變頻調(diào)速的畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　傳統(tǒng)交流調(diào)速技術(shù)方法存在調(diào)速精度差、效率低、調(diào)速范圍小等缺點(diǎn)，所以在高精度調(diào)速的應(yīng)用中，一般采用直流調(diào)速系統(tǒng)。但從20世紀(jì)80年代以來，隨著電力電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展以及各種高性能電力電子功率器件產(chǎn)品的出現(xiàn)，阻礙交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的一些因素相繼

2、被克服，原直流調(diào)速系統(tǒng)領(lǐng)先的一些技術(shù)性能，如寬廣的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)速精度、快速的動態(tài)響應(yīng)和四象限運(yùn)行等方面，已逐在交流調(diào)速系統(tǒng)得到實現(xiàn)。交流電動機(jī)本身具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、運(yùn)行可靠和慣性小等優(yōu)點(diǎn)，能適用于一些直流調(diào)速無法勝任的場合，如化纖紡絲機(jī)等高精度、高速化的生產(chǎn)機(jī)械，泵、空壓機(jī)和電梯等無齒輪化的生產(chǎn)機(jī)械以及冶金等大容量的生產(chǎn)機(jī)械。因此，交流調(diào)速在電氣傳動領(lǐng)域中已占有越來越重要的地位。目前，用交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)在許多領(lǐng)域

3、成為一種趨勢，從數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人用的小功率伺服電機(jī)到上萬千瓦的重型機(jī)械主傳動，都采用了交流調(diào)速技術(shù)。</p><p>　　交流電機(jī)調(diào)速方法可分為兩大類：變同步速調(diào)速（包括變極和變頻）和變滑差調(diào)速（定子調(diào)壓，轉(zhuǎn)子串電阻及轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速等）。變頻調(diào)速是其中最有效的調(diào)速方式，是交流調(diào)速的理想調(diào)速方案。</p><p>　　變頻調(diào)速是一種改變電機(jī)定子供電頻率來實現(xiàn)改變電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速方法。通

4、過變頻裝置可將電網(wǎng)的固定頻率轉(zhuǎn)換為可調(diào)的頻率，使電機(jī)在寬廣的范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速。變頻的調(diào)速的優(yōu)越性早在20世紀(jì)20年代就被人們認(rèn)識，但是到了20世紀(jì)50年代中期才隨著晶閘管的發(fā)明而廣泛的應(yīng)用。特別是最近20多年來，隨著新型的電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的迅速發(fā)展，使變頻調(diào)速技術(shù)獲得了巨大的進(jìn)步。</p><p>　　交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速時和直流電動機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)相似，機(jī)械特性基本上平行上

5、下移動，而轉(zhuǎn)差功率不變。同時交流電動機(jī)采用變頻起動更能顯著改善交流電動機(jī)的起動性能，大幅度降低電動機(jī)的起動電流，增加起動轉(zhuǎn)矩。變頻調(diào)速系統(tǒng)目前廣泛應(yīng)用的是轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的調(diào)速系統(tǒng)，也稱為恒V/F控制。這種調(diào)速方法采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比和低頻電壓補(bǔ)償?shù)目刂品桨?，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適用于風(fēng)機(jī)、水泵等對調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能要求不高的場合。轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以滿足一般的平滑調(diào)速要求，但是靜、動態(tài)性能都有限，要提高靜、動態(tài)性能，首先

6、要用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制。對此人們又提出了轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)差頻率控制是從異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)的，因此保持磁通恒定也只在穩(wěn)態(tài)情況下成立。一般來說，它只適用于轉(zhuǎn)速變化緩慢的場合，而在要求電動機(jī)轉(zhuǎn)速作出快速響應(yīng)的動態(tài)過程中，電動機(jī)除了穩(wěn)態(tài)電流以外，還會出現(xiàn)相當(dāng)大的瞬態(tài)電流，由于它的影響，電動機(jī)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩有很大的不同。因此，如何在動態(tài)過程控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，是影響系統(tǒng)動態(tài)性能的關(guān)鍵。&l

7、t;/p><p>　　人們經(jīng)過深入的研究，提出了對異步電動機(jī)更有效的控制策略。異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，對其最有效的控制首推20世紀(jì)70年代提出的矢量控制技術(shù)。1971年德國西門子公司的F.Blaschke等提出的“感應(yīng)電動機(jī)磁場定向的控制原理”和美國的P.C.Custman和A.A.Clark申請的專利“感應(yīng)電動機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制”，經(jīng)過不斷的實踐和改進(jìn)，形成了現(xiàn)已得到普遍應(yīng)

8、用的矢量控制變頻</p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)。其原理是利用坐標(biāo)變換技術(shù)，實現(xiàn)定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，在理論上使得交流電機(jī)與直流電機(jī)一樣分別對勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行獨(dú)立的控制，從而得到像直流電機(jī)一樣的動態(tài)性能。矢量控制的調(diào)速性能優(yōu)良，可以和直流電機(jī)相比，但是需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換計算和對轉(zhuǎn)子磁鏈的精確觀測。</p><p>　　德國魯爾大學(xué)Depenbrock教授1985年首先提出異

9、步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法（DTC）。直接轉(zhuǎn)矩控制不需要解耦電動機(jī)模型，強(qiáng)調(diào)對電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，讓電機(jī)的磁鏈?zhǔn)噶垦亓呅芜\(yùn)動。日本學(xué)者Yoshihiyo Moral又提出了讓電動機(jī)的磁鏈?zhǔn)噶炕旧涎貓A形軌跡運(yùn)動的磁通軌跡控制原理。應(yīng)用這種理論，可以方便的直接控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩的增長率，從而獲得快速的動態(tài)響應(yīng)。直接轉(zhuǎn)矩控制方法是現(xiàn)在異步電機(jī)控制研究的

10、熱點(diǎn)之一。</p><p>　　1．2單相電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　單相異步電機(jī)是用單相電源供電，作為驅(qū)動用的一類異步電動機(jī)。它與工業(yè)上應(yīng)用的三相異步電機(jī)的主要不同就在于它在單相電源條件下工作。單相電機(jī)在家用電器、電動工具、醫(yī)療器械、小功率機(jī)床、汽車電器設(shè)備等工、農(nóng)、交通以及日常生活的各個方面都有廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　據(jù)統(tǒng)計，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，每

11、個家庭平均使用50-100個小功率電動機(jī)。在整個小功率電機(jī)市場中，單相異步感應(yīng)電機(jī)約占50%的份額，在小功率電機(jī)中占有重要的地位。</p><p>　　近年來，我國電機(jī)工業(yè)得到高速的發(fā)展。根據(jù)最新統(tǒng)計，全國現(xiàn)有分馬力電機(jī)生產(chǎn)及配套廠商2000家余家，主機(jī)生產(chǎn)廠商超過1000家，行業(yè)從業(yè)人員近30萬人。2006 年，全國小功率電機(jī)產(chǎn)量超過15億臺，工業(yè)總產(chǎn)值400億元，年均增速在20%以上。未來幾年，小功率電機(jī)行業(yè)

12、在家電產(chǎn)品、汽車產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療器械與儀表儀器工業(yè)、農(nóng)用電機(jī)等領(lǐng)域前景良好。</p><p>　　世界各國小功率電機(jī)的產(chǎn)量逐年增加，其增長率大于大中型電機(jī)?？梢灶A(yù)計，今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)，世界電機(jī)市場總的需求呈上升趨勢。</p><p>　　1.3 兩相電機(jī)調(diào)速的應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　傳統(tǒng)的帶有分相電容的單相電機(jī)，由于運(yùn)行電容的影響，在非額定情況下，其調(diào)速性能受到

13、很大的影響，所以去除電容，將單相異步電機(jī)變?yōu)閮上喈惒诫姍C(jī)，并使它與電力電子技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)的研究是當(dāng)今的主流。</p><p>　　現(xiàn)在研究單相電機(jī)可調(diào)速應(yīng)用的途徑通?？煞譃閮煞N:一是仍然將單相異步電動機(jī)當(dāng)作單相電機(jī)模型，并由此展開研究。另一種是將單相異步電動機(jī)看作是兩相電機(jī)模型來進(jìn)行研究。在兩相電機(jī)的模型中，單相電機(jī)的主繞組和副繞組的工作方式與原來有較大的區(qū)別，副繞組不再僅僅承擔(dān)電機(jī)起動作用，而將參

14、與到電機(jī)的整個運(yùn)行過程中。兩相電機(jī)模型中，電機(jī)是用變頻電源來供電的，電機(jī)工作在變頻調(diào)速狀態(tài)下。從國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀來看，兩相電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)將是未來發(fā)展的主要方向。兩相電機(jī)變頻調(diào)速作為單相電機(jī)調(diào)速技術(shù)的新興方向，首先得益于變頻調(diào)速技術(shù)在三相異步電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域應(yīng)用的日益成熟。三相電機(jī)變頻調(diào)速已經(jīng)以其優(yōu)越的變頻調(diào)速效果而成為調(diào)速技術(shù)的首選。三相電機(jī)變頻調(diào)速的一些核心技術(shù)，如逆變器拓?fù)浜碗姍C(jī)控制方法也已日漸成熟。兩相電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的研究在上個

15、世紀(jì)90年代開始就見諸于一些工程技術(shù)刊物。這說明兩相電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)正在受到科研技術(shù)人員的重視，到目前為止，對兩相電機(jī)變頻調(diào)速的研究主要集中于以下幾個方面:</p><p>　?。?）逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇與優(yōu)化</p><p>　　在三相逆變器中，大都選用的是三相半橋逆變結(jié)構(gòu)，而且各種控制手段都是基于這種逆變結(jié)構(gòu)的，所以為兩相電機(jī)選擇逆變器的時候，最初選用的就是參照三相電機(jī)用的半橋逆變器結(jié)

16、構(gòu)。但是，由于兩相電機(jī)兩套繞組中的電流在相位上相差90度，使得從繞組接點(diǎn)回饋到電壓源的電流比較大，從而對電源產(chǎn)生較大的影響，這種半橋結(jié)構(gòu)的逆變器需要采用正負(fù)對稱的穩(wěn)壓電源才可以保證逆變器正常工作。為了克服半橋結(jié)構(gòu)逆變器的缺點(diǎn)，研究者們在拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)和優(yōu)化方面進(jìn)行了不少研究，并提出了雙全橋逆變結(jié)構(gòu)和三橋臂逆變結(jié)構(gòu)等。兩相電機(jī)變頻用逆變器的結(jié)構(gòu)至今還在不斷的討論中，近來以基于三橋臂的逆變器結(jié)構(gòu)的討論是其中一個主流方向。</p>

17、<p>　?。?）電機(jī)控制方案的選擇與優(yōu)化</p><p>　　變頻調(diào)速的實質(zhì)技術(shù)是控制電機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場的特性。根據(jù)磁場與外加電壓的關(guān)系，異步電機(jī)的控制方法又分為基本U/F曲線控制和追求更高性能的矢量控制及轉(zhuǎn)矩直接控制等。兩相電機(jī)變頻調(diào)速的要求要與電機(jī)本身特性和適用要求相適應(yīng)。到目前為止，控制方案的研究多是以口f曲線控制為出發(fā)點(diǎn)，靠改變逆變器開關(guān)的方法，以期在普通的變頻調(diào)速方面不斷改善電機(jī)的特性。常見的

18、手段有半橋結(jié)構(gòu)的空間電壓矢量法，全橋結(jié)構(gòu)的空間電壓矢量法，以及非常適合于模擬控制的SPWM脈寬調(diào)制控制等?？偟膩砜?，兩相電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)在國內(nèi)外雖然已經(jīng)在不斷的研究中，但是許多問題還沒有得到解決，且研究的領(lǐng)域也非常有限。</p><p>　　1.4 兩相電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的意義及其發(fā)展趨勢</p><p>　　1.4.1 單相電機(jī)變頻調(diào)速的優(yōu)勢</p><p>　　單

19、相電動機(jī)在小功率范圍內(nèi)的應(yīng)用非常廣泛，但以往在小功率可調(diào)速電機(jī)的應(yīng)用場合，大多數(shù)采用直流電機(jī)。單相電機(jī)與其他的小功率電機(jī)如：直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)等相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)。單相電機(jī)多采用鼠籠式的轉(zhuǎn)子繞組，它不象直流電機(jī)那樣需要經(jīng)常的更換維修電刷；它也不需要象永磁電機(jī)那樣需要經(jīng)常性的給永磁體充磁、更換永磁體，具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、運(yùn)行可靠、維修方便的優(yōu)點(diǎn)。而且與昂貴的永磁體相比，單相電機(jī)更具有成本低廉的優(yōu)勢，并且單相電機(jī)可以直接使用民用的兩

20、相電源，使用十分方便。</p><p>　　近年來由于交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，以及世界范圍內(nèi)的能源緊張問題，人們開始研究單相可調(diào)速電動機(jī)系統(tǒng)，以提高現(xiàn)有的單相電機(jī)的運(yùn)行性能，節(jié)約能源，提高產(chǎn)品的性能；擴(kuò)展單相電機(jī)的運(yùn)用場合，使其能在高性能的運(yùn)用中與直流電機(jī)或永磁電機(jī)競爭，利用自身的優(yōu)勢提高產(chǎn)品使用壽命，并降低成本。</p><p>　　1.4.2 兩相電機(jī)變頻調(diào)速的發(fā)展趨勢</p>

21、<p>　　兩相電機(jī)變頻技術(shù)的發(fā)展主要得益與兩方面：一是變頻調(diào)速技術(shù)在三相異步電機(jī)上的成熟運(yùn)用。由于三相異步電機(jī)在交流調(diào)速場合占據(jù)了主流地位，所以關(guān)于三相電機(jī)調(diào)速的技術(shù)已經(jīng)十分成熟可靠，這就為變頻調(diào)速技術(shù)在單相電機(jī)中的運(yùn)用打下了堅實的基礎(chǔ)。二是電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的高速發(fā)展。各種電力電子器件和高速運(yùn)算控制芯片的出現(xiàn)和價格的下降，使得兩相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的成本大大降低；現(xiàn)代調(diào)速理論的發(fā)展能進(jìn)一步提高兩相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的精度，

22、使其具有更強(qiáng)的競爭力。值得一提的是兩相電機(jī)在應(yīng)用轉(zhuǎn)子磁場定向控制時，由于其定子兩相繞組自然正交，所以與三相電機(jī)應(yīng)用矢量控制相比，它減少了一個從三相坐標(biāo)系到兩相坐標(biāo)系的變換，減少了計算量，從理論上說，還可以提高控制的精度。</p><p>　　當(dāng)前國內(nèi)外單相異步電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的研究，是將單相電機(jī)看作是兩相電機(jī)模型來進(jìn)行研究。在兩相電機(jī)的模型中，單相電機(jī)的主繞組和副繞組的工作方式與原來有較大的區(qū)別：副繞組不僅僅承

23、擔(dān)電機(jī)起動作用，而將參與到電機(jī)的整個運(yùn)行過程中；副繞組不再需要串電抗器或者電容器，而是采用變頻器給兩相電機(jī)的兩個繞組分別供電，獲得較小的起動電流、較大的起動轉(zhuǎn)矩和較好的運(yùn)行性能，電機(jī)工作在變頻調(diào)速狀態(tài)下。</p><p>　　從國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀來看，變頻調(diào)速技術(shù)是兩相電機(jī)調(diào)速控制的主要發(fā)展方向。</p><p>　　從國外的文獻(xiàn)來看，兩相電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的研究在上個世紀(jì)90年代開始就見諸于

24、一些工程技術(shù)刊物。其研究內(nèi)容包括兩相逆變器結(jié)構(gòu)、逆變器控制策略、電機(jī)控制方法等方面。最近幾年來，關(guān)于兩相電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的學(xué)術(shù)論文在IEEE等國際權(quán)威刊物上發(fā)表的數(shù)量呈逐年上升的趨勢，研究的內(nèi)容也在不斷的擴(kuò)展。這說明兩相電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)正在受到工業(yè)界的重視。兩相電機(jī)變頻調(diào)速的研究在國內(nèi)的開展還比較少，僅有少數(shù)高校如浙江大學(xué)、福州大學(xué)等單位，做了一些理論上的研究工作，研究內(nèi)容的深度和廣度均與國外有相當(dāng)大的差距。而見諸于各類科學(xué)期刊、會議的

25、論文以及能供參考的文獻(xiàn)也較少。總的來看，兩相電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)在國內(nèi)外雖然已經(jīng)在不斷的研究中，但是有些問題還沒有得到完全解決，特別是高性能兩相電機(jī)調(diào)速控制取得的進(jìn)展非常有限。對兩相電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的研究到現(xiàn)在還基本處于理論研究和實驗開發(fā)階段，尚未形成實用化的成熟產(chǎn)品。</p><p>　　1.5 本文的主要工作</p><p>　　本文通過翔實的資料和文獻(xiàn)閱讀，對兩相感應(yīng)電動機(jī)變頻調(diào)速相關(guān)技

26、術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的綜述。包括兩相電機(jī)基本數(shù)學(xué)模型和磁場理論；兩相電機(jī)變頻調(diào)速基本原理；用于兩相變頻的各種逆變器拓?fù)?，如兩相半橋、全橋和兩相三橋臂全橋逆變電路，對各個拓?fù)涞奶匦赃M(jìn)行了深入的分析和比較。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于兩相三橋臂逆變電路的新型兩相SPWM逆變控制技術(shù)，有效地提高了逆變器的直流電壓利用率，在降低諧波含量方面也有不錯的表現(xiàn)。同時該方法原理簡單，易于實現(xiàn)，具有很強(qiáng)的實用性。本文還介紹了基于Microchip公司生產(chǎn)的DS

27、PIC30F6010A數(shù)字信號控制器的pwm模塊實現(xiàn)spwm調(diào)制。</p><p>　　2 兩相電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)</p><p>　　本章主要介紹了兩相電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)研究的幾個方面。從兩相電機(jī)逆變器結(jié)構(gòu)、逆變器控制策略和電機(jī)控制方法三個方面分析了兩相電機(jī)調(diào)速技術(shù)，并通過比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)引出了本課題的研究對象和控制方法。</p><p>　　2.1兩相電機(jī)系統(tǒng)基本模

28、型</p><p>　　圖 2-1 兩相電機(jī)系統(tǒng)模型</p><p>　　兩相電機(jī)與三相電機(jī)的很大不同點(diǎn)就是兩相電機(jī)的兩個定子繞組存在不對稱，即兩相繞組的匝數(shù)不同，同時主、副繞組的電感、電阻也隨之不同，與轉(zhuǎn)子繞組的互感也不相同。兩相不對稱電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下所示：</p><p>　　usd=rsdisd+ (2-1)&l

29、t;/p><p>　　usq= rsqisq+ (2-2)</p><p>　　0= rrird+ +ωrψrq (2-3)</p><p>　　0= rrirq+ -ωrψrd (2-4)</p><p>　　ψsd=lsdisd+lmdird

30、 (2-5)</p><p>　　ψsq=lsqisq+lmqirq (2-6)</p><p>　　ψrd=lrird+lmdisd (2-7)</p><p>　　ψrq=lrirq+lmqisq (2-8)&l

31、t;/p><p>　　Te=p(lmqisqird-lmdisdirq) (2-9)</p><p>　　J =p(Te-Tl)-Dωr (2-10)</p><p>　　其中：Usd 、Usq 、isd 、isq 、ird 和irq 分別為在定子坐標(biāo)系下的定子電壓、</p><p>　

32、　定子和轉(zhuǎn)子電流在d、q 軸向上的分量；ψsd 、ψsq 、ψrd 和ψrq 分別為在定子坐標(biāo)系下定、轉(zhuǎn)子磁鏈在d、q 軸向上的分量； rsd 、rsq和rr分別為為定子電阻在d、q 軸上的分量和轉(zhuǎn)子電阻； lsd 、lsq 、lr 、lmd 和lmq分別為定、轉(zhuǎn)子電感和定、轉(zhuǎn)子繞組之間的互感在d、q 軸向上的分量;ω 、Te 、Tl 、D和J分別為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量； P為電機(jī)的極對數(shù)。

33、對于兩相繞組相同的電機(jī)來說，其定子繞組電阻、定子繞組電感和定、轉(zhuǎn)子繞組之間的忽感相等，即有：rsd=rsq ,lsd=lsq ,lmd=lmq通過上述的公式可以建立兩相交流異步電機(jī)的起動和運(yùn)行特性的模型。</p><p>　　2.2 兩相電機(jī)繞組磁場理論</p><p>　　兩相電動機(jī)的定子上都嵌放有兩相繞組，如圖 2-2 所示，設(shè)兩相繞組的軸線M和A 在空間相距β 電角度。當(dāng)兩相繞組中通

34、入相位差為θ的電流時，其合成磁勢呢？</p><p>　　圖 2-2 兩相繞組及其電流</p><p>　　假設(shè)兩相繞組上的電流為</p><p>　　iM= IMcosωt </p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　iA= IAcos(ωt+θ＇)</p>

35、;<p>　　M相繞組和A相繞組產(chǎn)生的基波磁勢分別為</p><p>　　fM(x,t)=FM·cosx·cosωt=ffM+fbM</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　fA(x,t)=FM·cos(x+β)·cos(ωt+θ＇)=ffA+fbA</p

36、><p>　　ffM= FM·cos(ωt-x)</p><p>　　fbM= FM·cos(ωt+x)</p><p>　　ffA= FM·cos[(ωt-x)+( θ＇-β) (2-13)</p><p>　　fbA= FA·cos[(ωt+x)+( θ＇+β)</p&g

37、t;<p>　　式中F M 為主相磁勢幅值（安/極）， F A 為副相磁勢幅值（安/極），ffM 為M繞組正序旋轉(zhuǎn)磁勢，fbM為M繞組負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁勢，ffA 為A繞組正序旋轉(zhuǎn)磁勢，fbA 為A繞組負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁勢。</p><p>　　定子兩相繞組的合成磁勢為：</p><p>　　f(x,t)=fM(x,t)+fA(x,t)=ff(x,t)+fb(x,t)</p>

38、<p>　　ff(x,t)=ffM(x,t)+ffA(x,t) (2-14)</p><p>　　fb(x,t)=fbM(x,t)+fbA(x,t)</p><p>　　式子中的ff(x,t)為兩相繞組合成正序旋轉(zhuǎn)磁勢，fb(x,t)為兩相繞組合成負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁勢。將式(2-13)帶入式(2-14)可以看出，只有當(dāng)θ＇≠ 0、β ≠0

39、兩個條件同時存在，合成的正序旋轉(zhuǎn)磁勢ff(x,t)和負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁勢fb(x,t) 的幅值才不相等，且正序磁勢幅值大于負(fù)序磁勢幅值，使得整個合成磁勢為一個橢圓旋轉(zhuǎn)磁勢。如圖2-3所示，旋轉(zhuǎn)方向由負(fù)相繞組軸線轉(zhuǎn)向主相繞組軸線。</p><p>　　圖 2-3 橢圓旋轉(zhuǎn)磁勢的產(chǎn)生</p><p>　　由基本幾何原理可以看出：合成負(fù)序磁勢b F 越小，合成總磁勢越接近圓形。當(dāng)F b = Ff 時，合

40、成磁勢即為脈振磁勢；當(dāng)F b≠Ff時，合成磁勢為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢，如果Fb=0(Ff=0)，總的磁勢為正向（反向）旋轉(zhuǎn)的圓形磁動勢。從式(2-12)、式(2-13)和(2-14)可以看出獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁勢的條件為：</p><p>　　FM=FA </p><p><b>　　(2-15)</b></p><p><b>　　θ

41、＇+β=180o</b></p><p>　　在單相電機(jī)中，定子兩相繞組軸線通常是正交的，為了獲得圓形的旋轉(zhuǎn)磁勢，總希望兩相電流相位相差90度。對于定子兩相繞組匝數(shù)比為NM : NA的不對稱電機(jī)，則還求FM = FA，即：</p><p>　　IMNM=IANA (2-16)</p><p>　　如果忽略定

42、子繞組的壓降，即定子繞組中電流同電壓成線形關(guān)系，則上述條件可描述為：</p><p>　　UM:UA=NA:NM (2-17)</p><p>　　2．3 兩相電機(jī)工作原理</p><p>　　由電機(jī)學(xué)可知，轉(zhuǎn)差率從0到sm（與最大電磁轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率）的區(qū)域為感應(yīng)電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。在

43、電源頻率不變的情況下，要想擴(kuò)大感應(yīng)電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，必須增大轉(zhuǎn)子電阻，使電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率sm 1。只有這樣，才能使感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速得以在零速到同步轉(zhuǎn)速的寬廣范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。這就是為什么兩相電機(jī)都需要較大轉(zhuǎn)子電阻的主要原因。</p><p>　　兩相感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將隨控制電壓的大小和相位而變化。當(dāng)控制電壓為最大值，控制電壓的相位與勵磁電壓相位相差 電角度時，電動機(jī)構(gòu)成了一個兩相對稱系統(tǒng)，這時的氣隙合成磁場是一個

44、圓形旋轉(zhuǎn)磁場，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速最高；調(diào)節(jié)控制電壓的幅值或相位差角或二者同時改變時，氣隙合成磁場將變?yōu)闄E圓形磁場，控制電壓的幅值越低或相位差偏離 越多，氣隙磁場的橢圓度就越大，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就越低；當(dāng)Ua=0時，只有勵磁電源供電，電動機(jī)單相運(yùn)行，氣隙合成磁場是一個單項脈振磁場，這時，電動機(jī)應(yīng)立即停轉(zhuǎn)。改變控制電壓與勵磁電壓的相序，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向就會改變，也就實現(xiàn)了電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。以上就是兩相電機(jī)的控制原理的簡單描述。</p>

45、<p>　　2．4 兩相電機(jī)的控制方式</p><p>　　由兩相感應(yīng)電機(jī)的工作原理可知，調(diào)節(jié)控制電壓的幅值或相位角，可以實現(xiàn)電動機(jī)的調(diào)速、起動停止以及正反轉(zhuǎn)控制等，因此，其控制方式有一下三種。</p><p><b>　　2.41.幅值控制</b></p><p>　　幅值控制是指通過調(diào)節(jié)控制電壓的幅值來實現(xiàn)電動機(jī)的調(diào)速和起動停止控

46、制，而控制電壓與勵磁電壓之間的相位差始終保持 電角度不變。當(dāng)Ua為最大值時氣隙磁場為圓形旋轉(zhuǎn)磁場，電動機(jī)為最高轉(zhuǎn)速；當(dāng)Ua=0時電動機(jī)停轉(zhuǎn)。幅值控制時的原理接線圖即磁動勢矢量圖如圖2-4所示。</p><p>　?。╝）原理接線圖 （b）磁動勢矢量圖</p><p>　　圖2-4 兩相感應(yīng)電機(jī)的幅值控制</p><p>&l

47、t;b>　　2.4.2相位控制</b></p><p>　　相位控制是指通過調(diào)節(jié)控制電壓的相位來實現(xiàn)電動機(jī)的調(diào)速、起動、停止和正反轉(zhuǎn)控制，而控制電壓的幅值則保持不變。當(dāng)控制電壓與勵磁電壓之間的相位差為 時，電動機(jī)為最高轉(zhuǎn)速；相位差角等于零時，電動機(jī)停轉(zhuǎn)。相位控制時的原理接線圖和磁動勢矢量圖如圖2-5所示。由于采用這種控制方式時需要的移相裝置價格比較貴，故很少使用。</p><

48、p>　?。╝）原理接線圖 （b）磁動勢矢量圖</p><p>　　圖2-5 兩相感應(yīng)電機(jī)的相位控制</p><p>　　2.4.3幅值-相位控制</p><p>　　幅值-相位控制的原理接線圖如圖2-6所示。其控制原理課簡略說明如下：將勵磁繞組串聯(lián)電容器C后接到穩(wěn)壓電源 上，控制繞組仍接控制電源 ， 與 始終保持同

49、相位。調(diào)節(jié)控制電壓 的幅值時，由于轉(zhuǎn)子繞組的耦合作用，勵磁繞組電流 將發(fā)生變化，使勵磁繞組電壓 和電容器電壓 也隨之變化。也就是說，調(diào)節(jié)控制電壓 的幅值時，勵磁繞組電壓 的幅值及其與控制電壓 之間的相位差角都將隨之變化，從而使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速得到調(diào)節(jié)。因此，這是一種同時改變幅值和相位的復(fù)合控制方式。這種控制方式下，當(dāng)Ua=0時電動機(jī)停轉(zhuǎn)。由于不需要復(fù)雜的移相裝置，使控制設(shè)備簡單、成本低廉，也使這種控制方式成為使用最廣泛的一種控制方式。 &l

50、t;/p><p>　　圖2-6 幅值-相位控制時的原理接線圖</p><p>　　2.5 兩相電機(jī)變頻調(diào)速基本原理</p><p>　　異步電動機(jī)高效調(diào)速的典型是變頻調(diào)速。異步電動機(jī)采用變頻調(diào)速不但能實現(xiàn)無級變速，而且根據(jù)負(fù)載特性的不同，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)電壓與頻率之間的關(guān)系，可使電機(jī)始終運(yùn)行在高效區(qū)，并保持良好的運(yùn)行特性。異步電動機(jī)采用變頻起動，更能顯著改善其起動性能，大

51、幅度降低電機(jī)的起動電流，增加起動轉(zhuǎn)矩。所以變頻調(diào)速是異步電動機(jī)的理想的調(diào)速方法。</p><p>　　依據(jù)電機(jī)學(xué)的電機(jī)電磁場的基本理論：在異步電機(jī)中，對稱繞組中通入對稱電流，就能生成圓形旋轉(zhuǎn)磁場。</p><p>　　磁場旋轉(zhuǎn)的速度等于電機(jī)的同步速，其同電流的頻率之間的關(guān)系為： n= ，其中，f為電流頻率，而p是電機(jī)的極對數(shù)。所以變頻調(diào)速就是基于改變供給電機(jī)定子繞組的電壓的頻率，從而改變電

52、機(jī)的同步速而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。同變滑差調(diào)速相比，變頻調(diào)速的調(diào)速性能要優(yōu)越很多。</p><p>　　一臺電機(jī)如若希望獲得良好的運(yùn)行性能、力能指標(biāo)，必須保持其磁路工作點(diǎn)穩(wěn)定不變，即保持每極磁通量φm額定不變，這是因為若φm太強(qiáng)，電機(jī)磁路飽和，勵磁電流、勵磁損耗及發(fā)熱增大；若φm太弱，電機(jī)出力不夠，鐵心也未充分利用。</p><p>　　從異步電機(jī)定子每相電勢有效值公式來看</p>

53、<p>　　E1=4.44f1N1kdp1φm (2-18) 當(dāng)電機(jī)一旦選定，其結(jié)構(gòu)參數(shù)就確定了，有</p><p>　　φm∝ (2-19)</p><p>　　所以只要協(xié)調(diào)的控制E1，f1即可達(dá)到控制氣隙

54、磁通φm恒定的目的。但運(yùn)行頻率在基頻以下及以上調(diào)速時需采取不同的控制方式。</p><p>　　圖2-7 異步電機(jī)變壓、變頻調(diào)速 圖2-8 不同電壓、頻率協(xié)調(diào)控制時控制曲線 電機(jī)的機(jī)械特性</p><p>　　圖2-8給出了不同電壓、頻率協(xié)調(diào)控制時電機(jī)的機(jī)械特性，I為恒電壓／頻率比(U1/f1=C)；Ⅱ為恒氣

55、隙電勢／頻率比(E1/f1=C)控制；Ⅲ為恒轉(zhuǎn)子電勢，頻率比(E2/f1=C)控制。</p><p>　　1. 恒電壓／頻率比(U1/f1=C)控制，在恒壓頻比控制下，電機(jī)的氣隙磁通φm近似的保持恒定，同步速n0隨運(yùn)行頻率w1變化；不同頻率下機(jī)械特性為一組硬度相同的平行直線。在S很小的機(jī)械特性直線段上，同一轉(zhuǎn)矩Ts下，不同運(yùn)行頻率下的轉(zhuǎn)速降落△n基本不變；最大轉(zhuǎn)矩Tm隨著頻率的降低而有所減小，主要原因是因為在低頻

56、時，定子電阻壓降的影響變大，若能在低頻是適當(dāng)提高定子電壓，則可增大最大轉(zhuǎn)矩，增強(qiáng)帶負(fù)載能力。</p><p>　　2. 恒氣隙電勢／頻率比(E1/f1=C)控制：在電壓頻率比控制中，如果恰當(dāng)?shù)碾S時提高電壓以克服定子壓降，維持恒定的氣隙電勢頻率比E1/f1=C，則電機(jī)每極磁通φm能真正的保持恒定，電機(jī)的工作特性將由很大的改善。低頻下啟動的起動轉(zhuǎn)矩比額定頻率下的起動轉(zhuǎn)矩要大，而起動電流并不大，有效的改善了異步電機(jī)的起

57、動性能；在恒E1/f1=C控制下，在任何運(yùn)行頻率下，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩恒定不變，電機(jī)機(jī)械特性變成一組理想的硬度相同的平行直線。非常適合恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。</p><p>　　3. 恒轉(zhuǎn)子電勢／頻率比(E2/f1=C)控制：在恒氣隙電勢頻比的基礎(chǔ)上，如果能再隨時補(bǔ)償轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降，保持轉(zhuǎn)子電勢隨頻率作線形變化，即可實現(xiàn)E2/f1=C控制。此時電機(jī)的機(jī)械特性T=f(s)為一準(zhǔn)確的直線，穩(wěn)態(tài)工作特性最好，可以獲得類似于并勵直流

58、電機(jī)一樣的直線型機(jī)械特性。而這是矢量變換控制變頻調(diào)速所要實現(xiàn)的目標(biāo)之一。</p><p>　　以上三種原理，均適用于兩相電機(jī)的變頻調(diào)速。</p><p>　　2．6 兩相電機(jī)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究</p><p>　　國內(nèi)外文獻(xiàn)中關(guān)于兩相電機(jī)逆變器結(jié)構(gòu)的研究很多，主要是由于兩相電機(jī)的供電和控制要求與三相電機(jī)有很大不同，所以選擇適合兩相電機(jī)使用的逆變器拓?fù)涫钟幸饬x。下

59、面我們對適用兩相電機(jī)的逆變器進(jìn)行分析。</p><p>　　2.6.1 電容中點(diǎn)H 型逆變器</p><p>　　電容中點(diǎn)H型逆變器結(jié)構(gòu)是1984年英國人C.Mhango申請的一項專利。如圖2-9所示，這種逆變器的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，功率開關(guān)器件也比較少，成本低廉，穩(wěn)定性高。</p><p>　　圖 2-9 電容中點(diǎn)H 型逆變器電路拓?fù)?lt;/p>&l

60、t;p>　　功率器件分為S1、S4和S2、S3兩組，同時通斷，且同一橋臂兩個開關(guān)管件在一定時候交換通斷狀態(tài)，因此控制信號的產(chǎn)生和驅(qū)動電路相對簡單。但是對于兩相電機(jī)，采用這種拓?fù)浯嬖谝粋€問題：由于電機(jī)的兩相電流 Ia和Ib在相位上相差90 度，因此流向中性點(diǎn)N 的兩相電流矢量之和：I = Ia + Ib。電流I 使逆變器輸出電壓波動加大，這種加大主要于負(fù)載電流的大小有關(guān)，只有通過加大電容，減小電機(jī)繞組的電流才能使中點(diǎn)的電壓基本保持平

61、衡。從現(xiàn)有的試驗表明，只有電機(jī)功率在幾十瓦以下，電容值上千甚至上萬微法時，中點(diǎn)電位才可能基本穩(wěn)定，這顯然限制了這種逆變器結(jié)果的應(yīng)用。</p><p>　　2.6.2 電源中點(diǎn)H 型逆變器</p><p>　　鑒于電容中點(diǎn)H型結(jié)構(gòu)的不足，運(yùn)用雙極性電源來直接獲得電源中點(diǎn)，形成了電源中點(diǎn)H型逆變器主電路，如圖2-10所示。</p><p>　　圖 2-10 電源中點(diǎn)H

62、型逆變器電路拓?fù)?lt;/p><p>　　半橋逆變電路具有結(jié)構(gòu)簡單，功率開關(guān)器件數(shù)目最少，成本低廉，穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。功率器件S1、S4為一組，S2、S3為另一組，兩組同時通斷，且同橋臂兩元件在一定延時候交換通斷狀態(tài)，因而控制信號的產(chǎn)生和驅(qū)動電路相對簡單。但是，對于兩相電機(jī)，采用半橋逆變電路面臨這樣一個問題:由于電機(jī)的兩相電流I1和I2在相位上相差90度，因而流向中性點(diǎn)N的兩相電流之和I是兩相電流的矢量和：=+。<

63、;/p><p>　　對于用兩只電容串聯(lián)構(gòu)造中點(diǎn)的電源，回饋電流I會使得前級變頻電源輸出電壓波動加大，由電工學(xué)的知識可知，這種波動主要與負(fù)載電流的大小有關(guān)，只減小電機(jī)繞組電流才能使中點(diǎn)電壓基本保持恒定，從已有的實驗表明，只有電機(jī)功率在幾十瓦以下，電容值在幾千甚至上萬微法時，中點(diǎn)電位才可能基本穩(wěn)定。同時，由于負(fù)載不對稱帶來的直流偏量還會使得中點(diǎn)電位向正(或負(fù))方向持續(xù)漂移，給供電帶來極大影響。所以，如何獲得高質(zhì)量的雙極性

64、直流電源是采用半橋逆變電路的關(guān)鍵所在。</p><p>　　2.6.3 全橋逆變器</p><p>　　普通全橋逆變電路每相由四只功率開關(guān)器件組成，兩相繞組共需八只功率開關(guān)器件，逆變器主電路拓?fù)淙鐖D2-11所示。</p><p>　　圖 2-11全橋逆變器電路拓?fù)?lt;/p><p>　　這種電路結(jié)構(gòu)是由兩個單H型并聯(lián)形成的交直交逆變器電路，兩個

65、繞組分別獨(dú)立控制，形成兩相電機(jī)的運(yùn)行方式。從運(yùn)行特性看，由于克服了電機(jī)不對稱運(yùn)行的因素，因此除了相數(shù)不同之外，基本可以沿用三相電機(jī)變頻調(diào)速的結(jié)論和效果。</p><p>　　在相同的輸出電壓要求下，由于采用了全橋逆變電路，所用的功率開管器件的耐壓要求要低于半橋電路。兩相三橋臂逆變電路鑒于雙H型逆變電路中開關(guān)器件的數(shù)目較多，在實際應(yīng)用中將雙H圖中中間兩只橋臂合二為一，成為兩套繞組的公共橋臂，就得到了下圖2-12所示

66、的兩相三橋臂全橋逆變電路。</p><p>　　2.6.4 兩相三橋臂逆變器</p><p>　　圖 2-12 兩相三橋臂逆變器電路拓?fù)?lt;/p><p>　　其中的公共橋臂分別同左、右橋臂組合，構(gòu)成兩相全橋逆變。兩相三橋臂全橋逆變電路繼承了全橋逆變的優(yōu)點(diǎn)，同時有效的減少了開關(guān)器件的數(shù)目。在直流電壓Ud相同的情況下，其輸出電壓值可達(dá)到全橋電路的70%以上。在逆變橋結(jié)構(gòu)

67、上，兩相三橋臂電路同三相半橋逆變電路完全一致，因此容易從己有的六單元功率模塊移植過來使用，其輸出也可在三相同兩相之間靈活轉(zhuǎn)換。而目前三相逆變電路用的六單元功率模塊的發(fā)展己經(jīng)頗為成熟，尤其是在小功率應(yīng)用場合。</p><p>　　綜上所述，單相電機(jī)在逆變主電路的結(jié)構(gòu)主要分為全橋和半橋兩種。半橋電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，要求前級電源能穩(wěn)定提供正負(fù)對稱輸出。全橋逆變電路，由于兩相三橋臂需要的開關(guān)器件相對較少，易于采用三相

68、電路中六單元功率模塊。比起八只開關(guān)器件組成的全橋逆變電路優(yōu)勢明顯。目前，越來越多的研究是基于兩相三橋臂結(jié)構(gòu)逆變電路。</p><p>　　從目前國內(nèi)外研究的形勢來看，越來越多的研究是基于兩相三橋臂結(jié)構(gòu)逆變電路。原因有三：第一是因為半橋逆變在兩相電機(jī)變頻領(lǐng)域的應(yīng)用有比較重大的缺陷，其對前級電源的要求太高，算上附加費(fèi)用，其成本比起全橋還要高。第二，隨著控制技術(shù)的不斷改進(jìn)，基于兩相三橋臂控制技術(shù)可以使電機(jī)獲取更好的工作

69、性能：第三隨著小功率半導(dǎo)體開管器件成本的降低，兩相三橋臂逆變結(jié)構(gòu)在這方面成本的增加所帶來的影響也越來越小，將不再成為其應(yīng)用推廣的障礙。所以兩相三橋臂結(jié)構(gòu)逆變器必將成為研究應(yīng)用的主流。</p><p>　　2.6.5 幾種電路結(jié)構(gòu)的比較</p><p>　　從國內(nèi)外的研究形勢來看，兩相三橋臂的逆變器電路成為主流。原因有如下幾點(diǎn)：</p><p>　　(1) 兩相半橋逆

70、變器電路雖然使用的功率開關(guān)管個數(shù)比較少，但其前級需要正負(fù)對稱的雙極性電源，這就提高了電路的應(yīng)用成本，其成本甚至比全橋逆變器還要高。</p><p>　　(2) 隨著逆變器控制理論的進(jìn)步，基于兩相三橋臂的逆變器技術(shù)可以獲得更高的直流電壓利用率，使輸出電壓的諧波含量更小，從而使得電機(jī)獲得更好的調(diào)速性能。</p><p>　　(3) 隨著小功率開關(guān)管的成本降低，大大減少了開關(guān)管個數(shù)增加帶來的成本

71、上升。并且兩相三橋臂逆變器在結(jié)構(gòu)上與三相六功率管的半橋逆變器一樣，這樣可以增加逆變器的通用性。</p><p>　　綜上所述，兩相三橋臂逆變器可以在保證電機(jī)調(diào)速性能基本滿足需要的前提下，盡可能的減少了開關(guān)管的個數(shù)，降低了成本，是兩相電機(jī)高性能調(diào)速系統(tǒng)推廣應(yīng)用的最佳選擇之一。在本課題中采用的逆變器結(jié)構(gòu)就是兩相三橋臂逆變器。</p><p>　　2.7 兩相電機(jī)逆變器控制策略的研究</p

72、><p>　　1964年，德國人A.Schonung和H.Stemmler在《BBC 評論》上發(fā)表文章，率先將通訊系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)推廣應(yīng)用到交流傳動中，提出了脈寬調(diào)制變頻的思想，為近代交流變頻調(diào)速開辟了新的發(fā)展領(lǐng)域。PWM控制技術(shù)有許多種，并且還在不斷的發(fā)展中。我們把PWM 控制技術(shù)分為三大類即正弦PWM、優(yōu)化PWM、隨機(jī)PWM 法。</p><p>　　兩相逆變器控制策略主要采用正弦PWM

73、技術(shù)，包括電壓正弦PWM 技術(shù)和磁通正弦PWM 技術(shù)（即空間電壓矢量SVPWM）兩種。為了分析討論方便，我們均假設(shè)電機(jī)的兩相繞組對稱，即兩相繞組相同，空間上相互垂直。</p><p>　　2.7.1 電壓正弦PWM 控制方法</p><p>　　電壓正弦PWM 從輸出電壓波形為正弦考慮，以一個正弦波為基準(zhǔn)波，用一系列等幅的三角波與基準(zhǔn)正弦相比較得出。常見的生成SPWM 波形的方法有自然采樣

74、法、規(guī)則采樣法、指定諧波消除法等等。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓波形接近正弦，缺點(diǎn)是直流母線電壓利用率不高，諧波含量較大，給實際運(yùn)用帶來了局限性。</p><p>　　1、 兩相半橋SPWM</p><p>　　由于兩相電機(jī)的定子繞組是在空間呈正交狀態(tài)，為了產(chǎn)生圓形磁場，獲得較好的電機(jī)性能，在采用SPWM 技術(shù)的時候，就需要保證兩相繞組中的電流相位差為90 度，所以兩橋臂功率開關(guān)管調(diào)制信號也要

75、設(shè)定為相差90 度。其調(diào)制方法如圖2-13 所示。</p><p>　　圖 2-13 兩相半橋SPWM 信號調(diào)制圖</p><p>　　兩相半橋 SPWM 控制的優(yōu)點(diǎn)是控制方式簡單，成本低廉，濾波設(shè)計容易，可以實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻功能；但是缺點(diǎn)也同樣明顯：它的直流電壓利用率很低，輸出電機(jī)電壓諧波含量高，運(yùn)行時噪聲較大，適合模擬電路，不便于數(shù)字化的實現(xiàn)。國內(nèi)外關(guān)于兩相半橋SPWM 控制技術(shù)的研究相當(dāng)

76、多，原理也十分成熟，此處不再做過多的介紹。</p><p>　　2、兩相三橋臂全橋逆變180 度邊緣SPWM 控制</p><p>　　兩相三橋臂全橋逆變器（圖2-12）采用SPWM 控制時，由S5、S6組成的公共橋臂要接入電機(jī)兩相繞組的公共點(diǎn)，所以在調(diào)制時，公共橋臂的調(diào)制波就不同于其他兩橋臂的調(diào)制波。</p><p>　　全橋逆變180 度邊緣SPWM 逆變具體調(diào)

77、制方法為：在載波相同的情況下，A、B 兩相調(diào)制波為正弦波，A、B 兩相相位差為90 度，電機(jī)正轉(zhuǎn)時A 相超前B 相90 度，電機(jī)反轉(zhuǎn)時B 相超前A 相90 度；公共橋臂N 則采用恒定占空比的方法調(diào)制，上下橋臂占空比均為50%，即中間公共橋臂電壓的平均值為零。而且，根據(jù)公共橋臂開關(guān)信號相位的改變，輸出的電壓波形有雙極性和單極性兩種模式，如圖2-14 所示。</p><p>　?。╝）輸出電壓為雙極性

78、 （b）輸出電壓為單極性</p><p>　　圖 2-14 SPWM 信號調(diào)制及輸出電壓波形</p><p>　　這種調(diào)制方法可以在 a 和b 繞組上產(chǎn)生幅值相等、相位互差90 度的正弦電壓。電壓幅值與調(diào)制度成正比，當(dāng)調(diào)制度為1 時，輸出電壓的峰值達(dá)到最大，為0.5* U dc ，依據(jù)電機(jī)的V/F 曲線和輸出電壓與調(diào)制度的關(guān)系，即可實現(xiàn)兩相電機(jī)的變頻調(diào)速控制。

79、</p><p>　　對于兩相三橋臂逆變電路，采用180度邊緣SPWM控制技術(shù)最主要的缺點(diǎn)就是直流電壓利用率較低。根據(jù)逆變輸出交流電壓基波幅值與母線直流電壓之間的關(guān)系，為了得到有效值為220V的交流電壓，其前級直流母線電壓理論最小值為622V(調(diào)制度M=I時)。直流電壓利用率反映著逆變電路拓?fù)湫阅艿膬?yōu)劣：提高直流電壓利用率，在相同的輸出電壓要求下，能有效降低直流母線電壓，就意味著需要采用耐壓更低的濾波電容，采用耐

80、壓等級更低的功率開關(guān)器件，電路的性能就更加優(yōu)越</p><p>　　3、兩相三橋臂新型SPWM 控制</p><p>　　我國浙江大學(xué)的陸宏亮、錢照明提出了一種新型的兩相三橋臂逆變器的SPWM 控制方法，這種控制方法不再保證逆變器中間橋臂電壓平均值為零，三個橋臂開關(guān)均采用SPWM 控制模式。</p><p>　　如圖2-12 所示，用nA、nB和nN表示逆變器三個橋

81、臂引出點(diǎn)的電壓。則A 繞組從逆變器得到的電壓為VA=nA-nN，即繞組A 上的電壓是由A 點(diǎn)和N 點(diǎn)的電壓差所決定的，合理調(diào)整這兩點(diǎn)的電壓，就可以改變繞組A 上的電壓。通過合理的安排三個橋臂調(diào)制時的調(diào)制度和載波的相位，就可以獲得所需要的電壓。</p><p>　　這種SPWM 控制方法在基于三橋臂逆變器拓?fù)渖?，保持前級直流電壓恒定，獲取更大的直流電壓利用率，而且此控制模式產(chǎn)生的倍頻效果使得輸出電壓諧波得到了更大的

82、抑制。</p><p>　　2.7.2 空間電壓矢量控制（SVPWM）</p><p>　　空間電壓矢量控制（又稱磁通正弦 PWM 法）與電壓正弦PWM 法不同，它是從電動機(jī)的角度出發(fā)，著眼點(diǎn)在于如何控制逆變器的開關(guān)動作來改變施加在電動機(jī)上的端電壓，使電動機(jī)獲得圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。兩相電機(jī)的SVPWM 控制模仿了三相電機(jī)的控制方法，它以正弦波電壓供電時交流電動機(jī)產(chǎn)生的理想磁通圓為基準(zhǔn)，用逆變器

83、不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)，形成PWM波。</p><p>　　2.7.3 幾種控制方法的比較</p><p>　　1. 直流電壓利用率與最大電壓調(diào)制系數(shù)</p><p>　　這里所指的直流電壓利用率為通常意義上的基波電壓增益Av。其基本定義為：</p><p>　　Av=

84、 （2-20）</p><p>　　其中U01為逆變器輸出電壓u0的基波有效值；Ud為直流側(cè)直流電壓。</p><p>　　最大電壓調(diào)制系數(shù)的定義：PWM電壓調(diào)制系數(shù)m定義為PWM控制逆變器輸出的電壓基波分量V1m與180度控制逆變器輸出電壓基波分量幅值V1(180)之比，即</p><p>　　m=V1m/V1(180)

85、 (2-21)</p><p>　　雖大電壓調(diào)制系數(shù)mmax是某種PWM控制方式所能達(dá)到的最大值。由于PWM逆變器的最大輸出功率與交流側(cè)的最大電壓成正比，所以，最大電壓調(diào)制系數(shù)mmax反映了采用某種PWM技術(shù)時，逆變器的直流電壓利用率。</p><p>　　2. 幾種控制策略的優(yōu)劣</p><p>　　表 2.1 是幾種兩相逆變器控制方式的一些數(shù)據(jù)

86、資料。</p><p>　　表 2-1 兩相逆變器在不同控制方法下的數(shù)據(jù)資料</p><p>　　首先我們來看各種電路拓?fù)湓赟VPWM 控制下的比較。從表2-1 中可以看出：兩相半橋逆變器拓?fù)潆m然使用的開關(guān)管個數(shù)比較少，但半橋逆變器在應(yīng)用SVPWM 時不能產(chǎn)生零矢量，由于沒有零矢量，在矢量合成的時候比兩相三橋臂要麻煩一些。半橋SVPWM獲得的單相輸出電壓為雙極性，即每個開關(guān)周期內(nèi)電壓波形有

87、正有負(fù)，而兩相三橋臂SVPWM 在單個開關(guān)周期內(nèi)的電壓波形為單極性，二者相比較，兩相三橋臂的諧波明顯小于半橋SVPWM，尤其在低頻的時候，由于定子繞組的電壓降低，雙極性波形諧波總含量比例會急劇增大。在相同的直流電壓下，半橋SVPWM 所能獲得的最大輸出電壓為直流電壓的1/ 2 ，而兩相三橋臂SVPWM 獲得的最大輸出電壓為直流電壓的1/ ，比半橋輸出電壓要高出41%。全橋電路在直流電壓利用率方面占據(jù)優(yōu)勢，其使用的開關(guān)管個數(shù)卻較多。<

88、;/p><p>　　然后，我們來看SPWM 控制與SVPWM 之間的比較。從圖表2-1 中可以看出在相同的電路拓?fù)湎?，SPWM 與SVPWM 在直流電壓利用率方面是基本相同的。SPWM 控制模式原理簡單，計算量小，非常適合用模擬電子器件實現(xiàn)。而SVPWM 控制方法是把逆變器和電機(jī)作為一個整體來處理，建立了逆變器開關(guān)模式與電壓空間矢量的內(nèi)在聯(lián)系，從而使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得以簡化。其優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動小，電流波形畸變小，并且易

89、于實現(xiàn)數(shù)字化；同時，適當(dāng)?shù)目刂崎_關(guān)順序，如采用對稱五段式或?qū)ΨQ七段式開關(guān)模式，能有效減小SVPWM 的輸出電壓諧波含量和開關(guān)損耗。</p><p><b>　　2.8 小結(jié)</b></p><p>　　從逆變器結(jié)構(gòu)來看，兩相三橋臂逆變器結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)越性，輸出電壓高，直流母線電壓利用率高。電壓的PWM波形可以為對稱的單極性波形，電壓電流總諧波含量較小。這些都是半橋逆

90、變器所辦不到。兩相三橋臂逆變器結(jié)構(gòu)由6只開關(guān)管組成，在小功率場合，隨著半導(dǎo)體器件價格不斷降低，兩種逆變器成本上的差異相對于性能上的差異，是次要的。到目前為止，半橋逆變器還有其明顯的缺陷，即需要正負(fù)對稱的雙極性穩(wěn)壓電源供電，這一要求比兩相三橋臂僅需一路穩(wěn)壓電源供電要繁瑣很多。所以兩相三橋臂逆變器將是今后兩相電機(jī)變頻調(diào)速的首選。</p><p>　　從控制策略上來看，SVPWM有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但是原理復(fù)雜，對處理器的

91、要求高，進(jìn)而整套系統(tǒng)的成本就會隨之上升。對于兩相電機(jī)變頻調(diào)速來講，由于兩相電機(jī)的磁場中低次諧波含量的影響比較大，兩相電機(jī)的功率密度比起多相的電機(jī)又有所不如，這些自身缺陷都決定了兩相電機(jī)在高級控制的場合的應(yīng)用會受到一定的限制。而SPWM原理簡單，實現(xiàn)方便，成本低廉。所以，積極研究SPWM控制模式，充分挖掘其潛能，使之能為兩相電機(jī)變頻調(diào)速提供高性能的控制是非常有意義的。</p><p>　　事實上，兩相電機(jī)控制理論尚

92、處于不斷探索與完善之中。同三相電機(jī)變頻調(diào)速的狀況相比，兩相電機(jī)變頻調(diào)速還有很多問題要解決諸如，以上各實驗方案都僅僅涉及了某種控制策略的概況，并通過一定的試驗驗證了理論的可行性。到目前為止，幾乎所有的實驗僅僅做了兩相電機(jī)變頻調(diào)速的初步試驗，僅僅得出了特定頻率下，電機(jī)的電壓和電流波形。</p><p>　　3 一種新型兩相電機(jī)SPWM控制技術(shù)</p><p>　　SVPWM控制模式需要大量的實

93、時運(yùn)算，原理相對復(fù)雜，需要有較強(qiáng)的數(shù)字處理器進(jìn)行數(shù)字處理。而SPWM原理比較簡單，很適合模擬電子實現(xiàn)，其實現(xiàn)非常方便簡單。目前控制電機(jī)用的SPWM芯片已經(jīng)非常成熟，從成本的角度來看，SPWM控制成本較低，非常適合于調(diào)速要求不是非常高的場合。</p><p>　　3.1 SPWM原理介紹 </p><p>　　PWM 技術(shù)利用全控型器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實現(xiàn)變壓

94、、變頻控制并且消除諧波,而SPWM 算法是以獲得正弦電壓輸出為目標(biāo)的一種脈寬調(diào)制技術(shù)。 為了得到正弦波，需要輸出一組連續(xù)的幅值相等而寬度不相等的矩形波，實現(xiàn)過程為：正弦調(diào)制波與三角載波相交，交點(diǎn)產(chǎn)生控制功率開關(guān)器件的信號，經(jīng)相應(yīng)驅(qū)動電路來控制功率開關(guān)器件的通斷，從而得到一系列等幅而且脈沖寬度正比于對應(yīng)區(qū)間正弦波曲線函數(shù)值的矩形脈沖，即SPWM 波形。</p><p>　　3.1.1 電壓SPWM的基本思想<

95、;/p><p>　　對于電壓SPWM來說，可以把電壓正弦波半波分為N等份，然后把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦每一等份的中點(diǎn)重合。這樣，由N個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周等效。同樣，正弦波的負(fù)半周也用同樣的方法等效。</p><p>　　圖3-1等效SPWM波形</p><p>　

96、　圖3-1中所示的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，就是所希望逆變器輸出的SPWM波形。由于每個脈沖的幅值相等，所以逆變器可以由恒定的直流電源供電，也就是，交-直-交變頻器中的整流器采用不可控的二極管整流器就可以了。</p><p>　　這一系列脈沖波形的寬度可以嚴(yán)格的用計算方法得到，作為控制逆變器中各功率開關(guān)器件通斷的依據(jù)，但這很麻煩，所以我們通常采用較為實用的方法，即采用“調(diào)制”的方法。</p>

97、<p>　　在SPWM中以正弦波作為調(diào)制波，用等腰三角波作為載波，因為等腰三角波是上下寬度線性對稱變化的波形，當(dāng)它與一個正弦波曲線相交時，在交點(diǎn)的時刻產(chǎn)生控制信號，用來控制功率開關(guān)器件的通斷，就可以得到一組等幅而脈沖寬度正比于對應(yīng)區(qū)間正弦波曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這就是SPWM法的基本思想。</p><p>　　3.1.2 電壓SPWM的工作原理</p><p>　　圖3-2是SP

98、WM變頻器的主電路，圖中V1-V6是逆變器的六個IGBT功率開關(guān)器件，各有一個續(xù)流二極管反并聯(lián)連接，逆變器所需要的恒值直流電壓由三相整流器提供。</p><p>　　圖3-2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路</p><p>　　相交流電源經(jīng)整流器和大電容濾波，為逆變器供電。逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流供電機(jī)調(diào)速，其中電感起限流作用。</p><p>　　3.1.3 單

99、極性三角波調(diào)制法</p><p>　　單極性SPWM調(diào)制是指參加調(diào)制的載波三角波和正弦波參考極性不變。</p><p>　　首先由同極性的三角波調(diào)制電壓與參考電壓比較，產(chǎn)生單極性的SPWM脈沖，然后將單極性的SPWM脈沖信號與倒相信號相乘，從而得到正負(fù)半波對稱的SPWM脈沖信號。</p><p>　　3.1.4 雙極性三角波調(diào)制法</p><p

100、>　　雙極性SPWM調(diào)制是指載波三角波和正弦參考信號是具有正負(fù)極性變化的信號 。</p><p>　　正負(fù)交變的雙極性三角載波與參考波比較直接得到雙極性的SPWM脈沖，而不需要倒相電路。</p><p>　　圖3-3 單極性、雙極性SPWM波形</p><p>　　三角波與正弦波電壓相比較，以確定各分段矩形脈沖寬度。在電壓比較器A的兩輸入端分別輸入正弦波參考

101、信號和三角波電壓，在A的輸出端就可以得到SPWM調(diào)制電壓脈沖。脈沖寬度的確定可由看出。由于和分別接至電壓比較器A的“-”和“+”輸入端。顯然，當(dāng)〈時，A的輸出為高電平，反之，〉時，輸出為低電平。圖3-3中和的交點(diǎn)之間的距離隨參考電壓 的大小而變，而該交點(diǎn)之間的距離決定了電壓比較器輸出脈沖的寬度，因而可以得到幅值相等而脈沖寬度不等的電壓參考信號。</p><p>　　3.1.5 三相SPWM產(chǎn)生方法</p&g

102、t;<p>　　圖3-4 三相SPWM產(chǎn)生方法</p><p>　　圖3-4由參考信號發(fā)生器提供一組三相對稱可調(diào)正弦參考信號，，，其頻率決定逆變器輸出的基波頻率。參考信號的幅值也可在一定范圍內(nèi)變化，以決定輸出電壓的大小。三角波載波信號是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零”的飽和輸出，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波，，，作為逆變器功率開關(guān)器件的控制信號。</p><p>

103、;　　改變參考信號的幅值時，脈寬隨之改變，從而改變了逆變器輸出電壓的大小，當(dāng)改變的頻率時，輸出電壓頻率隨之改變。一般情況下，參考信號的幅值必須小于三角波幅值，否則，輸出電壓的大小和頻率將失去所要求的配合關(guān)系。</p><p>　　電壓經(jīng)逆變電路后輸出為PWM波，這種波形一般不適于直接輸入負(fù)載，而是要經(jīng)過正弦濾波電路，輸出正弦波，方可輸入負(fù)載。</p><p>　　3．2兩相逆變器SPWM控

104、制輸出電壓</p><p>　　3．2．1 兩種spwm調(diào)制模式的比較 </p><p>　　180度雙緣SPWM同普通的全橋SPWM控制相比，對于單相繞組來說，其最大區(qū)別就在于兩相共用的中間橋臂的開關(guān)模式上：對于兩相三橋臂逆變電路來說，組成單相逆變的兩個橋臂，一橋臂采用的是SPWM開關(guān)模式，中間橋臂采用的是50％恒定占空比的180度開關(guān)控制模式，而不是和另一橋臂互補(bǔ)的開關(guān)控制，這樣連接在

105、這兩個橋臂上的繞組上所得到的電壓就如第二章所分析的那樣，只有180度的雙緣脈沖才是有效的；而雙全橋逆變電路的單相兩個橋臂采用的是互補(bǔ)型SPWM開關(guān)控制模式，繞組上所得到的電壓脈沖寬度是整個SPWM的脈寬，而不再受180度脈寬的局限。這種差別體現(xiàn)在同一個開關(guān)周期內(nèi)，同樣的直流電壓ud和調(diào)制度m時，兩種模式的電壓周期平均值不一樣：</p><p>　　兩相三橋臂逆變電路電壓周期平均值：</p><