摘要

目前流行的異步電動機(jī)的調(diào)速措施可分為兩種：變頻調(diào)速和變壓調(diào)速，其

中異步電動機(jī)的變頻調(diào)速應(yīng)用較多，它日勺調(diào)速措施可分為兩種：變頻變壓調(diào)速和

矢量控制法，前者H勺控制措施相對簡樸，有二十?dāng)?shù)年的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。因此應(yīng)用H勺比

較多，目前市場上發(fā)售H勺變頻器多數(shù)都是采用這種控制措施。

關(guān)鍵詞：交流調(diào)速系統(tǒng)，異步電動機(jī)，PWM技術(shù)……

目錄

摘要...............................................................1

序言..................................................................3

1.1設(shè)計(jì)的目的和意義................................................3

1.2變頻器調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理.......................................4

第二章變頻器........................................................5

2.1變頻器選型：....................................................5

2.2變頻器控制原理圖設(shè)計(jì)：.........................................6

2.3變頻器控制柜設(shè)計(jì)...............................................8

2.4變頻器接線規(guī)范................................................10

2.5變頻器H勺運(yùn)行和有關(guān)參數(shù)的設(shè)置..................................10

2.6常見故障分析...................................................11

第三章交流調(diào)速系統(tǒng)概述..............................................12

3.1交流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)............................................12

第四章變頻電動機(jī)日勺特點(diǎn)...............................................18

4.1電磁設(shè)計(jì).......................................................18

4.2構(gòu)造設(shè)計(jì)......................................................18

第五章變頻電機(jī)重要特點(diǎn)和變頻電機(jī)日勺構(gòu)造原理........................19

5.1變頻專用電動機(jī)具有如下特點(diǎn)：..................................19

5.2變頻電機(jī)的構(gòu)造原理............................................20

第六章交流異步電動機(jī)...............................................20

6.1交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速基本原理................................21

6.2變頻變壓(VVVF)調(diào)速時(shí)電動機(jī)的機(jī)械特性........................23

6.3變壓變頻運(yùn)行時(shí)機(jī)械特性分折....................................25

第七章PWM技術(shù)原理..................................................24

7.1正弦波脈寬調(diào)制(SPWM).............................................................

7.2單極性SPWM法..................................................26

結(jié)論.................................................................31

致謝...............................................................32

參考文獻(xiàn)......................................................33

序言

1.1設(shè)計(jì)的目的和意義

近年來，伴隨電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交

流傳動與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，電氣傳動技術(shù)面臨著i場

歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已

成為發(fā)展趨勢。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)

量和改善環(huán)境、推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的一種重要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)秀日勺調(diào)速和起制

動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的合用范圍及其他許多長處而被

國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途日勺調(diào)速方式。深入理解交流傳動與控制技術(shù)的走向，

具有十分積極的意義.

1.2變頻器調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理

實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置稱為變頻器。變頻器一般由整流器、濾波器、驅(qū)動電

路、保護(hù)電路以及控制器（MCU/DSP）等部分構(gòu)成。首先將單相或三相交流電源

通過整流器并經(jīng)電容濾波后，形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上，運(yùn)用

逆變器功率元件H勺通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀H勺矩形脈沖波形。在

這里，通過變化矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過變化調(diào)制周期控制其輸出

頻率，從而在逆變器上同步進(jìn)行輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調(diào)速對U/

f協(xié)調(diào)控制日勺規(guī)定。P廊的長處是能消除或克制低次諧波，使負(fù)載電機(jī)在近正弦

波的交變電壓下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈沖小，調(diào)速范圍寬。

采用PWM控制方式的電機(jī)轉(zhuǎn)速受到上限轉(zhuǎn)速的限制。如對壓縮機(jī)來講，一

般不超過7000r/rain。而采用PAM控制方式日勺壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可提高1.5倍左右，

這樣大大提高了迅速增速和減速能力。同步，由于PAM在調(diào)整電壓時(shí)具有對電流

波形的整形作用，因而可以獲得比PWM更高的效率。此外，在抗干擾方面也有著

PWM無法比擬的優(yōu)越性，可克制高次諧波的生成，減小對電網(wǎng)區(qū)I污染。采用該控

制方式日勺變頻調(diào)速技術(shù)后，電機(jī)定子電流下降64%，電源頻率減少30%,出

膠壓力減少57%。由弓機(jī)理論可知，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速可表達(dá)為:n=60-f8（1-8）

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第二章變頻器

變頻器是運(yùn)用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率日勺電

能控制裝置。我們目前使用H勺變頻器重要采用交一直一交方式（VVVF變頻或矢

量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電

源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供應(yīng)電動機(jī)。變頻器的電路一般由整

流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分構(gòu)成。整流部分為三相橋式不可控整流

器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾

波、直流儲能和緩沖無功功率。

2.1變頻器選型：

變頻器選型時(shí)要確定如下幾點(diǎn)：

1）采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。

2）變頻器口勺負(fù)載類型；如葉片泵或容積泵等，尤其注意負(fù)載的性能曲線,

性能曲線決定了應(yīng)用時(shí)H勺方式措施。

3）變頻器與負(fù)載的匹配問題；

L電壓匹配；變頻器口勺額定電壓與負(fù)載的額定電壓相符。

TL電流匹配;一般的離心泵，變頻器日勺額定電流與電機(jī)的額定電流相符。

對于特殊的負(fù)載如深水泵等則需要參照電機(jī)性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電

流和過我能力。

III.轉(zhuǎn)矩匹配；這種狀況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或有減速裝置時(shí)有也許發(fā)生。

4）在使用變頻將驅(qū)動高速電機(jī)時(shí)，由于高速電機(jī)的電抗小，高次諧波增

長導(dǎo)致輸出電流值增大。因此用于高速電機(jī)日勺變頻器時(shí)選型，其容量要稍不小于

一般電機(jī)的選型。

5）變頻器假如要長電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)要采用措施克制長電纜對地耦合電

容的影響，防止變頻器出力局限性，因此在這樣狀況下，變頻器容量要放大一檔

或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。

6）對于某些特殊的應(yīng)用場所，如高溫，高海拔，此時(shí)會引起變頻器口勺降

容，變頻器容量要放大一擋。

2.2變頻器控制原理圖設(shè)計(jì)：

1）首先確認(rèn)變頻器日勺安裝環(huán)境；

1.工作溫度。變頻器內(nèi)部是大功率的電子元件,極易受到工作溫度的影響,

產(chǎn)品一般規(guī)定為0?55C,但為了保證工作安全、可靠，使用時(shí)應(yīng)考慮留有余地,

最佳控制在40C如下。在控制箱中，變頻器一般應(yīng)安裝在箱體上部，并嚴(yán)格遵

守產(chǎn)品闡明書中日勺安裝規(guī)定，絕對不容許把發(fā)熱元件或易發(fā)熱的元件緊靠變頻器

時(shí)底部安裝。

11.環(huán)境溫度。溫度太高且溫度變化較人時(shí)，變頻器內(nèi)部易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象,

其絕緣性能就會大大減少，甚至也許引起短路事故。必要時(shí)，必須在箱中增長干

燥劑和加熱淵。在水處理間，一般水汽都比較重，假如溫度變化大的話，這個(gè)問

題會比較突出。

Ill.腐蝕性氣體。使用環(huán)境假如腐蝕性氣體濃度大，不僅會腐蝕元器件的I

引線、印刷電路板等，并且還會加速塑料器件的老化，減少絕緣性能。

IV.振動和沖擊。裝有變頻器的控制柜受到機(jī)械振動和沖擊時(shí)，會引起電

氣接觸不良。淮安熱電就出現(xiàn)這樣日勺問題。這時(shí)除了提高控制柜日勺機(jī)械強(qiáng)度、遠(yuǎn)

離振動源和沖擊源外，還應(yīng)使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內(nèi)電磁開關(guān)之類產(chǎn)生

振動的元器件。設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，應(yīng)對其進(jìn)行檢查和維護(hù)。

V.電磁波干擾。變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了諸多H勺干

擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾。因此，柜內(nèi)儀表

和電子系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)選用金屬外殼，屏蔽變頻器對儀表日勺干擾。所有日勺元器件均應(yīng)

可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應(yīng)選用屏蔽控制電纜,

且屏蔽層應(yīng)接地。假如處理不好電磁干擾，往往會使整個(gè)系統(tǒng)無法工作，導(dǎo)致控

制單元失靈或損壞。

2）變頻器和電機(jī)的距離確定電纜和布線措施：

I.變頻器和電機(jī)的距離應(yīng)當(dāng)盡量的短。這樣減小了電纜的對地電容，減少

干擾的發(fā)射源。

II.控制電纜選用屏蔽電纜，動力電纜選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機(jī)

所有用穿線管屏蔽。

HI.電機(jī)電纜應(yīng)獨(dú)立于其他電纜走線，其最小距離為500nm1。同步應(yīng)防止

電機(jī)電纜與其他電纜長距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓迅速變化而

產(chǎn)生的電磁干擾。假如控制電纜和電源電纜交叉，應(yīng)盡量使它們按90度角交叉。

與變頻器有關(guān)的模擬量信號線與主回路線分開走線，雖然在控制柜中也要如此。

IV.與變頻器有關(guān)的模擬信號線最佳選用屏蔽雙絞線，動力電纜選用屏蔽

的三芯電纜（其規(guī)格要比一般電機(jī)的電纜大檔）或遵從變頻器的顧客手冊。

3）變頻器控制原理圖；

I.主回路：電抗器的I作用是防止變頻器產(chǎn)生日勺高次諧波通過電源日勺輸入回

路返回到電網(wǎng)從而影響其他日勺受電設(shè)備，需要根據(jù)變頻港的容量大小來決定與否

需要加電抗器；濾波器是安裝在變頻器日勺輸出端，減少變頻器輸出的高次諧波，

當(dāng)變頻器到電機(jī)日勺距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)安裝濾波器。雖然變頻器自身有多種保護(hù)功

能，但缺相保護(hù)卻并不完美，斷路器在主回路中起到過載，缺相等保護(hù)，選型時(shí)

可按照變頻器的I容量進(jìn)行選擇?？梢杂米冾l器自身的I過載保護(hù)替代熱繼電器。

II.控制回路：具有工頻變頻的手動切換，以便在變頻出現(xiàn)故障時(shí)可以手

動切工頻運(yùn)行，因輸出端不能加電壓，固工頻和變頻要有互鎖。

4）變頻器口勺接地；

變頻器對的接地是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，克制噪聲能力內(nèi)重要手段。變頻器啊

接地端子的接地電阻越小越好,接地導(dǎo)線的截面不不不小于4mm,長度不超過5m。

變頻器的接地應(yīng)和動力設(shè)備口勺接地點(diǎn)分開，不能共地。信號線的屏蔽層一端接到

變頻器的接地端，另一端浮空。變頻器與控制柜之間電氣相通。

2.3變頻器控制柜設(shè)計(jì)

變頻器應(yīng)當(dāng)安裝在控制柜內(nèi)部，控制柜在設(shè)計(jì)時(shí)要注意如下問題

1）散熱問題：變頻器的發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生的。在變頻器中各部分

損耗中重要以主電路為主，約占98%,控制電路占2%。為了保證變頻器正常

可靠運(yùn)行，必須對變頻器進(jìn)行散熱我們一般采用風(fēng)扇散熱；變頻器日勺內(nèi)裝風(fēng)

扇可將變頻器日勺箱體內(nèi)部散熱帶走，若風(fēng)扇不能正常工作，應(yīng)立即停止變頻

器運(yùn)行；大功率的變頻器還需要在控制柜上加風(fēng)扇，控制柜的風(fēng)道要設(shè)計(jì)合

理，所有進(jìn)風(fēng)口要設(shè)置防塵網(wǎng)，排風(fēng)暢通，防止在柜中形成渦流，在固定時(shí)

位置形成灰塵堆積；根據(jù)變頻器闡明書日勺通風(fēng)量來選擇匹配的風(fēng)扇，風(fēng)扇安

裝要注意防震問題。

2）電磁干擾問題：

I.變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了諸多日勺干擾電磁波，這些

高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾，并且會產(chǎn)生高次諧波，這種高次

諧波會通過供電回路進(jìn)入整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)，從而影響其他儀表。假如變頻器的I功率

很大占整個(gè)系統(tǒng)25%以上，需要考慮控制電源的抗干擾措施。

II.當(dāng)系統(tǒng)中有高頻沖擊負(fù)載如電焊機(jī)、電鍍電源時(shí)，變頻器自身會由于

干擾而出現(xiàn)保護(hù)，則考慮整個(gè)系統(tǒng)的電源質(zhì)量問題。

3）防護(hù)問題需要注意如下幾點(diǎn)：

I.防水防結(jié)露：假如變頻器放在現(xiàn)場，需要注意變頻器柜上方不時(shí)有管道

法蘭或其他漏點(diǎn)，在變頻器附近不能有噴濺水流，總之現(xiàn)場柜體防護(hù)等級要在

IP43以上。

IL防塵：所有進(jìn)風(fēng)口要設(shè)置防塵網(wǎng)阻隔絮狀雜物進(jìn)入，防塵網(wǎng)應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)

為可拆卸式，以以便清理，維護(hù)。防塵網(wǎng)的網(wǎng)格根據(jù)現(xiàn)場的詳細(xì)狀況確定，防塵

網(wǎng)四面與控制柜的結(jié)合處要處理嚴(yán)密。

HL防腐蝕性氣體：在化工行業(yè)這種狀況比較多見，此時(shí)可以將變頻柜放

在控制室中。

2.4變頻器接線規(guī)范

信號線與動力線必須分開走線：使用模擬量信號進(jìn)行遠(yuǎn)程控制變頻器時(shí)，

為了減少模擬量受來自變頻器和其他設(shè)備的干擾，請將控制變頻器日勺信號線與強(qiáng)

電回路（主回路及順控回路）分開走線。距離應(yīng)在30cm以上。雖然在控制柜內(nèi)，

同樣要保持這樣H勺接線規(guī)范。該信號與變頻器之間的控制回路線最長不得超過

50mo

信號線與動力線必須分別放置在不一樣的金屬管道或者金屬軟管內(nèi)部：連

接PLC和變頻器H勺信號線假如不放置在金屬管道內(nèi)，極易受到變頻器和外部設(shè)備

的干擾；同步由于變頻器無內(nèi)置的電抗器，因此變頻器口勺輸入和輸出級動力線對

外部會產(chǎn)生極強(qiáng)的干擾，因此放置信號線的金屬管或金屬軟管一直要延伸到變頻

器的控制端子處，以保證信號線與動力線的徹底分開。

1）模擬量控制信號線應(yīng)使用雙股絞合屏蔽線，電線規(guī)格為0.75mm2。在

接線時(shí)一定要注意，電纜剝線要盡量短（5-7mm左右），同步對剝線后來的屏

蔽層要用絕緣膠布包起來，以防止屏蔽線與其他設(shè)備接觸引入干擾。

2）為了提高接線的簡易性和可靠性，推薦信號線上使用壓線棒端子。

2.5變頻器的運(yùn)行和有關(guān)參數(shù)的設(shè)置

變頻器的設(shè)定參數(shù)多，每個(gè)參數(shù)均有一定日勺選擇范圍，使用中常常碰到因

個(gè)別參數(shù)設(shè)置不妥，導(dǎo)致變頻器不能正常工作的現(xiàn)象。

控制方式：即速度控制、轉(zhuǎn)距控制、PID控制或其他方式。采用控制方式

后，一般要根據(jù)控制精度，需要進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)辨識。

最低運(yùn)行頻率：即電機(jī)運(yùn)行日勺最小轉(zhuǎn)速，電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，其散熱

性能很差，電機(jī)長時(shí)間運(yùn)行在低轉(zhuǎn)速下，會導(dǎo)致電機(jī)燒毀。并且低速時(shí)，其電纜

中日勺電流也會增大，也會導(dǎo)致電纜發(fā)熱。

最高運(yùn)行頻率：一般日勺變頻器最大頻率到60Hz,有日勺甚至到400Hz,高

頻率將使電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這對一般電機(jī)來說，其軸承不能長時(shí)間的超額定轉(zhuǎn)速運(yùn)

行，電機(jī)的轉(zhuǎn)子與否能承受這樣日勺離心力。

載波頻率：載波頻率設(shè)置日勺越高其高次諧波分量越大，這和電纜的）長度，

電機(jī)發(fā)熱，電纜發(fā)熱變頻器發(fā)熱等原因是親密有關(guān)的。

電機(jī)參數(shù)：變頻器在參數(shù)中設(shè)定電機(jī)的功率、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、最大頻

率，這些參數(shù)可以從電機(jī)銘牌中直接得到。

跳頻：在某個(gè)頻率點(diǎn)上，有也許會發(fā)生共振現(xiàn)象，尤其在整個(gè)裝置比較高

時(shí)；在控制壓縮機(jī)時(shí)，要防止壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)。

2.6常見故障分析

1）過流故障：過流故障可分為加速、減速、恒速過電流。其也許是由于

變頻器日勺加減速時(shí)間太短、負(fù)載發(fā)生突變、負(fù)荷分派不均，輸出短路等原因引起

日勺。這時(shí)一般可通過延長加減速時(shí)間、減少負(fù)荷日勺突變、外加能耗制動元件、進(jìn)

行負(fù)荷分派設(shè)計(jì)、對線路進(jìn)行檢查。如堅(jiān)決開負(fù)載變頻器還是過流故障，闡明變

頻器逆變電路已環(huán)，需要更換變頻器。

2）過載故障：過載故障包括變頻過載和電機(jī)過載。其也許是加速時(shí)間太

短，電網(wǎng)電壓太低、負(fù)載過重等原因引起的。一般可通過延長加速時(shí)間、延長制

動時(shí)間、檢查電網(wǎng)電壓等。負(fù)載過重，所選日勺電機(jī)和變頻器不能拖動該負(fù)載，也

也許是由于機(jī)械潤滑不好引起。如前者則必須更換大功率的電機(jī)和變頻器；如后

者則要對生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行檢修。

3）欠壓：闡明變頻器電源輸入部分有問題，需檢查后才可以運(yùn)行。

第三章交流調(diào)速系統(tǒng)概述

3.1交流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)

對于可調(diào)速H勺電力拖動系統(tǒng)，工程上往往把它分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)

速系統(tǒng)兩類。這重要是根據(jù)采用什么電流制型式的電動機(jī)來進(jìn)行電能與機(jī)械能的

轉(zhuǎn)換而劃分日勺，所謂交流調(diào)速系統(tǒng)，就是以交流電動機(jī)作為電能一機(jī)械能的轉(zhuǎn)換

裝置，并對其進(jìn)行控制以產(chǎn)生所需要H勺轉(zhuǎn)速。

縱觀電力拖動的發(fā)展過程，交、直流兩大調(diào)速系統(tǒng)一直并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域,

雖然由于各個(gè)時(shí)期科學(xué)技術(shù)日勺發(fā)展使得它們所處H勺地位有所不一樣，但它們一直

是伴隨工業(yè)技術(shù)日勺發(fā)展，尤其是伴隨電力電子元器件的發(fā)展而在互相競爭。在過

去很長一段時(shí)期，由于直流電動機(jī)的優(yōu)良調(diào)速性能，在可逆、可調(diào)速與高精度、

寬調(diào)速范圍日勺電力拖動技術(shù)領(lǐng)域中，幾乎都是采用直流調(diào)速系統(tǒng)。然而由于直流

電動機(jī)其有機(jī)械式換向器這一致命的弱點(diǎn)，致使直流電動機(jī)制導(dǎo)致本高、價(jià)格昂

貴、維護(hù)麻煩、使用環(huán)境受到限制，其自身構(gòu)造也約束了單臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速，功率

上限，從而給直流傳動時(shí)應(yīng)用帶來了一系列的限制。相對于直流電動機(jī)來說，交

流電動機(jī)尤其是鼠籠式異步電動機(jī)具有構(gòu)造簡樸，制導(dǎo)致本低，結(jié)實(shí)耐用，運(yùn)行

可靠，維護(hù)以便，慣性小，動態(tài)響應(yīng)好，以及易于向高壓、高速和大功率方向發(fā)

展等長處。因此，近幾十年以來，不少國家都在致力于交流調(diào)速系統(tǒng)日勺研究，用

沒有換向器日勺交流電動機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速來取代直流電動機(jī)，突破它的限制。

伴隨電力電子器件，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)日勺迅速發(fā)展，以及現(xiàn)

代控制理論向交流電氣傳動領(lǐng)域日勺滲透，為交流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)研究深入發(fā)明了

有利的條件。諸如交流電動機(jī)日勺串級調(diào)速、多種類型日勺變頻調(diào)速，尤其是矢量控

制技術(shù)日勺應(yīng)用，使得交流調(diào)速系統(tǒng)逐漸具有了寬口勺調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)速精度、

迅速的動態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行等良好日勺技術(shù)性能。目前從數(shù)百瓦日勺伺

服系統(tǒng)到數(shù)百千瓦歐I特大功率高速傳動系統(tǒng)，從一般規(guī)定的小范圍調(diào)速傳動到高

精度、快響應(yīng)、大范圍日勺調(diào)速傳動，從單機(jī)傳動到多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，已幾乎都可采

用交流調(diào)速傳動。交流調(diào)速傳動的客觀發(fā)展趨勢已表明，它完全可以和直流傳動

相媲美、相抗衡，并有取代的趨勢。

3.2交流調(diào)速常用的調(diào)速方案及其性能比較

由電機(jī)學(xué)知，交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式如下：

n=60/1(1-s)pn(1-1)

式中Pn——電動機(jī)定子繞阻的磁極對數(shù)；

fl——電動機(jī)定子電壓供電頻率；

s——電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

從式(1T)中可以看出，調(diào)整交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有三大類方案。

(1)變化電動機(jī)的磁極對數(shù)

由異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速

no=60/1pn

可知，在供電電源頻率門不變的條件下，通過改接定子繞組口勺連接方式來

變化異步電動機(jī)定子繞組的磁極對數(shù)Pn,即可變化異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速nO,

從而到達(dá)調(diào)速的目的I。這種控制方式比較簡樸，只規(guī)定電動機(jī)定子繞組有多種抽

頭，然后通過觸點(diǎn)日勺通斷來變化電動機(jī)的磁極對數(shù)。采用這種控制方式，電動機(jī)

轉(zhuǎn)速的變化是有級的I,不是持續(xù)的，一般最多只有三檔，合用于自動化程度不高,

且只須有級調(diào)速日勺場所。

(2)變頻調(diào)速

從式(1-1)中可以看出，當(dāng)異步電動機(jī)的磁極對數(shù)Pn一定，轉(zhuǎn)差率s—

定期，變化定子繞組的供電頻率fl可以到達(dá)調(diào)速目的，電動機(jī)轉(zhuǎn)速n基本.上與

電源的頻率fl成正比，因此，平滑地調(diào)整供電電源的頻率，就能平滑，無級地

調(diào)整異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速調(diào)速范圍大，低速特性較硬，基頻f=50Hz如

下，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，在基頻以上，屬于恒功率調(diào)速方式，與直流電動機(jī)的

降壓和弱磁調(diào)速十分相似。且采用變頻起動更能明顯改善交流電動機(jī)的起動性

能，大幅度減少電機(jī)的起動申流“增長起動轉(zhuǎn)矩。因此變頻調(diào)速是交流電動機(jī)啊

理想調(diào)速方案。

(3)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

變化轉(zhuǎn)差率調(diào)速的措施諸多，常用的方案有：異步電動機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速，電

磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速和繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路申電阻調(diào)速，串級調(diào)速等。

定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)就是在恒定交流電源與交流電動機(jī)之間接入晶閘管作為

交流電壓控制器，這種調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)僅合用于某些屬短時(shí)與反復(fù)短時(shí)作深調(diào)速運(yùn)

行的負(fù)載。為了能得到好的調(diào)速精度與能穩(wěn)定運(yùn)行，一般采用帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的控

制方式。所使用的電動機(jī)可以是繞線式異電動機(jī)或是有高轉(zhuǎn)差率的鼠籠式異步電

動機(jī)。

電磁轉(zhuǎn)差離臺器調(diào)速系統(tǒng)，是由鼠籠式異步電動機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器以及控

制裝置組合而成。鼠籠式電動機(jī)作為原動機(jī)以恒速帶動電磁離合器的電樞轉(zhuǎn)動，

通過對電磁離合器勵(lì)磁電流日勺控制實(shí)現(xiàn)對其磁極口勺速度調(diào)整。這種系統(tǒng)一般也采

用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速就是通過變化轉(zhuǎn)子回路所串電阻來

進(jìn)行調(diào)速，這種調(diào)速措施簡樸，但調(diào)速是有級的，串入較大附加電阻后，電動機(jī)

的機(jī)械特性很軟，低速運(yùn)行損耗大，穩(wěn)定性差。

繞線式異步電動機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)就是在電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中引入與轉(zhuǎn)子電

勢同頻率的反向電勢Ef,只要變化這個(gè)附加的，同電動機(jī)轉(zhuǎn)子電壓同頻率的反

向電勢Ef,就可以對繞線式異步電動機(jī)進(jìn)行平滑調(diào)速。Ef越大，電動機(jī)轉(zhuǎn)速越

低。

上述這些調(diào)速的共同特點(diǎn)是調(diào)速過程中沒有變化電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速nO,因

此低速時(shí)，轉(zhuǎn)差率s較大。

在交流異步電動機(jī)中，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率PM可以提成兩部分：一

部分P2二(1—s)PM是拖動負(fù)載的有效功率，另一部分是轉(zhuǎn)差功率PS=sPM,與

轉(zhuǎn)差率s成正比，它『'j去向是調(diào)速系統(tǒng)效率高卜的標(biāo)志。就轉(zhuǎn)差功率rf、j去向而言，

交流異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以分為三種：

1)轉(zhuǎn)差功率消耗型

這種調(diào)速系統(tǒng)所有轉(zhuǎn)差功率都被消耗掉，用增長轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)

速的減少，轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)差功率PS二sPM增大，以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電路

里，使得系統(tǒng)效率也隨之減少。定子調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速及繞線式異

步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速這三種措施屬于這一類，此類調(diào)速系統(tǒng)存在著調(diào)速范圍

愈寬，轉(zhuǎn)差功率PS愈大，系統(tǒng)效率愈低的問題，故不值得倡導(dǎo)。

2）轉(zhuǎn)差功率回饋型

這種調(diào)速系統(tǒng)日勺大部分轉(zhuǎn)差功率通過變流裝置回饋給電網(wǎng)或者加以運(yùn)用，

轉(zhuǎn)速越低回饋的功率越多，不過增設(shè)的裝置也要多消耗一部分功率。繞線式異步

電動機(jī)轉(zhuǎn)子串級調(diào)速即屬于這一類，它將轉(zhuǎn)差功率通過整流和逆變作用，經(jīng)變壓

器回饋到交流電網(wǎng)，但沒有以發(fā)熱形式消耗能量，雖然在低速時(shí)，串級調(diào)速系統(tǒng)

&J效率也是很高的。

3）轉(zhuǎn)差功率不變型

這種調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率仍舊消耗在轉(zhuǎn)子里，但不管轉(zhuǎn)速高下，轉(zhuǎn)差功

率基本不變。如變極對數(shù)調(diào)速，變頻調(diào)速即屬于這一類，由于在調(diào)速過程中變化

同步轉(zhuǎn)速nO,轉(zhuǎn)差率s是一定啊，故系統(tǒng)效率不會因調(diào)速而減少。在變化「0的

兩種調(diào)速方案中，又因變極對數(shù)調(diào)速為有極調(diào)速，且極數(shù)很有限，調(diào)速范圍窄，

因此，目前在交流調(diào)速方案中，變頻調(diào)速是最理想，最有前途的交流調(diào)速方案。

第四章變頻電動機(jī)的特點(diǎn)

4.1電磁設(shè)計(jì)

對一般異步電動機(jī)來說，再設(shè)計(jì)時(shí)重要考慮的性能參數(shù)是過載能力、啟動

性能、效率和功率因數(shù)。而變頻電動機(jī)，由于臨界轉(zhuǎn)差率反比于電源頻率，可以

在臨界轉(zhuǎn)差率靠近1時(shí)直接啟動，因此,過載能力和啟動性能不在需要過多考慮,

而要處理的關(guān)鍵問題是怎樣改善電動機(jī)對非正弦波電源的I適應(yīng)能力。方式一般如

下：

1）盡量日勺減小定子和轉(zhuǎn)子電阻。

減小定子電阻即可減少基波銅耗，以彌補(bǔ)高次諧波引起的銅耗增

2）為克制電流中的高次諧波，需合適增長電動機(jī)的電感。但轉(zhuǎn)子槽漏抗

較大其集膚效應(yīng)也大，高次諧波銅耗也增大。因此，電動機(jī)漏抗的大小要兼顧到

整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。

3）變頻電動機(jī)日勺主磁路一般設(shè)計(jì)成不飽和狀態(tài)，一是考慮高次諧波會加

深磁路飽和，二是考慮在低頻時(shí)，為了提高輸出轉(zhuǎn)矩而合適提高變頻器日勺輸出電

壓。

4.2構(gòu)造設(shè)計(jì)

再構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)，重要也是考慮非正弦電源特性對變頻電機(jī)H勺絕緣構(gòu)造、振

動、噪聲冷卻方式等方面的影響，一般注意如下問題:

1）絕緣等級，一般為F級或更高，加強(qiáng)本地絕緣和線匝絕緣強(qiáng)度，尤其

要考慮絕緣耐沖擊電壓日勺能力。

2）對電機(jī)日勺振動、噪聲問題，要充足考慮電動機(jī)構(gòu)件及整體的剛性，竭

力提高其固有頻率，以避開與各次力波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

3）冷卻方式：一般采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，即主電機(jī)散熱風(fēng)扇采用獨(dú)立的電

機(jī)驅(qū)動。

4）防止軸電流措施，對容量超過160KW電動機(jī)應(yīng)采用軸承絕緣措施。重

要是易產(chǎn)生磁路不對稱，也會產(chǎn)生軸電流，當(dāng)其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結(jié)合一

起作用時(shí)，軸電流將大為增長，從而導(dǎo)致軸承損壞，因此一般要采用絕緣措施。

第五章變頻電機(jī)重要特點(diǎn)和變頻電機(jī)的構(gòu)造原理

5.1變頻專用電動機(jī)具有如下特點(diǎn)：

B級溫升設(shè)計(jì)，F(xiàn)級絕緣制造。采用高分子絕緣材料及真空壓力浸漆制造工

藝以及采用特殊日勺絕緣構(gòu)造，使電氣繞組采用絕緣耐壓及機(jī)械強(qiáng)度有很大提高，

足以勝任馬達(dá)之高速運(yùn)轉(zhuǎn)及抵御變頻器高頻電流沖擊以及電壓對絕緣之破壞。平

衡質(zhì)量高，震動等級為R級（降振級）機(jī)械零部件加工精度高，并采用專用高精

度進(jìn)口軸承，可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)。強(qiáng)制通風(fēng)散熱系統(tǒng)，所有采用進(jìn)口軸流風(fēng)機(jī)超靜音、

高壽命，強(qiáng)勁風(fēng)力。保障馬達(dá)在任何轉(zhuǎn)速下，得到有效散熱，可實(shí)現(xiàn)高速或低速

長期運(yùn)行。經(jīng)AMCAD軟件設(shè)計(jì)的YP系列電機(jī)，與老式變頻電機(jī)相比較，具有更

廣闊的調(diào)速范圍和更高日勺設(shè)計(jì)質(zhì)量,經(jīng)特殊日勺磁場設(shè)計(jì)，深入克制高次諧波磁場,

以滿足寬頻、節(jié)能和低噪音的設(shè)計(jì)指標(biāo)。具有寬范圍恒轉(zhuǎn)矩與功率調(diào)速特性，調(diào)

速平穩(wěn)，無轉(zhuǎn)矩脈動。與各類變頻器均具有良好的參數(shù)匹配，配合矢量控制，可

實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)速全轉(zhuǎn)矩、低頻大力矩與高精度轉(zhuǎn)速控制、位置控制及迅速動態(tài)響應(yīng)控

制。YP系列變頻專用電機(jī)可配制剎車潛，編碼器供貨，這樣即可獲得精確停車,

和通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)高精度速度控制。采用“微電機(jī)+變頻專用電機(jī)+編碼器

+變頻港”實(shí)現(xiàn)超低速無級調(diào)速的精確控制。YP系列變頻專用電機(jī)通用性好，其

安裝尺寸符合IEC原則，與一般原則型電機(jī)具有可互換性。

5.2變頻電機(jī)的構(gòu)造原理

電動機(jī)日勺調(diào)速與控制，是工農(nóng)業(yè)各類機(jī)械及辦公、民生電器設(shè)備的基礎(chǔ)技術(shù)

之一。伴隨電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)H勺驚人發(fā)展，采用“專用變頻感應(yīng)電動機(jī)

+變頻器”H勺交流調(diào)速方式，正在以其卓越H勺性能和經(jīng)濟(jì)性，在調(diào)速領(lǐng)域，引導(dǎo)

了一場取代老式調(diào)速方式的更新?lián)Q代H勺變革。它給各行各業(yè)帶來日勺福音在于：使

機(jī)械自動化程度和生產(chǎn)效率大為提高、節(jié)省能源、提高產(chǎn)品合格率及產(chǎn)品質(zhì)量、

電源系統(tǒng)容量對應(yīng)提高、設(shè)備小型化、增長舒適性，目前正以很快日勺速度取代老

式歐J機(jī)械調(diào)速和直流調(diào)速方案。

由于變頻電源的特殊性，以及系統(tǒng)對高速或低速運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)等需求,

對作為動力主體日勺電動機(jī)，提出了苛刻的規(guī)定，給電動機(jī)帶來了在電磁、構(gòu)造、

絕緣各方面新的課題。

第六章交流異步電動機(jī)

交流曳引電動機(jī)廣泛使用在電梯的電氣控制系統(tǒng)中。實(shí)際上交流曳引電動機(jī)

就是一臺交流鼠籠式異步電動機(jī)。由于交流電力傳動技術(shù)以及其控制理論的發(fā)展

與提高，同步，大功率半導(dǎo)體器件（GTO、GTR等）技術(shù)的日趨完善，以及PLC、

微電子、微處理器等技術(shù)在電力拖動系統(tǒng)中得以充足地運(yùn)用，使得構(gòu)造簡樸、維

護(hù)保養(yǎng)以便、價(jià)格低廉日勺交流異步電動機(jī)在電梯的電力控制系統(tǒng)中又得以充足發(fā)

揮其最大的效率。使用交流鼠籠式電動機(jī)變頻變壓調(diào)速拖動系統(tǒng)日勺電梯（VVVF

交流調(diào)速電梯）在目前電梯日勺電氣控制應(yīng)用中具有領(lǐng)先地位。

6.1交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速基本原理

從電機(jī)及電力拖動中可知，三相交流異步電動機(jī)的機(jī)械特性可提成兩種：

①異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性是指異步電動機(jī)工作在額定電壓UN和額定頻率￡

下，按規(guī)定日勺接線方式接線，定子、轉(zhuǎn)子及外接電阻均為0時(shí)，討論轉(zhuǎn)速n與電

磁轉(zhuǎn)矩%的關(guān)系：亭f（TQ（見圖1）。②異步電動機(jī)的人為機(jī)械特性是指人

為地變化電動機(jī)參數(shù)或電源參數(shù)而得的機(jī)械特性。電動機(jī)參數(shù)又可分為三類：

1.異步電動機(jī)的構(gòu)造參數(shù)

R1.足.Xs\,Xs2,Zsi,LS2.Rmo

2.異步電動機(jī)的運(yùn)行參數(shù)

h,I\,Tem,7m.COS^o

3.異步電動機(jī)歐I輸入?yún)?shù)

U］和f|。

異步電動機(jī)調(diào)速調(diào)整轉(zhuǎn)子電阻、定子端電壓、磁極對數(shù)時(shí)口勺機(jī)械特性見圖（2）。

圖1交流曳引電動機(jī)機(jī)械特性曲線

交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速時(shí)電動機(jī)日勺轉(zhuǎn)速為：

〃=等％-S)

式中：。為電源頻率；P為磁極對數(shù)；S為轉(zhuǎn)差率。交流異步電動機(jī)定子繞組上

的感應(yīng)電動勢:

￡1=4.4”i?M?丸七；

式中：風(fēng)為定子繞組匝數(shù)；L為繞組系數(shù)；?、艦闅庀逗铣纱磐?。

（1）變s；（b）變r(jià)；（c）（d）變P

圖2異步電動機(jī)變S、U、P的機(jī)械特性曲線

忽視電動機(jī)定子繞組的阻抗壓降，交流異步電動機(jī)的端電壓:

￡1=4.44/iNi心心

交流異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩：

Tem=CT,立*IzCOS<^n

式中：c'T為電動機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)矩常數(shù)；r2cos。轉(zhuǎn)子電流有功分量。

從電磁轉(zhuǎn)距公式可知，持續(xù)不停地變化送入異步電動機(jī)定子端的的供電電源頻

60力

率。，則可持續(xù)地變化異步電動機(jī)的I同步轉(zhuǎn)速：m=P。不過若Ui不變，

則fJ二升將會導(dǎo)致H勺。m下降增長，這樣會出現(xiàn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電流有功分量「

2cos小日勺變化；電動機(jī)效率n會下降及電動機(jī)最大轉(zhuǎn)距R會變化等問題，嚴(yán)重的

時(shí)候會出現(xiàn)電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)?；蛘哂捎?。的減低會使Olli增大，導(dǎo)致電機(jī)磁路飽

和使I。增大，即電動機(jī)的銅耗P-和鐵耗PF0增大。

因此在電梯電氣控制系統(tǒng)中，規(guī)定變頻的同步，必須同步變化電動機(jī)定子端

輸入的端電壓，從而保持氣隙合成磁通小m近似不變。

6.2變頻變壓（VWF）調(diào)速時(shí)電動機(jī)的機(jī)械特性

根據(jù)端電壓和頻率不一樣的比例關(guān)系，將會有幾種不一樣的變頻調(diào)速方式。

1.比例控制方式

根據(jù)電壓公式，在忽視異步電動機(jī)定子繞組的阻抗壓降后可近似的得到：

牛=C

力，要維持6nl不變的狀況下，只要口和f?成比例的變化即可，從最大

轉(zhuǎn)矩公式中可研得知:

Ta=-9.81X2RX2/】（S+檢）=

_________3_

9.81X4K（Lsi+Ls\）X/i=

98.1晨tXTXZT+77

在低頻段時(shí)，由于定子繞組中的晨X\,X62以及LuL'62不可忽視，則將會

增長使得最大轉(zhuǎn)矩L也將隨fM、J減少而減少就會將使低頻段時(shí)異步電動機(jī)內(nèi)起

動轉(zhuǎn)矩Tq大大減小。這在電梯的電力拖動控制系統(tǒng)中是不但愿出現(xiàn)的。

2.恒磁通控制方式

規(guī)定調(diào)速范圍大、恒藥矩的電梯負(fù)載但愿在整個(gè)調(diào)速范圍中保持二尸C不變，

金=C

按公式'力進(jìn)行控制減小時(shí)，應(yīng)合適提高輸入定子的端電壓U”以賠償異

步電動機(jī)定子繞組口勺阻抗壓降。按T?=c的恒磁通。em二C控制方式，變頻時(shí)異步

電動機(jī)機(jī)械特性見圖（3）。這是電梯H勺電力拖動控制系統(tǒng)規(guī)定和但愿的。

3.恒功率控制方式

這種控制方式是在變頻調(diào)速時(shí)，保持異步電動機(jī)定子繞組的電流為恒定值。

即通過R調(diào)整器和電流閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)整作用而實(shí)現(xiàn)的。但這種控制方式僅僅合用

負(fù)載變化不大的場所，而不合用于電梯日勺電力拖動控制系統(tǒng)。

由此可見，按Te/C的恒磁通變頻日勺異步電動機(jī)日勺機(jī)械特性是電梯電力拖動所

需求電

6.3變壓變頻運(yùn)行時(shí)機(jī)械特性分折

異步電動機(jī)日勺T型等效電路見圖4。

傳1>>。樣

(a)變頻調(diào)速;(b)S與八的關(guān)系；(c)恒流調(diào)速

圖3異步電動機(jī)變頻時(shí)機(jī)械特性曲線

4z.,

1.電壓為額定值時(shí)變化頻率日勺機(jī)械特性

電源頻率fM、J變化，對異步電動機(jī)產(chǎn)生兩方面口勺影響：一是變化同步轉(zhuǎn)速

n1；一是變化電動機(jī)『、J構(gòu)造參數(shù)。

W1

wi=°

(1)當(dāng)f1下降時(shí)，由于P,因此f?的下降會導(dǎo)致m上升

(2)由于融=2%S/IZ82,ASI=2x/iZ^因此下降時(shí)，X&“X'

如X”均會成正比下降。又由于P%與f2i成正比，因此。下降時(shí)會導(dǎo)致X.下降。

(3)由于勵(lì)磁電流

j=______-1b_________

°(+2?2)2+(Xi\+元2)2

由于f出口下降，會使I。的變化為非線性，在低頻段I。將急劇上升。

由=3.

(4)氣隙合成磁通6m同是由勵(lì)磁電流I。所產(chǎn)生的。磁通人大

小大小取決于I。的大小以及電動機(jī)磁路日勺狀況。由于電動機(jī)日勺磁路一般設(shè)干在

靠近飽和的狀態(tài)，故頻率f?下降時(shí)，6m會出現(xiàn)過飽和。這也是I。隨f1下降

急劇上升的原因。

(5)轉(zhuǎn)子電流I/勺大小決定于負(fù)載的大小。在額定負(fù)載下，當(dāng)。下降時(shí),

小m上升，cos62上升,因此I\會下降。

(6)由于定子電流I尸1。+(-1’2),因此當(dāng)。下降時(shí)，L也許會出現(xiàn)變化。

在低頻段重負(fù)載下L上升；在較高頻率段輕負(fù)載下L下降。

(7)心時(shí)下降對起動轉(zhuǎn)矩L.日勺影響。由于

___________3PU?a____________

q=27t/i[(Ri+4尸]+(知+XS2)2]

當(dāng)fI處在較高頻率段時(shí)，伴隨。的下降Tq會出現(xiàn)急劇上升；在低頻段時(shí)伴

隨。的下降TQ的上升將會趨緩。

2.頻率為額定值時(shí)變化電壓日勺機(jī)械特性

變化輸入定子電壓U”重要影響電動機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，并會對運(yùn)行時(shí)歐JL),I

2，6nl等產(chǎn)生影響。

(1)I。的影響。由于

7=________________________

(Ry一昆尸十(E1一照1)’

當(dāng)口下降，L也隨之下降。

（2）氣隙合成磁通61n日勺影響。由于電壓口時(shí)下降，電機(jī)磁路處在非飽和

的狀態(tài),因此可以認(rèn)為6m隨U1正比下降。

（3）轉(zhuǎn)子電流I'的影響。12的大小取決于負(fù)載的大小，在額定負(fù)載時(shí)，

由于T行兀“當(dāng)于下降時(shí)，I2上升。

（4）定子電流L的影響。當(dāng)5下降時(shí)，使12上升，導(dǎo)致LH勺變化，輕負(fù)

載時(shí)L則下降，重負(fù)載時(shí)L則上升。

（5）起動轉(zhuǎn)矩Tq。由于

3

T=----------P--U--i--R--i----7^-------------

q2nfxn[（Rx+凡）~+（知+融廠]

當(dāng)『下降時(shí)，1；隨下成正比下降。

（6）最大轉(zhuǎn)矩T“c由于

%=--------------------3產(chǎn)；1

41t/I[±及1+加+（E】—反）2]

A與片成正比，電壓減少，會使電動機(jī)過載能力下降。

第七章PWM技術(shù)原理

由于全控型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，不僅使得逆變電路H勺構(gòu)造大為簡化，并

且在控制方略上與晶閘管類日勺半控型器件相比，也有著主線日勺不一樣，由本來的

相位控制技術(shù)變化為脈沖寬度控制技術(shù)，簡稱PWM技術(shù)。

PWM技術(shù)可以極其有效地進(jìn)行諧波克制，在頻率、效率各方面有著明顯的長

處使逆變電路的技術(shù)性能與可靠性得到了明顯的提高。采用PWM方式構(gòu)成的逆變

器，其輸人為固定不變?nèi)丈字绷麟妷海梢酝ㄟ^PWM技術(shù)在同一逆變器中既實(shí)現(xiàn)調(diào)

壓又實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。由于這種逆變器只有一種可控的功率級，簡化了主回路和控制回

路的構(gòu)造，因而體積小、質(zhì)量輕、可靠性高。又由于集凋壓、調(diào)頻于一身，因此

調(diào)整速度快、系統(tǒng)H勺動態(tài)響應(yīng)好。此外，采用PT鋤技術(shù)不僅能提供很好日勺逆變器

輸出電壓和電流波形，并且提高了逆變器對交流電網(wǎng)H勺功率因數(shù)。

把每半個(gè)周期內(nèi)，輸出電壓的波形分割成若干個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖的寬度為每

兩個(gè)脈沖間日勺間隔寬度為t2,則脈沖日勺占空比Y為

—（5-1）

。+與此時(shí)，電壓的平均值利占空比成正比，因此在調(diào)

整頻率時(shí)，不變化直流電壓的幅值，而是變化輸出電壓脈沖的占空比，也同樣可

以實(shí)現(xiàn)變頻也變壓的效果，如圖5—1所示。

05-1脈寬調(diào)制的輸出電壓

C閾射前b）輛制后

其中，圖5—la為調(diào)制前的波形，圖5—1b為調(diào)制后的波形。與圖5一

la相比，圖5—1b的電壓周期增大（頻率減少），電壓脈沖的幅值不變，而占空

比則減小，故平均電壓減少。

PWM日勺輸出電壓和電流的波形都是非正弦波，具有許多高次諧波成分。

為了使輸出電流的波形靠近于正弦波，又提出了正弦波脈寬調(diào)制口勺方式。

7.1正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)

1.SPWM的概念

工程實(shí)際中應(yīng)用最多的是正弦PWM法(簡稱SPWM),它是在每半個(gè)周期內(nèi)輸巴若

干個(gè)寬窄不一樣的矩形脈沖波，每一矩形波的面積近似對應(yīng)正弦波各對應(yīng)局部波

圖5?2SPWM波原理

形下的面積，如圖5—2所示。

例如，將一種正弦波的正半周劃分為N等份:圖中N=12),每一等份的正弦

波形下H勺面積可用一種與該面積相等H勺矩形來替，弋，于是正弦波形所包圍的面積

可用這N個(gè)等幅(VD)不等寬日勺矩形脈沖面積之和來等效。各矩形脈沖的寬度自可

由理論計(jì)算得出，但在實(shí)際應(yīng)用中常由正弦調(diào)制波和三角形載波相比較日勺方式來

確定脈寬：由于等腰三角形波的寬度自上向下是線性變化的，因此當(dāng)它與某一光

滑曲線相交時(shí)，可得到一組幅值不變而寬。度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖。

若使脈沖寬度與正弦函數(shù)值成比例，則也可生成SPWM波形。在工程應(yīng)用中感愛

好的是基波，假定矩形脈沖日勺幅值VD恒定，半

周期內(nèi)日勺脈沖數(shù)N也不變，通過理論分析可知，其基波日勺幅值Vim脈寬3i有線

性關(guān)系，如下式所

小

=Xsin(2i-1

Fi=l'22/2J

該式闡明，逆變器輸出基波電壓幅值隨調(diào)制脈沖的寬度而變化，只要采用措施（運(yùn)

用控制信號去調(diào)整脈寬），即可調(diào)整基波幅值。半周期內(nèi)的脈沖數(shù)N越多，諧波

克制效果越明顯，但I(xiàn)V值將受到換流電路中為減少額外損耗和保證安全換流所容

許歐I最大換流速率以及最小脈寬、最小間隙日勺限制。

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)律來安排。當(dāng)正弦值

為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間日勺間隔則最小。反之，當(dāng)正弦值較小

時(shí)，脈沖的I寬度也小，而脈沖間的I間隔則較大，如圖53所示；這樣的電壓脈沖

系列可以使負(fù)載電流中日勺高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)制。

SPWM方式日勺控制措施可分為多種。從實(shí)現(xiàn)日勺途徑可分為硬件電路與軟件

編程兩種類型；而從工作原理上則可按調(diào)制脈沖的極性關(guān)系和控制波與載波訶的

頻率關(guān)系來分類。按調(diào)制脈沖極性關(guān)系可分為單極性SPWM和雙極性SPW兩種。

1/

圖5-33PWM的輸出電壓

7.2單極性SPWM法

所謂單極性控制是指在輸出波形的半個(gè)周期內(nèi)，逆變器同一橋臂中的兩個(gè)開

關(guān)元件只有一種處在不停切換的開關(guān)狀態(tài)，另一種則一直處在關(guān)斷狀態(tài)。因

此，輸出波形在任何半周期內(nèi)一直為一種極性，單極性控制方式的SPWM波形

如圖54所示，載波信號UT采用單極性等腰二角形波，控制信號UC為正弦波

形，運(yùn)用倒相信號UX來處理兩者間的配合關(guān)系。當(dāng)UC＞UT時(shí)，元件開通；當(dāng)

UC、＜UT時(shí)，元件關(guān)斷，形成的調(diào)制波是等幅、等距但不等寬的脈沖列，經(jīng)半波

倒相后輸出。變化控制信號UCMJ幅值時(shí)，調(diào)制波的脈寬將隨之變化，從而變化

了輸出電壓口勺大小。變化控制信號UC口勺頻率，則輸出電壓口勺基波頻率亦隨之而

變化，這樣就實(shí)現(xiàn)既可調(diào)壓又可調(diào)頻的目的。＜FONT)

圖5-4單極性5PWM波形分析

3.雙極性SPWM法

雙極性控制則是指在輸出波形的半周期內(nèi)，逆變器同一橋臂中的兩只元件均

處在開關(guān)狀態(tài)，但它們之間的關(guān)系是互補(bǔ)時(shí)，即通斷狀態(tài)彼此是相反交替日勺。這

樣輸出波形在任何半周期內(nèi)都會出現(xiàn)正、負(fù)極性電壓交替的狀況，故稱之為雙極

性控制，其波形示意圖如圖5—5所示。與單極性控制方式相比，載波和控制波

都變成了有正、負(fù)半周日勺交流方式，其輸出矩形波也是任意半周中均出現(xiàn)正負(fù)交

圖雙極性波形分析

替的狀況。5-