电力拖动自动控制系统(第3版)(陈伯时)第13讲

第13讲6.3电力电子变压变频器的主要类型6.4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术*6.3电力电子变压变频器的主要类型本节内容提要交-直-交和交-交变压变频器电压源型和电流源型逆变器180º导通型和120º导通型逆变器1、交-直-交和交-交变压变频器交-直-交变频器和交-交变频器有何区别？普通交-直-交变频器与PWM交-直-交变频器相比较，各有何特点？交-交变频器有哪几种控制方式？间接变频器和直接变频器的结构区别变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)逆变DCACAC50Hz~整流交-直-交（间接）变压变频器交－交变频AC50Hz~ACCVCFVVVF交-交（直接）变压变频器变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)PWM逆变器DCACAC50Hz~调压调频C普通间接变频器和PWM间接变频器变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)逆变DCACAC50Hz~整流普通交-直-交（间接）变压变频器交-直-交PWM变压变频器PWM变压变频器的优点（1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。（2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。（3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。交-交变频器的控制方式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。调制控制方式为获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。b）方波型平均输出电压波形tu0正组通反组通正组通反组通•单相电路结构与输出电压波形VRVFId-Id+--+a)电路结构负载50Hz~50Hz~u02AOwt==0p2=pBCDEFu0图6-14交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形•输出电压波形交-直-交变频器和交-交变频器的区别间接变频器输入功率因数高谐波电流含量小最高输出频率可调用于中小容量、中高转速的调速系统直接变频器输入功率因数较低谐波电流含量大最高输出频率不超过电网频率的1/3~1/2用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统2、电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器在结构上有何区别？电压源型与电流源型逆变器在本质上有何区别？•两种类型逆变器结构逆变器逆变器LdIdCdUdUd++--a)电压源逆变器b)电流源逆变器图6-15电压源型和电流源型逆变器示意图电压源与电流源型逆变器的区别电流源型逆变器（CurrentSourceInverter--CSI），直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。电压源型逆变器（VoltageSourceInverter--VSI）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。电压源与电流源型逆变器的区别电压源型电流源型无功能量的缓冲电容器电感器能量的回馈实现回馈制动和四象限运行很困难容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行动态响应慢快输出波形电压波形为方波，电流为近似正弦波电流波形为方波，电压为近似正弦波应用场合多台电机同步运行快速起制动和可逆运行的单台电机3、180º导通型和120º导通型逆变器CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd2Ud2RL图6-17三相桥式逆变器主电路180º导通型和120º导通型逆变器的波形图180º导通型120º导通型tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uAO'uAOuABiAiduBO'uCO'uOO'UdUd2Ud3Ud62Ud3tOtOtOtOIdiViWuUViU180º导通型和120º导通型逆变器的比较项目180º导通型120º导通型导通顺序VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6-VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6-每个开关管导通180º120º触发移相60º60º每次导通开关管数3个2个换相发生在同一桥臂的上下两管中，易发生直通现象发生在相邻两桥臂的元件上，无直通现象输出电压高低180º导通型和120º导通型逆变器的比较项目180º导通型120º导通型相电压线电压SSSAuuuu32343132322122)==pppSAABuuu3230==SSAuuu6143212120==ppSAABuuu2130==6.4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术本节提要正弦波脉宽调制(SPWM)技术消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM)控制技术电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术（或称磁链跟踪控制技术）6.4.1正弦波脉宽调制(SPWM)技术1.PWM调制原理以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrierwave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulationwave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。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。wtOua)b)图6-3Ouwt图6-18PWM调制原理2.SPWM控制方式如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。两种极性PWM控制方式的比较单极性PWM控制方式双极性PWM控制方式图6-5urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图6-6urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud3.PWM控制电路模拟电子电路采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制数字控制电路硬件电路；软件实现•自然采样法——只是把同样的方法数字化，自然采样法的运算比较复杂；•规则采样法——在工程上更实用的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。（1）自然采样法原理利用正弦波与三角波的自然交点，决定脉冲输出信号极性。由于采用计数器计数定时，故计数器计数决定脉冲宽度或间歇时间。（2）规则采样法图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB''22规则采样法原理•三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc•自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合•规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化•在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断•脉冲宽度d和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近规则采样法原理正弦调制信号波式中，M称为调制度，0≤a1；wr为信号波角频率。从图中可得因此可得三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度)sin1(2DrctMTw=2/22/sin1cDrTtM=wtMurrsinw=)sin1(421'DrcctMTTw==实现方法查表法——可以先离线计算出相应的脉宽d等数据存放在内存中，然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。实时计算法——事先在内存中存放正弦函数和Tc/2值，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的调制度M作乘法运算，再根据给定的载波频率查出相应的Tc/2值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。4.PWM调制方法载波比——载波频率fc与调制信号频率fr之比N，既N=fc/fr根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。（1）异步调制异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式。通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的；在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大（2）同步调制同步调制——N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称；为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数；fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除；fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。•同步调制三相PWM波形ucurUurVurWuuUN'uVN'Otttt000uWN'2Ud2Ud（3）分段同步调制把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同；在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr/Hzfc/kHz（4）混合调制可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。5.PWM逆变器主电路及输出波形图6-19三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2图6-20三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形uuUN’OwtOOOOUd2-Ud2uVN’uWN’uUVuUNwtwtwtwtOwturUurVurWucUd23Ud2图6-20为三相PWM波形，其中urU、urV、urW为U，V，W三相的正弦调制波，uc为双极性三角载波；uUN’、uVN’、uWN’为U，V，W三相输出与电源中性点N’之间的相电压矩形波形；uUV为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为+Ud和-Ud；uUN为三相输出与电机中点N之间的相电压。*6.4.2消除指定次数谐波的SPWM控制技术脉宽调制（PWM）的目的是使变压变频器输出的电压波形尽量接近正弦波，减少谐波，以满足交流电机的需要。要达到这一目的，除了上述采用正弦波调制三角波的方法以外，还可以采用直接计算各脉冲起始与终了相位1，2，…2m的方法，以消除指定次数的谐波，构成近似正弦的PWM波形(SelectedHarmonicsEliminationPWM―SHEPWM）。•特定谐波消去法的输出波形图6-9OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3图6-21特定谐波消去法的输出PWM波形对图6-21的PWM波形作傅氏分析可知，其k次谐波相电压幅值的表达式为（6-26）式中Ud―变压变频器直流侧电压；1―以相位角表示的PWM波形第i个起始或终了时刻。==mkkUU1iiidkmcos)1(21π2从理论上讲，要消除第k次谐波分量，只须令式（6-26）中的，并满足基波幅值为