1、 永磁同步电动机永磁同步电动机 电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了在电机内建立必需的气隙磁场，可的电磁装置。为了在电机内建立必需的气隙磁场，可以有两种方法。以有两种方法。1.在电机绕组内通以电流来产生磁场在电机绕组内通以电流来产生磁场 如普通的直流电机和同步电机。要专门设置励磁绕组，通入直流电，来建立气隙磁场。电机体积增大，励磁功率造成电机发热，效率降低。感应（异步）电机要通过三相定子绕组从电网吸收感性无功电流来建立气隙磁场。电机功率因数低，效率也有所降低。2.由永磁体来产生磁场由永磁体来产生磁场 由于永磁材料的固有特性，它经过
2、预先磁化充磁以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。这既可简化电机结构，又可节约能量。与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗少，效率高；电机的形状和小，质量轻；损耗少，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用范围尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。生产和日常生活的各个领域。永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无永磁同步电动机
3、与感应电动机相比，不需要无功励磁电流可以显著提高功率因数功励磁电流可以显著提高功率因数(可达到可达到1 1、甚至容性甚至容性)，减少了定子电流和定子电阻损耗，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇以因总损耗降低而减小风扇(小容量电机甚至可小容量电机甚至可以去掉风扇以去掉风扇)和相应的风摩损耗，从而使其效率和相应的风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高比同规格感应电动机可提高2828个百分点。个百分点。永磁材料 永磁电机的性能、设计制造特点和应用范围都与永磁材料的性能密切相关。永磁材料种类众多
4、，性能差别很大。因此，在研究永磁电机之前，首先从设计制造电机的需要出发，了解电机中最常用的三种主要永磁材料（铁氧体、铝镍钴、钕铁硼）的基本性能，包括磁性能、物理性能，选用时的注意事项。永磁体的磁永磁体的磁稳定性稳定性 为了保证永磁电机的电气性能不发为了保证永磁电机的电气性能不发生变化，能长期可靠地运行，要求生变化，能长期可靠地运行，要求永磁材料的磁性能保持稳定。通常永磁材料的磁性能保持稳定。通常用永磁材料的磁性能随环境、温度用永磁材料的磁性能随环境、温度和时间的变化率来表示其稳定性，和时间的变化率来表示其稳定性，主要包括热稳定性、磁稳定性、化主要包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。
5、学稳定性和时间稳定性。永磁同步电动机永磁同步电动机概述概述 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并
6、在各个功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。永磁同步电动机分类永磁同步电动机分类 永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主主磁场方向的不同，可分为径向磁场式径向磁场式和轴向磁场式轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式内转子式(常规式)和外转子式外转子式；按转子上有无起动绕组，可分为无起动绕组的电动机无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某一频率和电压下利用起动绕组所
7、产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机矩形波永磁同步电动机和正弦正弦波永磁同步电动机波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。永磁同步电动机的总体结构永磁同步电动机的总体结构 1.高效永磁同步电动机结构示意图高效永磁同步电动机结构示意图 l转轴转轴 2轴承轴承 3端差端差 4定子绕组定子绕组 5机座机座 6定子铁心定子铁心 7转子铁心转子铁心 8永磁体永磁体 9起动笼起动笼 10风扇风扇 11风罩风罩 永磁直流无刷电动机结构示意图永磁直流
8、无刷电动机结构示意图 调速永磁同步电动机结构示意图调速永磁同步电动机结构示意图l转轴转轴 2轴承轴承 3端差端差 4定子绕组定子绕组 5机座机座 6定子铁心定子铁心 7，8永磁体永磁体 9转子铁心转子铁心 10风扇风扇 11风罩风罩 12位置、速度传感器位置、速度传感器 13，14电缆电缆 15专用变频驱动器专用变频驱动器 永磁同步电动机的转子结构永磁同步电动机的转子结构 表面式转子磁路结构表面式转子磁路结构 1）凸出式凸出式 2）插入式）插入式 1永磁体永磁体 2转子铁心转子铁心 3转轴转轴1表面凸出式表面凸出式 结构简单、制造成本较低、转动结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，在矩形波
9、永磁同步电动机和恒惯量小等优点，在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中得到了广泛应用。此外，表面凸出式转子结构得到了广泛应用。此外，表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的性状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。能。2表面插入式表面插入式 可充分利用转子磁路的不对称性可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，所产生的磁阻转
10、矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简单，常被某些调速永磁同步电动机所采用。但单，常被某些调速永磁同步电动机所采用。但漏磁系数和制造成本都较凸出式大漏磁系数和制造成本都较凸出式大。同步电机与感应（异步）电机的区别同步电机与感应（异步）电机的区别 同步电机与感应（异步）电机的区别在于：同步电机与感应（异步）电机的区别在于：（1 1）同步电机的转速严格的与电源频率保持同步，转差）同步电机的转速严格的与电源频率保持同步，转差为零，而异步电机的转速永远低于同步转速，转差不为零，而异步电机的转速永远低于同步转速，转差不为零，可以靠控制转
11、差来调速。为零，可以靠控制转差来调速。（2 2）异步机的磁场靠定子供电产生，而同步电机的磁场）异步机的磁场靠定子供电产生，而同步电机的磁场花样很多，一般大中型同步电机在转子侧采用独立的花样很多，一般大中型同步电机在转子侧采用独立的直流励磁，小容量的同步电机采用永久磁铁（磁场不直流励磁，小容量的同步电机采用永久磁铁（磁场不变），磁阻式同步机完全靠定子励磁（靠凸极磁阻的变），磁阻式同步机完全靠定子励磁（靠凸极磁阻的变化产生同步转矩）。变化产生同步转矩）。（3 3）异步电机的功率因数永远小于）异步电机的功率因数永远小于1 1，而同步电机的功，而同步电机的功率因数可以用励磁电流来调节，可以滞后，可以超
12、前。率因数可以用励磁电流来调节，可以滞后，可以超前。同步电机与感应（异步）电机的区别（续）同步电机与感应（异步）电机的区别（续）（4 4）同步电机和异步电机的定子是一样的，而）同步电机和异步电机的定子是一样的，而转子绕阻不同。同步电机的转子除励磁绕组外，转子绕阻不同。同步电机的转子除励磁绕组外，还有一个自身短路的阻尼绕阻。当同步机在恒还有一个自身短路的阻尼绕阻。当同步机在恒频下运行时，阻尼绕阻有助于抑制重载时发生频下运行时，阻尼绕阻有助于抑制重载时发生的震荡。但当同步电机重载转速闭环下变频调的震荡。但当同步电机重载转速闭环下变频调速运行时，阻尼绕阻便失去它的主要作用，却速运行时，阻尼绕阻便失去
13、它的主要作用，却增加了数学模型的复杂性。增加了数学模型的复杂性。（5 5）异步电机的气隙都是均匀的，而同步电机）异步电机的气隙都是均匀的，而同步电机则有隐极式和显极式之分。隐极式电机气隙是则有隐极式和显极式之分。隐极式电机气隙是均匀的，而显极式电机的气隙磁阻不均匀，对均匀的，而显极式电机的气隙磁阻不均匀，对于电励磁的电机直轴磁阻小，交轴磁阻大。对于电励磁的电机直轴磁阻小，交轴磁阻大。对于永磁电机直轴磁阻大，交轴磁阻小。于永磁电机直轴磁阻大，交轴磁阻小。以前，由于同步电动机存在着自身的弱点（起以前，由于同步电动机存在着自身的弱点（起动费事，必须由异步电动机拖动，重载时有振动费事，必须由异步电动机
14、拖动，重载时有振荡和失步的危险），一般工业设备很少用。变荡和失步的危险），一般工业设备很少用。变频调速技术弥补了这些缺点：起动时变频器频频调速技术弥补了这些缺点：起动时变频器频率逐渐上升，转速也逐渐提高，不需其他起动率逐渐上升，转速也逐渐提高，不需其他起动设备；失步问题是由于同步转速不变，转子落设备；失步问题是由于同步转速不变，转子落后的角度过大引起的，而变频调速中的转速和后的角度过大引起的，而变频调速中的转速和转矩闭环控制，可以随时调节同步转速，避免转矩闭环控制，可以随时调节同步转速，避免了失步现象。由于同步电机的固有优点使同步了失步现象。由于同步电机的固有优点使同步电机的变频调速成为交流调
15、速的一个很有潜力电机的变频调速成为交流调速的一个很有潜力的发展方向。的发展方向。与异步电机不同，同步电机不能采用调节与异步电机不同，同步电机不能采用调节转差的方法，只能调频调速。根据对频率转差的方法，只能调频调速。根据对频率进行控制的不同方法，同步电机变频调速进行控制的不同方法，同步电机变频调速系统可以分为它控式和自控式。当同步电系统可以分为它控式和自控式。当同步电机定子电压频率由一个外部频率控制装置机定子电压频率由一个外部频率控制装置进行控制时，称为他控方式。当同步电机进行控制时，称为他控方式。当同步电机定子电压频率由其轴上位置传感器发出的定子电压频率由其轴上位置传感器发出的脉冲来控制变频装
16、置的触发脉冲时，称为脉冲来控制变频装置的触发脉冲时，称为自控方式。自控方式。感应电动机的感应电动机的 变频调速控制变频调速控制 1.1.概论概论 1.11.1 感应电动机调速的概况与趋势感应电动机调速的概况与趋势 在相当长时期内，直流调速一直以性能优良领先于交在相当长时期内，直流调速一直以性能优良领先于交流调速。流调速。60年代以后，特别是年代以后，特别是70年代以来，电力电子年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争，目前，交流调速已进入与直流调速相媲美、相竞争，目前，交流调速已进入逐步替代直流调速的
17、时代。逐步替代直流调速的时代。电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。随电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得飞速着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得飞速发展。发展。在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制技术取得了突破性进展。技术取得了突破性进展。微处理机引入控制系统，促进了模拟控制系统向数字微处理机引入控制系统，促进了模拟控制系统向数字控制系统的转化。控制系统的转化。1.21.2 感应电动机调速的基本方法感应电动机调速的基本方法 感应电动机的调速方法分为变频调速、变极对感应电动机
18、的调速方法分为变频调速、变极对数调速和调转差率调速三种。数调速和调转差率调速三种。具体的说常见的基本种类有：具体的说常见的基本种类有：降电压调速；降电压调速；电磁转差离合器调速；电磁转差离合器调速；绕线转子感应电机绕线转子感应电机转子回路串电阻调速；转子回路串电阻调速；绕线转子感应电机串绕线转子感应电机串级调速；级调速；变极对数调速；变极对数调速；变压变频调速等。变压变频调速等。1060(1)/(1)nnfsPns感应电动机调速的基本方法感应电动机调速的基本方法 按照交流感应电动机的基本原理，从定子按照交流感应电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率传入转子的电磁功率 可分为两部分：一可分为
19、两部分：一部分是拖动负载的有效功率部分是拖动负载的有效功率 ，即机械功率；另一部分是转差功即机械功率；另一部分是转差功率率 ，与转差率成正比。从能量转，与转差率成正比。从能量转换的角度看，转差功率是否增大，是消耗换的角度看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，显然是评价调速系统效掉还是得到回收，显然是评价调速系统效率高低的一种标志。从这点出发，可以把率高低的一种标志。从这点出发，可以把感应电机的调速系统分成三类。感应电机的调速系统分成三类。(1)mechemPs PemPSemPsP（1 1）转差功率消耗型调速系统转差功率消耗型调速系统 全部转差功率都换成热能的形式而消全部转差功率都换成热
20、能的形式而消耗掉。上述的第耗掉。上述的第、三种调速方法三种调速方法都属于这一类。在这三类感应电机调速系都属于这一类。在这三类感应电机调速系统之中，这类系统的效率最低，而且它是统之中，这类系统的效率最低，而且它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载时），越向下调速，效率越（恒转矩负载时），越向下调速，效率越低。可是这类系统结构最简单，所以还有低。可是这类系统结构最简单，所以还有一定的应用场合。一定的应用场合。（2 2）转差功率回馈型调速系统）转差功率回馈型调速系统 转差功率的一部分消耗掉，大部分则转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电
21、网或者转化为机械通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用，转速越低，回收的功率越多，能予以利用，转速越低，回收的功率越多，上述第上述第种调速方法种调速方法串级调速属于这串级调速属于这一类。这类调速系统的效率显然比第一类一类。这类调速系统的效率显然比第一类高，但增设的变流装置总要多消耗一部分高，但增设的变流装置总要多消耗一部分功率，因此还不及下一类。功率，因此还不及下一类。（3 3）转差功率不变型调速系统）转差功率不变型调速系统 转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但在这类系统中，无论转速高低，转差功率的，但在这类系统中，无论转速高低，转差功率的
22、消耗基本不变，因此效率最高。上述的第的消耗基本不变，因此效率最高。上述的第、两种调速方法属于此类。其中变极对数只能有两种调速方法属于此类。其中变极对数只能有级调速，应用场合有限。只有变压变频调速应用级调速，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速，是最有发展前途的。代直流调速，是最有发展前途的。3.3.变频调速变频调速 变频调速系统的原理框图变频调速系统的原理框图 变频调速的特点变频调速的特点 变频调速的优点在于：改变频率时转差率不变，变频调速的优点在于：改变频率时转差率不变，也就是不同转速时不变，因而转差
23、损耗小，特也就是不同转速时不变，因而转差损耗小，特性硬，调速范围宽，调速精度高，适用于调速性硬，调速范围宽，调速精度高，适用于调速性能要求较高的场合。另一方面，变频调速装性能要求较高的场合。另一方面，变频调速装置的成本较高（尽管价钱还在降低），变频调置的成本较高（尽管价钱还在降低），变频调速原理较复杂。速原理较复杂。变频调速的方法也有多种，按变频器的类型分变频调速的方法也有多种，按变频器的类型分主要有交交变频器和交直交变频器两大主要有交交变频器和交直交变频器两大类；按控制方法分有标量控制、矢量控制和感类；按控制方法分有标量控制、矢量控制和感应机的直接转矩控制。应机的直接转矩控制。感应电机变频调
24、速感应电机变频调速 感应电机，特别是笼型感应电机，结构简单、牢固，感应电机，特别是笼型感应电机，结构简单、牢固，价格便宜，运行可靠，无需维护，在交流传动中得到价格便宜，运行可靠，无需维护，在交流传动中得到了极为广泛的应用。感应电机采用变频调速技术后，了极为广泛的应用。感应电机采用变频调速技术后，调速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损调速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损失，是一种性能优良的高效的调速方式，是交流电机失，是一种性能优良的高效的调速方式，是交流电机调速传动发展的主要方向。调速传动发展的主要方向。在变频调速系统中，由变频器提供给电机的频率变化在变频调速系统中，由变频器
25、提供给电机的频率变化的电压或电流激励均是非正弦的，除基波外，还包含的电压或电流激励均是非正弦的，除基波外，还包含大量的谐波。分析表明，决定感应电机变频运行特性大量的谐波。分析表明，决定感应电机变频运行特性的主要还是基波，谐波分量只起着使电机电压或电流的主要还是基波，谐波分量只起着使电机电压或电流畸变、产生谐波损耗、恶化力能指标、引起转矩脉动畸变、产生谐波损耗、恶化力能指标、引起转矩脉动的作用。的作用。变频调速的基本控制方式变频调速的基本控制方式 若希望一台感应电机获得良好的运行性能、力若希望一台感应电机获得良好的运行性能、力能指标，必须保持其磁路工作点稳定不变，即能指标，必须保持其磁路工作点稳
26、定不变，即保持每极磁通量保持每极磁通量 额定不变。因为若额定不变。因为若 太强，太强，电机磁路饱和，励磁电流、励磁损耗及发热增电机磁路饱和，励磁电流、励磁损耗及发热增大；若太弱，电机力能指标下降，电机出力不大；若太弱，电机力能指标下降，电机出力不够，铁芯也未充分利用。换句话说，保持每极够，铁芯也未充分利用。换句话说，保持每极磁通量磁通量 额定不变而维持较高值，则产生同额定不变而维持较高值，则产生同样的电磁转矩而需要的有功电流最小。样的电磁转矩而需要的有功电流最小。mmmm 从感应电机定子每相电动势有效值公式看从感应电机定子每相电动势有效值公式看 对一台电机，其结构参数确定，则有对一台电机，其结
27、构参数确定，则有 说明只要协调地控制说明只要协调地控制 、，即可达到控制气，即可达到控制气隙磁通隙磁通 的目的。但由于电机绝缘和供电电源的目的。但由于电机绝缘和供电电源的限制，电机运行频率在基频以下及基频以上的限制，电机运行频率在基频以下及基频以上调速时须采取不同的控制方式。调速时须采取不同的控制方式。11114.44WmEfWk11mEf1E1fm1.1.基频以下调速基频以下调速 要保持气隙磁通要保持气隙磁通 额定不变，必须采用恒电额定不变，必须采用恒电动势频率比的控制方式，即变频过程中须维持动势频率比的控制方式，即变频过程中须维持 常值。但定子电动势为内部量，难以直常值。但定子电动势为内部
28、量，难以直接测量、控制。接测量、控制。根据感应电机定子电压方程式根据感应电机定子电压方程式 可知，当频率较高，电动势较大时，可忽略定可知，当频率较高，电动势较大时，可忽略定子绕组漏抗压降子绕组漏抗压降得得 ，即只要维持即只要维持 常数（恒电压频率比）既可维持气隙磁通恒定。常数（恒电压频率比）既可维持气隙磁通恒定。m11Ef 11111111()UEI ZEI RjX 11UE11Uf 1.1.基频以下调速基频以下调速 当感应电机在低频时，定子电动势当感应电机在低频时，定子电动势 较小，定较小，定子电阻压降的影响不能忽略，必须有意抬高子电阻压降的影响不能忽略，必须有意抬高 而对定子电阻压降加以补
29、偿，而对定子电阻压降加以补偿，才能近似维持才能近似维持 常值。此时采用带低频定子电阻压降补常值。此时采用带低频定子电阻压降补偿的恒电压频率比控制，其电压、频率关系如偿的恒电压频率比控制，其电压、频率关系如图中曲线所示。如果电动机在不同转速下都有图中曲线所示。如果电动机在不同转速下都有额定电流，则电机能在温升允许的情况下长期额定电流，则电机能在温升允许的情况下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。由于维持运行，这时转矩基本上随磁通变化。由于维持了气隙磁通恒定，电机将作恒转矩运行。了气隙磁通恒定，电机将作恒转矩运行。1E1U11Uf 2.2.基频以上调速基频以上调速 当运行频率超过基频当运行频率超过
30、基频 时，由于变频装置半时，由于变频装置半导体元件及电机绝缘的耐压限制，电机电压不导体元件及电机绝缘的耐压限制，电机电压不能超过额定值能超过额定值 ，只能维持，只能维持 不变。不变。随着运行频率的升高，随着运行频率的升高，的比值下降，气隙的比值下降，气隙磁通随之减小，进入弱磁控制方式。此时，电磁通随之减小，进入弱磁控制方式。此时，电机转矩大体上反比频率变化，但电机的转速升机转矩大体上反比频率变化，但电机的转速升高了，输出转矩与机械角速度的乘积为输出功高了，输出转矩与机械角速度的乘积为输出功率近似不变，作近似恒功率运行。率近似不变，作近似恒功率运行。1Nf1NU11NUU11Uf感应电机变频调速
31、控制特性感应电机变频调速控制特性 变频器的基本构成变频器的基本构成 变频器的主要任务是把恒压恒频变频器的主要任务是把恒压恒频(constant constant voltage constant frequency,CVCFvoltage constant frequency,CVCF）的交流电的交流电转换为变压变频（转换为变压变频（variable voltage variable variable voltage variable frequency,VVVFfrequency,VVVF）的交流电，以满足交流电机的交流电，以满足交流电机变频的需要。变频的需要。从结构上分，变频器可分为从结构
32、上分，变频器可分为:交交交变频器（亦称直接变频器）交变频器（亦称直接变频器）;交交直直交变频器（亦称间接变频器）。交变频器（亦称间接变频器）。交交交变频器的结构交变频器的结构 交交交变频器是将恒压交变频器是将恒压 恒频的交流电一次变换恒频的交流电一次变换 成调压调频的交流电，成调压调频的交流电，它有三组可逆整流器（它有三组可逆整流器（桥式或零式线路）组成，桥式或零式线路）组成，当三组移相信号是一组当三组移相信号是一组 频率和幅值均可调的三频率和幅值均可调的三 相正弦信号时，则变频相正弦信号时，则变频 器输入三相交流电。器输入三相交流电。交交交变频器单相输出电压和电流波形交变频器单相输出电压和电
33、流波形 交交变频器的主要特点交交变频器的主要特点（1 1）原理主要基于可逆整流，可直接引用成熟的直流）原理主要基于可逆整流，可直接引用成熟的直流可逆调速的技术和经验；可逆调速的技术和经验；（2 2）输出到电动机的电流近似于三相正弦电流，附加）输出到电动机的电流近似于三相正弦电流，附加损耗小，转矩脉动量小；损耗小，转矩脉动量小；（3 3）采用元器件的数量较多，如果采用三相桥式接法，）采用元器件的数量较多，如果采用三相桥式接法，需要需要3636个晶闸管；个晶闸管；（4 4）输出电压波形由电源波形的区段组成，为了使波）输出电压波形由电源波形的区段组成，为了使波形畸变不至过大，输出频率不能高于电网频率
34、的形畸变不至过大，输出频率不能高于电网频率的1/31/31/21/2。电源频率为。电源频率为5050HzHz时，最大输出频率不超过时，最大输出频率不超过2020HzHz；（5 5）拖动的电机一般属于普通电机，价格便宜，但转拖动的电机一般属于普通电机，价格便宜，但转速较低。对于速较低。对于4 4极电机，最高转速小于极电机，最高转速小于 。600minr 电网侧的功率因数与负载的功率因数成正比，感应电电网侧的功率因数与负载的功率因数成正比，感应电动机的功率因数低，电网侧的功率因数也低。为了提动机的功率因数低，电网侧的功率因数也低。为了提高功率因数，有时需要安装容量较大的无功补偿装置。高功率因数，有
35、时需要安装容量较大的无功补偿装置。近年来出现了一种新颖的矩阵式变频电路，这种电路近年来出现了一种新颖的矩阵式变频电路，这种电路也是一种直接变频电路，电路所用的开关器件是全控也是一种直接变频电路，电路所用的开关器件是全控型的，控制方式不是相控方式，而是斩控方式。其优型的，控制方式不是相控方式，而是斩控方式。其优点是输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率的限点是输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率的限制；输入电流也可控制为正弦波且和电压同相，功率制；输入电流也可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为因数为1 1，也可控制为需要的功率因数；能量可双向流，也可控制为需要的功率因数；能量可双向流动，适用
36、于交流电动机的四象限运行；不通过中间环动，适用于交流电动机的四象限运行；不通过中间环节而直接实现变频，效率较高。因此，这种电路的电节而直接实现变频，效率较高。因此，这种电路的电气性能是十分理想的。但由于还没有理想的功率器件，气性能是十分理想的。但由于还没有理想的功率器件，还未到实际应用阶段。还未到实际应用阶段。2.2.交直交直交变频器交变频器 交直交变频器是将恒压恒频的交流电通过整流电交直交变频器是将恒压恒频的交流电通过整流电路变换成直流，然后再经逆变将直流变换成变压变频路变换成直流，然后再经逆变将直流变换成变压变频的交流电。这种变频器虽然多了一个中间直流环节，的交流电。这种变频器虽然多了一个
37、中间直流环节，但输出交流电的频率可高于电网的频率。但输出交流电的频率可高于电网的频率。按控制方式的不同交直交变频器可分为三种。按控制方式的不同交直交变频器可分为三种。（1 1）用可控整流调压、逆变器调频的交直交变频器）用可控整流调压、逆变器调频的交直交变频器 （2 2）用不可控整流器整流、用斩波器调压、再用逆变器）用不可控整流器整流、用斩波器调压、再用逆变器调频的交直交变频器调频的交直交变频器 （3 3）用不可控整流器整流、用）用不可控整流器整流、用PWMPWM逆变器同时调压调频逆变器同时调压调频的交直交变频器的交直交变频器（4 4）用）用PWMPWM可控整流器整流、用可控整流器整流、用PWM
38、PWM逆变器同时调压调频逆变器同时调压调频的交直交变频器的交直交变频器 交直交直交变频器的基本结构交变频器的基本结构 交直交直交变频器的基本结构交变频器的基本结构 交直交变频器的主要特点交直交变频器的主要特点 逆变器换相条件要求电动机工作在超前功率因逆变器换相条件要求电动机工作在超前功率因数区，变频装置容量大，过载能力低；数区，变频装置容量大，过载能力低；欲提高过载能力，需减少电动机的定子漏抗，欲提高过载能力，需减少电动机的定子漏抗，电动机短粗，转动惯量大，动态性能差；电动机短粗，转动惯量大，动态性能差；电动机电流谐波分量较大。损耗增加，转矩脉电动机电流谐波分量较大。损耗增加，转矩脉动动量大；
39、动动量大；输出频率没有特别限制。输出频率没有特别限制。交直交变频器主要适用于中小功率、转速交直交变频器主要适用于中小功率、转速较高、负载较平稳的场合，如压缩机、挤压机、较高、负载较平稳的场合，如压缩机、挤压机、给水泵等。给水泵等。a）电压源型三相串联电感式逆变器电压源型三相串联电感式逆变器 b b）电压源型具有辅助换流晶闸管的逆变器电压源型具有辅助换流晶闸管的逆变器 c c）电流源型逆变器电流源型逆变器 d）PWM逆变器逆变器 变频器的分类变频器的分类 变频器的种类很多，分类方法也有很多种。变频器的种类很多，分类方法也有很多种。通过了解它们的分类，有利于我们认识变频通过了解它们的分类，有利于我
40、们认识变频器的性质和区别，这是用好变频器的前提。器的性质和区别，这是用好变频器的前提。前面我们已经介绍了两种分类，按应用分，前面我们已经介绍了两种分类，按应用分，有通用变频器和专用变频器；按结构分，有有通用变频器和专用变频器；按结构分，有交交变频器（直接变频器）和交直交交交变频器（直接变频器）和交直交变频器（间接变频器）。除此之外，还有如变频器（间接变频器）。除此之外，还有如下分类方式下分类方式：1.1.按直流侧电源性质分按直流侧电源性质分 （1）电压源型变频器。）电压源型变频器。（2）电流源型变频器。）电流源型变频器。变频器的负载通常是感应电机，其功率因数小于变频器的负载通常是感应电机，其功
41、率因数小于1，故在中间直流环节和电动机之间总存在无功，故在中间直流环节和电动机之间总存在无功功率的交换。由于逆变器中的电力电子器件无法功率的交换。由于逆变器中的电力电子器件无法储能，所以无功功率只能靠直流环节中的储能元储能，所以无功功率只能靠直流环节中的储能元件缓冲。如果采用电容作为无功功率缓冲环节，件缓冲。如果采用电容作为无功功率缓冲环节，直流侧电源相当于一个低阻抗的电压源，因此称直流侧电源相当于一个低阻抗的电压源，因此称为电压源型变频器；如果采用电抗器作为无功功为电压源型变频器；如果采用电抗器作为无功功率缓冲环节，直流侧电源相当于一个高阻抗的电率缓冲环节，直流侧电源相当于一个高阻抗的电流源
42、，则称为电流源型变频器。电压源型变频器流源，则称为电流源型变频器。电压源型变频器和电流源型变频器的主要特点列于表和电流源型变频器的主要特点列于表1。2.按输出电压调节方式分按输出电压调节方式分 （1）PAM方式方式 脉冲幅值调节方式是通过改变直流侧脉冲幅值调节方式是通过改变直流侧电压幅值进行调压的。在变频器中，逆变器只负责调电压幅值进行调压的。在变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压侧由相控整流器或直流斩波节输出频率，而输出电压侧由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压去实现。采用相控整流器调压时，器通过调节直流电压去实现。采用相控整流器调压时，网侧的功率因数随调节深度的增加而变低；而
43、采用直网侧的功率因数随调节深度的增加而变低；而采用直流斩波器调压时，网侧的功率因数在不考虑谐波影响流斩波器调压时，网侧的功率因数在不考虑谐波影响时，可达到时，可达到 1。（2）PWM方式方式 变频器中的整流器采用不可控的整变频器中的整流器采用不可控的整流二极管整流电路。变频器的输出电压和输出频率均流二极管整流电路。变频器的输出电压和输出频率均由逆变器按由逆变器按PWM方式调节。为了得到方式调节。为了得到PWM波形，采波形，采用基准波信号欲载波信号比较的方法。用基准波信号欲载波信号比较的方法。PWM波的产波的产生如图所示。生如图所示。结结 论论 综上可见，要减小非正弦供电时感应电机运行综上可见，
44、要减小非正弦供电时感应电机运行性能的不良影响，关键是要减小和限制谐波电性能的不良影响，关键是要减小和限制谐波电压和电流。一般来说，电压源型非正弦电源输压和电流。一般来说，电压源型非正弦电源输出电压谐波确定，需选用漏抗大的电机来限制出电压谐波确定，需选用漏抗大的电机来限制谐波电流及其影响；电流源型非正弦电源输出谐波电流及其影响；电流源型非正弦电源输出电流谐波成份确定，需选用漏磁小的电机来减电流谐波成份确定，需选用漏磁小的电机来减小所产生的谐波电压及其影响。根据电机漏抗小所产生的谐波电压及其影响。根据电机漏抗大小来选配非正弦电源及电机是调速系统设计大小来选配非正弦电源及电机是调速系统设计中需要考虑
45、的问题。中需要考虑的问题。感应电机的标量控制感应电机的标量控制 由变压变频（由变压变频（VVVF）装置给笼型感应）装置给笼型感应电机供电所组成的调速系统叫做变压变电机供电所组成的调速系统叫做变压变频调速系统。和直流电机变压调速系统频调速系统。和直流电机变压调速系统相似，在调速时，机械特性基本上平行相似，在调速时，机械特性基本上平行地上下移动，而转差功率不变。在各种地上下移动，而转差功率不变。在各种感应电机调速系统中，变压变频调速的感应电机调速系统中，变压变频调速的效率最高，性能最好，是当前交流调速效率最高，性能最好，是当前交流调速的主要发展方向。的主要发展方向。数字控制的数字控制的SPWM变频
46、调速系统变频调速系统 SPWM变频器输入电流波形变频器输入电流波形 二极管整流器虽然是全波整流二极管整流器虽然是全波整流 装置，但由于其输出端滤波电装置，但由于其输出端滤波电 容的存在，只有当交流电压峰容的存在，只有当交流电压峰 值超过电容电压时，整流电路值超过电容电压时，整流电路 才有充电电流流通，交流电压才有充电电流流通，交流电压 低于电容电压时，电流便立即低于电容电压时，电流便立即 中止，因此，输入电流呈脉冲波形，如图所示。这样中止，因此，输入电流呈脉冲波形，如图所示。这样 的电流波形会有较大的谐波分量，使电源受到污染。的电流波形会有较大的谐波分量，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于
47、容量较大的为了抑制谐波电流，对于容量较大的SPWM变频器，变频器，都应在输入端设进线电抗器都应在输入端设进线电抗器Lin也可用来抑制电源电压也可用来抑制电源电压 不平衡的影响。不平衡的影响。SPWM变压变频器的基本控制作用图变压变频器的基本控制作用图 现代现代SPWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的SPWM信号。微机芯片主要采用信号。微机芯片主要采用8位或位或16位的单片机、位的单片机
48、、32位的位的DSP，现在已有应用现在已有应用RISC的产品出现。的产品出现。SPWM信号可信号可以由微机本身用软件实时计算机或用查表法生成，也以由微机本身用软件实时计算机或用查表法生成，也可采用专用的可采用专用的SPWM集成电路芯片。现代单片机本身集成电路芯片。现代单片机本身能力很强，常把能力很强，常把SPWM生成功能包括在内，由生成功能包括在内，由SPWM端口直接输出。端口直接输出。需要设定的信息主要有曲线需要设定的信息主要有曲线 、工作频率、频率上、工作频率、频率上升时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能升时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。的设定。U fSPWM变
49、压变频器的基本控制作用图变压变频器的基本控制作用图 IGBT的基础知识的基础知识 IGBT的开关作用是通过施加正向栅极电压形成的开关作用是通过施加正向栅极电压形成沟道，给沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使晶体管提供基极电流，使IGBT导通。导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使使IGBT关断。关断。IGBT的驱动方法和的驱动方法和MOSFET基本相基本相同，只需控制输入极同，只需控制输入极 N沟道沟道 MOSFET，所以具有高，所以具有高输入阻抗特性。当输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从的沟道形成后，从 P+基基极注
50、入到极注入到 N 一层的空穴（少子），对一层的空穴（少子），对N一层进行电导一层进行电导调制，减小调制，减小N一层的电阻，使一层的电阻，使IGBT在高电压在高电压 时也具时也具有低的通态电压。有低的通态电压。IGBT 的工作特性包括静态和动态两类：的工作特性包括静态和动态两类：1 静态特性静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。关特性。IGBT的伏安特性是指以栅源电压的伏安特性是指以栅源电压 Ugs 为参变量时，为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压比受
