电压型三相交流变频调速系统的设计.doc

电压型三相交流变频调速系统设计
摘要：本课题重要是研究电压型三相交流SPWM变频技术基本原理、实现办法及软硬件设计，完毕系统软硬件设计。规定完毕内容重要有：1、变频调速技术基本原理2、变频调速基本原理3、控制方案拟定4、软件与硬件设计5、实验调试。涉及重要有关知识：电力电子及运动控制、微机控制。在普通状况下交流异步电动机用作调速机时，它控制电路复杂，系统效率较低。采用单片机微机控制交流异步电动机变频调速系统使起控制电路大为简化，使用正弦脉宽调制（SPWM）驱动，系统效率也有所提高。
交流异步电动机变频调速，实际中多采用脉冲宽度调制（PWM），完毕调频和调压两种功能。用单片微机实现（PWM）来控制可使调节灵活，电路简化。本设计采用MCS51系列单片微机控制PWM，在300W二相异步交流电机上进行运营实验。
老式交流变频调速系统由正弦波和锯齿波相交产生所需脉宽调制波实现恒压额比变频调速控制。这种系统由于采用模仿控制，设备复杂、调节困难，且控制精度低，可靠性差，因而限制了这种系统应用。与上述老式系统相比，本系统具备如下特点：采用新型大规模专用集成电路产生脉宽调制波，使波形稳定，精度和可靠性明显增长。以单片机8031CPU为核心全数字控制．电路简朴，调节迅速，进一步提高了控制精度。
核心词：电压型三相PWM整流器，变频调速，单片机，交流电机；

Design of three-phase Voltage-type Inverter Control System
ABSTRACT： Focus is Studying SPWM three-phase voltage-type AC inverter with the fundamental principles in this paper，and designing the methods and software and hardware，and complete system software and hardware. The main completion on：1.the basic principles of VVVF technology 2. three basic principles of Frequency Control，the control scheme for the 4，5 software and hardware design，experimental debugging. The main relevant knowledge：power electronics and motion control，computer control. Under normal circumstances in exchange for motor asynchronous speed machine，it's complicated control circuits，the system's efficiency is low. SCM using computer control the exchange of asynchronous motor Frequency Control System that has greatly simplified control circuit，the use of SPWM (SPWM) drive，the system has improved efficiency.
Induction Motor Frequency Control，in the actual use of pulse width modulation (PWM)，and completed FM Surge two functions. To achieve single-chip microprocessor (PWM) to control can adjust flexibly，to simplify circuit. This design by the MCS51 series of single-chip microprocessor achives PWM control，300W in the two-phase asynchronous motor exchanges on running the experiment.
The traditional exchange of Frequency Control System from the intersection of a sine wave and the sawtooth PWM wave of constant pressure to achieve than the frequency for arrest control. As a result of this analog control system，equipment complex and difficult adjustment，and low-precision control，reliability poor，thus limiting the application of such a system. With the traditional systems，this system has the following characteristics：a new type of large-scale ASIC PWM wave，the wave stability，accuracy and reliability of a significant increase in SCM (8031 CPU as the core of digital control. Circuit simple to adjust quickly to further enhance the control accuracy.
Keywords：Three-Phase PWM voltage rectifier，Frequency Control，SCM，AC motor，computer control

第1章 前言
1.1 电力电子技术发展与创新
1.1.1 概述
自20世纪50年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上自20世纪50年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上当代电气传动技术舞台，以此为基本开发可控硅整流装置，是电气传动领域一次革命，使电能变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成变流器时代，这标志着电力电子诞生。进入20世纪70年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流系列产品，普通晶闸管不能自关断半控型器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平不断提高，电力电子器件在容易和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术又一次奔腾，先后研制出GTR、GTO，功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表第三代电力电子器件，开始向大容易高频率，响应快，低损耗方向发展。而进入20世纪90年代电力电子器件正朝着复台化 原则模块化、智能化功率集成方向发展，以此为基本形成一条以电力电子技术理论研究，器件开发研制，应用渗入性，在国际上电力电子技术是竞争最激烈高新技术领域。
1.1.2 电力电子器件发展回顾
整流管是电力电子器件中构造最简朴，应用最广泛一种器件。当前已形成普通型，快恢复型和肖特基型三大系列产品，电力整流管对改进各种电力电子电路性能，减少电路损耗和提高电流使用效率等方面都具备非常重要作用。自1958年美国通用电气GE公司研制出第一种工业用普通晶闸管开始，其构造改进和工艺改革为新器件开发研制奠定了基本，在后来十年间开发研制出双向，逆变、逆导、非对称晶闸管，至今晶闸管系列产品仍有较为广泛市场。20世纪70年代研制出GTR系列产品，其额定值已达1．8kV／0．8kA／2kHZ，0．6kV／0．003kA／100kHZ，它具备构成电路灵活成熟，开关损耗小、开关时问短等特点，在中档容量、中档频率电路中应用广泛，而作为高性能，大容量第三代绝缘栅型双极性晶体管IGBT，因其具备电压型控制，输入阻抗大、驱动功率小，开关损耗低及工作频率高等特点，有着辽阔发展前景。而IGCT是近来发展起来新型器件，它是在GTO基本上发展起来器件，称为集成门极换流晶闸管，也有人称之为发射极关断晶闸管，它瞬时开关频率可达20kHz，关断时间为1s，di1dt4kA／ms，du／dtl020KV／ms，交流阻断电压6kV，直流阻断电压3．9kV，开关时间<2ks，导通压降3600A时，开关频率>1000Hz。
1.1.3 电力电子器件发展趋势
当咱们将50Hz原则二频大幅提高之后，使用这样工频电气设备体积与重量就能大大缩小，使电气设备制造节约材料，运营时节电就更加明显，设备系统性能亦大为改进，特别是对航天工业其意义十分深远。故电力电子器件高频化是此后电力电子技术创新主导方向，而硬件构造原则模块是器件发展必然趋势，当前先进模块，已经涉及开关元件和与其反向并联续流二极管在内及驱动保护电路各种单元，并都以原则化和生产出系列产品，并且可以在一致性与可靠性上达到极高水平。当前世界上许多大公司已开发出IPM智能化功率模块，如日本三菱东芝及美国国际整流器公司已有成熟产品推出。El本新电源公司IPM智能化功率模块重要特点是：
(1)它内部集成了功率芯片，检测电路及驱动电路，使主电路构造为最简。
(2)其功率芯片采用是开关速度高，驱动电流小IGBT，且自带电流传感器，可以高效地检测出过电流和短路电流，给功率芯片以安全保护。
(3)在内部配线上将电源电路和驱动电路配线长度控制到最短，从而较好地解决了浪涌电压及噪声影响误动作等问题。
(4)自带可靠安全保护办法，当故障发生时能及时关断功率器件并发出故障信号，对芯片实行双重保护，以保证其运营可靠性。
1.1.4 电力电子技术创新
98年末朱总理明确批示，此后必要加快国家创新体系建设，因而可以必定说，在21纪初国家发展中，技术创新将要变成公司工作主导内容，而发展与建立适合中华人民共和国国情电气工业技术创新机制，通过电力电子技术长足进步推动新型电气工业不断升级和进步进而走向世界。电力电子技术又称为能流技术，因而电力电子技术发展与创新是21世纪可持续发展战略大纲重要构成某些。电力电子技术创新与电力电子器件制造工艺，已成为世界各国工业自动化控制和机电一体化领域竞争最激烈阵地，各发达国家均在这一领域注入极大人力，物力和财力，使之进入高科技行业，就电力电子技术理论研究言，当前日本、美国及法国、荷兰、丹麦等西欧国家可以说是齐头并进，在这些国家各种先进电力电子功率量不断开发完善，增进电力电子技术向着高频化迈进，实现用电设备高效节能，为真正实现工控设备小型化，轻量化，智能化奠定了重要技术基本，也为21世纪电力电子技术不断拓展创新描绘了辽阔前景。国内开发研制电力电子器件综合技术能力与国外发达国家相比，仍有较大差距，要发展和创新国内电力电子技术，并形成产业化规模，就必要走有中华人民共和国特色产学创新之路，即牢牢坚持和掌握产、学、研相结合办法走共同发展之路。从跟踪国外先进技术，逐渐走上自主创新，从交叉学科互相渗入中创新，从器件开发选取及电路构造变换上创新，这对电力技术创新是特别实用。也要从器件制造工艺技术引导创新，从新材料科学应用上创新，以此推动电力电子器制造工艺技术创新，提高器件可靠性。由此形成基本积累型创新之路。并要把技术创新与产品应用及市场推广有机结合，已加快科技创新自我强化循环，增进和带动技术创新有着稳定基本，以使国内电力电子技术及器件制造工艺技术有以长足发展，并形成一种全新圾阳产业，转化为巨大生产力，推动国内工业领域由粗板型经营走向集型，增进国民经济以高速、高度、可持续发展。
1.2 设计本课题总思路
本文对于逆变器供电变频调速系统进行了分析，并设计了一种以MCS-51系列单片机为基本生成SPWM来控制逆变器控制系统。一方面，在逆变器供电交流调速系统中，电动机运营条件发生了很大变化，针对逆变器供电特点给出了变频调速异步电动机选取办法。另一方面，对于新型器件应用做了阐明，依照新型功率器件特点和应用规定，设计出了逆变器驱动电路和保护电路，使得新型功率器件应用更加安全。最后，为适应变频调速电机规定，设计了一套基于单片机生成SPWM控制逆变器来控制电动机变频调速系统，对于硬件电路某些和实现控制方略软件某些进行设计。
1.3 设计任务及规定
本课题重要是研究电压型三相交流SPWM变频技术基本原理、实现办法及软硬件设计，完毕系统软硬件设计。规定完毕任务重要有：
1、变频调速技术基本原理
2、变频调速基本原理
3、控制方案拟定
4、软件与硬件设计
5、实验调试
规定设计一种完整电压型三相交流SPWM变频系统，并进行有关实验。
资料：规定在图书馆和查阅与参照变频调速系统及电力电子有关书籍基本上，写出开题报告，设计中写好设计日记、设计阐明书完整、软件清单、设计图纸完整。

第2章 变频调速基本原理及应用
2.1 变频调速技术发展
近来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模仿控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改进工艺流程以提高产品质量和改进环境、推动技术进步一种重要手段。变频调速以其优秀调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果，广泛合用范畴及其他许多长处而被国内外公以为最有发展前程调速方式。
2.1.1 变频技术发展方向
(1)交流变频向直流变频方向转化
直流变频是以数字转换电路代替交流变频中交流转换电路，使负载电机始终处在最佳运营状态。它摒弃了交流变频技术交流－直流－交流－变转速方式交流电机循环工作方式，采用先进交流－直流－变转速方式数字电机控制技术，无逆变环节，因而减少电流在工作中转变次数，使电能转化效率大大提高，可以实现精准控制，平稳安静高效地运转。同步，避免了交流变频电机电磁噪声较大缺陷，噪声更加低。
(2)控制技术由PWM（脉宽调制）向PAM（脉幅调制）方向发展
采用PWM控制方式电机转速受到上限转速限制。如对压缩机来讲，普通不超过7000r/min。而采用PAM控制方式压缩机转速可提高1.5倍左右，这样大大提高了迅速制冷和制热能力。同步，由于PAM在调节电压时具备对电流波形整形作用，因而可以获得比PWM更高效率。此外，在抗干扰方面也有着PWM无法比拟优越性，可抑制高次谐波生成，减小对电网污染。
(3)功率器件向高集成智能功率模块发展
虽然单个功率器件效率越来越高，控制简化，但电复杂性给生产和测试带来不便。智能功率模块（IPM）是将功率器件配备、散热乃至驱动问题在模块中解决，因而易于使用，可靠性高。以变频空调为例，国内变频空调几乎100％采用IPM方式。近年来带驱动和保护电路智能功率模块（IPM）相继面市。IPM是将三相逆变IGBT、驱动电路以及保护电路集成在一块芯片上。它浮现推动了变频家电市场启动和发展。新型IPM模块甚至将开关电源也设计在模块内，更加以便顾客使用，顾客只需要理解接口电路和定义，不久可以构成运营系统。
2.1.2 交流变频调速技术发展
交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体综合性技术，既要解决巨大电能转换（整流、逆变），又要解决信息收集、变换和传播，因而它共性技术必然提成功率和控制两大某些。其重要发展方向有如下几项：
(1)实现高水平控制。基于电动机和机械模型控制方略，有矢量控制、磁场控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等；基于当代理论控制方略，有滑模变构造技术、模型参照自适应技术、采用微分几何理论非线性解耦、鲁棒观测器，在某种指标意义下最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计办法等；基于智能控制思想控制方略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样自优化、自诊断技术等。
(2)开发清洁电能变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器功率因数为1，网侧和负载侧有尽量低谐波分量，以减少对电网公害和电动机转矩脉动。对中小容量变流器，提高开关频率PWM控制是有效。对大容量变流器，在常规开关频率下，可变化电路构造和控制方式，实现清洁电能变换。
(3)缩小装置尺寸。紧凑型变流器规定功率和控制元件具备高集成度，其中涉及智能化功率模块、紧凑型光耦合器、高频率开关电源，以及采用新型电工材料制造小体积变压器、电抗器和电容器。
(4)高速度数字控制。以32位高速微解决器为基本数字控制模板有足够能力实现各种控制算法，Windows操作系统引入使得可自由设计，图形编程控制技术也有很大发展。
(5)模仿与计算机辅助设计（CAD）技术。电机模仿器、负载模仿器以及各种CAD软件引入对变频器设计和测试提供了强有力支持。
重要研究开发项目有如下各项：
(1)数字控制大功率交-交变频器供电传动设备。
(2)大功率负载换流电流型逆变器供电传动设备在抽水蓄能电站、大型风机和泵上推广应用。
(3)电压型GTO逆变器在铁路机车上推广应用。
(4)电压型IGBT、IGCT逆变器供电传动设备扩大功能，改进性能。如4象限运营，带有电极参数自测量与自设定和电机参数变化自动补偿以及无传感器矢量控制、直接转矩控制等。
(5)风机和泵用高压电动机节能调速研究。众所周知，风机和泵改用调速传动后节约大量电力。特别是电压电动机，容量大，节能效果更明显。
2.2 变频调速基本原理
2.2.1 变频调速工作原理p——磁极对数
由电机学理论可知，电动机转速为n=60f/p，式中f—电源频率；p—磁极对数；当P为定值时，n与f成正比。如果持续地变化供电电源频率就可以调节电动机转速，这就是变频调速工作原理。而变频调速核心设备就是变频器它决定整个调速系统性能。当前使用较多是“交—直—交”变频，将50Hz交流整流为直流电Ud，再由三相逆变器将直流逆变为频率可调三相交流供应鼠笼电机实现变频调速。频率下降会导致磁通增长，导致磁路饱和，励磁电流增长，功率因数下降，铁心和线圈过热。
2.2.2 变频调速控制原理
变频调速装置主电路由空气开关QF1，交流接触器KM1和变频器VF构成，由安装在配电柜面板上转换开关SA，复位开关SB；或安装在现场防爆操作柱上启动按钮SB和停止按钮SB2控制VF运营：
(1)启动VF时必要先合上QF1和QF2，使SA置于启动位置，KM1便带动电触点闭合，来电显示灯HL2亮；此时按下SB，也可以按下现场SB1使KA1带电触点闭合，VF投入运营同步运营批示灯HL3亮。
(2)需要停止VF时，按下SB2使KA1失电，VF停止运营，此时HL3灭；置SA于停止位置，KM1断开同步HL1亮，表达停机。
(3)如果在运营过程中VF有故障FLA、FLC端口将短接，KA2带电，KM带电其触点断开，同步故障批示灯HL3亮并报警。
由于工艺条件复杂，实际运营过程中有多方面不拟定因素，为安全其见，每台变频器均加有一旁路接触器 KM2；如果KM1或VF发生故障时保证电机仍能变频运营。变频调速实行闭环负反馈自动控制即由仪表装置供应变频器1V和CC端口4～20MA电信号，靠信号大小变化来控制VF频率高低变化达到调节电动机转速和输出功率目，原理图如图2.1所示：
单片机控制系统
变频器
变频器
压力传感器
A∕D
放大器

图2.1 系统控制原理图
2.2.3 变频调速性能比较
变频调速相对于老式电磁调速有着较好性能，如下是两者比较见表1：
比较项目
变频调速
电磁调速

保护功能

有电机过热，过流，过载，过压，欠压，缺相，接地等保护，使电机运营更安全可靠
无保护，需另加电机保护装置。

节电功能
依照负载调节输出电压高低，最大限度地提高电机功率因数和效率，在减速时能自动将电动机再生能量反馈到供电电网，实现再生反馈制动，节电效果明显。
无节电功能，需另加节电控制装置。

软启动功能
启动时电压，电流，转矩距随加速时间逐渐增大，使电机非常平稳地加速无任何冲击。
无软启动功能，对较大功率 电机需另加控制器。

控制功能
多段转速，正，反转，同步，比例运营，PID控制，PLC控制，PC闭环控制，计算机控制等。
无控制功能，需另加控制装置。
制动功能
制动过程可随意控制
无制动功能，需另加制动装置。
调速范畴
0～50Hz持续可调
只能接近而不能超过额定转速，且不能长时间运营。
效率
COSΦ＞95%,且与转速无关，输入功率随转速 下降而减少，节电效果明显。
随转速下降而减少，不论转速高低输入功率基本不变，电源挥霍较大。
转速变化率
机械特性硬，转速与负载大小几乎无关。
机械特性软，特别在低速时受负载影响较大。
表1 变频调速性能比较
以上比较可看出变频调速无论是调速性能还是控制性能都远远超过电磁调速，并且其重要特点是能自动将电动机再生能量反馈到供电电网，实现再生反馈制动，节电效果明显 ，较之电磁调速相比，可节约电能在35％以上。由此可以看出变频涮速系统有很大发展空间，是将来自动化调速系统发展方向。
2.3 变频器
变频器是运用电力半导体器件通断作用将工频电源变换为另一频率电能控制装置。咱们当前使用变频器重要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制交流电源以供应电动机。变频器电路普通由整流、中间直流环节、逆变和控制4个某些构成。整流某些为三相桥式不可控整流器，逆变某些为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
2.3.1 变频器选型
变频器选型时要拟定如下几点：
(1)采用变频目；恒压控制或恒流控制等。
(2)变频器负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载性能曲线，性能曲线决定了应用时方式办法。
(3)变频器与负载匹配问题；
①电压匹配；变频器额定电压与负载额定电压相符。
②电流匹配；普通离心泵，变频器额定电流与电机额定电流相符。对于特殊负载如深水泵等则需要参照电机性能参数，以最大电流拟定变频器电流和过载能力。
③转矩匹配；这种状况在恒转矩负载或有减速装置时有也许发生。
(4)在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机电抗小，高次谐波增长导致输出电流值增大。因而用于高速电机变频器选型，其容量要稍不不大于普通电机选型。
(5)变频器如果要长电缆运营时，此时要采用办法抑制长电缆对地耦合电容影响，避免变频器出力局限性，因此在这样状况下，变频器容量要放大一档或者在变频器输出端安装输出电抗器。
(6)对于某些特殊应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器降容，变频器容量要放大一挡。
2.3.2 变频器工作原理
变频器是一种将电网电源整流后再逆变成频率、电压可变交流电，供三相交流电动机专用。电源装置变频调速主装置主回路由充电接触器、进线电抗器、充电电容、平波电容绢和6组SKIIP模块构成。而6个SKIIP模块构成二组,三相桥式交流电路，其中一组为变频器输出逆变器；另一组为向发电电网反馈逆变桥。在变频调速时，电动机转矩Tmax =Cm (u／f)2 式中：Cm--电动机常数；u--电源电压；f--电源频率。如果在变化f同步同步变化电源电压u即可实现转矩T不变调速性能其原理图如图2.2所示。

图2.2 变频器原理图
2.3.3 频器运营和有关参数设立
变频器设定参数多，每个参数均有一定选取范畴，使用中经常遇到因个别参数设立不当，导致变频器不能正常工作现象。
控制方式：即速度控制、转矩控制、PID控制或其她方式。采用控制方式后，普通要依照控制精度，需要进行静态或动态辨识。
最低运营频率：即电机运营最小转速，电机在低转速下运营时，其散热性能很差，电机长时间运营在低转速下，会导致电机烧毁。并且低速时，其电缆中电流也会增大，也会导致电缆发热。
最高运营频率：普通变频器最大频率到60Hz，有甚至到400Hz，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间超额定转速运营，电机转子与否能承受这样离心力。
载波频率：载波频率设立越高其高次谐波分量越大，这和电缆长度，电机发热电缆发热变频器发热等因素是密切有关。
电机参数：变频器在参数中设定电机功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。
跳频：在某个频率点上，有也许会发生共振现象，特别在整个装置比较高时；在控制压缩机时，要避免压缩机喘振点。
2.4 变频调速应用
2.4.1 变频调速技术实际运用分析
(1)变频调速实行工艺过程控制，由于生产流程和工艺条件复杂性；不通过实践有些问题不被人们结识，只有通过实践才干找出解决这此问题办法和途径。 闭环控制回路中，变频器作用类似风开式调节阀，对于实用风关式调节阀控制回路需在变频器上设定最低下降频率，当仪表装置故障时变频器输出最低频率，保证电机运转，维持工艺流程最低安全量，不至于生产中断。
(2)机泵有多条支路状况是变频调速闭环控制难点。这里考虑因素诸多，状况也千差万别，选定控制方案要进行缜密分析和细致比较，否则会导致项目失败。普通状况下多条支路流量压力差别较大时，选取流量大或压力高支路作为调节参数，控制变频器，其他支路采用调节阀，当量上支路控制参数发生变化或扰动所需调节量很小，不致于对量支路导致影响，而量大支路，控制参数变化所需调节量，能满足小支路调节，最后达到平衡。
(3)所有变频器均安装在配电柜机，安全起见，均加有旁路接触器KM2，当变频调速装置浮现故障时，电机可以自动切换到旁路正常运营，这一点是很重要，由于变频器许多操作状况咱们不很熟悉一旦出故障便失去调节手段。
2.4.2 国内变频调速技术应用
纵观国内变频调速技术应用，总说来走是一种由实验到实用，由零星到大范畴，由辅助系统到生产装置，由单纯考虑节能到全民改进工艺水平，由手动控制到自动控制，由于低压中小容量到高压大容量，一句话，由低档到高档过程。近年来，国家经贸委始终会同国家关于部门致力于变频调速技术开发及推广应用，在技术开发、技术改造方面予以了重点扶持，组织了变频调速技术评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项重点投资方向，同步勉励单位开展统贷统还方式，抓开发、抓示范工程、抓推广应用。据关于资料表白，国内变频调速技术已经获得了如下成绩。
(1)变频调速技术应用范畴已发展到新阶段。石油、石化、机械、冶金等行业都通过了单系统试用、大量使用和整套装置系统使用3个发展阶段。
(2)变频调速技术已成为节约能源及提高产品质量有效办法。诸多顾客实践成果证明，节电率普通在10% ～30%，更重要是生产中某些技术难点也得到解决。
变频调速技术作为高新技术、基本技术、和节能技术，已经渗入到经济领域所有技术部门中。国内后来在变频调速技术方面应积极做工作如下：
(1)应用变频调速技术来改造老式产业，节约能源及提高产品质量，获得较好经济效益和社会效益。
(2)大力发展变频调速技术，必须把国内变频调速技术提高到一种新水平，缩小与世界先进水平差距，提高自主开发能力，满足国民经济重点工程建设和市场需求。
(3)规范国内变频调速技术方面原则，提高产品可靠性工艺水平，实现规模化、原则化生产。
第3章 脉宽调制技术
脉宽调制(PWM全称是Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制）)是运用微解决器数字输出来对模仿电路进行控制一种非常有效技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换许多领域中。 采样控制理论中有一种重要结论：冲量相等而形状不同窄脉冲加在具备惯性环节上时，其效果基本相似。PWM控制技术就是以该结论为理论基本，对半导体开关器件导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其她所需要波形。按一定规则对各脉冲宽度进行调制，既可变化逆变电路输出电压大小，也可变化输出频率。
PWM控制基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平制约，在上世纪80年代此前始终未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件浮现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术发展以及各种新理论办法，如当代控制理论、非线性系统控制思想应用，PWM控制技术获得了空前发展。到当前为止，已浮现了各种PWM控制技术，依照PWM控制技术特点，到当前为止重要有如下8类办法。
3.1 相电压控制PWM
3.1.1 等脉宽PWM法
VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在初期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现，其逆变器某些只能输出频率可调方波电压而不能调压。等脉宽PWM法正是为了克服PAM法这个缺陷发展而来，是PWM法中最为简朴一种。它是把每一脉冲宽度均相等脉冲列作为PWM波，通过变化脉冲列周期可以调频，变化脉冲宽度或占空比可以调压，采用恰当控制办法即可使电压与频率协调变化。
3.1.2 随机PWM
其原理是随机变化开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀)，尽管噪音总分贝数未变，但以固定开关频率为特性有色噪音强度大大削弱。正由于如此，虽然在IGBT已被广泛应用今天，对于载波频率必要限制在较低频率场合，随机PWM依然有其特殊价值；另一方面则阐明了消除机械和电磁噪音最佳办法不是盲目地提高工作频率，随机PWM技术正是提供了一种分析、解决这种问题全新思路。
3.1.3 SPWM法
SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟、当前使用较广泛PWM法。前面提到采样控制理论中一种重要结论：冲量相等而形状不同窄脉冲加在具备惯性环节上时，其效果基本相似。SPWM法就是以该结论为理论基本，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件通断，使其输出脉冲电压面积与所但愿输出正弦波在相应区间内面积相等，通过变化调制波频率和幅值则可调节逆变电路输出电压频率和幅值。该办法实既有如下几种方案。
⒈ 等面积法
⒉ 硬件调制法
⒊ 软件生成法
⒋ 低次谐波消去法
3.1.4 梯形波与三角波比较法
前面所简介各种办法重要是以输出波形尽量接近正弦波为目，从而忽视了直流电压运用率，如SPWM法，其直流电压运用率仅为86.6%。因而，为了提高直流电压运用率，提出了一种新办法——梯形波与三角波比较法。该办法是采用梯形波作为调制信号，三角波为载波，且使两波幅值相等，以两波交点时刻控制开关器件通断实现PWM控制。
由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时，其所含基波分量幅值已超过了三角波幅值，从而可以有效地提高直流电压运用率。但由于梯形波自身具有低次谐波，因此输出波形中具有5次、7次等低次谐波。
3.2 线电压控制PWM
前面所简介各种PWM控制办法用于三相逆变电路时，都是对三相输出相电压分别进行控制，使其输出接近正弦波，但是，对于像三相异步电动机这样三相无中线对称负载，逆变器输出不必追求相电压接近正弦，而可着眼于使线电压趋于正弦。因而，提出了线电压控制PWM，重要有如下两种办法。
3.2.1 马鞍形波与三角波比较法
马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入PWM方式(HIPWM)，其原理是在正弦波中加入一定比例三次谐波，调制信号便呈现出马鞍形，并且幅值明显减少，于是在调制信号幅值不超过载波幅值状况下，可以使基波幅值超过三角波幅值，提高了直流电压运用率。在三相无中线系统中，由于三次谐波电流无通路，因此三个线电压和线电流中均不含三次谐波。除了可以注入三次谐波以外，还可以注入其她3倍频于正弦波信号其她波形，这些信号都不会影响线电压。这是由于，通过PWM调制后逆变电路输出相电压也必然包括相应3倍频于正弦波信号谐波，但在合成线电压时，各相电压中这些谐波将互相抵消，从而使线电压仍为正弦波。
3.2.2 单元脉宽调制法
由于，三相对称线电压有Uuv+Uvw+Uwu=0关系，因此，某一线电压任何时刻都等于此外两个线电压负值之和。当前把一种周期等分为6个区间，每区间60°，对于某一线电压例如Uuv，半个周期两边60°区间用Uuv自身表达，中间60°区间用-(Uvw+Uwu)表达，当将Uvw和Uwu作同样解决时，就可以得到三相线电压波形只有半周内两边60°区间两种波形形状，并且有正有负。把这样电压波形作为脉宽调制参照信号，载波仍用三角波，并把各区间曲线用直线近似(实践表白，这样做引起误差不大，完全可行)，就可以得到线电压脉冲波形，该波形是完全对称，且规律性很强，负半周是正半周相应脉冲列反相，因而，只要半个周期两边60°区间脉冲列一经拟定，线电压调制脉冲波形就唯一拟定了。这个脉冲并不是开关器件驱动脉冲信号，但由于已知三相线电压脉冲工作模式，就可以拟定开关器件驱动脉冲信号了。
该办法不但能抑制较多低次谐波，还可减小开关损耗和加宽线性控制区，同步还能带来用微机控制以便，但该办法只合用于异步电动机，应用范畴较小。
3.3 电流控制PWM
电流控制PWM基本思想是把但愿输出电流波形作为指令信号，把实际电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值比较来决定各开关器件通断，使实际输出随指令信号变化而变化。其实现方案重要有如下3种。
3.3.1 滞环比较法
这是一种带反馈PWM控制方式，即每相电流反馈回来与电流给定值通过滞环比较器，得出相应桥臂开关器件开关状态，使得实际电流跟踪给定电流变化。该办法长处是电路简朴，动态性能好，输出电压不含特定频率谐波分量。其缺陷是开关频率不固定导致较为严重噪音，和其她办法相比，在同一开关频率下输出电流中所含谐波较多。
3.3.2 三角波比较法
该办法与SPWM法中三角波比较方式不同，这里是把指令电流与实际输出电流进行比较，求出偏差电流，通过放大器放大后再和三角波进行比较，产生PWM波。此时开关频率一定，因而克服了滞环比较法频率不固定缺陷。但是，这种方式电流响应不如滞环比较法快。
3.3.3 预测电流控制法
预测电流控制是在每个调节周期开始时，依照实际电流误差，负载参数及其他负载变量，来预测电流误差矢量趋势，因而，下一种调节周期由PWM产生电压矢量必将减小所预测误差。该办法长处是，若给调节器除误差外更多信息，则可获得比较迅速、精确响应。当前，此类调节器局限性是响应速度及过程模型系数参数精确性。
3.4 空间电压矢量控制PWM
空间电压矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙抱负圆形旋转磁场轨迹为目，用逆变器不同开关模式所产生实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们比较成果决定逆变器开关，形成PWM波形。此法从电动机角度出发，把逆变器和电机看作一种整体，以内切多边形逼近圆方式进行控制，使电机获得幅值恒定圆形磁场(正弦磁通)。
详细办法又分为磁通开环式和磁通闭环式。磁通开环法用两个非零矢量和一种零矢量合成一种等效电压矢量，若采样时间足够小，可合成任意电压矢量。此法输出电压比正弦波调制时提高15%，谐波电流有效值之和接近最小。磁通闭环式引入磁通反馈，控制磁通大小和变化速度。在比较估算磁通和给定磁通后，依照误差决定产生下一种电压矢量，形成PWM波形。这种办法克服了磁通开环法局限性，解决了电机低速时，定子电阻影响大问题，减小了电机脉动和噪音。但由于未引入转矩调节，系统性能没有得到主线性改进。
3.5 矢量控制PWM
矢量控制也称磁场定向控制，其原理是将异步电动机在三相