第2章电力电子变频器及PWM控制杜.ppt

1、第二章 电力电子变频器及PWM控制原理,控制科学与工程学院 杜春水,概 述,对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。,概 述,随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，变频调速技术随之取得了日新月异的进步。人们从不同的工业生产需要出发，从不同的角度研究变频调速的实现技术，从而产生了多种不同结构和性能的变频调速装置。,电力电子 变频器,交-交变频器,交-直-交变频器,电压源型,电流源型,本 章 提 要,交-交变频器 交-

2、直-交变频器 PWM控制基础 PWM控制技术 三相PWM专用集成电路 单片机和DSP用于PWM信号生成 转速开环的U/f控制变频调速系统 转速闭环转差频率控制的变频调速系统,2.1 交-交变频器,交-交变频器直接把恒压恒频（Constant Voltage Constant Frequency，简称CVCF）的交流电源变换成变压变频（VVVF）的交流电源，又称为直接变频装置。有时也称作周波变换器(Cycloconveter）。,2.1 交-交变频器,常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆

3、线路。,2.1.1 整流器组合式交-交变频器,基本结构,2.1.1 整流器组合式交-交变频器,1. 整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压 u0 ， u0 的幅值决定于各组可控整流装置的控制角 ， u0 的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如右图 b 所示。,2.1.1 整流器组合式交-交变频器,单相整流器组合式交-交变频器,图2-1 交-交变频器反并联连接的一相电路及输出电压波形 (a)主电路,负 载,正组,反组,uL,2.1.1 整流器组合式交-交变频器,三相桥式连接的交-交变频器主电路如图2-2所示。该主

4、电路由IVI六组三相桥式整流电路组成，I、III、V为正组，IV、VI、II为反组。运行中各整流电路应每隔60，按I、II、III、IV、V、VI、I的顺序轮流导通，每组工作120。,I,II,III,IV,V,VI,交-交变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，但所用元件数量更多，设备相当庞大。 方波中存在的高次谐波使电动机的低速转矩脉动大、转动不均匀、损耗及噪声增大。因此，方波型交-交变频器在异步电动机的调速中应用较少，常用于无换向器电动机的调速系统及超同步串级调速系统中。,2. 调制控制方式 要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。 例如：在正向

5、组导通的半个周期中，使控制角 由/2（对应于平均电压 u0 = 0）逐渐减小到 0（对应于 u0 最大），然后再逐渐增加到 /2（ u0 再变为0），如下图所示。,输出电压波形,图2-3 正弦波交-交变压变频器的输出电压波形,对于三相交-交变频器，B、C两相的期望输出电压应与A相的正弦输出电压大小相同，相位上互差120，各整流组的控制角必须按照本相输出电压的要求运算获得。,设期望的A相输出电压为,则该电压应由整流组I与整流组IV切换提供， I组供电电压为,(2-1),(2-2),式中，Udm 是整流组输出的最高直流电压。,当I组开放时，,即,于是,实际控制中，一般由微处理器产生三相对称的调幅调

6、频正弦波给定信号，并通过查表运算找出对应的角，配合必要的逻辑电路进行实时控制。,当IV组开放时，,即,3.交-交变频调速的基本特点 （1）功率开关元件在电网电压过零点自然换相，对元件无特殊要求，可采用普通晶闸管； （2）易于实现电机的四象限运行； （3）交-交变频器最高输出频率一般不超过电网频率的1/31/2，否则输出波形畸变太大，将影响变频调速系统的正常工作； （4）由于电路构成的特点，所用晶闸管元件数量较多，设备庞大。,鉴于以上各方面的特点，交-交变频器特别适用于低速、大容量的调速系统，如轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。这类机械由交-交变频器供电的低速电机直接拖动，可以省去庞大笨重的齿轮减速

7、箱，极大地缩小装置的体积，减少日常维护，提高系统性能。 不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。,2.1.2 矩阵式交-交变频器,1. 电路结构,2.1.2 矩阵式交-交变频器,2. 安全换流策略 为了保证MC的输入电流和输出电压都是正弦波，对9组双向开关都实行PWM控制。在矩阵式变频器中功率器件的安全换流比传统变频器中要困难得多，连接同一相输出的任意两组双向可控开关之间进行切换时必须满足： （1）换流时确保连接同一输出相的各输入相双向开关不能同时导通，否则将造成输入两相短路； （2）换流时不能插入死区，以防止感性负载与线

8、路分布电感由于开路而感应瞬时高电压，威胁功率器件安全，因此三组开关也不能同时断开。也就是说，既不允许两组开关同时导通，也不允许有切换死区，所以必须有严格的逻辑控制。,2.1.2 矩阵式交-交变频器,要保证输入电压不短路，则VS1p、VS2n不能同时导通，VS2p、VS1n也不能同时导通；要满足输出不能突然开路，则四个单向开关中至少有一个处于导通状态，满足这些要求的开关组合共有8种，列于表2-1。,(a)开关单元 (b)接到同一相负载的两组双向开关,图2-5 矩阵式变频器的双向开关,2.1.2 矩阵式交-交变频器,如果原始状态是表2-1中的第1种开关状态，即VS1正反向都能导通，那么直接切换到第

9、2种开关状态是不行的，因为这样会造成电源短路。但当iL0时，经过状态3、7、5，再切换到状态2则始终是安全的；,同理，当iL0时，由状态1经过4、8、6到2也能实现安全换流。对于其他输出相也同样可以找出类似的安全换流次序。当要关断的器件被要开通的器件施以反压时，可实现零电流开关。这种情况发生的概率只有50%，所以这种换流策略又称为半软换流策略。,3.输出电压 矩阵式交-交变频器的简化结构如图2-6所示。对于任意一组三相输入电压ui，通过按一定规律控制矩阵式主电路开关元件，就可以合成所需要的输出电压，输出电压可表示为：,在纯电阻性负载下，MC的最高输出频率可达300Hz以上，在电动机负载下，也能

10、达到额定频率以上，但最高输出电压有一个限制。当要求输出电流为正弦波并采用高频调制时，最高输出电压为输入电压的0.866倍。 MC是开关性质的变换器，其输入电流和输出电压都不可避免地有谐波，但由于自关断器件在高频SPWM状态下工作，谐波的阶次较高，故只需在输入、输出端附加很小的LC滤波器，就能显著地改善输入电流和输出电压波形。由于采用了自关断器件，可以使输入电流的相移因数（基波功率因数cos1）为任意指令值。,综上所述，矩阵式交-交变频器具有以下特点： （1）结构紧凑，效率高，相当于一台取消了大容量贮能元件的双PWM变流器； （2）输入相电流相位可控，能够实现功率因数为1或超前的功率因数，因而具

11、有类似同步电动机的无功补偿性能； （3）可以输出正弦负载电压，且输出电压频率和幅值宽范围连续可调，特别是输出频率可高于基频，克服了整流器组合式交-交变频器只能在基频以下调速的不足； （4）能够实现能量双向流动，便于电动机实现四象限运行。,思考题： 1.矩阵式交-交变频器的输出电压与输入电压有何关系？ 2. 矩阵式交-交变频器的特点是什么？,2.2 交-直-交变频器,从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。,2.2 交-直-交变频器,交-直-交型变频器的控制方式

12、根据变压与变频是否同时进行可分为两种： 1. PAM控制方式 它是把变压（VV）与变频（VF）分开完成，前面的环节用来改变直流电压的幅值，后面的环节用来改变逆变器输出的频率，这种分别控制直流电压幅值和交流输出频率的方法称为脉冲幅值调制方式（Pulse Amplitude Modulation）方式，简称PAM控制方式； 2. PWM控制方式 它是把变压（VV）与变频（VF）集中于逆变器完成，即前面为不可控整流器，中间直流电压恒定，而后由逆变器同时完成变压与变频，逆变器采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）的方式，简称PWM控制方式。,2.2 交-直-交变频器,交-直-

13、交变频器根据不同的标准进行分类，如下所示：,在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类. 两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。,2.2.1 交-直-交电压源型变压变频器,电压源型逆变器（Voltage Source InverterVSI ），直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。,交-直-交电压源型变压变频器的特点,中间直流环节采用大电容滤波，直流电压脉动很小，近似为电压源，具有低阻

14、抗特性。 逆变器输出的三相交流电压波形为矩形波或阶梯波，不受负载参数的影响，而交流侧电流波形因负载阻抗角的不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。 由于直流环节并联有大电容，直流电压的极性不能改变，直流电流受整流电路功率器件单向导电性的限制也不能改变流向。 当负载电动机需要做再生制动运行时： 大容量的调速系统：需与整流电路反并联一组逆变桥，使再生能量通过逆变桥回馈到交流电网。 当系统容量较小时，可在直流电路加装能耗电阻，当再生能量回馈到直流电路，使直流电压升高到设定阈值以上时，控制与能耗电阻串联的功率开关器件导通，使再生能量消耗在电阻上。,2.2.2 交-直-交电压源变频器的基本原理,1. 逆变

15、器主电路,开关符号代表任何一种电力电子开关器件，如IGBT, MOSFET, GTR,GTO等。 每只功率开关元件反并联一只续流二极管，为感性负载的滞后电流提供续流通路。 逆变器直流环节并联有大容量滤波电容，当逆变器的负载为三相异步电动机时，这个电容同时又是缓冲负载无功功率的贮能元件。,图2-8 三相电压源逆变器主电路,主电路构成如图2-8所示。,2. 波形分析 在三相桥式逆变器中，有180导通型和120导通型两种换流方式。在某一瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。 在由半控型器件组成的逆变器中，这还取决于换流电路的结构，如串联二极管式逆变器只能是12

16、0导通型，而串联电感式逆变器可以是120导通型，也可以是180导通型。,2. 波形分析,180导通型逆变器是指同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器。,例如，当VT1关断后，使VT4导通，而当VT4关断后，又使VT1导通。这时，每个开关器件在一个周期内导通的区间是180，其他各相亦均如此。由于每隔60有一个器件开关，在180导通型逆变器中，除换流期间外，每一时刻总有3个开关器件同时导通。,图2-9 180导电型电压源逆变器元件导通规律及输出电压波形,2. 波形分析,但须注意，必须防止同一桥臂的上、下两管同时导通，否则将造成直流电源短路，谓之“直通”。为此，在换流时，必须采取“先断后通”的方法，

17、即先给应关断的器件发出关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，叫做“死区时间”，再给应导通的器件发出开通信号。,死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快时，所留的死区时间可以越短。为了安全起见，设置死区时间是非常必要的，但它会造成输出电压波形的畸变。,分析逆变器输出电压的谐波分量，可知相电压和线电压均不存在3及3的整数倍次谐波，但都存在（k=1，2，3，）次谐波，特别是5次、7次谐波成分较大，会使负载电机的谐波损耗增加，发热加剧，负载转矩脉动较大，对电动机的运行十分不利。,2.2.3 几种常见的SCR交-直-交电压源逆变器,1串联二极管式电压源逆变器,VD1VD6: 隔离二极管;

18、C1C6: 换相电容; Df1Df6及R1R2 反馈二极管和反馈电阻; C0:滤波电容器,图2-11 串联二极管式电压源逆变器主电路,交-直-交电压源PAM变频器原理分析,1逆变器主电路 交-直-交电压源变频器由整流和逆变两部分组成. 整流部分一般是由晶闸管元件组成的可控整流电路。 逆变器为交-直-交电压源变频器的核心部分 三相电压源逆变器主电路构成如图2-11所示。,三相逆变器的主电路由VT1VT6六个晶闸管组成，因为各桥臂晶闸管和二极管串联使用而得名。 串联二极管的作用是隔离换相电容与电机反电动势。 VD1VD6是隔离二极管，其作用是使换相电容与负载隔离，防止换相电容通过负载放电，保证各晶

19、闸管之间换相过程的正常进行。,各桥臂之间连接的电容C1C6是换相电容 Df1Df6及R1R2是六个反馈二极管和两个反馈电阻，其中反馈二极管作为负载滞后电流和换相电容的放电通路。 在反馈二极管共阳极组和共阴极组之间并联有滤波电容器C0，这个电容同时又是一个储能元件，起缓冲感性负载无功功率的作用。 ZA、ZB、ZC是三相对称负载,2.工作原理及输出电压波形分析,三相桥式逆变器的六只功率开关按VT1VT6的顺序每隔60电角度触发导通一只，若每60为一个工作区间，则一个周期共换相六次（又称六拍），对应六个不同的工作区间。,逆变器采用120工作方式，即按VT1VT6的顺序每隔60依次触发导通，每个功率开

20、关元件导通120，形成6个工作区间，各区间内元件的导通规律如表3-1所示。因此每一时刻有分别位于共阴极组和共阳极组且不同相的两只元件同时工作，只有两相负载同时流过电流。 图2-12示出了120导通型串联二极管式电压源逆变器各电压波形。,2.2.3 几种常见的SCR交-直-交电压源逆变器,3.换流分析,以T2开通，T6关断为例 设系统已经工作，即在T2触发前，VT1,VT6导通. 导通回路：P-VT1-ZA-ZB-D6-VT6-N 同时C1充电：P-VT1-C1( )-D6-VT6-N为关断VT1做准备。 注意：C6在T5,T6导通时已被充电（ ） p-T5-D5-D2-C6-T6-N,图2-1

21、2 (a)串联二极管式三相逆变器,+,+,T6关断后，C6继续放电，放电回路为： C6(+)T2NR2Df6D6C6(-) 注意：RF越大，放电越慢，T6承受的反压时间越长，T6关断越可靠。,在60120区间： 导通回路：P-T1-D1-ZA-ZC-D2-T2-N 由于T2的导通，T6承受反压关断,图2-12 (a)串联二极管式三相逆变器,+,+,+,+,T6关断后，ZB产生反电势需要续流。 关断前： 续流回路：电感()Df3-R1-P-VT1-D1-ZA-电感（-） 此时，R1很小且管压降不计，则B点的电位P点电位。,T1 T2导通时的等效电路图,o,P,Ud,A,B,C,VT2,D2,D1

22、,VT1,R1,ZA=ZB=ZC ; 对称,UA0=UB0=1/3Ud UCO=-2/3Ud,2.2.3 几种常见的SCR交-直-交电压源逆变器,图2-12 120导通型六阶梯波交-直-交电压源逆变器各电压波形 (a)电阻性负载 (b)电感性负载,调压原理：改变整流器的控制角a 调频原理：改变六相脉冲的间隔。,4电路的工作特点,（1）在逆变器中反馈电阻和换向电容的大小决定了晶闸管换流时的反偏压持续时间，因此反馈电阻R1和R2大小对逆变器换流能力影响较大。 反馈电阻增加，换向电容放电时间长，晶闸管承受反偏压时间长，换流可靠。在电压型逆变器中，已能满足换流要求。 反馈电阻的增大会引起逆变器输出电压的降低，在实际使用中可以采用电压负反馈来补偿压降，故影响不大。,2）反馈电阻上产生损耗，影响效率，且频率越高损耗越大，所以这种