【導(dǎo)讀】經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的主要因素之一，迫切需要提高工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的能源利用率。發(fā)展，其顯著的節(jié)能效益，高精確的調(diào)速精度，寬泛的調(diào)速范圍，完善的保護(hù)功能，以及易于實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)通信功能，得到了廣大用戶的認(rèn)可。在運(yùn)行的安全可靠、安裝使。用、維修維護(hù)等方面，也給使用者帶來(lái)了極大的便利。因此，研究交—直—交變頻調(diào)。速系統(tǒng)的基本工作原理和作用特性意義十分重大。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制效果是比較理想的，仿真實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)運(yùn)行良好，

　　

【正文】 壓降以后，在基頻以下能維持 Eg/ω s為恒值，則無(wú)論頻率高低，每極磁通 φ m均為常值。由圖22 所示的等效電路可以看出 ,2,r22( ) ( )gr srEIR Ls ??? （ 219） 代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式并整理得 , 2 2 , 22p 23 n ( )g s rems r s rE s RT R s L???? ? （ 220） 經(jīng)分析，可以得到如圖 25 所示的機(jī)械特性。此時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩為 ,2m a x p31n ( )2 gemsrET L?? （ 221） 當(dāng) Eg/ωs 恒值時(shí)， Temmax 幾也為恒定值，所以，恒 Eg/ωs 控制的穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒Us/ωs。 nTabc0 圖 25 不同電壓 和 頻率協(xié)調(diào)控制方式的機(jī)械特性 ③ 恒 Er/ωs控制 如果把電壓頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓 Us 相應(yīng)地再進(jìn)一步提高，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，就得到恒 Er/ωs控制。這時(shí)的 電磁轉(zhuǎn)矩的基本關(guān)系式 如下： 2, ,2p23 3n()()p r r r se rs s rn E R E sTR sRs????? （ 223） 可以看出，這時(shí)的機(jī)械特性 Te=f (s)，完全為一條直線，如圖 25所示 C 線。 總之，恒 Eg/ω s 控制通常是對(duì)恒壓頻比實(shí)行電壓補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)，可以在穩(wěn)態(tài)時(shí)做到φ m=恒值，從而改善穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能。但是，它的機(jī)械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制。 20 以上幾種電壓一頻率協(xié)調(diào)控制都是指基頻以下的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍而言的，在基頻以上則一律采用的都是電壓不變只提高頻率的恒功率弱磁調(diào)速。上述控制方式表明，必須同時(shí)改變電源的電壓和頻率，才能滿足變頻調(diào)速的要求。 恒壓頻比控制的基本電路 （ 1） 恒壓頻比控制變頻調(diào)速系 統(tǒng)主回路的控制方式 采用電壓一頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)在不同頻率下都能獲得較硬的機(jī)械特性線性段。在生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合下，可以采用轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)恒壓頻比的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，例如風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等的節(jié)能調(diào)速就經(jīng)常采用這一方案。本論文采用的就是恒壓頻比的控制方式，主電路采用的是交一直一交電壓源型電路結(jié)構(gòu)。 從結(jié)構(gòu)上看，靜止變頻裝置可分為間接變頻 (AC 一 DC 一 AC)和直接變頻 (AC 一 AC)兩類(lèi)。間接變頻裝置 (AC 一 DC 一 AC)先將工頻交流電源通過(guò)整流器變成直流，然后再經(jīng)過(guò)逆變器將直流 變換為可控頻率的交流，因此又稱(chēng)為有中間直流環(huán)節(jié)的變頻裝置。直接變頻裝置 (AC 一 AC)則將工頻交流一次變換為可控頻率的交流，沒(méi)有中間直流環(huán)節(jié)。目前應(yīng)用較多的還是間接變頻裝置。 從變頻電源的性質(zhì)上看，又可分為電壓型變頻器和電流型變頻器。 ① 對(duì)于交一直一交型變頻器 (AC 一 DC 一 AC)，當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時(shí)，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一種內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出的交流電壓為矩形波或者階梯波。稱(chēng)為電壓源型變頻器。 ② 當(dāng)交一直一交型變頻器 (AC 一 DC 一 AC)的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時(shí)，直流回路中的電流波形比較平直，對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)基本上是一個(gè)恒流源，輸出交流電流是矩形波或者梯形波，稱(chēng)之為電流源型變頻器。 異步電動(dòng)機(jī)屬于感性負(fù)載，不論其處于電動(dòng)還是發(fā)電狀態(tài)，功率因數(shù)都不會(huì)為 1，故在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總存在有無(wú)功功率的交換。由于逆變器中的電力電子器件無(wú)法儲(chǔ)能，所以無(wú)功功率只能靠直流環(huán)節(jié)中的儲(chǔ)能元件來(lái)緩 沖，因此電壓源型的變頻器和電流源型的變頻器的主要區(qū)別就在于用 何種 儲(chǔ)能元件來(lái)緩沖無(wú)功能量。 （ 2） 電壓型 PWM 變頻器主電路 電壓型 PWM 變頻器先將電源提供的交流電通過(guò)整流器變成直流，再經(jīng)過(guò)逆變器變換成可控頻率的交流電。按照不同的控制方式，又可分為四種形式 [17,19,20]： ① 晶閘管整流調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的交一直一交變壓變頻裝置。該裝置的調(diào)壓和調(diào)21 頻在兩個(gè)環(huán)節(jié)上分別完成，要求兩者在控制電路中協(xié)調(diào)配合，器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。主要缺點(diǎn)是，在整流環(huán)節(jié)中采用了晶閘管整流器，當(dāng)電壓調(diào)節(jié)得較低時(shí)，電網(wǎng)端的功率因數(shù)較低。而逆變器也是由晶閘管組成的，其工作模式為三相六拍，每周換相六次，因此輸出的諧波較大。 ② 不控整流、斬波器調(diào)壓、六拍逆變器調(diào)頻的交一直一交變壓變頻裝置。它有三個(gè)環(huán)節(jié)，整流器由二極管組成，只整流不調(diào)壓；調(diào)壓環(huán)節(jié)由斬波器單獨(dú)進(jìn)行，比第一種結(jié)構(gòu)多了一個(gè)環(huán)節(jié)，但是調(diào)壓時(shí)輸入功率因數(shù)不變。但是逆變環(huán)節(jié)仍然和第一種結(jié)構(gòu)一樣，因而仍有較大的諧波。 ③ 不控整流、 PWM 逆變器調(diào)壓調(diào)頻的交一直一交變壓變頻裝置該結(jié)構(gòu)可以較好的解決輸入功率因數(shù)低和輸出諧波大的問(wèn)題。 PWM 逆變器采用了全控式的電力電子開(kāi)關(guān)器件，因此輸出的諧波大小取決于 PWM 的開(kāi)關(guān)頻率，以及 PWM 控制方式。 ④ PWM 可控整流、 PWM 逆變器調(diào)壓調(diào)頻的交一直一 交變壓變頻裝置由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，全數(shù)字式系統(tǒng)使 PWM 控制非常容易，可以方便地設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)雙 PWM 變換器，不僅在逆變環(huán)節(jié)采用 PWM 控制，整流部分也采用 PWM 可控整流。因此，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的諧波污染可以控制得非常低，同時(shí)具有較高 的 功率因數(shù)。通過(guò) PWM 控制還可以使系統(tǒng)進(jìn)行再生制動(dòng)，即可以使異步電動(dòng)機(jī)在四象限上運(yùn)行。 本章小結(jié) 本章介紹了異步電機(jī)的基本 工作 原理和調(diào)速方法。分析了 異步電機(jī)工作 的 原理 ，結(jié)合其 靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，根據(jù) 機(jī)械特性曲線 引入異步電機(jī)的不同調(diào)速方法， 并進(jìn)行了 簡(jiǎn)要 的對(duì)比， 說(shuō)明了恒壓頻比變頻調(diào)速的 優(yōu)越性，著重 介紹了 恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)控制原理及進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)異步電機(jī)的 機(jī)械特性 ，對(duì)恒壓頻比變頻調(diào)速基本電路進(jìn)行了初步的分析，并由此引出變頻器中所應(yīng)用到的 PWM 技術(shù) ，將在下一章進(jìn)行具體論述 。 22 3 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù) PWM 技術(shù)的發(fā)展 1963 年， 提出了消除特定諧波法； 1964 年， 和 把通訊系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)的逆變器中，產(chǎn)生了正弦脈寬調(diào)制技術(shù) （ SPWM） ，后由英國(guó) Bristol 大學(xué)的 S. R. Bowes 于 1975 年進(jìn)行了推廣和應(yīng)用，使 SPWM 調(diào)制技術(shù)成為廣泛關(guān)注的熱點(diǎn) [17]。后來(lái)， Bowes 又相繼提出了全數(shù)字化 SPWM 方案，規(guī)則采樣數(shù)字化 PWM 方案及準(zhǔn)優(yōu)化 PWM 技術(shù) （ Suboptimal PWM） ，以提高直流電壓利用率。 1983 年， 等又提出了空間相量 PWM 技術(shù)，該技術(shù)從用于異步電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，直接采用以電動(dòng)機(jī)磁鏈圓形軌跡為目的的控制方法，因而使用起來(lái)更直觀，更方便 [11] 以 Turnbull 的消除特定諧波法為基礎(chǔ)，出現(xiàn)了求最大或最小值的優(yōu)化 PWM 概念，由此于 19771986 年， , 和 等提出了電流諧波畸變率（ THD） 最小、效率最優(yōu)及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小的最優(yōu) PWM 法。由于這些方法具有電壓利用率高，開(kāi)關(guān)次數(shù)少，可以實(shí)現(xiàn)特定優(yōu)化目的等優(yōu)點(diǎn)，所以人們一直在進(jìn)行這方面的研究。隨著微處理器運(yùn)算速度的不斷提高， 等于 1994 年提出了實(shí)時(shí)完成優(yōu)化的 PWM 方案 [16]。 此外， 于 1980 年提出了電流滯環(huán)比較 PWM 技術(shù)，以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的全數(shù)字化無(wú)差拍控制 （ Deadbeat Control） PWM 技術(shù)， 都 具有實(shí)現(xiàn)所需功能簡(jiǎn)單的特點(diǎn) [17]。 為了消除噪聲， 1993 年 1994 年，由 等提出了隨機(jī) PWM 法，它是從改變諧波的頻譜分布入手，使諧波均勻分布在較寬的頻寬范圍內(nèi)，以達(dá)到抑制噪聲和機(jī)械共振的目的。 由于微處理技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電機(jī)進(jìn)行數(shù)字化控制有了可能。微處理器的引入促進(jìn)了模擬控制系統(tǒng)向數(shù)字控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化。數(shù)字化技術(shù)使得復(fù)雜的矢量控制得以實(shí)現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了硬件，降低了成本，提高了控制精度以及系統(tǒng)的可靠性 [16]。 PWM 控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心之一。從最初采用模擬電路完成三角調(diào) 制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制 SPWM 信號(hào)以控制功率器件的開(kāi)關(guān)開(kāi)始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的 SPWM 信號(hào)輸出，可以說(shuō)直到目前為止， PWM 在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍占主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn) [24]。 23 PWM 控制技術(shù)的分類(lèi) 隨著電壓型逆變器在高性能電力電子裝置 （ 如交流傳動(dòng)、不間斷電源和有源濾波器）中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛， PWM 控制技術(shù)作為這些系統(tǒng)的共用及核心技術(shù)，引起人們的高度重視，得到越來(lái)越深入的研究 [7]。 所謂的 PWM 技術(shù)就是利用半導(dǎo)體器件的開(kāi)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形式的電壓脈沖系列，以實(shí)現(xiàn)變壓、變頻并有效地控制和消除諧波的一門(mén)技術(shù)。目前己經(jīng)提出并得到實(shí)際應(yīng)用的 PWM 控制方案不下十種， 微處理器的引入促進(jìn)了模擬控制系統(tǒng)向數(shù)字控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化 ， 尤其在利用微處理器使 PWM 技術(shù)數(shù)字化以后，更是不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦：從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最少，到消除噪聲等， PWM 控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過(guò)程。到目前為止，還有新的方案不斷提出， PWM 技術(shù)的研究方興未艾。 總的來(lái)說(shuō)， PWM 控制技術(shù)分為三大類(lèi)正弦 PWM（ 包括以電壓、電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種 PWM 方案 ） 、優(yōu)化 PWM 及隨機(jī) PWM。從實(shí)現(xiàn)方法上開(kāi)看，大致有模擬式和數(shù)字式兩種，數(shù)字式又包括硬件、軟件或查表等幾種實(shí)現(xiàn)方式。從控制特性來(lái)看，主要可分為兩種：開(kāi)環(huán)式（電壓或磁通控制型）和閉環(huán)（電流或磁通控制型）。 多重 PWM 技術(shù)改善了輸出電壓、電流波形，降低了電源系統(tǒng)諧波，使其在大功率變頻器中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；優(yōu)化 PWM 技術(shù) 所追求的則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率 (THD)最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其他特定優(yōu)化 目標(biāo)；為了改善電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動(dòng)，隨機(jī) PWM 方法應(yīng)運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開(kāi)關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲 (在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的 )，盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開(kāi)關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱?？梢哉f(shuō)隨機(jī) PWM 技術(shù)提供了一個(gè)分析、解決問(wèn)題的全新思路 [25]。 PWM 技術(shù)的應(yīng)用克服了相控原理的所有弊端，使交流電動(dòng)機(jī)定子得到了接近于正弦波形的電壓和電流，提高了電機(jī)的功率因數(shù)和輸出效率。由于 PWM 可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)，由此在交流傳動(dòng)乃至其他能量變 換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 PWM 控制性能指標(biāo) 在交流傳動(dòng)中，電機(jī)的漏電感和機(jī)械系統(tǒng)的慣性對(duì)于開(kāi)關(guān)電壓波形中的諧波分量具有低通濾波作用。以 PWM 控制方式運(yùn)行引起的問(wèn)題主要是電流畸變、交換器中的開(kāi)24 關(guān)損耗、負(fù)載中的諧波損耗以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。這些影響可以用性能指標(biāo)來(lái)描述，并為不同的 PWM 控制方式的選擇和設(shè)計(jì)提供依據(jù) [29]。 （ 1） 電流諧波 諧波電流主要影響電機(jī)的銅耗，它是構(gòu)成電機(jī)損耗的主要部分。諧波電流有效值為： 2h11 [ ( ) ( )]TI i t i t dtT??? （ 31） 式中，為電流的基本分量。不僅與變換器的 PWM 控制方式有關(guān)，還與電機(jī)內(nèi)部的阻抗特性有關(guān)。因此，定義電流諧波畸變 THD 作為評(píng)定品質(zhì)的指標(biāo)，以消除這些影響 211 21 ()hnnIUTH D I I n???? ? （ 32） 其中 1nn UI nl??? （ 33） 式中， U1和 I1分別為基波電壓和基波電流的有效值； n 為傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)的諧波分量階次； Un 為傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式的電壓諧波分量有效值； ω 1 為基波頻率， lσ 為電機(jī)的總漏電感。 負(fù)載電路的銅耗與諧波電流的二次方成正比，即 2cuP THD? （ 34） （ 2） 諧波頻譜 各頻率分量在非正弦電流中所占的份額可用諧波電流譜來(lái)表達(dá)，它比總畸變因數(shù) d 可提供更詳細(xì)的說(shuō)明。在同步 PWM 中，可以得到離散電流頻譜h1(nf1)。 （ 3） 最大調(diào)制度 調(diào)制度 m 定義為調(diào)制信號(hào)峰值 U1m，與三角載波信號(hào)峰值 Ulm之比，即 1m mlmUU? （ 35） 理想情況下， m 值可在 01 之間變化，以調(diào)節(jié)變換器輸出電壓的大小，實(shí)際上 m 總是小于