【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 們畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。2．直接（交交）變壓變頻裝置交交變頻器的主要構(gòu)成環(huán)節(jié)由恒壓恒頻電源，交—交變壓變頻器，變壓變頻電源三環(huán)節(jié)構(gòu)成，交交變頻電路是不通過(guò)中間直流環(huán)節(jié)而把工頻交流電直接變換成不同頻率交流電的交流電路，故又稱為直流變頻器或周波變頻器。因?yàn)闆](méi)有中間直流環(huán)節(jié)，僅用一次變換就實(shí)現(xiàn)了變頻，所以效率較高。大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所用的變頻器主要是交交變頻器。第二章 PWM變頻控制技術(shù)變頻器工作原理：變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源。在諸多交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)中，如調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、滑差調(diào)速、變頻調(diào)速等，其中由于變頻調(diào)速具有的優(yōu)點(diǎn)：（1）調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高；（2）調(diào)速范圍較大，精度高；（3）起動(dòng)電流低，對(duì)系統(tǒng)及電網(wǎng)無(wú)沖擊，節(jié)電效果明顯；（4）易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化；因此，變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速技術(shù)。在中小功率的變頻調(diào)速系統(tǒng)中使用最多的變壓變頻調(diào)速，簡(jiǎn)稱U/F控制，相應(yīng)的變頻調(diào)速控制器為電壓源型變頻調(diào)速器（VSI）。由電機(jī)學(xué)知識(shí)可知異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率有以下關(guān)系： （21）式中：n—電機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）； p—磁極對(duì)數(shù)； s—轉(zhuǎn)差率（％）； f—電源頻率（Hz）。從式（21）可以看出，改變電源頻率就可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。另外，根據(jù)的電勢(shì)公式知道，外加電壓近似地與頻率和磁通的乘積成正比。即 （22）式中C1為常數(shù)。因此有： （23）若外加電壓不變，則磁通隨頻率而改變，如頻率下降，磁通會(huì)增加，造成磁路飽和，勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)下降，鐵心和線圈過(guò)熱，顯然這是不允許的。為此，要在降頻的同時(shí)還要降壓，這就要求頻率與電壓協(xié)調(diào)控制。此外，在很多場(chǎng)合為了保持在調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩不變，也需要維持磁通不變，這亦由頻率和電壓協(xié)調(diào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率，從而可以任意調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速。 現(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)控制方式可以分為以下幾種：（1）U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式：其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。（2）電壓空間矢量（SVPWM）控制方式：它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過(guò)反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒(méi)有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本改善。（3）矢量控制（VC）方式：矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流、通過(guò)三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流,，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流、（相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。（4）直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式：1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。（5）矩陣式交交控制方式：VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交－直－交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲(chǔ)能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此，矩陣式交－交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交－交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。在這里本文采用是基于SPWM控制方式即U/f=C的正弦脈寬調(diào)制，其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。U/f=C的正弦脈寬調(diào)制控制方式原理: （24）式中：Eg —?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值，單位為V； f1—定子頻率，單位為Hz； Ns—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；kNs—基波繞組系數(shù)； Fm—每極氣隙磁通量單位為Wb。由式（21）可知，只要控制好 Eg 和 f1，便可達(dá)到控制磁通Fm 的目的，對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況，這里主要討論基頻以下： （25）轉(zhuǎn)速給定既作為調(diào)節(jié)加減速的頻率f指令值，同時(shí)經(jīng)過(guò)適當(dāng)分壓，作為定子電壓U1的指令值。該比例決定了U/f比值，由于頻率和電壓由同一給定值控制，因此可以保證壓頻比為恒定。但是，在低頻時(shí) Us 和 Eg 都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時(shí)，需要人為地把電壓 Us 抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。，帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性于下圖中的b線所示，無(wú)補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a 線所示。 恒壓頻比控制特性在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率應(yīng)該從f1N向上升高，但定子電壓Us 卻不可能超過(guò)額定電壓UsN，最多只能保持Us =UsN，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況?；l以上在這里不多做分析。U/f控制有兩種基本實(shí)現(xiàn)方法：脈幅調(diào)制（PAM），脈寬調(diào)制（SPWM）。 SPWM模式下交直交變頻器工作原理本文采用的是SPWM基礎(chǔ)上改進(jìn)型SAPWM控制模式，所謂的SPWM波形就是在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來(lái)安排。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度一也最大，而脈沖間的間隔則最小。反之，當(dāng)正弦值較小時(shí)，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大。這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)載電流中的諧波成分大為減小，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等，把一個(gè)正弦波分作幾等份,然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合（），這樣由幾個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波等效，稱作SPWM波形。同樣，正弦波的負(fù)半周也用同樣的方法與一系列負(fù)脈沖波等效。 SPWM波形 SPWM調(diào)制 SPWM調(diào)制分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制。（1）單極性調(diào)制：?jiǎn)螛O性PWM調(diào)制在半個(gè)周期的調(diào)制波中，三角載波只在正極或負(fù)極一種極性范圍內(nèi)變化，是用一條正弦控制波與一條在正弦波正半周的極性為正、負(fù)半周的極性為負(fù)的等腰三角載波進(jìn)行比較后得到PWM波的調(diào)制方式。在正半周，如果正弦信號(hào)的幅值大于三角信號(hào)的幅值則比較器的輸出取正電平。如果正弦信號(hào)的幅值小于三角信號(hào)的幅值，輸出0電平，這樣對(duì)應(yīng)于逆變器輸出只有Ud和0兩種狀態(tài)。而在負(fù)半周，當(dāng)正弦信號(hào)的幅值大于三角信號(hào)的幅值時(shí)，比較器的輸出取負(fù)電平；當(dāng)正弦信號(hào)的幅值小于三角信號(hào)時(shí)，取0電平，這樣對(duì)應(yīng)于逆變器輸出只有Ud和0兩種狀態(tài)。因此對(duì)于單極性PWM控制的逆變器可以輸出幅值為別Ud, 0和Ud的三種方波電壓[3]。（2）雙極性調(diào)制雙極性調(diào)制及逆變器輸出電壓。當(dāng)正弦信號(hào)幅值大于三角波幅值時(shí)，比較器輸出+Ud，反之輸出Ud，這樣只能得到正、負(fù)兩種電平的PWM信號(hào)。 單極性調(diào)制對(duì)于一個(gè)具體的逆變電路，是采用單極性還是雙極性PWM控制方式，取決于主電路本身的結(jié)構(gòu)。有些電路，如單相橋式逆變電路，既可用單極性PWM控制，也可用雙極性PWM控制。而三相橋式逆變電路則采用雙極性PWM調(diào)制信號(hào)去控制。在同等情況下，單極性PWM調(diào)制波比雙極性PWM調(diào)制波的諧波分量要小。 三相逆變電路工作原理當(dāng)前廣泛應(yīng)用的SPWM逆變電路通常采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，在一個(gè)電壓輸出周期中，對(duì)各開(kāi)器件進(jìn)行多次通、斷控制，這樣既可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小和頻率，又可降低各次諧波分量的影響。是載波信號(hào)，,是三個(gè)調(diào)制電壓波，初相依次相差120o 下面依次是逆變器相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn)的輸出電壓波形。是逆變器輸出的線電壓波形，圖中虛線代表與之面積等效的正弦波。同樣，當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，如電動(dòng)機(jī)，負(fù)載電流不能突變，這樣也可以使逆變器輸出的電流波形更接近于正弦波，使其運(yùn)行更加平穩(wěn)，也減小了損耗，提高了效率。 SPWM模式下工作波形 逆變器拖動(dòng)感性負(fù)載時(shí)線電流波形 SPWM波生成對(duì)SPWM逆變電路分析時(shí)，應(yīng)為分同步和非同步兩種調(diào)制方式情況來(lái)分析。在非同步SPWM調(diào)制時(shí)，一個(gè)調(diào)制波周期內(nèi)所含的各脈沖模式不具備重復(fù)性，因可無(wú)法以調(diào)制波的角頻率為基準(zhǔn)。比時(shí)以載波角頻率為基準(zhǔn)，考察其邊頻帶波分布情況的方法較合適。，Tc為載波周期，Us為正弦控制信號(hào)，其角頻率為，采樣時(shí)刻分別是和。 采樣圖，其峰值為2Uc，即以等腰點(diǎn)為中性點(diǎn)、幅值為正Uc的對(duì)稱三角波。圖中為A相輸出電壓基波。，中性點(diǎn)0與直流電壓中點(diǎn)相連時(shí)，其工作原理分析如下：在a0區(qū)間，A相橋臂的上部元件S1 導(dǎo)通，在A相繞組上施加的相電壓值為，寬度為方波。a 1 時(shí)刻S1 關(guān)斷，下部功率元件S4 導(dǎo)通，a 相繞組上施加的相電壓為幅值 ，寬度為的方波[5][6]。在調(diào)制正弦波半周期（0 ）中，S1 和S4 分別導(dǎo)通和關(guān)斷N /2次。其中載波比N和調(diào)制系數(shù)分別被定義為： （26） （27）式中：f c —三角波頻率； f －輸出基波頻率；Urm —調(diào)制正弦波幅值；Uc —載波信號(hào)峰值。S1 和S4 的交替互補(bǔ)通斷，形成的輸出a 。，當(dāng)正弦電壓瞬時(shí)值大于三角波瞬時(shí)值時(shí)，功率元件S1 導(dǎo)通而S4 阻斷，反之亦然。為了調(diào)節(jié)輸出電壓頻率（基波頻率），只需要調(diào)節(jié)調(diào)制波頻率。為了調(diào)節(jié)輸出電壓幅度，只需調(diào)節(jié)調(diào)制波的幅度。注意，輸出U相電壓基波u a1 雖然和調(diào)制正弦波ur 具有相同的形式和頻率，但其幅度卻不相等，其幅度之比為： （28）式中：U m —三角波信號(hào)峰值； K—功率開(kāi)關(guān)放大器（逆變器）的電壓放大倍數(shù)。按照式（27）對(duì)調(diào)制系數(shù)的定義知，在載波比N確定后，每半周脈沖個(gè)數(shù)隨之確定，基準(zhǔn)正弦調(diào)制波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻隨調(diào)制系數(shù)變化。從而使輸出脈寬隨變化，達(dá)到了輸出電壓幅值調(diào)節(jié)的目的。 雙極性調(diào)制 取N為奇數(shù)，則輸出電壓基波半周內(nèi)脈沖電壓個(gè)數(shù)i=（N1）/2。，即： （29）式中： SPWM輸出波形的分析,可以看出、的PWM波形都只有177。兩種電平。輸線電壓PWM波可以得出，由177。Ud和0三種電平構(gòu)成，負(fù)載相電壓PWM波由（177。2/3）Ud、（177。1/3）Ud和0共5種電平組成。負(fù)載電壓可以由下列公式得到： （210） SAPWM模式 SAPWM波形產(chǎn)生通過(guò)分析得出鞍形波的生成函數(shù)如公式（211），SAPWM調(diào)制波的分析給出的SAPWM調(diào)制波前半個(gè)周期的表達(dá)式可寫(xiě)成如下的函數(shù)： （211） 這個(gè)函數(shù)是定義在[0，]上的函數(shù)，而在[，]內(nèi)的波形和前面的對(duì)稱，波形表達(dá)式與之相似。則則整個(gè)[0，]。 前半個(gè)周期的SAPWM調(diào)制波 SAPWM優(yōu)點(diǎn)研究結(jié)果表明，采用SAPW1Vl模式可使變頻器的線性輸出線電壓達(dá)到電網(wǎng)輸入線電壓，其值是SPWM模式的，即提高了15%,且在抑制諧波電流、減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和增大輸出轉(zhuǎn)矩方而有顯著效果。SAPWM調(diào)制波中只含有3的奇數(shù)倍次諧波。，不會(huì)影響d,q兩軸的分量。這樣我們就可以在原有的SPWM整流器直接電流控制系統(tǒng)中從零軸注入這些3的奇數(shù)倍次諧波來(lái)生成SAPWM調(diào)制波，而不會(huì)影響原有的控制系統(tǒng)。 電壓源型三相六拍式交直交變頻器主電路原理如下圖： 變頻器的主電路圖變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、控制單元（驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理）、保護(hù)電路等組成的。變頻器電路可以分為5個(gè)主要部分：（1）整流器：它與單相獲三相交流電源相連接，產(chǎn)生脈動(dòng)的支流電壓。整流器有兩種基本類型，可控的和不可控的。為后續(xù)的逆變做準(zhǔn)備。（2）中間電路：它有以下3種類型：將整流電壓變換成支流電流；使脈動(dòng)的支流電壓變得穩(wěn)定或平滑，供逆變器使用；將整流后固定的支流電壓變換成可變的支流電壓。（3）逆變器：將滯留逆變成交流為電機(jī)提供交流電，其次它產(chǎn)生電機(jī)電壓的頻率。另外，一些逆變器還可以將固定的支流電壓變換成可變的交流電壓。（4）控制電路：它將信號(hào)傳給整流器、中間電路和逆變器，同時(shí)它也接受來(lái)自這些部分的信號(hào)。具體被控制的部分取決于各個(gè)變頻器的設(shè)計(jì)。變頻器都是由控制電路利用信號(hào)來(lái)開(kāi)關(guān)逆變器的半導(dǎo)器件，這是所有變頻器的共同點(diǎn)。（5）保護(hù)