第2章电力电子变频器及PWM控制杜

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www.sdu.edu.cn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（VariableVoltageVariableFrequency）装置。www.sdu.edu.cn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www.sdu.edu.cn本章提要交-交变频器交-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www.sdu.edu.cn2.1交-交变频器交-交变频器直接把恒压恒频（ConstantVoltageConstantFrequency，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）。交－交变频AC50Hz~ACCVCFVVVFwww.sdu.edu.cn2.1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线路。交-交变频器整流器组合式矩阵式www.sdu.edu.cn2.1.1整流器组合式交-交变频器基本结构VRVFId-Id+--+负载~50Hz~50Hzu0www.sdu.edu.cn2.1.1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。图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www.sdu.edu.cn2.1.1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～～uLwww.sdu.edu.cn2.1.1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。该主电路由I~VI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。www.sdu.edu.cn去触发器电流测量电压测量函数发生器电流调节移相控制电压调节压频变换环形计数器移相脉冲选组脉冲逻辑控制给定OABC图2-2三相整流器组合式交-交变频器主电路IIIIIIIVVVIwww.sdu.edu.cn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。www.sdu.edu.cn2.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。www.sdu.edu.cn输出电压波形2A0wt==02=BCDEFu0图2-3正弦波交-交变压变频器的输出电压波形www.sdu.edu.cn1OO23456图4-20uoiowtwtwww.sdu.edu.cn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。IdmIcosUu=tUuwsinAmA=设期望的A相输出电压为www.sdu.edu.cn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IVdmIVcosUu=IdmIcosUu=(2-1)(2-2)式中，Udm是整流组输出的最高直流电压。IAuu=IdmAmcossinwUtU=当I组开放时，即于是)sin(arccosdmAmItUUw=www.sdu.edu.cn实际控制中，一般由微处理器产生三相对称的调幅调频正弦波给定信号，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。VuuIA=当IV组开放时，即IVdmAmcossinwUtU=www.sdu.edu.cn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1/3~1/2，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。www.sdu.edu.cn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。www.sdu.edu.cn2.1.2矩阵式交-交变频器1.电路结构LK1CK2三相输入3～控制电源输入电压检测变压器TA1TA2TA3abcABC图2-4矩阵式交-交变频器的主电路www.sdu.edu.cn2.1.2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。www.sdu.edu.cn2.1.2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)(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is1is2iL(b)u1VS1pVS1nVS2pVS2nu2RuLL~~www.sdu.edu.cn2.1.2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。www.sdu.edu.cn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：=cbaCcCbCaBcBbBaAcAbAaCBAuuuSSSSSSSSSuuuuaiAiBiCuABSAaSAbSAcuCAaBCM3~uBC~~~bcubucSBaSBbSBcnSCaSCbSCcA图2-6矩阵式交-交变频器的简化结构www.sdu.edu.cn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cosφ1）为任意指令值。www.sdu.edu.cn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。www.sdu.edu.cn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？www.sdu.edu.cn2.2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。变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)逆变DCACAC~50Hz整流www.sdu.edu.cnwww.sdu.edu.cnwww.sdu.edu.cn2.2交-直-交变频器交-直-交型变频器的控制方式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（PulseAmplitudeModulation）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（PulseWidthModulation）的方式，简称PWM控制方式。www.sdu.edu.cn2.2交-直-交变频器交-直-交变频器根据不同的标准进行分类，如下所示：www.sdu.edu.cn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。逆变器逆变器IdCdUd++--a)电压源逆变器b)电流源逆变器电压源型和电流源型逆变器示意图UdLdwww.sdu.edu.cn2.2.1交-直-交电压源型变压变频器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。www.sdu.edu.cn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