永磁同步电动机教材.ppt

永磁同步电动机永磁同步电动机电电机机是是以以磁磁场场为为媒媒介介进进行行机机械械能能和和电电能能相相互互转转换换的的电电磁磁装装置置。为为了了在在电电机机内内建建立立必必需需的的气气隙隙磁磁场场，可可以有两种方法。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2 28 8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，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。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，可分为径径向向磁磁场场式式和轴轴向向磁磁场场式式；按电枢绕组位置的不同，可分为内内转转子子式式(常规式)和外外转转子子式式；按转子上有无起动绕组，可分为无无起起动动绕绕组组的的电电动动机机(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)和有有起起动动绕绕组组的的电电动动机机(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，可分为矩矩形形波波永永磁磁同同步步电电动动机机和正正弦弦波波永永磁磁同同步步电电动动机机(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无刷电动机结构示意图l转轴转轴2前端差前端差3螺钉螺钉4调整垫片调整垫片5轴承轴承6定子组件定子组件7永磁转子组件永磁转子组件8位置传感器转子位置传感器转子9后端差后端差10位置传感器定子位置传感器定子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表表面面凸凸出出式式结结构构简简单单、制制造造成成本本较较低低、转转动动惯惯量量小小等等优优点点，在在矩矩形形波波永永磁磁同同步步电电动动机机和和恒恒功功率率运运行行范范围围不不宽宽的的正正弦弦波波永永磁磁同同步步电电动动机机中中得得到到了了广广泛泛应应用用。此此外外，表表面面凸凸出出式式转转子子结结构构中中的的永永磁磁磁磁极极易易于于实实现现最最优优设设计计，使使之之成成为为能能使使电电动动机机气气隙隙磁磁密密波波形形趋趋近近于于正正弦弦波波的的磁磁极极形形状状，可可显显著著提提高高电电动动机机乃乃至至整整个个传传动动系系统统的的性性能。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）同同步步电电机机的的转转速速严严格格的的与与电电源源频频率率保保持持同同步步，转转差差为为零零，而而异异步步电电机机的的转转速速永永远远低低于于同同步步转转速速，转转差差不不为零，可以靠控制转差来调速。为零，可以靠控制转差来调速。（2 2）异异步步机机的的磁磁场场靠靠定定子子供供电电产产生生，而而同同步步电电机机的的磁磁场场花花样样很很多多，一一般般大大中中型型同同步步电电机机在在转转子子侧侧采采用用独独立立的的直直流流励励磁磁，小小容容量量的的同同步步电电机机采采用用永永久久磁磁铁铁（磁磁场场不不变变），磁磁阻阻式式同同步步机机完完全全靠靠定定子子励励磁磁（靠靠凸凸极极磁磁阻阻的的变化产生同步转矩）。变化产生同步转矩）。（3 3）异异步步电电机机的的功功率率因因数数永永远远小小于于1 1，而而同同步步电电机机的的功功率因数可以用励磁电流来调节，可以滞后，可以超前。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）同同步步电电机机和和异异步步电电机机的的定定子子是是一一样样的的，而而转转子子绕绕阻阻不不同同。同同步步电电机机的的转转子子除除励励磁磁绕绕组组外外，还还有有一一个个自自身身短短路路的的阻阻尼尼绕绕阻阻。当当同同步步机机在在恒恒频频下下运运行行时时，阻阻尼尼绕绕阻阻有有助助于于抑抑制制重重载载时时发发生生的的震震荡荡。但但当当同同步步电电机机重重载载转转速速闭闭环环下下变变频频调调速速运运行行时时，阻阻尼尼绕绕阻阻便便失失去去它它的的主主要要作作用用，却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）异异步步电电机机的的气气隙隙都都是是均均匀匀的的，而而同同步步电电机机则则有有隐隐极极式式和和显显极极式式之之分分。隐隐极极式式电电机机气气隙隙是是均均匀匀的的，而而显显极极式式电电机机的的气气隙隙磁磁阻阻不不均均匀匀，对对于于电电励励磁磁的的电电机机直直轴轴磁磁阻阻小小，交交轴轴磁磁阻阻大大。对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。以以前前，由由于于同同步步电电动动机机存存在在着着自自身身的的弱弱点点（起起动动费费事事，必必须须由由异异步步电电动动机机拖拖动动，重重载载时时有有振振荡荡和和失失步步的的危危险险），一一般般工工业业设设备备很很少少用用。变变频频调调速速技技术术弥弥补补了了这这些些缺缺点点：起起动动时时变变频频器器频频率率逐逐渐渐上上升升，转转速速也也逐逐渐渐提提高高，不不需需其其他他起起动动设设备备；失失步步问问题题是是由由于于同同步步转转速速不不变变，转转子子落落后后的的角角度度过过大大引引起起的的，而而变变频频调调速速中中的的转转速速和和转转矩矩闭闭环环控控制制，可可以以随随时时调调节节同同步步转转速速，避避免免了了失失步步现现象象。由由于于同同步步电电机机的的固固有有优优点点使使同同步步电电机机的的变变频频调调速速成成为为交交流流调调速速的的一一个个很很有有潜潜力力的发展方向。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。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；另一部分是转差功率，即机械功率；另一部分是转差功率 ，与转差率成正比。从能量转换的角度看，与转差率成正比。从能量转换的角度看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，显然是评价调速系统效率高低的一种收，显然是评价调速系统效率高低的一种标志。从这点出发，可以把感应电机的调标志。从这点出发，可以把感应电机的调速系统分成三类。速系统分成三类。（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变频频调调速速的的优优点点在在于于：改改变变频频率率时时转转差差率率不不变变，也也就就是是不不同同转转速速时时不不变变，因因而而转转差差损损耗耗小小，特特性性硬硬，调调速速范范围围宽宽，调调速速精精度度高高，适适用用于于调调速速性性能能要要求求较较高高的的场场合合。另另一一方方面面，变变频频调调速速装装置置的的成成本本较较高高（尽尽管管价价钱钱还还在在降降低低），变变频频调调速原理较复杂。速原理较复杂。变变频频调调速速的的方方法法也也有有多多种种，按按变变频频器器的的类类型型分分主主要要有有交交交交变变频频器器和和交交直直交交变变频频器器两两大大类类；按按控控制制方方法法分分有有标标量量控控制制、矢矢量量控控制制和和感感应机的直接转矩控制。应机的直接转矩控制。感应电机变频调速感应电机变频调速感感应应电电机机，特特别别是是笼笼型型感感应应电电机机，结结构构简简单单、牢牢固固，价价格格便便宜宜，运运行行可可靠靠，无无需需维维护护，在在交交流流传传动动中中得得到到了了极极为为广广泛泛的的应应用用。感感应应电电机机采采用用变变频频调调速速技技术术后后，调调速速范范围围广广，调调速速时时因因转转差差功功率率不不变变而而无无附附加加能能量量损损失失，是是一一种种性性能能优优良良的的高高效效的的调调速速方方式式，是是交交流流电电机机调速传动发展的主要方向。调速传动发展的主要方向。在在变变频频调调速速系系统统中中，由由变变频频器器提提供供给给电电机机的的频频率率变变化化的的电电压压或或电电流流激激励励均均是是非非正正弦弦的的，除除基基波波外外，还还包包含含大大量量的的谐谐波波。分分析析表表明明，决决定定感感应应电电机机变变频频运运行行特特性性的的主主要要还还是是基基波波，谐谐波波分分量量只只起起着着使使电电机机电电压压或或电电流流畸畸变变、产产生生谐谐波波损损耗耗、恶恶化化力力能能指指标标、引引起起转转矩矩脉脉动动的作用。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。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，其结构参数确定，则有说说明只要明只要协调协调地控制地控制 、，即可达到控制气，即可达到控制气隙磁通隙磁通 的目的。但由于的目的。但由于电电机机绝缘绝缘和供和供电电电电源源的限制，的限制，电电机运行机运行频频率在基率在基频频以下及基以下及基频频以上以上调调速速时须时须采取不同的控制方式。采取不同的控制方式。1.1.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 额额定不定不变变，必，必须须采用恒采用恒电电动势频动势频率比的控制方式，即率比的控制方式，即变频过变频过程中程中须维须维持持 常常值值。但定子。但定子电动势为电动势为内部量，内部量，难难以直以直接接测测量、控制。量、控制。根据感根据感应电应电机定子机定子电压电压方程式方程式 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 ，即只要即只要维维持持 常数（恒常数（恒电压频电压频率比）既可率比）既可维维持气隙磁通恒定。持气隙磁通恒定。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。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。感应电机变频调速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变频频器器的的主主要要任任务务是是把把恒恒压压恒恒频频(constant constant voltage voltage constant constant frequency,frequency,CVCFCVCF）的的交交流流电电转转换换为为变变压压变变频频（variable variable voltage voltage variable variable frequency,frequency,VVVFVVVF）的的交交流流电电，以以满满足足交交流流电电机机变频的需要。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）原原理理主主要要基基于于可可逆逆整整流流，可可直直接接引引用用成成熟熟的的直直流流可可逆调速的技术和经验；逆调速的技术和经验；（2 2）输输出出到到电电动动机机的的电电流流近近似似于于三三相相正正弦弦电电流流，附附加加损损耗小，转矩脉动量小；耗小，转矩脉动量小；（3 3）采采用用元元器器件件的的数数量量较较多多，如如果果采采用用三三相相桥桥式式接接法法，需要需要3636个晶闸管；个晶闸管；（4 4）输输出出电电压压波波形形由由电电源源波波形形的的区区段段组组成成，为为了了使使波波形形畸畸变变不不至至过过大大，输输出出频频率率不不能能高高于于电电网网频频率率的的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，但转速拖动的电机一般属于普通电机，价格便宜，但转速较低。对于较低。对于4 4极电机，最高转速小于极电机，最高转速小于。电电网网侧侧的的功功率率因因数数与与负负载载的的功功率率因因数数成成正正比比，感感应应电电动动机机的的功功率率因因数数低低，电电网网侧侧的的功功率率因因数数也也低低。为为了了提提高功率因数，有时需要安装容量较大的无功补偿装置。高功率因数，有时需要安装容量较大的无功补偿装置。近近年年来来出出现现了了一一种种新新颖颖的的矩矩阵阵式式变变频频电电路路，这这种种电电路路也也是是一一种种直直接接变变频频电电路路，电电路路所所用用的的开开关关器器件件是是全全控控型型的的，控控制制方方式式不不是是相相控控方方式式，而而是是斩斩控控方方式式。其其优优点点是是输输出出电电压压为为正正弦弦波波，输输出出频频率率不不受受电电网网频频率率的的限限制制；输输入入电电流流也也可可控控制制为为正正弦弦波波且且和和电电压压同同相相，功功率率因因数数为为1 1，也也可可控控制制为为需需要要的的功功率率因因数数；能能量量可可双双向向流流动动，适适用用于于交交流流电电动动机机的的四四象象限限运运行行；不不通通过过中中间间环环节节而而直直接接实实现现变变频频，效效率率较较高高。因因此此，这这种种电电路路的的电电气气性性能能是是十十分分理理想想的的。但但由由于于还还没没有有理理想想的的功功率率器器件件，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）用可控整流调压调压、逆、逆变变器器调频调频的交直交的交直交变频变频器器 （2 2）用不可控整流器整流、用）用不可控整流器整流、用斩斩波器波器调压调压、再用逆、再用逆变变器器调频调频的交直交的交直交变频变频器器 （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 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逆变变器器换换相相条条件件要要求求电电动动机机工工作作在在超超前前功功率率因因数区，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；欲欲提提高高过过载载能能力力，需需减减少少电电动动机机的的定定子子漏漏抗抗，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；电电动动机机电电流流谐谐波波分分量量较较大大。损损耗耗增增加加，转转矩矩脉脉动动量大；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。变变频频器器的的负负载载通通常常是是感感应应电电机机，其其功功率率因因数数小小于于1，故故在在中中间间直直流流环环节节和和电电动动机机之之间间总总存存在在无无功功功功率率的的交交换换。由由于于逆逆变变器器中中的的电电力力电电子子器器件件无无法法储储能能，所所以以无无功功功功率率只只能能靠靠直直流流环环节节中中的的储储能能元元件件缓缓冲冲。如如果果采采用用电电容容作作为为无无功功功功率率缓缓冲冲环环节节，直直流流侧侧电电源源相相当当于于一一个个低低阻阻抗抗的的电电压压源源，因因此此称称为为电电压压源源型型变变频频器器；如如果果采采用用电电抗抗器器作作为为无无功功功功率率缓缓冲冲环环节节，直直流流侧侧电电源源相相当当于于一一个个高高阻阻抗抗的的电电流流源源，则则称称为为电电流流源源型型变变频频器器。电电压压源源型型变变频频器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，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，再根据它们令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的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、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。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栅源电压Ugs的控制，的控制，Ugs越高，越高，Id越大。它越大。它与与GTR的输出特性相似。也可分为饱和区的输出特性相似。也可分为饱和区1、放大、放大区区2和击穿特性和击穿特性3部分。在截止状态下的部分。在截止状态下的IGBT，正，正向电压由向电压由J2结承担，反向电压由结承担，反向电压由J1结承担。如果无结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了平，因此限制了IGBT的某些应用范围。的某些应用范