个旋转的空间是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压值的矢量，它的幅值不变，是每相电压值的3/23/2倍。倍。第55页，共88页，编辑于2022年，星期三电压空间矢量的相互关系（续）电压空间矢量的相互关系（续）当电源频率不变时，合成空间矢量当电源频率不变时，合成空间矢量 u us s 以电源角频以电源角频率率 1 1 为电气角速度作恒速旋转。当某一相电压为最大为电气角速度作恒速旋转。当某一相电压为最大值时，合成电压矢量值时，合成电压矢量 u us s 就落在该相的轴线上。用公式就落在该相的轴线上。用公式表示，则有表示，则有 （6-39）与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量磁链的空间矢量 I Is s 和和s s。第56页，共88页，编辑于2022年，星期三2.电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 三相的电压平衡方程式相加，即得用三相的电压平衡方程式相加，即得用合成空间矢量表示的定子电压方程式为合成空间矢量表示的定子电压方程式为（6-40）式中式中 us 定子三相电压合成空间矢量；定子三相电压合成空间矢量；I Is s 定子三相电流合成空间矢量；定子三相电流合成空间矢量；s s 定子三相磁链合成空间矢量定子三相磁链合成空间矢量。第57页，共88页，编辑于2022年，星期三 近似关系近似关系 当电动机转速不是很低时，定子电阻压当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式（降在式（6-406-40）中所占的成分很小，可忽略）中所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为的近似关系为 （6-41）（6-42）或 第58页，共88页，编辑于2022年，星期三 磁链轨迹磁链轨迹 当电动机由三相平衡正弦电压供电时，当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（一般简称为磁链圆）。这样的定子磁形（一般简称为磁链圆）。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示链旋转矢量可用下式表示。（6-43）其中其中 m m是磁链是磁链s s的幅值，的幅值，1 1为其旋转角速度。为其旋转角速度。第59页，共88页，编辑于2022年，星期三由式（由式（6-416-41）和式（）和式（6-436-43）可得）可得（6-44）上式表明，当磁链幅值一定时，的大小与（或上式表明，当磁链幅值一定时，的大小与（或供电电压频率）成正比，其方向则与磁链矢量供电电压频率）成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向，正交，即磁链圆的切线方向，第60页，共88页，编辑于2022年，星期三 磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系 如图所示，当磁链矢如图所示，当磁链矢量在空间旋转一周时，电量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动的切线方向运动2 2 弧度，弧度，其轨迹与磁链圆重合。其轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可场的轨迹问题就可转化为转化为电压空间矢量的运动轨迹电压空间矢量的运动轨迹问题问题。图图6-26 6-26 旋转磁场与电压空间矢旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹量的运动轨迹第61页，共88页，编辑于2022年，星期三3.3.六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场（1 1）电压空间矢量运动轨迹）电压空间矢量运动轨迹 在常规的在常规的 PWM PWM 变压变频调速系统中，变压变频调速系统中，异步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时异步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时的电压空间矢量运动轨迹是怎样的呢？的电压空间矢量运动轨迹是怎样的呢？为了讨论方便起见，再把三相逆变器为了讨论方便起见，再把三相逆变器-异步电动机调速系统主电路的原理图绘出，异步电动机调速系统主电路的原理图绘出，图图6-276-27中六个功率开关器件都用开关符号代中六个功率开关器件都用开关符号代替，可以代表任意一种开关器件。替，可以代表任意一种开关器件。第62页，共88页，编辑于2022年，星期三 主电路原理图主电路原理图图图6-27 三相逆变器三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图异步电动机调速系统主电路原理图 第63页，共88页，编辑于2022年，星期三 开关工作状态开关工作状态 如果，图中的逆变器采用如果，图中的逆变器采用180180导通型，功率开关导通型，功率开关器件共有器件共有8 8种工作状态（见附表），其中种工作状态（见附表），其中6 6 种有效开关状态；种有效开关状态；2 2 种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）：压）：u上桥臂开关上桥臂开关 VTVT1 1、VTVT3 3、VTVT5 5 全部导通全部导通u下桥臂开关下桥臂开关 VTVT2 2、VTVT4 4、VTVT6 6 全部导通全部导通第64页，共88页，编辑于2022年，星期三开关状态表开关状态表开关开关开关开关控制控制控制控制模式模式模式模式 对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中6 种有种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔效的工作状态各出现一次。逆变器每隔 /3 时刻就切换一次时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这工作状态（即换相），而在这 /3 时刻内则保持不变。时刻内则保持不变。第65页，共88页，编辑于2022年，星期三（a）开关