（电气工程专业论文）双频逆变器供电的异步电机调速系统研究.pdf

重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a cd r i v ei sa sg o o da sd cd r i v ew i t ht h ec o n t r o lt h e o r yi sm o l ep e r f e c ta n dt h e h t ls y s t e mi sd e v e l o p e d w h e nw eu s ec o n v f f t t e rt od r i v em a c h i n e , a n o t h e r p r o b l e ma p p e a r s i no r d e rt oi m p r o v et h eo u t p u tp e r f o r m a n c eo ft h ei n v e r t e r , l l i g h 缸q u e n c yh a sb e c o m et h ed e v e l o pd i f e c t i o f p o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y b u tw h e n t h es w i t c hf i e q u e n c yi sh i g h e r , t h es w i t c hl o s si sa l s oh i g h e r , t h e nt h ee f f i c i e n c yo f t h e i n v e r t e rd r o p s , t h e r e f o r ei tl i m i t st h ew o r kf i e q u e n c y si n c r e a s i n g , t h ei m p r o v i n go f p i 。r ：f 0 蚴c ca n dt h ee x p e n d i n gi na l lf i e l d so f t h ei n v e r t e r i n v e r t e r 咖o n l yw o r ko i l l o w f r e q u e n c yb e c a u s eo f s w i t c hl i m i ti nh i g hp o w e r d r i v ef i e l d , s ot h e r ea r em a n yl o w f r e q u e n c yw a v e f o r m sw h i c hw i l l 蚍a d d i t i o n a ll o s sa n de l e c t r i ct o r q u ec h a n g eo f t h e m a c h i n e ，a n dt h ee f f i c i e n c yo f t h ea l ls y s t e md r o p s i nt h i sp a p e r , d o u b l e - f r e q u e n c yc o n v c r t e rt h e o r yw h i c hi sp r o p o s e db yp o w e r e l e c t r o n i cd e p a r t m e n to f e l e c t r i c a le n g 锄i n gc o l l e g e ，c h o n g q i n gu n i v e r s i t yi sa p p l i e d i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea n dt h ee f f i c i e n c yo ft h eh i g h - p o w e ri n v e r t e r , d o u b l e - f r e q u e n c yi n v e r t e rb a s e do no n e - c y c l ec o n t r o la n dh y s t e r e s i sc o n t r o li sa d o p t e d i na s y n c h r o n o u sm a c h i n ed r i v e t h el o wf r e q u e n c ys w i t c hs h a r e st h ec u r r e n to ft h e h i g hf i e q u c n c ys w i t c ha n dm m s f e r st h em o s tp o w e r t h eh i g hf i e q u e n c ys w i t c h s t r a n s f e rt h es m a l lp o w e ra n d i m p r o v et h ed y n a m i cr e s p o 璐eo f t h es y s t e m i nt h ep a p e r , aa p p r o p r i a t ec o n t r o lm e a n so ft h ea s y n c h r o n o u sm a c h i n ed r i v es y s t e ms u p p f i e db y d o u b l e - f i e q u e n c yi n v e r t e rb ys t u d y i n ga s y n c h r o n o mm a c h i n ev e c t o rc o n t r o l ，t h u si t c 强m a k et h ea l ls y s t e mh a v eg o o dd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tt h e 船”l c h i 口n o u sm a c h i n ed r i v es y s t e m s u p p l i e db yd o u b l e - f r e q u e n c yi n v e r t e rh a sh u g ea d v a n t a g et h a nt h es y s t e ms u p p l i e db y s i n g l e - f i e q u e n c yi n v e r t e r c o m p a r e sw i t ht h ed r i v es y s t e ms u p p l i e db ys i n g l eh i 曲 f r e q u e n c y , t h ed o u b l e - f r e q u e n c y d r i v es y s t e mh a st h es i m i l a rl o ws t a t o rc u r r e n t h a r m o n i ca n dl o we l e c t r i ct o r q u ec h a n g e ，b u ti t sh i g hf r e q u e n c ys w i t c hc u r r e n ti so n l y 1 9 o f t h es w i t c hc m 他n to f n o r m a ls i n g l e - f i e q u e n c yi n v e r t e r c o m p a r ew i t ht h ed r i v e s y s t e ms u p p l i e db ys i n g l el o wf i e q u e n c y , t h es t a t o rc u r r e n th a r m o n i ca n di so n l y1 2 o ft h el a t e ra n dt h et o r q u ec h a n g ei so n l y1 0 0 , 4o ft h el a t t e r , t h u st h ea d d i t i o n a ll o s s a n dq u i v e ro f t l 把m a c h i n ea l ld 即私e i no r d e rt os t u d yt h ef e a s i b i l i t yo fa s y n c h r o n o mm a c h i n ed r i v es y s t e ms u p p l i e d b yd o u b l e - f t e q u e n c yi n v e r t e r , ah a r d w a r ec i r c u i to ft h eh a l fb r i d g ei n v e r t e rw i t h 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 d o u b l e - f r e q u e n c yi sd e s i g n e da n de x p e r i m e n t a la n a l y s i si sa l s o d o n e t h ed u a l i n t e g r a t o ra c f 2 1 0 1i sa d o p t e dt oa c h i e v eo n e - c y c l ec o n t r o li nt h eh i g hf r e q u e n c yp a r t o ft h i sc i r c u i t , a n di ts o l v e st h ep r o b l e mt h a ti tb l _ i n g sw h o s er e s e tt i m ei st o ol o n go f t h ei n t e g r a t o r i nt h el o wf i e q u e n c yp a r t , t h ec u r r e n t8 e l 塔o r sa 把a d o p t e dt oc o n v e r t c u n 枷s i g n a lt ov o l t a g es i g n a l t h e nh y s ；t e r e s i sc o n t r o li sg o t b yt h e o r ya n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n ds o m ee x p e r i m e n t , i ti sp r o v e dt h a ti n v e r t e r w i t hd o u b l e - f r e q u e n c yc a l lb eu s e dt oi m p r o v ee f f i c i e n c yo ft h ei n v e r t e ra n di th a s v a l u ei nu s ei nh i g h - p o w e r a cd r i v e k e y w o r d s ：o n e - c y c l ec o n t r o l , h y s t e r e s i sc o n t r o l ，d o u b l e - f r e q u e n c yi n v e r t e r , v e c t o r c o n t r o l m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：问? 行脚年 签字日期；2 口。7 年s 月2 易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：问涛山军导师签名：二- t 签字e t 期：7 0 0 7 年5 月2 乃日 签字日期：夕哆年j 月7 日 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 1 1 交流调速的发展和现状 近代社会以来电气传动被广泛的应用于各行各业。以前有调速要求的场合多 以直流电机为主，对直流电机进行调速相对简单方便，它只需要对输入电压或电 流加以改变，就可以在较宽的调速范围内进行无级调速。但是由于直流电机本身 的结构特点决定了它有其固有的缺陷，如制造复杂、成本高、检修困难、对环境 要求比较高，而且由于电刷的存在，电机无法做到大容量高速度，电刷在运行过 程中容易产生火花、易于磨损和维修率高。目前做的最大的高速直流电机为4 0 0 千瓦3 0 0 0 转分左右，低速也只可以达到几千千瓦。 交流电机由于其结构简单，制造方便，价格低廉，而且坚固耐用，运行可靠， 维护方便，可以用于很多条件恶劣的场合，使得现在它被广泛应用于工农业生产 中。由此出现了需要对交流电动机进行调速的要求。交流调速比较直流调速而言， 复杂而难于实现。从2 0 世纪3 0 年代开始，各国的研究者们开始致力于交流调速技 术的研究，首先提出了变频调速。如下式，异步电机的转速为： 刀；6 0 7 ( 1 一s ) ：m ( 1 一j ) 丹， 式中，摊为电机转速；，为电机定子供电频率，s 为转差，h 。为电机定子绕组 极对数，啊为旋转磁场的同步转速。从( 1 1 ) 可看出只要改变交流电源频率， 电机同步转速也会随之变化。因此，改变电源频率很容易改变异步电机的转速。 变频调速能在很宽的调速范围内进行无级调速，并可以获得比较好的控制性 能，但这还远比不上直流调速性能。6 0 年代以后、特别是7 0 年代以来，随着电力 电子技术和控制技术的迅猛发展，使得交流调速性能取得了飞跃性的发展。 交流电动机是强耦合、多变量的复杂控制系统，与直流电动机相比，难于实 现转矩控制。矢量控制技术是1 9 7 1 年首先由西德人f b l a s c h k e 提出“异步电机磁 场定向的控制原理”，奠定了矢量控制的基础【l 】矢量控制是通过运用坐标交换将 交流电动机三相系统等效于两相系统，在经过按转子磁场定向的同步旋转变换后， 实现了交流电动机定子电流励磁分量和转矩分量之间的解耦，从而达到对励磁电 流和转矩电流进行分别控制的目的，实现了将一台三相异步电动机等效为直流电 动机来控制，因而可获得与直流电动机调速系统同样优良的动、静态性能但是 直到8 0 年代中后期，随着电力电子器件、计算机控制技术、大规模集成电路的发 展，矢量控制才进入实用阶段。近二十年来各国学者对它进行了大量研究，先后 重庆大学硕士学位论文1 绪论 提出了直接矢量控制( 磁通检测型和磁通反馈型) 和间接矢量控制( 转差频率控 制型和磁通前馈型) ，电流源驱动型和电压源驱动型矢量控制，以及有速度传感 器型和无速度传感器型矢量控制技术，转子磁链定向控制、定子磁链定向控制， 主磁场定向控制等方式1 2 1 ，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。 1 9 8 5 年德国鲁尔大学m d e p e n b r o c k 提出了直接转矩控制理论，1 9 8 7 年又把 该理论推广到弱磁调速范围。其特点是将电机与逆变器看作一个整体，采用空问 电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩的计算，通过磁通跟踪型p w m 逆 变器的开关状态直接控制转矩。直接转矩控制去掉了矢量变换的复杂计算，便于 实现全数字化，是一种具有较高动、静态性能的交流调速方法。随着现代控化制 理论的发展，交流电动机控制技术的发展方兴未艾，非线性控制、自适应控制， 智能控制等各种新的控制策略正在不断涌现和完善，展现更为广阔的应用前景。 全控型大功率快速电力电子器件和微机控制系统的发展，促进了模拟控制系 统向数字控制系统的转化。从8 一1 6 位的单片机，到1 6 - 3 2 位的数字信号处理器 ( d s p ) ，再到3 2 , - 6 4 位的精简指令集计算机( i u s c ) ，位数众多，运行速度加 快，控制能力增强。控制理论的不断完善和控制系统的不断发展，使得交流调速 系统完全可以与直流调速系统相抗衡、相媲美。 1 2 调速系统中变换器的发展 关于调速系统中变换器的发展，国内外也有大量相关研究。最常见的是在普 通的交流变频调速系统中。异步电动机变频调速从2 0 世纪7 0 年代使用，到目前已 有2 0 多年的历史。其中变频器的功率器件经历了从可控硅整流器( s c r ) 、门极 可关断晶体管( g t d ) 、场效应晶体管( m o s f e t ) 到绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 的发展历程。控制方式也从最初的u i f 控制，发展到矢量控制、直接转矩控制。控 制系统从模拟系统发展到全数字控制系统。进入2 1 世纪后，在全球经济发展中，能 源与环保成为人们日益关注的焦点。因此对变换器节能和环保的要求也越来越高。 从适应环保的要求来看，新型的变换器应着重考虑变频器的低能耗、低电磁和谐波 干扰。电磁干扰和谐波污染已成为现代变换器设计时必须考虑的问题。从节能概 念上看，应考虑变频器的效率及功率因数等【3 】。在变换器的各种新发展中，多电平 逆变器和多重化逆交器是其中具有代表性的两种。 传统的两电平交换器的大功率运用中存在许多问题：需要笨重、耗能，昂贵 的变压器；为了得到高质量的输出波形而提高开关频率，造成很高的开关损耗， 而为了适应高电压的要求，需采用器件串联，因而需要复杂的动态均压电路。为 此，德国学者h o l t z 于1 9 9 7 年提出三电平1 4 4 逆变器主电路及其方案，其中每相桥臂 带一对开关管，以辅助中点箝位。后来，1 9 8 0 年日本学者n a b 雅在此基础上继续发 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 展，将这些辅助开关变成为一对二极管，分别与上下桥臂串联的主管中点相连， 以辅助中点箝位，该电路比前者更易于控制，且主管关断时仅承受直流母线一半 的电压，因此更为实用。多电平变换器作为一种新型的高压大容量功率变换器， 从电路拓扑结构人手，在得到高质量的输出波形的同时，克服了两电平变换器的 诸多缺点：无须输出变压器和动态均压电路，开关频率低，因而开关器件应力小， 系统效率高等。它的主要优点是：电平数越高，输出的电压谐波含量越低，器件 开关频率低，开关损耗小；器件应力小，无须动态均压。因此，自8 0 年代以来它 的方法被广泛应用于逆变器及大功率高压供电的交流调速领域，现在对多电平逆 变器的研究，不仅在理论分析、控制技术方面，而且在系统设计和工程应用等方 面都取得了很大的成功 目前，交流变频技术的应用越来越广泛，变频调速技术也愈加成熟。由于低 压变频对大容量系统来说有一定困难，所以对于大容量的交流调速系统，目前主 要采用高压变频，而变频器采用多重化技术能较好地实现调速控制 6 1 。交流调速中 变换器一般有整流部分、中间直流环节和逆变部分构成。将整流电路进行移相多 重联结可以减少交流侧输入电流谐波，而对串联多重整流电路采用顺序控制的方 法可提高功率因数。整流电路的多重联结有并联多重联结和串联多重联结。同样 逆变电路也可以多重化，电压型和电流型都可以实现多重化，从电路输出的合成 方式来看，多重逆变电路也有串联多重和并联多重两种方式。现在p w l v l 控制技术 广泛应用于各种变流电路，特别是在逆变电路中应用的最多。变频器的多重化研 究中较多的采用了它。 在电力电子电路中，为了达到“实质上的无功耗电力变换”，半导体器件都 工作于开关状态。并通过开关状态的组合实现波形控制消息的传递，这就是要求 变流器开关工作于较高的开关频率下。目前，在小功率装置中，由于g t o 、i g b t 、 m o s f e t 等开关器件有较高的开关频率，因此p w m 技术被广泛的运用。然而， 对于大功率装置，如高压直流输电( h v d c ) 、静止无功补偿( s v c ) 、超导储能 装置( s m b s ) p 1 2 】等，功率容量可高达几万千伏安甚至十几万千伏安，同时对变 流装置的输入特性也有较高的要求。目前，对于大功率可关断器件，如g t o 、i g b t ， 为了满足低损耗要求，开关频率一般限制在l k h z 以下，因此不能单纯依靠p w m 的方法实现低谐波，电流型变流器多重化方法已被用于变流器容量的扩大和谐波 的拟制 9 - 1 2 ，其中相移p w m 较为新颖。在工程装置中，我们拟采用大功率电流型 组合变换器来实现a c - d c - a c 快速电流变频，以期在满足工程要求的前提下，减 少快控电源系统对电网的污染，实现“绿色”能源转换。 随着电流半导体器件的发展，高耐压、大电流半导体器件的问世，可以不经 变压器，直接采用串并联技术进行整流或逆变，采用合适的p w m 控制技术，降低 重庆大学硕士学位论文i 绪论 谐波。大容量逆变器的另一种电路方式是在整流侧采用变压器移相进行多重化整 流，多个逆变器功率单元串接给交流电机供电，其代表产品是美国r o b i c o n 公 司的产品。它采用i g b t 作为主电路开关器件，逆变器功率单元采用模块化的设计， 整流侧输入电流谐波含量少i l 川。 具体到双频逆变器供电的调速系统，要注意双频逆变器与双变换器t 的区别， 普通的双变换器并不是双频率的。双变换器供电调速系统研究比较多，比如有 y o s h i t a k a k a w a b a t a 等提出的“基于矢量控制的双逆变器供电的刨伤转予感应电机 调速系统f 1 5 1 ”，也有t k a w a b a t a 等提出的“一种新的高性能调速的逆变结构【1 6 】”。 1 3 课题学术和实用意义 作为交流变频调速控制方式，u i f 控制比较简单，机械特性硬度也较好，能满足 一般的平滑调速要求但是这种控制在低频时，其动态转矩能力和静态调速性能比 直流调速性能差。如果对系统动、静态调速性能要求较高，就要考虑采用矢量控制 作为交流变频调速控制方式，因此，深入研究用矢量控制来改善交流调速中的调节 范围、调速精度和动态响应等指标是十分必要的。矢量控制使人们看到交流电动 机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质f l 一。本文对异步 电机调速系统的研究主要采用矢量控制方式。 我们在利用变换器驱动电机的同时，另外一个问题出现了。近年来，随着电 力电子技术的飞速发展，工业生产中大量使用变频调速装置，随着变频器功率的 进一步加大，它所产生的谐波、开关损耗、无功功率等对电网的干扰也随之加大， 相应的电机的损耗也增加，整个系统的效率也下降了。为此，可采用变频器多重 化，即按一定规律将两个或更多个相同结构的电路进行组合而得u 町。总之，其主要 目标是实现大功率变频器的低谐波、低电磁干扰、低环境污染、高效率 1 9 - 2 4 1 。 为了改善电力电子装置的动态性能、提高功率密度，高频化已成为电力电子 技术发展的方向。但随着开关频率的提高，开关损耗急剧增大，使变换器的效率 严重下降，在一定程度上限制了电力电子装置工作频率的进一步提高、性能的改 善及应用领域的扩大1 2 5 调。在三相逆变器中，输出电压的波形质量与开关频率的 高低密切相关，开关频率越高，输出电压波形质量越高。但在大功率的电机调速 领域，由于受到开关器件的限制，逆变器只能工作在较低的开关频率，使得低频 纹波分量较大，容易造成电机的附加损耗和转矩脉振等。 单纯的变换器多重化技术仍然有很多缺陷。通过多台小容量变换器并联可以 提高电力电子装置的输出功率和性能，但易在并联单元之间形成环流；同时为了 协调每个变换器之间的工作情况并控制各单元的功率输出，需要针对每个变换器 实施均流控制。这样不仅增加了并联运行控制的复杂性，而且影响了系统可靠性。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 采用变换器交错并联运行方式虽然可以提高系统的动态响应速度，但整个系统的 效率并没有明显的提高1 2 5 - 2 6 1 。 本文借鉴重大电力电子系提出的双频变换1 2 s - 2 9 理论，将基于单周控制 3 0 - 3 2 1 和 滞环控制的双频逆变器用于异步电机调速系统中，以达到提高大功率等级逆变器 的性能和效率的目的。该调速系统采用矢量控制，使其具有良好的动静态性能。 双频逆变器是由两个三相逆变器联结而成，其中一个工作在高频，另一个工 作在低频。原来单个高频变换器中的电流现在被高频单元和低频率单元分流，使 高频开关中流过的电流大大减小，降低了开关损耗，同时提高了动态响应速度； 低频单元中流过的电流虽然很大，但是开关频率很低，因此开关损耗仍然很低。 通过这种方式，不仅可以改善系统的性能，而且可以降低损耗，提高效率，特别 适合于中、大功率场合的应用 综上所述，双频率逆变器应用在异步电机调速系统中，为我们在调速系统中 减少开关损耗、降低电机的能耗、减少谐波等多个方面都提供了一个良好的选择。 这样我们在利用矢量控制使交流电机具有与直流电动机相类似的控制性能的同 时，也减少了系统中电力电子装置产生的谐波、开关损耗，并减少电机相应的能 耗，转矩脉动，提高系统的效率 1 4 论文研究的主要内容 本文要研究的主要内容是双频逆变器供电的异步电机矢量控制调速系统。本 文在异步电机调速系统中利用矢量控制方式，得出双频逆变器的参考电压，通过 参考电压来控制双频逆变器工作来输出在调速过程中需要的电压。论文通过理论 仿真及部分实验结果比较分析，研究该调速系统的运行效果。具体内容如下： 1 ) 引用双频逆变器的基本原理及控制策略。高频部分用的单周控制的原理及 其在双频逆变器中的应用，低频部分的分柝。 2 ) 建立双频逆变器的器件仿真模型，并用m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真，并对 单频逆变器和双频逆变器的仿真结果进行比较，分析开关损耗、谐波等问题。 3 ) 异步电机的数学模型以及矢量控制的基本原理，双频逆变器供电的异步电 机矢量控制系统的控制方式探讨及分析。 4 ) 分析普通的单频逆变器供电的异步电机调速系统，建立模型进行仿真。同 样建立双频逆变器供电的异步电机矢量控制系统的仿真模型，通过仿真，对比分 析系统电机转矩脉动、能耗、谐波和效率等方面的问题。 5 ) 用模拟器件设计出双频逆变器的硬件电路，用电阻作负载检验其效果，分 析实验结果，看是否符合双频理论，为双频逆变器能否进一步运用到电机调速领 域提供现实依据 5 重庆大学硕士学位论文2 双频逆变器的原理及仿真 2 双频逆变器的原理及仿真 2 1 引言 我们知道，变换器的输出性能与开关的频率密切相关，开关频率越高，电力 电子装置的动态性能越好。但随着开关频率的提高，开关损耗急剧增大，使得变 换器的效率严重下降瞄- 2 6 。重庆大学电气学院研究的双频变换【2 5 - 2 9 1 理论为我们解 决这个问题提供了一个良好的方法本章先介绍一下双频变换的基本原理，然后 讨论了双频逆变器的控制方法，并对电阻负载的双频逆变器进行了计算机仿真， 为本文后面重点讨论的双频逆变器在调速系统中的应用打下基础。 2 2 双频b u c k 变换器的原理 双频b u c k 变换器【2 5 - 2 6 是一系列双频变换器拓扑结构的基础。其结构如图2 1 r 1 _ 一一 cr牛i p 奶 ： o k i 图2 1b u c k 变换器拓扑结构 f i g 2 1t h et o p o l o g yo f b u c kc o n v e r t e r 所示。在下面的分析中，大写字母表示平均值，小写字母表示瞬时值。 稳态情况下，由伏秒平衡得出b u c k 变换器输出关系满足： u o = d 阢 ( 2 1 ) 如果电路工作在连续导电模型( c c m ) ，电感电流可以等效为一个电流源。在 每个开关周期中，对流过开关s 的电流和二级管s 。两端的电压取开关平均，可以 得到b u c k 变换器的平均电路模型，如图2 2 所示 厂ry 1 多ql) i 一 - 厶 图2 2b u c k 变换器平均电路模型 f i g _ 2 2t h ec i r c u i ta v e r a g em o d e lo f b u c k c o n v e r t e r 开关电流和二极管电流平均值分别为： l = d i l ( 2 2 ) 6 重庆大学硕士学位论文2 双频逆变器的原理及仿真 ，d = ( 1 一d ) 厶 ( 2 3 ) 为了提高b u c k 变换器的稳态和动态性能，通常需要提高工作频率。但由于 b u c k 变换器中开关和二极管流过的电流是负载电流的斩波电流，随着负载的增加 和开关频率的提高，开关损耗将急剧增大，影响开关频率的进一步提高。 为了减小开关和二极管中流过的电流，如图2 3 所示的变换器中增加了一个由 图2 3b u c k 变换器附加三端网络 f i g 2 3t h eb u c kc o n v e r t e rw i t ha d d i t i o n a lt h r e e - t e r m i n a ln e t w o r k e 、见、l 构成的三端口网络，图中虚线框所示，通过控制配将l 控制为一个 电流源，使其稳态值j 。跟踪输出滤波电感工中的电流稳态值j 。因为仅是为了跟 踪输出滤波电感三中电流的稳态值，可以使开关e 工作在较低的开关频率。在增 加附加三端口网络后，开关s 和二极管& 中的平均电流变为 t = d ( l 一屯) ( 2 4 ) 厶= o d ) ( l 一屯) ( 2 5 ) 从式中可以看出，如果控制电感工。中的电流使其与滤波电感工中的电流很接 近时，开关s 和二极管中的电流将接近于零。所以，图2 3 中由l 、s 、s d 构 成的主b u c k 单元可以工作在较高的开关频率以提高系统的性能；由。、s 。、d 。 构成的附加b u c k 单元，工作在较低的开关频率，主要对电感三中的电流分流，承 担输出大部分功率的任务。 虽然s 、配工作在较高的频率，但其处理的电流被l o 分流，因此开关损耗很 低；而e 、见虽然处理较高的电流，但其开关频率低，开关损耗也比较小。因此 整个b u c k 电路可以在提高s 、s 。的开关频率以改善输出量性能的同时，不增大开 关损耗，保持较高的效率。 由于主b u c k 单元工作在高频率，而附加b u c k 工作在低频率，所以我们将这 种主b u c k 单元与附加b u c k 单元连接形成的新拓扑结构称为双频b u c k 变换器。 2 3 双频逆变器的演化 7 重庆大学硕士学位论文2 双频逆变器的原理及仿真 从能量流动的角度来看，前面提到的基本双频b u c k 变换器是一种能量单相流 动的变换器，而实际在各种电路中，比如说逆变电路中，需要使用的变换器提供 可正可负的电压，即需要能量可以双向流动的变换器，所以需要研究四象限运行 的桥式变换器。注意桥式变换器中，桥臂本身为互补运行的有源开关，每个功率 开关内都并联有续流二极管，不需要额外进行二极管替换。 这里我们将两个双频b u c k 交换器【2 刀差分连接起来，经过简化得到双频单相全 桥b u c k 型变换器，将双频单相全桥b u c k 变换器用在逆变器中，即为双频单相全 桥逆变器，如图2 4 ( b ) 所示，2 4 ( a ) 为对应的单频单相全桥逆变器。 + 一 l1i 小心赢s 蠢 4 叁点一 弘 矗k 。兰矗 屯2 。厶。 o 一 _ 1 曰 - - 小蠢s i s ； + u o 一 ( a ) 单频单相全桥逆变器( b ) 双频单相全桥逆变器 图2 4 两种单相全桥逆变器的对比 f i g 2 4t h ec o m p a r i s o no f t h et w os i n g l ep h a s ef u l lb r i d g ei n v e r t e r s 图2 4 ( b ) 中，双频单相全桥逆变器由两个全桥功率单元构成，其中开关s l 、 s 2 、s 3 、s 4 组成的全桥工作在高频，由开关s l a 、s 2 a 、s 3 a 、$ 4 a 组成的全桥工作 在低频。开关s l a 、s 2 a 构成的低频桥臂通过低频电感厶。对开关s l 、s 2 组成的高 频桥臂分流；同样的开关s 3 a 、s 4 a 构成的桥臂通过电感，。对开关s 3 、s 4 组成的 桥臂分流。我们可以通过提高高频开关的频率来提高系统输出性能，同时因为低 频开关的分流，使得高频开关的损耗大大减小，提高了效率。 类似的，我们还可以得到拓扑结构更为简单的双频单相半桥逆交器，如图2 5 ( b ) 所示，2 5 ( a ) 为对应的单频半桥逆变器。图2 5 ( b ) 中开关s l 、s 2 工作在 高频，s l a ，s 2 a 工作在低频。开关s l a 、s 2 a 构成的低频桥臂通过低频电感l 对 开关s l 、s 2 组成的高频桥臂分流。三、c 为输出滤波器，负载接电阻r 。 将三个双频半桥逆变器组合起来，我们就可以得到调速系统中用到的双频三 相逆变器，如图2 6 ( b ) 所示，2 6 ( a ) 为对应的单频三相逆变器。图2 6 ( b ) 中 开关s l - s 6 工作在高频，构成高频桥网络；s l a - $ 6 a 工作在低频，与。，上，工。一 起组成低频桥网络，厶、巴、厶、g 、l 、e 为输出滤波器，负载接电阻也、墨、 疋三个低频桥臂分别通过低频电感三。、工k 、三。对相应的高频桥臂分流，使得 流过高频开关的电流大大减小。 8 重庆大学硕士学位论文 2 双频逆变器的原理及仿真 + 一 c a ) 单频半桥逆变器 ( b ) 双频半桥逆变器 图2 5 两种半桥逆变器的对比 f i g 2 5t h ec o m p a r i s o no f t h et w oh a l f b r i d g ei n v e r t e r s ( a ) 单频三相逆变器 o ( b ) 双频三相逆变器 图2 6 两种三相逆变器的对比 f i g 2 6t h ec e m p 幽no f t h et w ot h r e e - p h a s ei n v e r t e r s 9 + - 重庆大学硕士学位论文2 双频逆交器的原理及仿真 2 4 双频逆变器的工作模式 下面以图2 5 ( b ) 的双频半桥逆变器为例分析双频逆变器的工作原理【2 湖。 表2 1 图2 5 ( b ) 的开关状态表 t a b l e 2 1t h es t a t e so f s w i t c h e so f f i g 2 5 ( b ) 状态 s is 2s l as 2 a 1o f fo 行 2o 仃o n彻o f f 3o 赁 。疗 o n 4 o 行衄o 厅 图2 5 ( b ) 中开关s 1 、s 2 工作在高频，其开关频率记为五，s l 、s 2 为互补 状态；s l a 、s 2 a 工作在低频，其开关频率记为石，s l a 、s 2 a 为互补状态。如果高、 低频分别满足 = 砺 ( 2 6 ) 那么在一个低频开关周期乃中包含了一个高频开关周期瓦。四个开关共有1 、 2 、3 、4 四种状态，如表2 1 所示。每种开关状态对应的等效电路如图2 7c a ) - ( d ) 所示。 c a ) 状态i + 一 + 一 ( d ) 状态4 i 百 彳 一斗 、 r k k f s 一2 a 茧k + 甜o + ”o ( b ) 状态2( c ) 状态3 图2 7 图2 5 ( b ) 的开关状态等效电路图 f i g 2 7t h ee q u i v a l e mc i r c u i t so f d i f f e r e n ts l a t e si nf 皓2 6 l 状态中，等效电路如图2 7 ( a ) 所示 叱= u 出- u 。 ( 2 7 ) i 0 重庆大学硕士学位论文2 双频逆变器的原理及仿真 堕：丝：丝二坠 廖上 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 在该状态中，电感工两端的电压为正，高频电感电流j 工上升，低频电感l 中 的电流保持不变。 2 状态中，等效电路如图2 7 ( b ) 所示。 叱= t ，出一 ( 2 1 1 ) 堕：= 丝二丝 毋工 材口；2 u 出 丝；丝：盟 d l l 。l 。 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 电感三两端的电压为负，高频电感电流屯下降，低频电感厶中的电流上升 3 状态中，等效电路如图2 7 ( c ) 所示 l2 u d c 一样p 盟：丝：丝= 竺e 毋工三 材口= - ：2 u 出 盟：丝：一丝 d i l 4l 。 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 电感上两端的电压为正，高频电感电流屯上升，低频电感乞中的电流下降 4 状态中，等效电路如图2 7 ( d ) 所示。 缸= 【，女一心 ( 2 1 9 ) 堕：丝：一丝生 西 ( 2 2 0 ) ( 2 1 2 1 ) ( 2 2 2 ) 电感工两端电压为负，高频电感电流屯下降。低频电感厶中的电流保持不变。 如寺盟西 重庆大学硕士学位论文2 双频逆变器的原理及仿真 从上述开关状态的等效电路可以看出，在稳态情况下，输出滤波电感工的电 压不受低频部分的影响，其高频部分等效电路与单个高频半桥逆变电路完全相同， 高频开关状态不会受低频开关状态的影响；而在低频开关开通或关断的时间内， 低频电感电流在上升与保持不变，或者下降与保持不变之间转换，上桥臂导通时， 低频电流总体星上升趋势，下桥臂导通时，低频电流总体呈下降趋势，所以我们 可以采取适当的控制策略来控制低频部分以实现对高频部分的分流，减少高频开 关的电流应力。 2 5 双频逆变器的稳态与动态性能分析 在这里我们仍然以双频半桥逆变器为例子来分析双频逆变器的稳态与动态性 能鲫。图2 6 中，高频部分定义开关s l 导通的时问为占空比d 对应的时间，低频 部分定义开关s l a 导通的时间为占空比屯对应的时间。 从前面的分析我们已经知道，高频开关状态不会受低频开关状态的影响，所 以我们可以先对单个高频桥进行研究，当开关s l 导通时，对应的等效电路为2 8 c a ) 所示， i , l = 一雄。 ( 2 2 3 ) 当开关s 2 导通时，对应的等效电路为2 8 ( b ) 所示， 蚝= 【么+ 扯。) ( 2 2 4 ) + “。 u 出 + “d c a ) 0 f d r ,( b ) d t z 图2 8 高频开关等效电路图 f i g 2 8t h ee q u i 词mc i r c u i ti no n eh i g h - f r e q u e n c ys w i t c h i n gp e f i o d 由于开关频率大大高于输出电压 。的频率，所以在每个开关周期中，近似认 为输出电压“。不变，根据电感伏秒平衡可以得到： d ( 【，出一“。) + ( 1 一力( u 女- - i 。) = 0 ( 2 2 5 ) 则我们能够得出输出电压。的表达式： 甜。= ( 2 a - 1 ) u 出 ( 2 2 6 ) 在研究完高频部分后，我们再来研究低频部分 在低频开关s l a 导通时，对应的等效电路如图2 9 ( a ) 所示，电感l 两端的 电压平均值为 重庆大学硕士学位论文2 双频逆变器的原理及仿真 【，口= 2 0 一d ) u 女 ( 2 ”) 低频开关s 2 a 导通时，等效电路如图2 9 ( b ) 所示，电感l 两端电压平均值为 吒= 捌吒 ( 2 2 8 ) + 一 + 虬 一 ( a ) 0 t d o l( b ) 以z f 图2 9 低频开关等效电路图 f i f r 2 9t h ee q u i v a l e n tc i r c u i ti no l l el o w - f r e q u e n c ys w i t c h i i l gp e r i o d 由低频电感的伏秒平衡，低频开关的占空比屯应该满足 d 。2 0 一d ) u 女+ ( 1 一屯) ( 2 d ) u 应= 0 ( 2 2 9 ) 所以，我们可以得到下面的结论 屯= d ( 2 3 0 ) 即高频部分和低频部分在每个对应的开关周期中占空比一样，这里要注意， 逆变器与b u c k 变换器的占空比是有区别的，由于逆变器是输出交流电压，所以它 的占空比也是每个周期都变化的。我们知道高频开关频率 很高，如果忽略高频 电感电流纹波，那么流过高频开关的电流为低频电感和高频电感的电流差值的斩 波电流，也即低频电感电流纹波，以低频开关频率z 周期性变化，低频开关s l a 导通时低频电感电流呈上升趋势，开关s 2 a 导通时低频电感电流呈下降趋势 因为低频开关s 1 a 导通时，低频开关电流上升的平均斜率为型生：! ! 坠，所 k 以可以得到低频电感电流纹波的峰值为 k ：孚( 1 一回吒五 ( 2 3 1 ) 流过高频开关的电流相当于低频电感电流的纹波，所以流过高频开关电流的 平均值为 2 = 0 5 盯囟睡；号一( 1 一刃( 么乃 ( 2 3 2 ) l 4 上面分析了双频半桥逆变器的稳态性能，双频半桥逆变器在单频半桥逆变器 的基础上增加了一个单元来减小高频开关处理的电流，减少开关损耗，达到提高 逆变器效率的目的，同时可以通过提高高频开关频率来提高