變頻器工作原理(含變頻器保護(hù))

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1、 一 、 變 頻 器 概 述 二 、 變 頻 器 基 本 原 理 三 、 變 頻 器 的 保 護(hù) 功 能 四 、 變 頻 器 的 干 擾 及 預(yù) 防 措 施 五 、 變 頻 器 應(yīng) 用 三 相 交 流 異 步 電 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 堅(jiān) 固 、 運(yùn)行 可 靠 、 價(jià) 格 低 廉 ， 在 冶 金 、 建 材 、 礦 山 、化 工 等 重 工 業(yè) 領(lǐng) 域 發(fā) 揮 著 巨 大 作 用 。 人 們希 望 在 許 多 場(chǎng) 合 下 能 夠 用 可 調(diào) 速 的 交 流 電機(jī) 來 代 替 直 流 電 機(jī) ， 從 而 降 低 成 本 ， 提 高運(yùn) 行 的 可 靠 性 。 如 果 實(shí) 現(xiàn) 交 流 調(diào) 速

2、， 每 臺(tái)電 機(jī) 將 節(jié) 能 20%以 上 ， 而 且 在 恒 轉(zhuǎn) 矩 條 件下 ， 能 降 低 軸 上 的 輸 出 功 率 ， 既 提 高 了 電機(jī) 效 率 ， 又 可 獲 得 節(jié) 能 效 果 。 異 步 電 機(jī) 調(diào) 速 系 統(tǒng) 的 種 類 很 多 ， 但 是 效 率很 高 、 性 能 最 好 、 應(yīng) 用 最 廣 的 是 變 頻 調(diào) 速 ，它 可 以 構(gòu) 成 高 動(dòng) 態(tài) 性 能 的 交 流 調(diào) 速 系 統(tǒng) 來取 代 直 流 調(diào) 速 系 統(tǒng) ， 是 交 流 調(diào) 速 的 主 要 發(fā)展 方 向 。 變 頻 調(diào) 速 是 以 變 頻 器 向 交 流 電 機(jī)供 電 ， 并 構(gòu) 成 開 環(huán) 或 閉 環(huán) 系

3、 統(tǒng) ， 從 而 實(shí) 現(xiàn)對(duì) 交 流 電 機(jī) 的 寬 范 圍 內(nèi) 無 級(jí) 調(diào) 速 。 變 頻 器可 把 固 定 電 壓 、 固 定 頻 率 的 交 流 電 變 換 為可 調(diào) 電 壓 、 可 調(diào) 頻 率 的 交 流 電 。 隨 著 電 力 電 子 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 出 現(xiàn) 了 高 耐 壓 、 大 功率 、 具 有 自 關(guān) 斷 的 全 控 型 電 力 電 子 器 件 ， 它 具 有驅(qū) 動(dòng) 功 率 小 、 開 關(guān) 頻 率 高 等 特 點(diǎn) ， 應(yīng) 用 在 逆 變 電路 中 可 極 大 提 高 變 頻 的 性 能 。 脈 寬 調(diào) 制 （ PWM)變 頻 就 是 把 通 訊 系 統(tǒng) 中 的 調(diào) 制 技

4、術(shù) 推 廣 應(yīng) 用 到 交 流 變 頻 中 ， 可 使 變 頻 器 具 有 良 好的 輸 出 波 形 ， 降 低 了 噪 聲 和 諧 波 ， 提 高 了 系 統(tǒng) 的性 能 。 采 用 全 數(shù) 字 微 機(jī) 控 制 技 術(shù) ， 使 變 頻 器 減 小 了 體 積 、降 低 了 成 本 、 提 高 了 效 率 、 增 強(qiáng) 了 功 能 。 以 上 三 種 技 術(shù) 的 應(yīng) 用 ， 使 電 機(jī) 基 本 能 夠 平 穩(wěn) 運(yùn) 行 、無 噪 聲 、 無 抖 動(dòng) 。 交 流 變 頻 調(diào) 速 已 成 為 電 氣 調(diào) 速傳 動(dòng) 的 主 流 。 目 前 變 頻 器 不 但 在 傳 統(tǒng) 的 電 力 拖 動(dòng)系 統(tǒng) 中 得

5、到 了 廣 泛 的 應(yīng) 用 ， 而 且 已 擴(kuò) 展 到 了 工 業(yè)生 產(chǎn) 的 所 有 領(lǐng) 域 ， 以 及 空 調(diào) 器 、 洗 衣 機(jī) 、 電 冰 箱等 家 電 中 。 （ 一 ） 變 頻 器 的 功 用 變 頻 器 的 功 用 是 將 頻 率 固 定 (通 常 為 工 頻50HZ)的 交 流 點(diǎn) (三 相 的 或 單 相 的 )交 換 成 頻 率連 續(xù) 可 調(diào) 的 三 相 交 流 電 源 。 如 下 圖 2. 1所 示 ， 變 頻 器 的 輸 入 端 (R,S ,T)接至 頻 率 固 定 的 三 相 交 流 電 源 ， 輸 出 端 (U,V, W)輸 出 的 是 頻 率 在 一 定 范 圍 內(nèi)

6、 連 續(xù) 可 調(diào) 的 三 相交 流 電 ， 接 至 電 機(jī) 。 VVVF(Variation Voltage Variation Frequency)頻 率 可 變 、 電 壓 可 變 。 （ 二 ） 變 頻 器 主 要 功 能 一 、 軟 啟 動(dòng) 馬 達(dá) 二 、 調(diào) 頻 調(diào) 壓 調(diào) 電 流 三 、 空 （ 輕 ） 載 時(shí) 能 在 維 持 轉(zhuǎn) 速 的 時(shí) 候 減 少電 流 （ 節(jié) 能 ） 變 頻 器 總 體 來 說 用 在 啟 動(dòng) 頻 繁 的 馬 達(dá) 上 ， 節(jié)能 效 果 明 顯 ！ （ 三 ） 變 頻 器 的 核 心 是 電 力 電 子 器 件 及 控 制 方 式 1.電 力 電 子 器 件

7、 的 發(fā) 展 20 世 紀(jì) 80年 代 中 期 以 前 ， 變 頻 裝 置 功 率 回 路 主 要采 用 第 一 代 電 力 電 子 器 件 ， 以 晶 閘 管 元 件 為 主 ， 這種 裝 置 的 效 率 、 可 靠 性 、 成 本 、 體 積 均 無 法 與 同 容量 的 直 流 調(diào) 速 裝 置 相 比 。 80年 代 中 期 以 后 采 用 第 二 代 電 力 電 子 器 件 GTR. CTO, VDMOS-IGBT等 制 造 的 變 頻 裝 置 在 性 能 和 價(jià)格 比 上 可 以 與 直 流 調(diào) 速 裝 置 相 媲 美 。 隨 著 向 大 電 流 、 高 電 壓 、 高 頻 化 、

8、集 成 化 、 模 塊 化方 向 繼 續(xù) 發(fā) 展 ， 第 三 代 電 力 電 子 器 件 是 20世 紀(jì) 90年代 制 造 變 頻 裝 置 的 主 流 產(chǎn) 品 ， 中 小 功 率 的 變 頻 調(diào) 速裝 置 (1-1000kw)主 要 采 用 IGBT， 大 功 率 的 變 頻 調(diào) 速裝 置 (1000-10000kW)采 用 GTO器 件 。 20世 紀(jì) 90年 代 末 至 今 ， 電 力 電 子 器 件 的 發(fā) 展 進(jìn) 入 了第 四 代 ， 如 高 壓 IGBT, IGCT, IEGT, SGCT、 智 能 功率 模 塊 IPM等 。 2.控 制 方 式 變 頻 器 用 不 同 的 控 制

9、方 式 ， 得 到 的 調(diào) 速 性能 、 特 性 及 用 途 是 不 同 的 。 控 制 方 式 大 體 分 為 開 環(huán) 控 制 及 閉 環(huán) 控 制 。 開 環(huán) 控 制 有 U/f電 壓 與 頻 率 成 正 比 的 控 制 方式 閉 環(huán) 有 轉(zhuǎn) 差 頻 率 控 制 、 矢 量 控 制 和 直 接 轉(zhuǎn)矩 控 制 。 現(xiàn) 在 矢 量 控 制 可 以 實(shí) 現(xiàn) 與 直 流 機(jī) 電 樞 電 流控 制 相 媲 美 ， 直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 直 接 取 交 流 電動(dòng) 機(jī) 參 數(shù) 進(jìn) 行 控 制 ， 其 方 便 準(zhǔn) 確 精 度 高 。 （ 一 ） 變 頻 調(diào) 速 的 構(gòu) 成 要 實(shí) 現(xiàn) 變 頻 調(diào) 速 ，

10、必 須 有 頻 率 可 調(diào) 的 交 流電 源 ， 但 電 力 系 統(tǒng) 卻 只 能 提 供 固 定 頻 率 的交 流 電 源 ， 因 此 需 要 一 套 變 頻 裝 置 來 完 成變 頻 的 任 務(wù) 。 歷 史 上 曾 出 現(xiàn) 過 旋 轉(zhuǎn) 變 頻 機(jī)組 ， 但 由 于 存 在 許 多 缺 點(diǎn) 而 現(xiàn) 在 很 少 使 用 。現(xiàn) 代 的 變 頻 器 都 是 由 大 功 率 電 子 器 件 構(gòu) 成 的 。 相 對(duì) 于 旋 轉(zhuǎn) 變 頻 機(jī) 組 ， 被 稱 為 靜 止 式變 頻 裝 置 ， 是 構(gòu) 成 變 頻 調(diào) 速 系 統(tǒng) 的 中 心 環(huán)節(jié) 。 一 個(gè) 變 頻 調(diào) 速 系 統(tǒng) 主 要 由 靜 止 式 變

11、 頻 裝 置 、 交 流 電動(dòng) 機(jī) 和 控 制 電 路 3大 部 分 組 成 ， 靜 止 式 變 頻 裝 置 的 輸 入 是 三 相 式 單 相 恒 頻 、 恒 壓電 源 ， 輸 出 則 是 頻 率 和 電 壓 均 可 調(diào) 的 三 相 交 流 電 。至 于 控 制 電 路 ， 變 頻 調(diào) 速 系 統(tǒng) 要 比 直 流 調(diào) 速 系 統(tǒng)和 其 他 交 流 調(diào) 速 系 統(tǒng) 復(fù) 雜 得 多 ， 這 是 由 于 被 控 對(duì)象 感 應(yīng) 電 動(dòng) 機(jī) 本 身 的 電 磁 關(guān) 系 以 及 變 頻 器 的 控制 均 較 復(fù) 雜 所 致 。 因 此 變 頻 調(diào) 速 系 統(tǒng) 的 控 制 任 務(wù)大 多 是 由 微 處 理

12、 機(jī) 承 擔(dān) 。 （ 二 ） 變 頻 調(diào) 速 的 基 本 要 求 為 了 充 分 利 用 鐵 心 材 料 ， 在 設(shè) 計(jì) 電 動(dòng) 機(jī) 時(shí) ，總 是 讓 電 動(dòng) 機(jī) 在 額 定 頻 率 和 額 定 電 壓 下 工作 時(shí) 的 氣 隙 磁 通 接 近 磁 飽 和 值 。 因 此 ， 在電 動(dòng) 機(jī) 調(diào) 速 時(shí) ， 希 望 保 持 每 極 磁 通 量 為 額定 值 不 變 。 如 果 過 分 增 大 磁 通 又 會(huì) 使 鐵 心過 分 飽 和 ， 從 而 導(dǎo) 致 勵(lì) 磁 電 流 急 劇 增 加 ，繞 組 過 分 發(fā) 熱 ， 功 率 因 數(shù) 降 低 ， 嚴(yán) 重 時(shí) 甚至 會(huì) 因 繞 組 過 熱 而 損 壞

13、電 動(dòng) 機(jī) 。 故 而 希 望在 頻 率 變 化 時(shí) 仍 保 持 磁 通 恒 定 ， 即 實(shí) 現(xiàn) 恒磁 通 變 頻 調(diào) 速 ， 這 樣 ， 調(diào) 速 時(shí) 才 能 保 持 電動(dòng) 機(jī) 的 最 大 轉(zhuǎn) 矩 不 變 。 me （ 三 ） 變 頻 器 的 分 類 1.按 變 換 環(huán) 節(jié) 分 : (1)交 -交 變 頻 器 把 頻 率 固 定 的 交 流 電 源 直 接 變 換 成 頻 率 可調(diào) 的 交 流 電 ， 又 稱 直 接 式 變 頻 器 。 (2)交 -直 -交 變 頻 器 先 把 頻 率 固 定 的 交 流 電 整 流 成 直 流 電 ， 再把 直 流 電 逆 變 成 頻 率 連 續(xù) 可 調(diào) 的

14、 交 流 電 ，又 稱 間 接 式 變 頻 器 。 2.按 電 壓 的 調(diào) 制 方 式 分 : (1) PAM (脈 幅 調(diào) 制 ) 變 頻 器 輸 出 電 壓 的 大 小 通 過 改 變 直 流 電 壓 的 大 小來 進(jìn) 行 調(diào) 制 。 在 中 小 容 量 變 頻 器 中 ， 這 種方 式 幾 近 絕 跡 。 (2) PWM (脈 寬 調(diào) 制 ) 變 頻 器 輸 出 電 壓 的 大 小 通 過 改 變 輸 出 脈 沖 的 占 空比 來 進(jìn) 行 調(diào) 制 。 目 前 普 通 應(yīng) 用 的 是 占 空 比 按 正 弦 規(guī) 律 安 排的 正 弦 脈 寬 調(diào) 制 (SPWM)方 式 。 3. 按 直 流

15、 環(huán) 節(jié) 的 儲(chǔ) 能 方 式 分 （ 對(duì) 交 直 交 ） : (1)電 流 型 直 流 環(huán) 節(jié) 的 儲(chǔ) 能 元 件 是 電 感 線 圈 LF,如 圖 所示 。 (2)電 壓 型 直 流 環(huán) 節(jié) 的 儲(chǔ) 能 元 件 是 電 容 器 CF,如 圖 所 示 。 4.1交 -交 變 頻 器 工 作 原 理 4.2交 -直 -交 變 頻 器 工 作 原 理 4.3交 -交 與 交 -直 -交 變 頻 器 的 比 較 交 交 變 頻 電 路 ， 也 稱 周 波 變 流 器u 把 電 網(wǎng) 頻 率 的 交 流 電 變 成 可 調(diào) 頻 率的 交 流 電 的 變 流 電 路 ， 屬 于 直 接 變 頻電 路 。u

16、 廣 泛 用 于 大 功 率 交 流 電 動(dòng) 機(jī) 調(diào) 速 傳動(dòng) 系 統(tǒng) ， 實(shí) 際 使 用 的 主 要 是 三 相 輸 出交 交 變 頻 電 路 。 （ 由 三 組 輸 出 電 壓 相 位各 差 120 的 單 相 交 交 變 頻 電 路 組 成 ） 。 4.1交 -交 變 頻 器 工 作 原 理 單 相 交 交 變 頻 電 路 原 理 圖 和 輸 出 電 壓 波 形 三 相 輸 入 單 相 輸 出 的 交 交 變 頻 電 路 由 P組 和 N組 反并 聯(lián) 的 晶 閘 管 變 流 電 路 構(gòu) 成 ， 其 結(jié) 構(gòu) 如 圖 1(a)所 示 . 結(jié) 合 圖 1(a)， 下 面 分 析 三 相 輸 入

17、 單 相 輸 出 的 交 交 變頻 電 路 的 工 作 原 理 ： P組 工 作 時(shí) ， 負(fù) 載 電 流 io為 正 ； N組 工 作 時(shí) ， io為 負(fù) ；兩 組 變 流 器 按 一 定 的 頻 率 交 替 工 作 ， 負(fù) 載 就 得 到 該頻 率 的 交 流 電 ； 改 變 切 換 頻 率 ， 就 可 改 變 輸 出 頻 率wo； 改 變 變 流 電 路 的 控 制 角 ， 就 可 以 改 變 交 流 輸出 電 壓 幅 值 ； 為 使 uo波 形 接 近 正 弦 ， 可 按 正 弦 規(guī) 律對(duì) 角 進(jìn) 行 調(diào) 制 ， 在 半 個(gè) 周 期 內(nèi) 讓 P組 角 按 正 弦規(guī) 律 從 90 減 到

18、0 或 某 個(gè) 值 ， 再 增 加 到 90 ， 每個(gè) 控 制 間 隔 內(nèi) 的 平 均 輸 出 電 壓 就 按 正 弦 規(guī) 律 從 零 增至 最 高 ， 再 減 到 零 。 uo由 若 干 段 電 源 電 壓 拼 接 而 成 ，在 uo一 個(gè) 周 期 內(nèi) ， 包 含 的 電 源 電 壓 段 數(shù) 越 多 ， 其 波形 就 越 接 近 正 弦 波 如 圖 1(b)。 oi0 4.2 交 -直 -交 變 頻 器 其 結(jié) 構(gòu) 如 下 ， 它 由 主 電 路 和 控 制 電 路 組 成 。 交 -直 -交 變 頻 器 主 電 路 目 前 ， 通 用 型 變 頻 器 絕 大 多 數(shù) 是 交 直 交 型 變

19、 頻 器 ， 通 常 尤 以 電 壓 器 變 頻 器 為 通用 ， 其 主 電 路 圖 （ 見 圖 1.1） ， 它 是 變 頻 器的 核 心 電 路 ， 由 整 流 電 路 （ 交 直 交 換 ） ，直 流 濾 波 電 路 （ 能 耗 電 路 ） 及 逆 變 電 路（ 直 交 變 換 ） 組 成 。 一 、 交 直 變 換 部 分 1、 VD1 VD6組 成 三 相 整 流 橋 ， 將 交 流 變 換 為 直 流 。 2、 濾 波 電 容 器 CF作 用 ： （ 1） 濾 除 全 波 整 流 后 的 電 壓 紋 波 ； （ 2） 當(dāng) 負(fù) 載 變 化 時(shí) ， 使 直 流 電 壓 保 持 平 衡

20、 。 因 為 受 電 容 量 和 耐 壓 的 限 制 ， 濾 波 電 路 通 常 由 若 干 個(gè)電 容 器 并 聯(lián) 成 一 組 ， 又 由 兩 個(gè) 電 容 器 組 串 聯(lián) 而 成 。 如 圖 中的 CF1和 CF2。 由 于 兩 組 電 容 特 性 不 可 能 完 全 相 同 ， 在 每組 電 容 組 上 并 聯(lián) 一 個(gè) 阻 值 相 等 的 分 壓 電 阻 RC1和 RC2。 3、 限 流 電 阻 RL和 開 關(guān) SL RL作 用 ： 變 頻 器 剛 合 上 閘 瞬 間 沖 擊 電 流 比 較 大 ， 其 作用 就 是 在 合 上 閘 后 的 一 段 時(shí) 間 內(nèi) ， 電 流 流 經(jīng) RL， 限

21、 制 沖 擊電 流 ， 將 電 容 CF的 充 電 電 流 限 制 在 一 定 范 圍 內(nèi) 。 SL作 用 ： 當(dāng) CF充 電 到 一 定 電 壓 ， SL閉 合 ， 將 RL短 路 。一 些 變 頻 器 使 用 晶 閘 管 代 替 （ 如 虛 線 所 示 ） 。 4、 電 源 指 示 HL 作 用 ： 除 作 為 變 頻 器 通 電 指 示 外 ， 還 作 為 變 頻 器 斷 電 后 ， 變 頻 器 是 否 有 電 的 指 示 （ 燈 滅 后 才 能 進(jìn) 行 拆 線 等 操作 ） 。 二 、 能 耗 電 路 部 分 1、 制 動(dòng) 電 阻 RB 變 頻 器 在 頻 率 下 降 的 過 程 中

22、， 將 處 于 再生 制 動(dòng) 狀 態(tài) ， 回 饋 的 電 能 將 存 貯 在 電 容 CF中 ， 使 直 流 電 壓 不 斷 上 升 ， 甚 至 達(dá) 到 十 分 危險(xiǎn) 的 程 度 。 RB的 作 用 就 是 將 這 部 分 回 饋 能量 消 耗 掉 。 一 些 變 頻 器 此 電 阻 是 外 接 的 ， 都有 外 接 端 子 （ 如 DB ， DB ） 。 2、 制 動(dòng) 單 元 VB 由 GTR或 IGBT及 其 驅(qū) 動(dòng) 電 路 構(gòu) 成 。 其作 用 是 為 放 電 電 流 IB流 經(jīng) RB提 供 通 路 。 三 、 直 交 變 換 部 分 1、 逆 變 管 V1 V6 組 成 逆 變 橋 ，

23、 把 VD1 VD6整 流 的 直 流 電 逆變 為 交 流 電 。 這 是 變 頻 器 的 核 心 部 分 。 2、 續(xù) 流 二 極 管 VD7 VD12 作 用 ： （ 1） 電 機(jī) 是 感 性 負(fù) 載 ， 其 電 流 中 有 無功 分 量 ， 為 無 功 電 流 返 回 直 流 電 源 提 供 “ 通 道 ” ； （ 2） 頻 率 下 降 ， 電 機(jī) 處 于 再 生 制 動(dòng) 狀 態(tài) 時(shí) ，再 生 電 流 通 過 VD7 VD12整 流 后 返 回 給 直 流 電 路 ； （ 3） V1 V6逆 變 過 程 中 ， 同 一 橋 臂 的 兩 個(gè)逆 變 管 不 停 地 處 于 導(dǎo) 通 和 截

24、止 狀 態(tài) 。 在 這 個(gè) 換 相過 程 中 ， 也 需 要 VD7 VD12提 供 通 路 。 四 、 緩 沖 電 路 緩 沖 電 路 如 圖 2所 示 。 逆 變 管 在 導(dǎo) 通 和 判 斷 的 瞬 間 ， 其 電 壓 和 電 流 的 變 化 率 是 比較 大 的 ， 可 能 全 逆 變 管 受 到 損 害 。 因 此 ， 每 個(gè) 逆 變 管 旁 邊還 要 接 入 緩 沖 電 路 ， 其 作 用 就 是 減 緩 電 壓 和 電 流 的 變 化 率 。 1、 C01 C06 逆 變 管 V1 V6每 次 由 導(dǎo) 通 到 截 止 的 判 斷 瞬 間 ， 集 電極 C和 發(fā) 射 極 E間 的 電

25、 壓 將 迅 速 地 由 0V上 升 為 直 流 電 壓 UD。過 高 的 電 壓 增 長 率 將 導(dǎo) 致 逆 變 管 的 損 壞 。 C01 C06的 作用 就 是 減 小 逆 變 管 由 導(dǎo) 通 到 截 止 時(shí) 過 高 的 電 壓 增 長 率 ， 防止 逆 變 損 壞 。 2、 R01 R06 逆 變 管 V1 V6由 導(dǎo) 通 到 截 止 的 瞬 間 ， C01 C06所 充的 電 壓 （ 等 于 UD） 將 V1 V6放 電 。 此 放 電 電 流 的 初 值 很大 ， 并 且 疊 加 在 負(fù) 載 電 流 上 ， 導(dǎo) 致 逆 變 管 的 損 壞 。 R01R06的 作 用 就 是 限 制

26、 逆 變 管 在 導(dǎo) 通 瞬 間 C01 C06的 放 電電 流 。 3、 VD01 VD06 R01 R06的 接 入 ， 又 會(huì) 影 響 到 C01 C06在 V1 V6關(guān) 斷 時(shí) 減 小 電 壓 增 長 率 的 效 果 。 VD01 VD06接 入 后 ， 在 V1 V6關(guān) 斷 過 程 中 ， 使 R01 R06不 起 作 用 ； 而 在 V1V6接 通 過 程 中 ， 又 迫 使 C01 C06的 放 電 電 流 流 經(jīng) R01R06。 交 -直 -交 變 頻 器 控 制 電 路 控 制 電 路 由 運(yùn) 算 電 路 、 檢 測(cè) 電 路 、 控 制 信號(hào) 的 輸 入 /輸 出 電 路 和

27、 驅(qū) 動(dòng) 電 路 等 構(gòu) 成 ， 其主 要 任 務(wù) 是 完 成 對(duì) 逆 變 器 的 開 關(guān) 控 制 、 對(duì)整 流 器 的 電 壓 控 制 以 及 各 種 保 護(hù) 功 能 等 ，可 采 用 模 擬 控 制 或 數(shù) 字 控 制 。 高 性 能 的 變 壓 器 目 前 已 采 用 嵌 入 式 微 型 計(jì)算 機(jī) 進(jìn) 行 數(shù) 字 控 制 ， 采 用 盡 可 能 的 硬 件 電路 ， 主 要 靠 軟 件 來 完 成 各 種 功 能 。 按 照 不 同 的 控 制 方 式 ， 又 可 將 間 接 變 頻 裝 置分 為 下 圖 中 的 (a)、 (b)、 (c)3種 。 1.可 控 整 流 器 變 壓 、 變

28、 頻 器 變 頻 調(diào) 壓 和 調(diào) 頻 分 別 在 兩 個(gè) 環(huán) 節(jié) 上 進(jìn) 行 ， 兩 者 要 在 控制 電 路 上 協(xié) 調(diào) 配 合 這 種 裝 置 結(jié) 構(gòu) 簡 ， 控 制 方便 ， 輸 出 環(huán) 節(jié) 用 由 晶 閘 管 (或 其 他 電 子 器 件 )組 成 的3相 6拍 變 頻 器 (每 周 換 流 6次 )， 但 由 于 輸 入 環(huán) 節(jié) 采用 可 控 整 流 器 ， 在 低 壓 深 控 時(shí) 電 網(wǎng) 端 的 功 率 因 數(shù)較 低 ， 還 將 產(chǎn) 生 較 大 的 諧 波 成 分 ， 一 般 用 于 電 壓變 化 不 太 大 的 場(chǎng) 合 2. 直 流 斬 波 器 調(diào) 壓 、 變 頻 器 變 頻 采

29、 用 不 可 摔 整 流 器 ， 保 證 變 頻 器 的 電 網(wǎng) 側(cè) 有 較 高的 功 率 因 數(shù) ， 在 直 流 環(huán) 節(jié) 上 設(shè) 置 直 流 斬 波 器 完 成電 壓 調(diào) 節(jié) 。 這 種 調(diào) 壓 方 法 有 效 地 提 高 了 變 頻 器 電網(wǎng) 側(cè) 的 功 率 因 數(shù) ， 并 能 方 便 靈 活 地 調(diào) 節(jié) 電 壓 ， 但增 加 了 一 個(gè) 電 能 變 換 環(huán) 節(jié) 斬 波 器 ， 該 方 法 仍有 諧 波 較 大 的 問 題 。 3.變 頻 器 自 身 調(diào) 壓 、 變 頻 采 用 不 可 控 整 流 器 ， 通 過 變 頻 器 自 身 的 電 子開 關(guān) 進(jìn) 行 斬 波 控 制 ， 使 輸 出

30、 電 壓 為 脈 沖 列 。 改 變輸 出 電 壓 脈 沖 列 的 脈 沖 寬 度 ， 便 可 達(dá) 到 調(diào) 節(jié) 輸 出電 壓 的 目 的 。 這 種 方 法 稱 為 脈 寬 調(diào) 制 (PWM)。 因采 用 不 可 控 整 流 ， 功 率 因 數(shù) 高 ； 因 用 PWM逆 變 ，諧 波 可 以 大 大 減 少 。 諧 波 減 少 的 程 度 取 決 于 開 關(guān)頻 率 ， 而 開 關(guān) 頻 率 則 受 器 件 開 關(guān) 時(shí) 問 的 限 制 。 若 仍 采 用 普 通 晶 閘 管 ， 開 關(guān) 的 頻 率 并 不 能 有 效地 提 高 ， 只 有 采 用 全 控 型 器 件 ， 開 關(guān) 頻 率 才 能 得

31、以 大 大 提 高 ， 輸 出 波 形 幾 乎 可 以 得 到 非 常 逼 真 的正 弦 波 ， 因 而 又 稱 正 弦 波 脈 寬 調(diào) 制 (SPWM)變 頻器 。 該 變 頻 器 將 變 頻 和 調(diào) 功 能 集 于 一 身 ， 主 電 路不 用 附 加 其 他 裝 置 ， 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 性 能 優(yōu) 良 。 成 為當(dāng) 前 最 有 發(fā) 展 前 途 的 一 種 結(jié) 構(gòu) 形 式 。 過 載 能 力 強(qiáng) 效 率 高 輸 出 波 形 好 但 輸 出 頻 率 低 使 用 功 率 器 件 多 輸 入 無 功 功 率 大 高 次 諧 波 對(duì) 電 網(wǎng) 影 響大 結(jié) 構(gòu) 簡 單 輸 出 頻 率 變 化 范

32、 圍 大 功 率 因 數(shù) 高 諧 波 易 于 消 除 可 使 用 各 種 新 型 大 功率 器 件 PWM控 制 技 術(shù) 一 直 是 變 頻 技 術(shù) 的 核 心 技 術(shù) 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 的 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 關(guān) 開 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 PWM信 號(hào) 輸 出 ， 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)

33、。 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) ， 因 此 在 交 流 傳 動(dòng)乃 至 其 他 能 量 交 換 系 統(tǒng) 中 得 到 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 PWM控 制 技 術(shù) 大 致 可 以 分 為 三 類 ： 正 弦 PWM， 優(yōu) 化 PWM， 隨 機(jī)PWM。 正 弦 PWM具 有 改 善 輸 出 電 壓 和 電 流 波 形 、 降 低 電 源 系 統(tǒng) 諧 波的 多 重 PWM技 術(shù) ， 在 大 功 率 變 頻 器 中 有 其 獨(dú) 特 的 優(yōu) 勢(shì) ； 優(yōu) 化 PWM所 追 求 的 則 是 實(shí) 現(xiàn) 電 流 諧 波 畸 變 率 最 小 、 電 壓 利 用率

34、 最 高 、 效 率 最 優(yōu) 、 轉(zhuǎn) 矩 脈 動(dòng) 最 小 及 其 他 特 定 優(yōu) 化 目 標(biāo) ； 隨 機(jī) PWM原 理 是 隨 機(jī) 改 變 開 關(guān) 頻 率 使 電 機(jī) 電 磁 噪 音 近 似 為 限帶 白 噪 聲 ， 盡 管 噪 音 的 總 分 貝 數(shù) 未 變 ， 但 以 固 定 開 關(guān) 頻 率為 特 征 的 有 色 噪 音 強(qiáng) 度 大 大 削 弱 。 正 弦 波 脈 寬 調(diào) 制 (SPWM)變 頻 器 SPWM變 頻 器 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 性 能 優(yōu) 良 ， 主 電 路 不 用附 加 其 他 裝 置 ， 已 成 為 當(dāng) 前 最 有 發(fā) 展 前 途 的 一 種結(jié) 構(gòu) 形 式 。 圖 3所 示

35、 為 SPWM變 頻 器 的 電 路 原 理 ，該 電 路 的 主 要 特 點(diǎn) 是 ： (1)主 電 路 只 有 一 個(gè) 可 控 的 功 率 環(huán) 節(jié) ， 簡 化 了 結(jié) 構(gòu) ； (2)使 用 了 不 可 控 的 整 流 器 ， 使 電 網(wǎng) 功 率 因 數(shù) 與 變頻 器 輸 出 電 壓 的 大 小 無 關(guān) 而 接 近 于 1； (3)變 頻 器 在 調(diào) 頻 的 同 時(shí) 實(shí) 現(xiàn) 調(diào) 壓 ， 而 與 中 間 直 流環(huán) 節(jié) 的 元 件 參 數(shù) 無 關(guān) ， 加 快 了 系 統(tǒng) 的 動(dòng) 態(tài) 響 應(yīng) ； (4)可 獲 得 比 常 規(guī) 6拍 階 梯 波 更 好 的 輸 出 電 壓 波 形 ，能 抑 制 或 消

36、 除 低 次 諧 波 ， 使 負(fù) 載 電 動(dòng) 機(jī) 可 在 近 似正 弦 波 的 交 變 電 壓 下 運(yùn) 行 ， 轉(zhuǎn) 矩 脈 動(dòng) 小 ， 大 大 擴(kuò)展 了 拖 動(dòng) 系 統(tǒng) 調(diào) 速 范 圍 ， 并 提 高 了 系 統(tǒng) 的 性 能 。 SPWM變 頻 器 的 工 作 原 理 所 謂 正 弦 波 脈 寬 調(diào) 制 (SPWM)就 是 把 正 弦波 等 效 為 一 系 列 等 幅 不 等 寬 的 矩 形 脈 沖 波形 ， 如 圖 4所 示 ， 等 效 的 原 則 是 每 一 區(qū) 間的 面 積 相 等 。 如 果 把 一 個(gè) 正 弦 半 波 分 作 n等 份 (圖 中 n=12)，然 后 把 每 一 等 份

37、 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 等 高 矩 形 脈 沖來 代 替 ， 矩 形 脈 沖 的 中 點(diǎn) 與 正 弦 波 每 一 等 份的 中 點(diǎn) 重 合 ， 而 寬 度 是 按 正 弦 規(guī) 律 變 化 的 如圖 4(b)所 示 。 這 樣 ， 由 n個(gè) 等 幅 而 不 等 寬 的矩 形 脈 沖 所 組 成 的 波 形 就 與 正 弦 半 周 等 效 ，稱 作 SPWM波 形 。 同 樣 ， 正 弦 波 負(fù) 半 周 也 可用 相 同 方 法 與 一 系 列 負(fù) 脈 沖 波 來 等 效 。 圖 4(b)所 示 的 一 系 列 脈 沖 波

38、 形 就 是 所期 望 的 變 頻 器 輸 出 SPWM波 形 。 可 以 看 到 ，由 于 各 脈 沖 的 幅 值 相 等 ， 所 以 變 頻 器 可 由恒 定 的 直 流 電 源 供 電 ， 即 這 種 交 一 直 一 交變 頻 器 中 的 整 流 器 采 用 不 可 控 的 二 極 管 整流 器 即 可 ， 變 頻 器 輸 出 脈 沖 的 幅 值 就 是 整流 器 的 輸 出 電 壓 幅 值 。 當(dāng) 變 頻 器 各 開 關(guān) 器件 都 是 在 理 想 狀 態(tài) 下 工 作 時(shí) ， 驅(qū) 動(dòng) 相 應(yīng) 開關(guān) 器 件 的 信 號(hào) 也 應(yīng) 為 與 圖 4(b)所 示 形 狀 相似 的 一 系 列 脈

39、沖 波 形 。 5.2 異 步 調(diào) 制 和 同 步 調(diào) 制根 據(jù) 載 波 和 信 號(hào) 波 是 否 同 步 及 載 波 比 的 變 化 情 況 ，PWM調(diào) 制 方 式 分 為 異 步 調(diào) 制 和 同 步 調(diào) 制 。通 常 保 持 fc固 定 不 變 ， 當(dāng) fr變 化 時(shí) ， 載 波 比 N是 變 化 的在 信 號(hào) 波 的 半 周 期 內(nèi) ， PWM波 的 脈 沖 個(gè) 數(shù) 不 固 定 ， 相 位 也不 固 定 ， 正 負(fù) 半 周 期 的 脈 沖 不 對(duì) 稱 ， 半 周 期 內(nèi) 前 后 1/4周 期的 脈 沖 也 不 對(duì) 稱當(dāng) f r較 低 時(shí) ， N較 大 ， 一 周 期 內(nèi) 脈 沖 數(shù) 較 多

40、 ， 脈 沖 不 對(duì) 稱 產(chǎn)生 的 不 利 影 響 都 較 小當(dāng) fr增 高 時(shí) ， N減 小 ， 一 周 期 內(nèi) 的 脈 沖 數(shù) 減 少 ， PWM脈 沖 不對(duì) 稱 的 影 響 就 變 大 載 波 比 載 波 頻 率 fc與 調(diào) 制 信 號(hào) 頻 率 fr之 比 ， N= fc / fr1） 異 步 調(diào) 制 載 波 信 號(hào) 和 調(diào) 制 信 號(hào) 不 同 步 的 調(diào) 制 方 式 5.2 異 步 調(diào) 制 和 同 步 調(diào) 制2） 同 步 調(diào) 制載 波 信 號(hào) 和 調(diào) 制 信 號(hào) 保 持 同 步 的 調(diào) 制 方 式 ， 當(dāng) 變 頻 時(shí)使 載 波 與 信 號(hào) 波 保 持 同 步 ， 即 N等 于 常 數(shù)

41、。 ucurU urV urWuu UNuVNO ttttOOOuWN2Ud- 2Ud圖 6-10 同 步 調(diào) 制 三 相 PWM波 形基 本 同 步 調(diào) 制 方 式 ， fr變 化時(shí) N不 變 ， 信 號(hào) 波 一 周 期 內(nèi)輸 出 脈 沖 數(shù) 固 定 。三 相 電 路 中 公 用 一 個(gè) 三 角波 載 波 ， 且 取 N為 3的 整 數(shù)倍 ， 使 三 相 輸 出 對(duì) 稱 。為 使 一 相 的 PWM波 正 負(fù) 半周 鏡 對(duì) 稱 ， N應(yīng) 取 奇 數(shù) 。fr很 低 時(shí) ， fc也 很 低 ， 由 調(diào)制 帶 來 的 諧 波 不 易 濾 除 。fr很 高 時(shí) ， fc會(huì) 過 高 ， 使 開關(guān) 器

42、件 難 以 承 受 。 5.2 異 步 調(diào) 制 和 同 步 調(diào) 制3） 分 段 同 步 調(diào) 制 異 步 調(diào) 制 和 同 步 調(diào) 制 的 綜 合 應(yīng) 用 。把 整 個(gè) fr范 圍 劃 分 成 若 干 個(gè) 頻段 ， 每 個(gè) 頻 段 內(nèi) 保 持 N恒 定 ，不 同 頻 段 的 N不 同 。在 fr高 的 頻 段 采 用 較 低 的 N， 使載 波 頻 率 不 致 過 高 ； 在 fr低 的頻 段 采 用 較 高 的 N， 使 載 波 頻率 不 致 過 低 。 00.40.8 1.21.62.0 2.4 10 20 30 40 50 60 70 80 201 147 99 69 45 33 21 圖

43、6-11fr /Hz f c /kHz為 防 止 fc在 切 換 點(diǎn) 附 近 來 回 跳 動(dòng) ， 采 用 滯 后 切 換 的 方 法 。同 步 調(diào) 制 比 異 步 調(diào) 制 復(fù) 雜 ， 但 用 微 機(jī) 控 制 時(shí) 容 易 實(shí) 現(xiàn) 。可 在 低 頻 輸 出 時(shí) 采 用 異 步 調(diào) 制 方 式 ， 高 頻 輸 出 時(shí) 切 換 到 同 步調(diào) 制 方 式 ， 這 樣 把 兩 者 的 優(yōu) 點(diǎn) 結(jié) 合 起 來 ， 和 分 段 同 步 方 式 效果 接 近 。 圖 6-11 分 段 同 步 調(diào) 制方 式 舉 例 5.3 規(guī) 則 采 樣 法1） 自 然 采 樣 法 ： 按 照 SPWM控 制 的 基 本 原 理

44、產(chǎn) 生 的 PWM波 的 方 法 ， 其 求解 復(fù) 雜 ， 難 以 在 實(shí) 時(shí) 控 制 中在 線 計(jì) 算 ， 工 程 應(yīng) 用 不 多 。 ucuO turTcA D B O tuo tA tD tBd d d 2d 2d圖 6-12 規(guī) 則 采 樣 法 2） 規(guī) 則 采 樣 法 工 程 實(shí) 用 方 法 ， 效 果 接 近 自然 采 樣 法 ， 計(jì) 算 量 小 得 多 。 5.3 規(guī) 則 采 樣 法三 角 波 兩 個(gè) 正 峰 值 之 間 為 一 個(gè)采 樣 周 期 Tc 。自 然 采 樣 法 中 ， 脈 沖 中 點(diǎn) 不 和三 角 波 (負(fù) 峰 點(diǎn) )重 合 。規(guī) 則 采 樣 法 使 兩 者 重 合

45、 ， 使 計(jì)算 大 為 減 化 。如 圖 所 示 確 定 A、 B點(diǎn) ， 在 t A和tB時(shí) 刻 控 制 開 關(guān) 器 件 的 通 斷 。脈 沖 寬 度 d 和 用 自 然 采 樣 法 得到 的 脈 沖 寬 度 非 常 接 近 。 規(guī) 則 采 樣 法 原 理 ucuO turTcA D BO tu o tA tD tBd d d 2d 2d圖 6-12 規(guī) 則 采 樣 法 6.2.3 規(guī) 則 采 樣 法規(guī) 則 采 樣 法 計(jì) 算 公 式 推 導(dǎo)正 弦 調(diào) 制 信 號(hào) 波 tau rsinr 三 角 波 一 周 期 內(nèi) ， 脈 沖 兩 邊 間 隙 寬 度 )sin1(421 Drcc taTT d

46、d - (6-7)a稱 為 調(diào) 制 度 ， 0a1；r為 信 號(hào) 波 角 頻 率從 圖 6-12得 , 2/22/sin1 cDr Tta d )sin1(2 Drc taT d (6-6) ucuO turTcA D BO tuo tA tD tBd d d 2d 2d圖 6-12 規(guī) 則 采 樣 法 5.3 規(guī) 則 采 樣 法3） 三 相 橋 逆 變 電 路 的 情 況三 角 波 載 波 公 用 ， 三 相 正 弦 調(diào) 制 波 相 位 依 次 差 120同 一 三 角 波 周 期 內(nèi) 三 相 的 脈 寬 分 別 為 dU、 dV和 dW， 脈沖 兩 邊 的 間 隙 寬 度 分 別 為 dU

47、、 d V和 d W， 同 一 時(shí) 刻 三相 調(diào) 制 波 電 壓 之 和 為 零 ， 由 式 (6-6)得 由 式 (6-7)得 23 cWVU T ddd 43 c W V U T ddd利 用 以 上 兩 式 可 簡 化 三 相 SPWM波 的 計(jì) 算 (6-8)(6-9) 變 頻 器 對(duì) 電 動(dòng) 機(jī) 進(jìn) 行 控 制 是 根 據(jù) 電 動(dòng) 機(jī)的 特 性 參 數(shù) 及 電 動(dòng) 機(jī) 運(yùn) 轉(zhuǎn) 要 求 ， 進(jìn) 行 對(duì) 電動(dòng) 機(jī) 提 供 電 壓 、 電 流 、 頻 率 進(jìn) 行 控 制 達(dá) 到負(fù) 載 的 要 求 。 因 此 就 是 變 頻 器 的 主 電 路 一樣 ， 逆 變 器 件 也 相 同 ， 單

48、片 機(jī) 位 數(shù) 也 一 樣 ，只 是 控 制 方 式 不 一 樣 ， 其 控 制 效 果 是 不 一樣 的 。 所 以 控 制 方 式 是 很 重 要 的 。 它 代 表變 頻 器 的 水 平 。 目 前 變 頻 器 對(duì) 電 動(dòng) 機(jī) 的 控制 方 式 大 體 可 分 為 U/f恒 定 控 制 ， 轉(zhuǎn) 差 頻 率控 制 ， 矢 量 控 制 ， 直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 。 1、 U/f恒 定 控 制 U/f控 制 是 在 改 變 電 動(dòng) 機(jī) 電 源 頻 率 的 同 時(shí) 改 變電 動(dòng) 機(jī) 電 源 的 電 壓 ， 使 電 動(dòng) 機(jī) 磁 通 保 持 一 定 ， 在較 寬 的 調(diào) 速 范 圍 內(nèi) ， 電 動(dòng)

49、 機(jī) 的 效 率 ， 功 率 因 數(shù) 不下 降 。 因 為 是 控 制 電 壓 與 頻 率 之 比 ， 稱 為 U/f控 制 。 恒 定 U/f控 制 存 在 的 主 要 問 題 是 （ 1） 低 速 性 能 較差 ， 轉(zhuǎn) 速 極 低 時(shí) ， 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 無 法 克 服 較 大 的 靜 摩擦 力 ， 不 能 恰 當(dāng) 的 調(diào) 整 電 動(dòng) 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 矩 補(bǔ) 償 和 適 應(yīng)負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 的 變 化 ; （ 2） 其 次 是 無 法 準(zhǔn) 確 的 控 制 電動(dòng) 機(jī) 的 實(shí) 際 轉(zhuǎn) 速 。 由 于 恒 U/f變 頻 器 是 轉(zhuǎn) 速 開 環(huán) 控制 ， 由 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 機(jī) 械 特 性 圖

50、可 知 ， 設(shè) 定 值 為定 子 頻 率 也 就 是 理 想 空 載 轉(zhuǎn) 速 ， 而 電 動(dòng) 機(jī) 的 實(shí) 際轉(zhuǎn) 速 由 轉(zhuǎn) 差 率 所 決 定 ， 所 以 U/f恒 定 控 制 方 式 存 在的 穩(wěn) 定 誤 差 不 能 控 制 ， 故 無 法 準(zhǔn) 確 控 制 電 動(dòng) 機(jī) 的實(shí) 際 轉(zhuǎn) 速 。 2、 轉(zhuǎn) 差 頻 率 控 制 在 穩(wěn) 態(tài) 情 況 下 ， 當(dāng) 穩(wěn) 態(tài) 氣 隙 磁 通 恒 定 時(shí) ， 異 步 電機(jī) 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 近 似 與 轉(zhuǎn) 差 角 頻 率 成 正 比 。 因 此 ， 控制 s就 相 當(dāng) 于 控 制 轉(zhuǎn) 矩 。 采 用 轉(zhuǎn) 速 閉 環(huán) 的 轉(zhuǎn) 差 頻率 控 制 ， 使 定 子 頻

51、率 1 = r + s ， 則 1隨 實(shí) 際轉(zhuǎn) 速 r增 加 或 減 小 ， 得 到 平 滑 而 穩(wěn) 定 的 調(diào) 速 ， 保證 了 較 高 的 調(diào) 速 范 圍 。 轉(zhuǎn) 差 頻 率 控 制 就 是 通 過 控 制 轉(zhuǎn) 差 頻 率 來 控 制 轉(zhuǎn) 矩和 電 流 。 轉(zhuǎn) 差 頻 率 控 制 需 要 檢 出 電 動(dòng) 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 ，構(gòu) 成 速 度 閉 環(huán) ， 速 度 調(diào) 節(jié) 器 的 輸 出 為 轉(zhuǎn) 差 頻 率 ，然 后 以 電 動(dòng) 機(jī) 速 度 與 轉(zhuǎn) 差 頻 率 之 和 作 為 變 頻 器 的給 定 頻 率 。 與 U/f控 制 相 比 ， 其 加 減 速 特 性 和 限 制過 電 流 的 能 力

52、得 到 提 高 。 另 外 ， 它 有 速 度 調(diào) 節(jié) 器 ，利 用 速 度 反 饋 構(gòu) 成 閉 環(huán) 控 制 ， 速 度 的 靜 態(tài) 誤 差 小 。然 而 要 達(dá) 到 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 穩(wěn) 態(tài) 控 制 ， 還 達(dá) 不 到 良好 的 動(dòng) 態(tài) 性 能 。 3、 矢 量 控 制 矢 量 控 制 ， 也 稱 磁 場(chǎng) 定 向 控 制 。 它 是 70年 代初 由 西 德 F.Blasschke等 人 首 先 提 出 ， 以 直 流 電 機(jī)和 交 流 電 機(jī) 比 較 的 方 法 闡 述 了 這 一 原 理 。 由 此 開創(chuàng) 了 交 流 電 動(dòng) 機(jī) 和 等 效 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 的 先 河 。 矢

53、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 交 流 電 流 Ia、 Ib、 Ic。 通 過 三相 -二 相 變 換 ， 等 效 成 兩 相 靜 止 坐 標(biāo) 系 下 的 交 流 電流 Ia1、 Ib1， 再 通 過 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 Im1、It1(Im1相 當(dāng) 于 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 的 勵(lì) 磁 電 流 ， It1相 當(dāng)于 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 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

54、電 動(dòng) 機(jī) 的 控 制 量 ， 經(jīng) 過 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 。 矢 量控 制 方 法 的 出 現(xiàn) ， 使 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 變 頻 調(diào) 速 在 電 動(dòng)機(jī) 的 調(diào) 速 領(lǐng) 域 里 全 方 位 的 處 于 優(yōu) 勢(shì) 地 位 。 但 是 ，矢 量 控 制 技 術(shù) 需 要 對(duì) 電 動(dòng) 機(jī) 參 數(shù) 進(jìn) 行 正 確 估 算 ，如 何 提 高 參 數(shù) 的 準(zhǔn) 確 性 是 一 直 研 究 的 話 題 。 4、 直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 1985年 ， 德 國 魯 爾 大 學(xué) 的 DePenbrock教 授 首 次提 出 了 直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 理 論 ，

55、 該 技 術(shù) 在 很 大 程 度 上解 決 了 矢 量 控 制 的 不 足 ， 它 不 是 通 過 控 制 電 流 ，磁 鏈 等 量 間 接 控 制 轉(zhuǎn) 矩 ， 而 是 把 轉(zhuǎn) 矩 直 接 作 為 被控 量 來 控 制 。 轉(zhuǎn) 矩 控 制 的 優(yōu) 越 性 在 于 ， 轉(zhuǎn) 矩 控 制 是 控 制 定 子磁 鏈 ， 在 本 質(zhì) 上 并 不 需 要 轉(zhuǎn) 速 信 息 ， 控 制 上 對(duì) 除定 子 電 阻 外 的 所 有 電 機(jī) 參 數(shù) 變 化 魯 棒 性 良 好 ， 所引 入 的 定 子 磁 鏈 觀 測(cè) 器 能 很 容 易 估 算 出 同 步 速 度信 息 ， 因 而 能 方 便 的 實(shí) 現(xiàn) 無 速

56、度 傳 感 器 ， 這 種 控制 被 稱 為 無 速 度 傳 感 器 直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 。 直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 系 統(tǒng) 與 矢 量 控 制 系 統(tǒng) 都 采 用 轉(zhuǎn) 矩 和磁 鏈 分 別 控 制 。 矢 量 控 制 系 統(tǒng) 強(qiáng) 調(diào) 轉(zhuǎn) 矩 與 轉(zhuǎn) 子磁 鏈 的 解 耦 ， 有 利 于 分 別 設(shè) 計(jì) 轉(zhuǎn) 速 與 磁 鏈 調(diào) 節(jié)器 ； 實(shí) 行 連 續(xù) 控 制 ， 調(diào) 速 范 圍 寬 ， 可 達(dá) 1： 100; 按 定 向 時(shí) 受 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 子 參 數(shù) 影 響 ， 降 低 了 適 應(yīng) 性 。 直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 系 統(tǒng) 則 直 接 進(jìn) 行 轉(zhuǎn) 矩 砰 -砰 控 制 ， 避開 了 旋

57、轉(zhuǎn) 坐 標(biāo) 變 換 ； 控 制 定 子 磁 鏈 ， 而 不 是 轉(zhuǎn)子 磁 鏈 ， 不 受 轉(zhuǎn) 子 參 數(shù) 的 影 響 ； 不 可 避 免 地 產(chǎn) 生轉(zhuǎn) 矩 脈 動(dòng) ， 降 低 了 調(diào) 速 性 能 ， 因 此 只 適 用 于 風(fēng) 機(jī) 、水 泵 以 及 牽 引 傳 動(dòng) 等 對(duì) 調(diào) 速 范 圍 要 求 不 高 的 場(chǎng) 合 。eT22 1 特 點(diǎn) 與 性 能 直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 系 統(tǒng) 矢 量 控 制 系 統(tǒng)磁 鏈 控 制 定 子 磁 鏈 轉(zhuǎn) 子 磁 鏈轉(zhuǎn) 矩 控 制 砰 -砰 控 制 ， 脈 動(dòng) 連 續(xù) 控 制 ， 平 滑旋 轉(zhuǎn) 坐 標(biāo) 變 換 不 需 要 需 要轉(zhuǎn) 子 參 數(shù) 變 化影 響 無

58、 有調(diào) 速 范 圍 不 夠 寬 較 寬 普 通 的 變 頻 器 大 都 采 用 二 極 管 整 流 橋 將 交 流電 轉(zhuǎn) 化 成 直 流 ， 然 后 采 用 IGBT逆 變 技 術(shù) 將 直 流 轉(zhuǎn)化 成 電 壓 頻 率 皆 可 調(diào) 整 的 交 流 電 控 制 交 流 電 動(dòng) 機(jī) 。這 種 變 頻 器 只 能 工 作 在 電 動(dòng) 狀 態(tài) ， 所 以 稱 之 為 兩 象限 變 頻 器 。 由 于 兩 象 限 變 頻 器 采 用 二 極 管 整 流 橋 ，無 法 實(shí) 現(xiàn) 能 量 的 雙 向 流 動(dòng) ， 所 以 沒 有 辦 法 將 電 機(jī) 回饋 系 統(tǒng) 的 能 量 送 回 電 網(wǎng) 。 在 一 些 電

59、動(dòng) 機(jī) 要 回 饋 能 量的 應(yīng) 用 中 ， 比 如 電 梯 ， 提 升 ， 離 心 機(jī) 系 統(tǒng) ， 只 能 在兩 象 限 變 頻 器 上 增 加 電 阻 制 動(dòng) 單 元 。 將 電 動(dòng) 機(jī) 回 饋的 能 量 消 耗 掉 。 另 外 ， 在 一 些 大 功 率 的 應(yīng) 用 中 ， 二極 管 整 流 橋 對(duì) 電 網(wǎng) 產(chǎn) 生 嚴(yán) 重 的 諧 波 污 染 。 IGBT功 率 模 塊 可 以 實(shí) 現(xiàn) 能 量 的 雙 向 流 動(dòng) ， 如果 采 用 IGBT做 整 流 橋 ， 用 高 速 度 、 高 運(yùn) 算 能 力 的DSP產(chǎn) 生 PWM控 制 脈 沖 。 一 方 面 可 以 調(diào) 整 輸 入 的功 率 因

60、 數(shù) ， 消 除 對(duì) 電 網(wǎng) 的 諧 波 污 染 ， 讓 變 頻 器 真 正成 為 “ 綠 色 產(chǎn) 品 ” 。 另 一 方 面 可 以 將 電 動(dòng) 機(jī) 回 饋 產(chǎn)生 的 能 量 反 送 到 電 網(wǎng) ， 達(dá) 到 徹 底 的 節(jié) 能 效 果 。 四 象 限 變 頻 器 的 電 路 原 理 圖 如 圖 1所 示 。 圖 1 四 象 限 變 頻 器 的 電 路 原 理 圖 2.2 工 作 原 理當(dāng) 電 機(jī) 工 作 在 電 動(dòng) 狀 態(tài) 的 時(shí) 候 ， 整 流 控 制 單元 的 DSP產(chǎn) 生 6路 高 頻 的 PWM脈 沖 控 制 整 流側(cè) 的 6個(gè) IGBT的 開 通 和 關(guān) 斷 。 IGBT的 開 通

61、和 關(guān) 斷 與 輸 入 電 抗 器 共 同 作 用 產(chǎn) 生 了 與 輸 入電 壓 相 位 一 致 的 正 弦 電 流 波 形 ， 這 樣 就 消 除了 二 極 管 整 流 橋 產(chǎn) 生 的 6K 1諧 波 。 功 率 因數(shù) 高 達(dá) 99%， 消 除 了 對(duì) 電 網(wǎng) 的 諧 波 污 染 。此 時(shí) 能 量 從 電 網(wǎng) 經(jīng) 由 整 流 回 路 和 逆 變 回 路 流向 電 機(jī) ， 變 頻 器 工 作 在 第 一 、 第 三 象 限 。 輸入 電 壓 和 輸 入 電 流 的 波 形 如 圖 2所 示 。 圖 2 輸 入 電 壓 和 輸 入 電 流 的 波 形 當(dāng) 電 動(dòng) 機(jī) 工 作 在 發(fā) 電 狀 態(tài)

62、的 時(shí) 候 ， 電 機(jī) 產(chǎn)生 的 能 量 通 過 逆 變 側(cè) 的 二 極 管 回 饋 到 直 流母 線 ， 當(dāng) 直 流 母 線 電 壓 超 過 一 定 的 值 ， 整流 側(cè) 能 量 回 饋 控 制 部 分 啟 動(dòng) ， 將 直 流 逆 變成 交 流 ， 通 過 控 制 逆 變 電 壓 相 位 和 幅 值 將能 量 回 饋 到 電 網(wǎng) ， 達(dá) 到 節(jié) 能 的 效 果 。此 時(shí) 能 量 由 電 機(jī) 通 過 逆 變 側(cè) 、 整 流 側(cè) 流 向電 網(wǎng) 。 變 頻 器 工 作 在 二 、 四 象 限 。 輸 入 電抗 器 的 主 要 功 能 是 電 流 濾 波 。 回 饋 電 流 和電 網(wǎng) 電 壓 波 形

63、 如 圖 3所 示 ： 圖 3 回 饋 電 流 和 電 網(wǎng) 電 壓 波 形 1.過 電 流 保 護(hù) 功 能 1.1過 電 流 的 原 因 （ 1） 外 部 故 障 引 起 的 過 電 流 。 如 電 動(dòng) 機(jī) 堵轉(zhuǎn) 、 變 頻 器 輸 出 側(cè) 短 路 等 。 （ 2） 運(yùn) 行 過 電 流 。 如 加 速 或 減 速 時(shí) 間 過 短引 起 的 過 電 流 等 。 （ 3） 變 頻 器 自 身 故 障 引 起 的 過 電 流 。 1.2變 頻 器 對(duì) 過 電 流 的 處 理 變 頻 器 將 首 先 根 據(jù) 電 流 上 升 的 “ 陡 度 ” 來判 斷 是 否 出 現(xiàn) 短 路 或 接 地 ， 如 果

64、是 ， 則 立即 跳 閘 ； 如 果 不 是 短 路 ， 而 屬 于 運(yùn) 行 過 電流 ， 則 首 先 進(jìn) 行 自 處 理 ， 在 自 處 理 不 能 使電 流 下 降 的 情 況 下 ， 則 跳 閘 。 自 處 理 方 法 ： 當(dāng) 電 流 超 過 設(shè) 定 值 時(shí) ， 變 頻器 首 先 將 工 作 頻 率 適 當(dāng) 降 低 ， 到 電 流 低 于設(shè) 定 值 時(shí) ， 工 作 頻 率 再 逐 漸 恢 復(fù) 。 2.過 載 保 護(hù) 功 能 過 載 保 護(hù) 功 能 是 保 護(hù) 電 動(dòng) 機(jī) 過 載 的 。 從 根本 上 說 ， 對(duì) 電 動(dòng) 機(jī) 進(jìn) 行 過 載 保 護(hù) 的 目 的 ，是 使 電 動(dòng) 機(jī) 不 因

65、 過 熱 而 燒 壞 。 因 此 ， 進(jìn) 行保 護(hù) 的 主 要 依 據(jù) 便 是 電 動(dòng) 機(jī) 的 溫 升 不 應(yīng) 超過 其 額 定 值 。 2.1發(fā) 熱 保 護(hù) 的 反 時(shí) 限 特 性 電 動(dòng) 機(jī) 的 熱 保 護(hù) 功 能 應(yīng) 該 具 有 反 時(shí) 限 特 性 。即 ， 電 動(dòng) 機(jī) 的 運(yùn) 行 電 流 越 大 ， 保 護(hù) 動(dòng) 作 的時(shí) 間 越 短 。 2.2溫 升 與 頻 率 的 關(guān) 系 電 動(dòng) 機(jī) 在 低 頻 運(yùn) 行 時(shí) ， 如 沒 有 外 部 強(qiáng) 迫 通風(fēng) ， 散 熱 情 況 將 變 差 。 2.3變 頻 器 中 的 電 子 熱 保 護(hù) 功 能 。 電 子 熱 保 護(hù) 功 能 主 要 特 點(diǎn) 有

66、 ： （ 1） 具 有 反 時(shí) 限 特 性 。 （ 2） 在 不 同 的 運(yùn) 行 頻 率 下 有 不 同 的 保 護(hù) 曲線 ， 頻 率 越 低 ， 允 許 連 續(xù) 運(yùn) 行 的 時(shí) 間 越 短 。 3.電 壓 保 護(hù) 功 能 3.1過 電 壓 的 原 因 和 保 護(hù) （ 1） 電 源 過 電 壓 。 當(dāng) 電 源 過 電 壓 時(shí) ， 可 利用 變 頻 器 的 “ 自 動(dòng) 電 壓 調(diào) 整 ” 功 能 ， 使 輸出 的 平 均 電 壓 維 持 恒 定 。 但 電 壓 太 高 ， 電動(dòng) 機(jī) 側(cè) 電 壓 脈 沖 的 幅 值 過 高 ， 對(duì) 電 動(dòng) 機(jī) 繞組 的 絕 緣 不 利 ， 必 須 跳 閘 ， 進(jìn) 行 保 護(hù) 。 降 速 過 電 壓 。 即 降 速 過 快 引 起 的 過 電 壓 ，變 頻 器 將 首 先 進(jìn) 行 自 處 理 ， 如 自 處 理 后 電壓 仍 偏 高 ， 則 跳 閘 。 3.2欠 電 壓 的 原 因 及 保 護(hù) 發(fā) 生 欠 電 壓 的 原 因 大 致 有 以 下 幾 種 情 況 ： （ 1） 電 源 電 壓 過 低 或 缺 相 。 （ 2） 變 頻 器 的 整 流 橋 損 壞