第5章--PWM逆变器控制技术.ppt

教案编写：肖强晖廖无限,授课教师：肖强晖,现代电力电子技术ModernPowerElectronics,第5章PWM逆变器控制技术,5.1引言5.2PWM逆变器主电路5.3PWM逆变器的控制技术5.4PWM逆变器的主要性能指标5.5PWM逆变器用于驱动异步电机5.6PWM逆变器用于不间断电源（UPS）,5.1引言,逆变的概念逆变与整流相对应，直流电变成交流电。交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，为无源逆变。,逆变技术应用在3220V低压变频器的应用中，逆变器容量达到300kVA以上；在中压（10kV以下）变频器中，逆变器可达7500kVA；在不间断电源（UPS）的应用中，逆变器容量达1000kVA；在电力机车牵引电气传动应用中，逆变器可达1500kW；在铁道运输应用中，110VDC/3220V逆变器的容量可达600kVA；几乎渗透到国民经济的各个领域。,逆变技术发展随着电力半导体器件、高频PWM控制技术、微电子技术和微处理器技术的迅速发展，推动着PWM高频逆变器技术的发展与应用。由于PWM控制技术、现代控制理论、微控制器技术和电机控制专用DSP技术等普及及应用，PWM高频逆变器向全数字化、智能化方向发展。,PWM逆变器分类单相逆变器适用于中、小功率应用场合；三相逆变器适用于中、大功率应用场合。PWM逆变器按电路结构的不同又可划分为半桥式、全桥式、推挽式等；按输出波形的特点可划分为正弦波和非正弦波逆变器；按输入（直流）电源的特点划分为电压型、电流型和谐振环型逆变器。,本章分析三相全桥电压型PWM高频逆变器控制技术。,5.2PWM逆变器主电路,主电路包括直流侧滤波电容、均压电阻、三相IGBT-PWM全桥电路、缓冲吸收回路、交流侧输出滤波电路、以及交流输出电压、电流检测电路和直流侧电压检测电路等几个部分。在电压型交-直-交变流器中，直流侧是作为输入端变流器的整流器和作为输出端变流器的PWM逆变器之间的联接纽带，一般称之为中间回路。,器件选用IGBT-PWM全桥电路中的6个IGBT管选用1200V耐压的新型NPT-IGBT器件；直流侧滤波电容C1和C2选用450VDC耐压的电解电容器；R1和R2是均压功率电阻，以保持C1和C2上的电压均衡；C3和C4是高频滤波电容器，选取500V或600V的耐压值；Rf、Cf和Df组成了IGBT的缓冲吸收回路，Rf采用无感功率电阻，Cf采用1200V的无感吸收电容，Df选用快恢复二极管。,实际上，在PWM逆变器主电路中还必须设置一些必要的保护措施：交流输出电压的过压保护（锁死保护）；交流输出电压的欠压保护（回差保护）；交流输出电流的过流保护（锁死保护）；交流输出电流的过载保护（锁死保护）；直流侧电压的欠压保护（回差保护）；直流侧电压的过压保护（锁死保护）；IGBT模块的过温保护（回差保护）等。,5.3PWM逆变器的控制技术,对于电压型PWM逆变控制方式而言，常用的有分相电压SPWM控制、空间矢量PWM控制（SVPWM）、预测电压PWM控制等。,1.分相电压SPWM控制,基本控制原理：对PWM逆变器的三相输出电压分别进行电压SPWM控制，然后在输出端合成三相输出正弦波电压。,分相电压SPWM控制技术的特点对RLC线性负载能够很好地输出三相正弦波电压；对非线性负载如不可控整流负载，其输出电压波形会发生畸变，表现为正弦波的波头位置产生电压跌落，使得输出电压波形近似为梯形波，从而使星型连接的三相输出中性点对地电位的电压提高。此时应该对非线性负载进行有效的补偿控制，使输出电压波形保持为正弦波；三相输出电压的对称性可控制为三相相电压幅值差1%（带三相平衡非线性负载）；3%（带100%的三相不平衡非线性负载）；三相相电压相位移差1（带三相平衡非线性负载）；2.5（带100%的三相不平衡非线性负载）。,2.电压空间矢量PWM控制,基本控制原理：在一个开关周期Ts中，用相邻的两个有效电压开关矢量的平均值等效在此开关周期中三相输出电压合成矢量的给定值，同时对称地插入零矢量作用时间。,电压空间矢量PWM控制技术的特点具有容易实现交流侧输出相电压正弦化和直流侧电压的利用率高等优点；三相输出电压的对称性控制容易，不论平衡非线性负载还是不平衡非线性负载，均可以控制为三相相电压幅值差1%；三相相电压相位移差2。能够有效地优化开关序列，降低系统的开关损耗，提高系统的效率；由于开关频率固定，交流侧输出滤波电路容易设计；实现DSP数字控制方案极为容易。,5.4PWM逆变器的主要性能指标,1.直流侧电压的利用率,定义为交流侧输出线电压峰值（）与直流侧电压平均值的比值,2.最低次谐波LOH（Lowest-orderharmonic）最低次谐波定义为与输出电压基波最接近的谐波。,3.畸变因数DF（Distortionfactor）,为了表征经过二次滤波后谐波产生波形畸变的程度，引入畸变因数。畸变因数定义为,第n次谐波DF,4.输出电压谐波畸变率THD(TotalHarmonicDistortion),输出相电压谐波有效值为,为输出相电压的基波分量,输出相电压谐波畸变率THD,分别为相电压基波和n次谐波电压的有效值,6.输出电压的动态特性对于小功率等级逆变器，其输出电压动态波动值应小于6%8%（典型值）；对于中、大功率等级逆变器，其输出电压动态波动值应小于5%（典型值）。上述电压波动值应在1030ms内恢复到稳定值（典型值为20ms）。,5.输出电压的静态稳定度对于中、小功率等级逆变器输出电压的静态控制精度，其典型值为2%3%；对于中、大功率等级逆变器，其典型值为1%。,7.三相输出电压的对称性三相输出相电压幅值差，一般可以做到1%3%；三相输出相电压相位移差，一般可达到12.5。8.输出电压的频率特性中、小功率等级PWM逆变器频率控制精度的典型值为2（相对额定频率值），中、大功率等级逆变器的典型值可达到为0.11（相对额定频率值）的范围。,利用上述性能指标就可以比较科学地评价PWM逆变电路的质量。对于逆变装置或系统来说，还需增加逆变效率、单位重量（或体积）输出功率及可靠性等性能指标。,5.5PWM逆变器用于驱动异步电机,由于异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，难以直接、准确地控制电磁转矩。通过转子磁链这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系的坐标变换，就可以将定子电流分解出相互独立的励磁电流分量和转矩电流分量。由于这两个分量是直流量（标量），所以可方便地进行独立控制。通过坐标变换后重构的电机模型就可等效成一台直流电机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁链控制。,应用原因,转子磁链定向矢量控制的基本原理,交流电机的电磁转矩一般和定、转子旋转磁场及其夹角有关。因此，要控制其电磁转矩，必须先检测和控制交流电机的磁链。,磁链检测方法,在转子磁链定向矢量控制系统中，一般将（）坐标系放在同步旋转的转子磁链上，从而把静止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量（标量），并且通过动态控制使得轴与转子磁链空间矢量方向重合，此时转子磁链轴分量为零（）。,5.6PWM逆变器用于不间断电源（UPS）,以爱克赛公司（Exide）生产的9305系列中功率UPS产品（7.560kVA）为例，说明在采用了三相电压型PWM逆变器控制技术后UPS的输出特性。,输出电压的静态特性9305系列UPS产品的输出电压静态控制精度为380V1%；输出电压的动态特性输出电压动态波动值3%（7.515kVA）或5%（2060kVA）（0100%负载）；并且1ms恢复到输出电压的稳定值；输出频率特性频率控制精度为0.1；允许的市电同步跟踪范围为50Hz4%；输出电压的谐波畸变率带线性负载时，输出电压的谐波畸变率小于2%；带100%非线性负载时，其谐波畸变率小于5%。,带三相不平衡负载能力带100%不平衡负载时，三相相电压幅值差为1%（典型值）；三相相位移差为2（典型值）；输出过载能力125%过载时，可以持续带负载10分钟；150%过载，30秒；大于150%过载，5秒；系统效率系统的运行效率高达94%，由于9305系列UPS采用双PWM变流器技术，因而可以估计逆变