第5章 PWM逆变器.ppt

第5章PWM逆变器,六拍控制逆变器存在的主要问题:主电路两个变流器（整流器和逆变器）需要协调控制,即必须采用二级控制;交流输入侧功率因数差;逆变器输出谐波成分大。,解决途径:,生产专用电机(变频电动机)。采用逆变器多重化联接。应用动力滤波器。应用PWM控制技术。即逆变器一个工作周期中，其开关元件根据目标函数要求按一定规律作多次开关工作，称为基于PWM控制技术的逆变器。,目标函数:PWM技术:,电压正弦波SPWM电流正弦波CHBPWM圆形旋转磁场SVPWM消除制定次数谐波SHEPWM,第1节PWM逆变器的基本工作原理,一、PWM逆变器与普通型6拍控制逆变器的区别：（1）逆变桥上的开关电力元件的选择不同。PWM逆变器-开关元器件应具有可控开、关特性，且开关频率很高。如GTR、MOSFET、GTO、IGBT器件。不需要强迫换流电路。6拍控制逆变器-开关元器件使用可控开不可控关特性，且开关频率要求不高。如晶闸管SCR。必需附有强迫换流电路。,（2）逆变器触发控制脉冲形成方式不同,PWM逆变器-采用高频载波信号与参考信号(即期望目标)比较形成触发控制脉冲。逆变器上每个开关元件在一个控制周期内多次通断。普通型6拍逆变器-按每隔600（对应1/6f1）定时产生时序触发控制脉冲。逆变器上每个开关元件在一个控制周期内仅一次通断。,（3）变压变频的方式不同,脉宽调制型变频器-使用了现代全控型电力电子器件构成逆变器，接电网侧采用了二极管整流器，功率因数很高。调压调频在逆变器侧单级控制。6拍控制变频器-电压频率协调控制一般采用整流器调压，交流输入侧功率因数低。逆变器调频,必须是两级控制。,（4）逆变器输出谐波成分及幅度不同,PWM逆变器-输出电压（或电流）波形有明显改善，谐波成分及幅度减少。6拍控制逆变器-输出电压（或电流）为矩形波，谐波含量大。,二、单相PWM逆变器工作原理,PWM逆变器中，功率开关元器件要求使用开关频率高的电力元件，且电力开关元件可控开断。因此普通晶闸管不具备上述要求，GTO、GTR、IGBT、MOSFET等电力元件均符合上述要求。说明：逆变器脉宽调制信号设计注意两点（1）尽量减少开关损耗；（2）续流阶段必须保证同桥臂上下开关元件工作状态相反。,逆变器桥各开关元件PWM触发信号设计原理如下,单相逆变器主电路,Vg1Vg2Vg3Vg4,脉宽调制方式有：,按载波信号和调制信号的极性划分-（1）单极性调制；（2）双极性调制。,按载波信号和调制信号频率关系（载波比N=fc/fr）划分为:（1）同步调制载波比N等于常数时称同步调制方式。优点:在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。而且能严格保证逆变器输出三相波形之间具有120相位移的对称关系。缺点:当逆变器输出频率很低时，每个周期内的PWM脉冲数过少，低频谐波分量较大，使负载电动机产生转矩脉动和噪声。,（2）异步调制在逆变器的整个变频范围内，载波比N不是一个常数。一般在改变调制波频率fr时保持三角波频率fc不变，因而提高了低频时的载波比，这样逆变器输出电压每个周期内PWM脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了调速系统的低频工作特性。但异步调制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的优点。当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电动机工作不平稳。,(3)分段同步调制方式实际应用中，多采用分段同步调制方式，它集同步和异步调制方式之所长，而克服了两者的不足。在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点，在低频运行时，使载波比分级地增大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。具体地说，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持N恒定，而对不同的频段取不同的N值，频率低时，N值取大些。采用分段同步调制方式，需要增加调制脉冲切换电路，从而增加控制电路的复杂性。,问题：,载波比N和调制系数M?如何实现在逆变器上电压频率一级协调控制？什么叫同步调制?什么叫异步调制?分段什么叫同步调制？什么是双极调制和单极调制？,三、变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术简述,1、正弦波脉宽调制（SPWM）技术-期望逆变器输出电压波形为正弦波以正弦波作为调制波（Modulationwave），以频率比调制波高得多的等腰三角波作为载波（Carrierwave），由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidalpulsewidthmodulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。,PWM逆变器主电路及输出波形,归纳,调制信号正极性脉冲为上桥臂导通触发脉冲,负极性脉冲为下桥臂导通触发脉冲。逆变器输出的相电压与逆变桥对应相调制脉冲串一致。逆变器输出的线电压与逆变桥对应两相调制脉冲串的逻辑与一致即。,2、电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）控制技术-期望逆变器输出电流为正弦波,在电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。对电流实行闭环反馈，并以电流滞环跟踪形成触发脉冲信号的方法，称为电流滞环跟踪PWM（CHBPWM-CurrentHysteresisBandPWM）控制技术。,具有电流滞环跟踪PWM控制的PWM变压变频器的控制原理如图所示：,VT1,VT4,输出电流与给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化。电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。这是一对矛盾的因素，实用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽可能小的环宽。,滞环电流跟踪PWM方法有下述优点：简单；动态响应快；直接限制开关器件峰值电流；对直流电压Ud的波动不敏感,滤波电容可以取小。,各种新的脉宽调制法层出不穷。再比如:3、瞬时空间矢量控制法（又称磁场轨迹PWM法、或称电压空间矢量PWM）即SVPWM调制技术，通过这种控制方法，使异步电动机定子绕组产生的磁场接近圆形轨迹。4、梯形PWM（见93）5、优化阶梯波PWM（见94）6、单元脉宽调制（见88）,第2节脉宽调制技术,脉宽调制方式对PWM逆变器输出电压波形的质量和交流调速系统的性能具有根本性的影响。在诸多脉宽调制方法中，有的侧重于提高输出波形的质量，消除或抑制高次谐波；有的侧重于减少逆变器的开关损耗，或提高系统的综合效率；有的则侧重于在技术上的可实现性。,一、正弦PWM（SPWM）,（一）SPWM波形分析及开关点计算,设载波三角波四分之一周期角度为s，并设载波比,设三角波峰值为Ac,第i个开关处，载波三角波VCi可表示为：,/2N,（二）SPWM的改进,SPWM的优点：再不超调制（M1，超（过）调制，控制不在是线性，且在线性至非线性的过渡区，调制波形中间部分的槽宽突然消失，会引起电流浪涌。,（2）功率开关器件一周期内开关次数多，限制了逆变器的实际使用容量。（3）开关点计算量大，不易用计算机在线计算开关点进行实时控制。,SPWM一些改进措施：（1）加入谐波的SPWM（又称为HIPWM）针对线性控制区域小这一缺陷，为拓宽线性控制范围，可采用如下参考信号：,采用HIPWM，与SPWM相比，线电压输出有的谐波分量增加了一些，有的减少了，但在临界调制情况下，输出较大的基波电压，提高了直流电压的利用率，而开关次数与SPWM方式相同。,(2)基于规则采样技术及采样保持原理的PWM波形形成法,基于规则采样及保持原理PWM调制法的基本思想是:在高频载波三角波每个正向峰值点处,对参考信号正弦波进行采样,并将采样值保持到下一个采样时刻,用对参考波的采样保持信号与载波信号比较,产生调制脉冲信号。这种方法易于计算机在线计算每个控制周期内调制脉冲信号各开关点。,由图可知,代入上关系式,得,（三）、单元调制PWM法,这种方法可以减少低次谐波含量，增加线性控制区，减少开关损耗，带来微机控制的方便。单元脉宽调制原理三相对称线电压有关系：Uab+Ubc+Uca=0任意时刻，某一线电压都等于另外两个线电压负值之和。现在把一个周期分为6个区间，每区间600。半个周期两边600区间用线电压本身表示，中间600区间用另外两线电压负值之和表示。,用此信号作为参考信号,载波信号仍用三角波。参考信号和三角波信号比较产生调制脉冲。如下图。定义每周期6个单元区间调制脉冲分别为：P1、P2、P3、-P1、-P2、-P3。,P2,P1,P3,-P1,-P2,-P3,规律：,1）、P2脉冲序列是由P1+P3脉冲序列组成。2）、三相线电压调制脉冲相互错开1200对称，已知Uab调制脉冲，则Ubc，Uca调制脉冲可以确定。,3）、逆变器线电压输出与驱动脉冲信号间的逻辑关系,按照开关损耗最小和同桥上下桥臂通断状态互补以及功率平衡设计原则，以线电压调制脉冲为期望输出，可确定VT1VT6在一个周期内的触发脉冲。以Uab为例，设计g1、g3、g4、g6。,逆变器中各开关管各单元区间的驱动脉冲列号,4）、计算开关点,只要计算出P1脉冲列各开关点，利用对称关系就可以递推出P3脉冲列的各开关点，而P2脉冲列可由P2=P1+P3得到。P1脉冲列中第i个脉冲前后两个开关点可由下两式求得：其中，m为单元内载波三角波的半个周期数。M为调制系数。,作业,（）、设期望逆变器输出线电压在一个周期6个单元脉冲串分别为P1P2P3-P1-P2-P3。按三相线电压对称原则，列出、各单元的脉冲列。（）、按同一相正负桥臂开关元件状态互补及开关损耗最小和功率平衡设计原则以及：U的逻辑关系，设计逆变器中各开关元件在各单元区间的驱动脉冲列号。（）、取单元内载波三角形半波个数，调制系数.，计算第单元各开关点。,二、谐波消除法PWM调制,为了消除逆变器输出电压中的某些谐波,可以采用特定的调制脉冲。右图给出了几种在方波上对称地开出一些槽口的波形，开的槽口数越多,可以消除的谐波数也越多。,以消除5、7次谐波为例，说明各开关点的确定方法和谐波消除原理:,将图（b）电压波形展开成傅立叶级数，其第n次谐波电压幅值可求得为：,使输出基波电压幅值为所要求的U1M，消除5、7次谐波，则可列出如下方程组,消除谐波求解开关角ai的方程组一般表达式：,三、电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术-期望电机定子磁链为圆形,电压空间矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制。把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”。,(1).电压与磁链空间矢量的关系,用合成空间矢量表示的定子电压方程式：当电动机转速不是很低时，定子电阻压降所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为：,当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链为：可见，定子磁链的幅值恒定，其空间矢量以同步转速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（称为磁链圆）。,由关系式,可见，当磁链矢量在空间圆形旋转时，电压矢量也连续地跟随磁链旋转方向旋转，其轨迹也是圆形，仅是两个空间矢量在相位上差900。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。,(2)、六拍阶梯波逆变器空间旋转磁场运动轨迹,在常规1800导通型变压变频调速系统中，异步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时的电压空间矢量运动轨迹和空间旋转磁场运动轨迹是怎样的呢？,其中，前6个开关状态下的空间电压为非零电压矢量，后两个开关状态下的电压为零电压矢量，在六拍方式下不使用零电压矢量。,矢量电压：,可见，按6拍1800导通型控制，三相异步电动机定子绕组产生的磁场为旋转的等边六边形磁场。显然与圆形旋转磁场的理想要求相差很大。,（3）、SVPWM控制技术,想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个600期间内出现多个工作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。,把逆变器的一个工作周期用6个电压空间矢量划分成6个区域,称为扇区(Sector),每个扇区对应的时间均为600,在六拍逆变器中一个扇区仅包含两个开关工作状态。为获得优于正六边形的旋转磁场,现将每个扇区再分成两个小扇区,每个小扇区包含t1、t2、t3时间段，同时每个小扇区包含两个开关状态，两个工作状态在三个时间段交替切换，用线性组合的方法在每个扇区逼近圆弧的磁链运动轨迹。,各扇区多时段空间矢量分配,例三相逆变电源驱动脉冲SVPWM设计,以给定频率下六拍控制的磁链六边形外切圆为控制目标，为逼近圆形旋转磁场，采用扇区内多个非零电压空间矢量与作用时间的线性组合。,如扇区I，为使磁链轨迹逼近圆弧，选取三种空间矢量用线性组合的方式来拟合，即,一个扇区的时间为，取每次作用时间为单位脉冲时间，每次作用时间为双脉冲时间，则单位脉冲时间。按上图规划各扇区电压矢量，得表矢量组合。,按表画出的逆变器各驱动脉冲信号如下图所示。,问题1：SVPWM调制技术如何实现气隙磁通恒定？,设系统最高频率为f1max,对应扇区时间为在最高频率下任意扇区下采用SVPWM调制控制磁链增量为下式表示：,当变频调速使频率减小时，每个扇区作用时间将增加，如果依然采用和最高频率下的非零电压作用的线性组合方式，从上式可知将随着频率的下降而增加。这不符合恒磁通变频调速原则。为此可采用如下SVPWM调制控制方法。,即为维持变频调速过程中气隙磁通不变，SVPWM控制采用每个扇区多个非零电压空间矢量作用时间与零电压作用时间的线性组合。在最高频率下，零电压作用时间t0=0.,问题2：,在低于f1max下的任意频率下，按每扇区多时段多个非零电压空间矢量作用时间与零电压作用时间的线性组合切换控制的SVPWM调制方法，都能保证：试证明之。,在频率下，每个扇区内非零电压矢量作用时间，零电压矢量作用时间，,在任意频率下，,1、根据联结方式的不同，重化次数的不同，说明采用多重化技术的逆变器输出电流谐波成分以及电动机脉动转矩谐波成分的构成规律。2、PWM变频器与普通型六拍控制变频器区别？3、SPWM、SVPWM、CHBPWM三种调制技术的基本思想是什么？,知识回顾,4、设用单元调制PWM法，Uab六个单元脉冲列号分别为：P1、P2、P3、-P1、-P2、-P3。写出三相线电压各单元的脉冲列号和逆变器中各开关器件各单元区间的驱动脉冲列号。并说明设计基于的原则。5、概念：载波比；调制系数；同步调制，异步调制。6、试画出带辅助晶闸管强迫换流电路的逆变器主、辅晶闸管触发控制时序图。,第3节PWM调速系统,系统能够实现的功能,过压保护过流保护开环U1/f1协调控制低频段采用恒载波频率f0的异步调制PWM。高频段采用分级同步调制方式。,概念,异步调制同步调制分级同步调制一般只在低频段采用异步调制方式，而在高频段采用分级同步调制。,一个可变幅变频的三相正弦波参考信号可以用模拟电路产生，线路复杂，调整困难；可以采用数据存储查表输出方式；还可以采用专用SPWM集成芯片如HEF4752或SLE4520产生,一、专用SPWM集成芯片HEF4752及其应用,HEF4752可提供三相SPWM控制脉冲，可适用于晶体管或晶闸管逆变器驱动，具有多频载波比的自动切换功能，调频范围0100Hz，载波比分为8级：168/120/84/60/42/30/21/15。,引脚说明,（1）I-晶闸管/晶体管驱动选择。I=H电平，为晶闸管驱动方式；主输出为占空比=1：3的触发脉冲串，换流输出为单脉冲。I=L电平时，为晶体管驱动方式；只有主触发输出，没有辅助触发输出。,（2）L启动/停止控制，当L=L电平，为停止控制，在停止状态下，封锁全部主输出和辅助换流输出。L除作启/停控制作用外，在应用中还可用作过流保护信号或其它故障保护信号。（3）CW相序控制（电动机方向控制）CW=L电平，相序为R、B、Y（相当于A、C、B）；CW=H电平，相序为Y、B、R（相当于A、B、C）,（4）逆变器驱动输出,ORM1（A相VT1驱动）ORM2（A相VT4驱动）ORC1（A相VT1驱动）ORC2（A相VT4驱动）,OYM1（B相VT3驱动）OYM2（B相VT6驱动）OYC1（B相VT3驱动）OYC2（B相VT6驱动）,OBM1（C相VT5驱动）OBM2（C相VT2驱动）OBC1（C相VT5驱动）OBC2（C相VT2驱动）,(5)逆变器输出由四个时钟输入进行控制:,频率控制时钟FCT:用来控制逆变器输出频率电压控制时钟VCT:用来控制逆变器输出的基波电压,即脉冲宽度,参考时钟RCT:用来设置载波频率。输出推迟时钟OCT:为防止同一桥臂中的上下开关元件在开关转换过程中,产生直通事故而必须设置的延时时间.延迟时间为Td，在一个系统中OCT时钟为恒值。,例利用HEF4752组成的开环SPWM交流调速系统,四个时钟频率的确定,(1)OCT时钟频率若开通延时时间td=24微秒,K加高电平,则要求方波发生器产生频率:(2)参考时钟RCT频率若最高载波频率为fcmax=1kHz.则要求方波发生器输出频率:,(3)压频转换器V/F输入/输出线性设计若逆变器最大工作频率f1out=80Hz.按应选010V输入对应0300KHz的线性V/F压频转换器,(4)fVCT时钟信号发生器V/F的输入/输出线性选择按U1/f1=常数的协调控制原则,应有一般,取即因此VCT时钟信号发生器V/F的输入/输出线性选择应为:010V对应0600KHz.,例2.单片机结合专用大规模集成芯片HEF4752构成的微机控制PWM交流变频调速系统,另外,可编程的SPWM专用芯片还有:SA4848、SLE4520等,可查阅相关资料，了解使用方法。,二、PMM变频调速系统中的功率接口,大功率晶体管GTR为电