1、第二章 電力電子變頻器及PWM控制原理,控制科學與工程學院 杜春水,概 述,對于異步電機的變壓變頻調(diào)速，必須具備能夠同時控制電壓幅值和頻率的交流電源，而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻的電源，因此應(yīng)該配置變壓變頻器，又稱VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）裝置。,概 述,隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)隨之取得了日新月異的進步。人們從不同的工業(yè)生產(chǎn)需要出發(fā)，從不同的角度研究變頻調(diào)速的實現(xiàn)技術(shù)，從而產(chǎn)生了多種不同結(jié)構(gòu)和性能的變頻調(diào)速裝置。,電力電子 變頻器,交-交變頻器,交-直-交變頻器,電壓源型,電流源型,本 章 提 要,交-交變頻器 交-

2、直-交變頻器 PWM控制基礎(chǔ) PWM控制技術(shù) 三相PWM專用集成電路 單片機和DSP用于PWM信號生成 轉(zhuǎn)速開環(huán)的U/f控制變頻調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng),2.1 交-交變頻器,交-交變頻器直接把恒壓恒頻（Constant Voltage Constant Frequency，簡稱CVCF）的交流電源變換成變壓變頻（VVVF）的交流電源，又稱為直接變頻裝置。有時也稱作周波變換器(Cycloconveter）。,2.1 交-交變頻器,常用的交-交變壓變頻器輸出的每一相都是一個由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。也就是說，每一相都相當于一套直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆

3、線路。,2.1.1 整流器組合式交-交變頻器,基本結(jié)構(gòu),2.1.1 整流器組合式交-交變頻器,1. 整半周控制方式 正、反兩組按一定周期相互切換，在負載上就獲得交變的輸出電壓 u0 ， u0 的幅值決定于各組可控整流裝置的控制角 ， u0 的頻率決定于正、反兩組整流裝置的切換頻率。如果控制角一直不變，則輸出平均電壓是方波，如右圖 b 所示。,2.1.1 整流器組合式交-交變頻器,單相整流器組合式交-交變頻器,圖2-1 交-交變頻器反并聯(lián)連接的一相電路及輸出電壓波形 (a)主電路,負 載,正組,反組,uL,2.1.1 整流器組合式交-交變頻器,三相橋式連接的交-交變頻器主電路如圖2-2所示。該主

4、電路由IVI六組三相橋式整流電路組成，I、III、V為正組，IV、VI、II為反組。運行中各整流電路應(yīng)每隔60，按I、II、III、IV、V、VI、I的順序輪流導通，每組工作120。,I,II,III,IV,V,VI,交-交變頻器雖然在結(jié)構(gòu)上只有一個變換環(huán)節(jié)，省去了中間直流環(huán)節(jié)，但所用元件數(shù)量更多，設(shè)備相當龐大。 方波中存在的高次諧波使電動機的低速轉(zhuǎn)矩脈動大、轉(zhuǎn)動不均勻、損耗及噪聲增大。因此，方波型交-交變頻器在異步電動機的調(diào)速中應(yīng)用較少，常用于無換向器電動機的調(diào)速系統(tǒng)及超同步串級調(diào)速系統(tǒng)中。,2. 調(diào)制控制方式 要獲得正弦波輸出，就必須在每一組整流裝置導通期間不斷改變其控制角。 例如：在正向

5、組導通的半個周期中，使控制角 由/2（對應(yīng)于平均電壓 u0 = 0）逐漸減小到 0（對應(yīng)于 u0 最大），然后再逐漸增加到 /2（ u0 再變?yōu)?），如下圖所示。,輸出電壓波形,圖2-3 正弦波交-交變壓變頻器的輸出電壓波形,對于三相交-交變頻器，B、C兩相的期望輸出電壓應(yīng)與A相的正弦輸出電壓大小相同，相位上互差120，各整流組的控制角必須按照本相輸出電壓的要求運算獲得。,設(shè)期望的A相輸出電壓為,則該電壓應(yīng)由整流組I與整流組IV切換提供， I組供電電壓為,(2-1),(2-2),式中，Udm 是整流組輸出的最高直流電壓。,當I組開放時，,即,于是,實際控制中，一般由微處理器產(chǎn)生三相對稱的調(diào)幅調(diào)

6、頻正弦波給定信號，并通過查表運算找出對應(yīng)的角，配合必要的邏輯電路進行實時控制。,當IV組開放時，,即,3.交-交變頻調(diào)速的基本特點 （1）功率開關(guān)元件在電網(wǎng)電壓過零點自然換相，對元件無特殊要求，可采用普通晶閘管； （2）易于實現(xiàn)電機的四象限運行； （3）交-交變頻器最高輸出頻率一般不超過電網(wǎng)頻率的1/31/2，否則輸出波形畸變太大，將影響變頻調(diào)速系統(tǒng)的正常工作； （4）由于電路構(gòu)成的特點，所用晶閘管元件數(shù)量較多，設(shè)備龐大。,鑒于以上各方面的特點，交-交變頻器特別適用于低速、大容量的調(diào)速系統(tǒng)，如軋鋼機、球磨機、水泥回轉(zhuǎn)窯等。這類機械由交-交變頻器供電的低速電機直接拖動，可以省去龐大笨重的齒輪減速

7、箱，極大地縮小裝置的體積，減少日常維護，提高系統(tǒng)性能。 不過這些設(shè)備都是直流調(diào)速系統(tǒng)中常用的可逆整流裝置，在技術(shù)上和制造工藝上都很成熟，目前國內(nèi)有些企業(yè)已有可靠的產(chǎn)品。,2.1.2 矩陣式交-交變頻器,1. 電路結(jié)構(gòu),2.1.2 矩陣式交-交變頻器,2. 安全換流策略 為了保證MC的輸入電流和輸出電壓都是正弦波，對9組雙向開關(guān)都實行PWM控制。在矩陣式變頻器中功率器件的安全換流比傳統(tǒng)變頻器中要困難得多，連接同一相輸出的任意兩組雙向可控開關(guān)之間進行切換時必須滿足： （1）換流時確保連接同一輸出相的各輸入相雙向開關(guān)不能同時導通，否則將造成輸入兩相短路； （2）換流時不能插入死區(qū)，以防止感性負載與線

8、路分布電感由于開路而感應(yīng)瞬時高電壓，威脅功率器件安全，因此三組開關(guān)也不能同時斷開。也就是說，既不允許兩組開關(guān)同時導通，也不允許有切換死區(qū)，所以必須有嚴格的邏輯控制。,2.1.2 矩陣式交-交變頻器,要保證輸入電壓不短路，則VS1p、VS2n不能同時導通，VS2p、VS1n也不能同時導通；要滿足輸出不能突然開路，則四個單向開關(guān)中至少有一個處于導通狀態(tài)，滿足這些要求的開關(guān)組合共有8種，列于表2-1。,(a)開關(guān)單元 (b)接到同一相負載的兩組雙向開關(guān),圖2-5 矩陣式變頻器的雙向開關(guān),2.1.2 矩陣式交-交變頻器,如果原始狀態(tài)是表2-1中的第1種開關(guān)狀態(tài)，即VS1正反向都能導通，那么直接切換到第

9、2種開關(guān)狀態(tài)是不行的，因為這樣會造成電源短路。但當iL0時，經(jīng)過狀態(tài)3、7、5，再切換到狀態(tài)2則始終是安全的；,同理，當iL0時，由狀態(tài)1經(jīng)過4、8、6到2也能實現(xiàn)安全換流。對于其他輸出相也同樣可以找出類似的安全換流次序。當要關(guān)斷的器件被要開通的器件施以反壓時，可實現(xiàn)零電流開關(guān)。這種情況發(fā)生的概率只有50%，所以這種換流策略又稱為半軟換流策略。,3.輸出電壓 矩陣式交-交變頻器的簡化結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。對于任意一組三相輸入電壓ui，通過按一定規(guī)律控制矩陣式主電路開關(guān)元件，就可以合成所需要的輸出電壓，輸出電壓可表示為：,在純電阻性負載下，MC的最高輸出頻率可達300Hz以上，在電動機負載下，也能

10、達到額定頻率以上，但最高輸出電壓有一個限制。當要求輸出電流為正弦波并采用高頻調(diào)制時，最高輸出電壓為輸入電壓的0.866倍。 MC是開關(guān)性質(zhì)的變換器，其輸入電流和輸出電壓都不可避免地有諧波，但由于自關(guān)斷器件在高頻SPWM狀態(tài)下工作，諧波的階次較高，故只需在輸入、輸出端附加很小的LC濾波器，就能顯著地改善輸入電流和輸出電壓波形。由于采用了自關(guān)斷器件，可以使輸入電流的相移因數(shù)（基波功率因數(shù)cos1）為任意指令值。,綜上所述，矩陣式交-交變頻器具有以下特點： （1）結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，相當于一臺取消了大容量貯能元件的雙PWM變流器； （2）輸入相電流相位可控，能夠?qū)崿F(xiàn)功率因數(shù)為1或超前的功率因數(shù)，因而具

11、有類似同步電動機的無功補償性能； （3）可以輸出正弦負載電壓，且輸出電壓頻率和幅值寬范圍連續(xù)可調(diào)，特別是輸出頻率可高于基頻，克服了整流器組合式交-交變頻器只能在基頻以下調(diào)速的不足； （4）能夠?qū)崿F(xiàn)能量雙向流動，便于電動機實現(xiàn)四象限運行。,思考題： 1.矩陣式交-交變頻器的輸出電壓與輸入電壓有何關(guān)系？ 2. 矩陣式交-交變頻器的特點是什么？,2.2 交-直-交變頻器,從整體結(jié)構(gòu)上看，電力電子變壓變頻器可分為交-直-交和交-交兩大類。交-直-交變壓變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流，如下圖所示。,2.2 交-直-交變頻器,交-直-交型變頻器的控制方式

12、根據(jù)變壓與變頻是否同時進行可分為兩種： 1. PAM控制方式 它是把變壓（VV）與變頻（VF）分開完成，前面的環(huán)節(jié)用來改變直流電壓的幅值，后面的環(huán)節(jié)用來改變逆變器輸出的頻率，這種分別控制直流電壓幅值和交流輸出頻率的方法稱為脈沖幅值調(diào)制方式（Pulse Amplitude Modulation）方式，簡稱PAM控制方式； 2. PWM控制方式 它是把變壓（VV）與變頻（VF）集中于逆變器完成，即前面為不可控整流器，中間直流電壓恒定，而后由逆變器同時完成變壓與變頻，逆變器采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）的方式，簡稱PWM控制方式。,2.2 交-直-交變頻器,交-直-

13、交變頻器根據(jù)不同的標準進行分類，如下所示：,在交-直-交變壓變頻器中，按照中間直流環(huán)節(jié)直流電源性質(zhì)的不同，逆變器可以分成電壓源型和電流源型兩類. 兩種類型的實際區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾波器。下圖繪出了電壓源型和電流源型逆變器的示意圖。,2.2.1 交-直-交電壓源型變壓變頻器,電壓源型逆變器（Voltage Source InverterVSI ），直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，因而直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內(nèi)阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，有時簡稱電壓型逆變器。,交-直-交電壓源型變壓變頻器的特點,中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，直流電壓脈動很小，近似為電壓源，具有低阻

14、抗特性。 逆變器輸出的三相交流電壓波形為矩形波或階梯波，不受負載參數(shù)的影響，而交流側(cè)電流波形因負載阻抗角的不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。 由于直流環(huán)節(jié)并聯(lián)有大電容，直流電壓的極性不能改變，直流電流受整流電路功率器件單向?qū)щ娦缘南拗埔膊荒芨淖兞飨颉?當負載電動機需要做再生制動運行時： 大容量的調(diào)速系統(tǒng)：需與整流電路反并聯(lián)一組逆變橋，使再生能量通過逆變橋回饋到交流電網(wǎng)。 當系統(tǒng)容量較小時，可在直流電路加裝能耗電阻，當再生能量回饋到直流電路，使直流電壓升高到設(shè)定閾值以上時，控制與能耗電阻串聯(lián)的功率開關(guān)器件導通，使再生能量消耗在電阻上。,2.2.2 交-直-交電壓源變頻器的基本原理,1. 逆變

15、器主電路,開關(guān)符號代表任何一種電力電子開關(guān)器件，如IGBT, MOSFET, GTR,GTO等。 每只功率開關(guān)元件反并聯(lián)一只續(xù)流二極管，為感性負載的滯后電流提供續(xù)流通路。 逆變器直流環(huán)節(jié)并聯(lián)有大容量濾波電容，當逆變器的負載為三相異步電動機時，這個電容同時又是緩沖負載無功功率的貯能元件。,圖2-8 三相電壓源逆變器主電路,主電路構(gòu)成如圖2-8所示。,2. 波形分析 在三相橋式逆變器中，有180導通型和120導通型兩種換流方式。在某一瞬間，控制一個開關(guān)器件關(guān)斷，同時使另一個器件導通，就實現(xiàn)了兩個器件之間的換流。 在由半控型器件組成的逆變器中，這還取決于換流電路的結(jié)構(gòu)，如串聯(lián)二極管式逆變器只能是12

16、0導通型，而串聯(lián)電感式逆變器可以是120導通型，也可以是180導通型。,2. 波形分析,180導通型逆變器是指同一橋臂上、下兩管之間互相換流的逆變器。,例如，當VT1關(guān)斷后，使VT4導通，而當VT4關(guān)斷后，又使VT1導通。這時，每個開關(guān)器件在一個周期內(nèi)導通的區(qū)間是180，其他各相亦均如此。由于每隔60有一個器件開關(guān)，在180導通型逆變器中，除換流期間外，每一時刻總有3個開關(guān)器件同時導通。,圖2-9 180導電型電壓源逆變器元件導通規(guī)律及輸出電壓波形,2. 波形分析,但須注意，必須防止同一橋臂的上、下兩管同時導通，否則將造成直流電源短路，謂之“直通”。為此，在換流時，必須采取“先斷后通”的方法，

17、即先給應(yīng)關(guān)斷的器件發(fā)出關(guān)斷信號，待其關(guān)斷后留一定的時間裕量，叫做“死區(qū)時間”，再給應(yīng)導通的器件發(fā)出開通信號。,死區(qū)時間的長短視器件的開關(guān)速度而定，器件的開關(guān)速度越快時，所留的死區(qū)時間可以越短。為了安全起見，設(shè)置死區(qū)時間是非常必要的，但它會造成輸出電壓波形的畸變。,分析逆變器輸出電壓的諧波分量，可知相電壓和線電壓均不存在3及3的整數(shù)倍次諧波，但都存在（k=1，2，3，）次諧波，特別是5次、7次諧波成分較大，會使負載電機的諧波損耗增加，發(fā)熱加劇，負載轉(zhuǎn)矩脈動較大，對電動機的運行十分不利。,2.2.3 幾種常見的SCR交-直-交電壓源逆變器,1串聯(lián)二極管式電壓源逆變器,VD1VD6: 隔離二極管;

18、C1C6: 換相電容; Df1Df6及R1R2 反饋二極管和反饋電阻; C0:濾波電容器,圖2-11 串聯(lián)二極管式電壓源逆變器主電路,交-直-交電壓源PAM變頻器原理分析,1逆變器主電路 交-直-交電壓源變頻器由整流和逆變兩部分組成. 整流部分一般是由晶閘管元件組成的可控整流電路。 逆變器為交-直-交電壓源變頻器的核心部分 三相電壓源逆變器主電路構(gòu)成如圖2-11所示。,三相逆變器的主電路由VT1VT6六個晶閘管組成，因為各橋臂晶閘管和二極管串聯(lián)使用而得名。 串聯(lián)二極管的作用是隔離換相電容與電機反電動勢。 VD1VD6是隔離二極管，其作用是使換相電容與負載隔離，防止換相電容通過負載放電，保證各晶

19、閘管之間換相過程的正常進行。,各橋臂之間連接的電容C1C6是換相電容 Df1Df6及R1R2是六個反饋二極管和兩個反饋電阻，其中反饋二極管作為負載滯后電流和換相電容的放電通路。 在反饋二極管共陽極組和共陰極組之間并聯(lián)有濾波電容器C0，這個電容同時又是一個儲能元件，起緩沖感性負載無功功率的作用。 ZA、ZB、ZC是三相對稱負載,圖中的功率開關(guān)元件采用晶閘管，每只功率開關(guān)元件反并聯(lián)一只續(xù)流二極管，為感性負載的滯后電流提供反饋通路，逆變器直流環(huán)節(jié)并聯(lián)有大容量濾波電容，當逆變器的負載為三相異步電動機時，這個電容同時又是緩沖負載無功功率的貯能元件。,2.工作原理及輸出電壓波形分析,三相橋式逆變器的六只功

20、率開關(guān)按VT1VT6的順序每隔60電角度觸發(fā)導通一只，若每60為一個工作區(qū)間，則一個周期共換相六次（又稱六拍），對應(yīng)六個不同的工作區(qū)間。,逆變器采用120工作方式，即按VT1VT6的順序每隔60依次觸發(fā)導通，每個功率開關(guān)元件導通120，形成6個工作區(qū)間，各區(qū)間內(nèi)元件的導通規(guī)律如表3-1所示。因此每一時刻有分別位于共陰極組和共陽極組且不同相的兩只元件同時工作，只有兩相負載同時流過電流。 圖2-12示出了120導通型串聯(lián)二極管式電壓源逆變器各電壓波形。,2.2.3 幾種常見的SCR交-直-交電壓源逆變器,3.換流分析,以T2開通，T6關(guān)斷為例 設(shè)系統(tǒng)已經(jīng)工作，即在T2觸發(fā)前，VT1,VT6導通.

21、導通回路：P-VT1-ZA-ZB-D6-VT6-N 同時C1充電：P-VT1-C1( )-D6-VT6-N為關(guān)斷VT1做準備。 注意：C6在T5,T6導通時已被充電（ ） p-T5-D5-D2-C6-T6-N,圖2-12 (a)串聯(lián)二極管式三相逆變器,+,+,VT6關(guān)斷后，C6繼續(xù)放電，放電回路為： C6(+)VT2NR2VDf6VD6C6(-) 注意：RF越大，放電越慢，T6承受的反壓時間越長，T6關(guān)斷越可靠。,在60120區(qū)間： 導通回路：P-VT1-VD1-ZA-ZC-VD2-VT2-N 由于VT2的導通，VT6承受反壓關(guān)斷,圖2-12 (a)串聯(lián)二極管式三相逆變器,+,+,+,+,VT

22、6關(guān)斷后，ZB產(chǎn)生反電勢需要續(xù)流。 關(guān)斷前： 續(xù)流回路：電感()VDf3-R1-P-VT1-VD1-ZA-電感（-） 此時，R1很小且管壓降不計，則B點的電位P點電位。,T1 T2導通時的等效電路圖,o,P,Ud,A,B,C,VT2,D2,D1,VT1,R1,ZA=ZB=ZC ; 對稱,UA0=UB0=1/3Ud UCO=-2/3Ud,2.2.3 幾種常見的SCR交-直-交電壓源逆變器,圖2-12 120導通型六階梯波交-直-交電壓源逆變器各電壓波形 (a)電阻性負載 (b)電感性負載,調(diào)壓原理：改變整流器的控制角a 調(diào)頻原理：改變六相脈沖的間隔。,4電路的工作特點,（1）在逆變器中反饋電阻和換向電容的大小決定了晶閘管換流時的反偏壓持續(xù)時間，因此反饋電阻R1和R2大小對逆變器換流能力影響較大。 反饋電阻增加，換向電容放電時間長，晶閘管承受反偏壓時間長，換流可靠。在電壓型逆變器中，已能滿足換流要求。 反饋電阻的增大會引起逆變器輸出電壓的降低，在實際使用中可以采用電壓負反饋來補償壓降，故影響不大。,2）反饋電阻上產(chǎn)生損耗，影響效率，且頻率越高損耗越大