交流变频技术与变流器工作原理课件

1、交流变频技术与变流器工作原理双击修改标题文字株洲南车时代电气股份有限公司双击修改标题文字交流变频技术与变流器工作原理双击修改标题文字株洲南车时代电气1.变流器分类及基本原理2.变流关键技术3.交直交变流器控制策略目录1.1整流器1.2逆变器1.3斩波器1.4周波变换器3.1电压型四象限整流器控制策略3.2逆变器控制策略2.1 PWM技术2.2 多重化技术2.3 多电平技术1.变流器分类及基本原理2.变流关键技术3.交直交变流器控制1.变流器分类(a)整流器 ：将交流电能变换为直流电能(b)逆变器 ：将直流电能变换为交流电能(c)斩波器 ：将直流电能变换为直流电能(d)周波变换器 ：将交流电能直

2、接变换为交流电能1.变流器分类(a)整流器 ：将交流电能变换为直流电能1.1整流器1.二极管整流器2.相控整流器3.PWM整流器1.1整流器1.二极管整流器1.2逆变器电压型逆变器电流型逆变器Ud+-V1V2V3V4V5V61.2逆变器电压型逆变器Ud+-V1V2V3V4V5V6uOUd+-UduOV1V2V3V4V1V4开通V2V3开通V1V4开通1.2 逆变器 逆变技术的典型电路 单相电压型逆变电路uOUd+-UduOV1V2V3V4V1V4开通V2V3开UdUd+-V1V2V3V4V5V6uWNUduUN31UduVN23180导通角6121232343454565611.2 三相电压型

3、逆变电路UdUd+-V1V2V3V4V5V6uWNUduUN31UdId+-V1V2V3V4V5V6Id120导通角IdiUiViW122334455661-Id1.2 三相电流型逆变电路Id+-V1V2V3V4V5V6Id120导通角IdiUi1.2 逆变器电路构成输出电抗作用：降低输出dv/dt，对电机起到一定的保护作用 1.2 逆变器电路构成输出电抗作用：降低输出dv/dt，对1.3斩波器基本原理斩波器基本种类降压斩波器升压斩波器升降压斩波器PWM斩波器UduOKRUOtontoffT1.3斩波器基本原理UduOKRUOtontoffTuB若电感和电容量足够大，电路进入稳态后，输出电压近

4、似为恒定值UO，电感储能在一个周期内增量和减量相等，UdVRLUOTVDLABuAtontoffiL则1.3 降压斩波电路uB若电感和电容量足够大，电路进入稳态后，输出电压近似为恒定若电感和电容量足够大，电路进入稳态后，输出电压近似为恒定值UO，电感储能在一个周期内增量和减量相等，在toff区间，输出电压是由电源电压与电感叠加形成的，在ton区间，由于V的短路，电感储能，输出电压由电容C稳定。RLUOuBUdVVDLABCTuAtoniL1.1 升压斩波电路若电感和电容量足够大，电路进入稳态后，输出电压近似为恒定值U1.4周波变换器原理反并联三相桥依次滞后触发角用途极大功率低频应用1.4周波变

5、换器原理1.5组合变流器交直直变流器交直交变流器1.5组合变流器交直直变流器2.变流器关键技术简介2.1 PWM技术基本原理2.变流器关键技术简介2.1 PWM技术2.变流器关键技术简介2.1 PWM技术（pulse width modulation)基本定义：通过控制半导体开关器件的通断时间，在输出端获得幅度相等而宽度可调的输出波（称PWM波形），从而实现控制输出电压的大小、改善输出波形的一种技术。常见方法：SPWM-正弦波脉宽调制SVPWM-空间矢量脉宽调制2.变流器关键技术简介uuO22面积相等等效2.1 SPWM波形原理uuO22面积相等2.1 SPWM波形原理三角载波正弦调制波uO

6、uRuCug14ug23 2.1 SPWM调制方式双极型调制三角载波正弦调制波uO uRuCug14ug23 2.1三角载波正弦调制波只要改变调制波的频率即可变频改变调制波的幅值，可得到不同的输出电压uOuRuC2.1 SPWM调制方式单极型调制三角载波正弦调制波只要改变调制波的频率即可变频uOuRuC22.变流器关键技术简介2.2 多重化技术以多个小功率变换器在其输入或（和）输出端通过变压器串联或并联，各个变流器以相同频率不同相位工作，从而达到系统的高功率运行和输入输出谐波改善的一种技术。2.变流器关键技术简介2.2 多重化技术2.变流器关键技术简介2.3 多电平技术通过改进变换器自身拓扑结

7、构来实现高压大功率输出的技术，它无需升降压变压器和均压电路。主要优点：每个功率器件仅承受1/(n-1)的母线电压，可以采用低压器件实现高压输出；电平数的增加改善了输出电压波形，减少了电压波形畸变率THD值可以较低开关频率获得高开关频率下两电平电路输出电压波形。2.变流器关键技术简介2.3 多电平技术两点式电路三点式电路Ud+-V1V4简化图形简化图形1.4 两点式变流器和三点式变流器两点式电路三点式电路Ud+-V1V4简化图形简化图形1.4 V1V2V3V4V1、V2导通，V3、V4关断0+Ud/2-Ud/2+Ud/21.4 三点式电路工作原理V1V2V3V4V1、V2导通，V3、V4关断0+

8、Ud/2-V1V2V3V4V2、V3导通，V1、V4关断 实际V2、V3不会同时导通，取决于负载电流的方向。0+Ud/2-Ud/201.4 三点式电路工作原理V1V2V3V4V2、V3导通，V1、V4关断 0+Ud/2V1V2V3V4V1、V2关断，V3、V4导通0+Ud/2-Ud/2-Ud/21.4 三点式电路工作原理V1V2V3V4V1、V2关断，V3、V4导通0+Ud/2-V1V2V3V40+Ud/2-Ud/2UO0V1通断断V2通通断V3断通通V4断断通+Ud/2-Ud/2UO1.4 三点式电路工作原理V1V2V3V40+Ud/2-Ud/2UO0V1通断断V2通3.交流机车主电路交直交

9、拓扑电压型交直交变流器一般都包含有三个部分：四象限脉冲整流器电压型的中间直流环节VVVF逆变器多重化运行单相运行4至6重化运行3.交流机车主电路交直交拓扑7200kW电力机车主电路图7200kW电力机车主电路图DCPT1DCPT2IM11IM12IM13IM14牵引变压器二次侧单相交流电直流电源侧可调三相交流电WVUUVW电容预备充电用电源过电压抑制晶闸管单元接地检测四台牵引电机滤波电容过电压抑制电阻器 CRH2型动车的三点式电压型交直交牵引变流器DCPT1DCPT2IM11IM12IM13IM14牵引变压3.1 电压型四象限脉冲整流器由变流器和并联储能器构成，并按PWM方式工作，把交流能量变

10、换为直流能量的装置，称为脉冲整流装置。 四象限脉冲整流器对牵引变压器有一定要求：变压器必须有比较大的漏抗，相当于在牵引变压器里集成了一个大的电抗器。3.1 电压型四象限脉冲整流器由变流器和并联储能器构成，3.1.1 四象限脉冲整流器工作原理当整流器电源短接回路开通时，牵引变压器内的电流没有经过负载，直接从变压器的正极流入负极，相当于将电源短接了。此时变压器内的能量向电抗器内转移，即流过电抗器的电流越来越大。当控制相应的开关元器件关断时，电抗器两端就感应出一个很高的电压，这个电压和变压器的电压叠加起来，通过整流回路向中间回路充电，这就是为什么变压器的次边电压等级低于中间回路，却能向中间回路充电的

11、原因。这样做虽然增加了控制难度，但比相控整流对电网的不利影响要小的多，更重要的是可以方便的实现回馈制动。3.1.1 四象限脉冲整流器工作原理当整流器电源短接回路开3.1.2 四象限脉冲整流器的构成预充电电路：由交流接触器、功率电阻组成及相应的控制回路。主要功能是系统上电时，完成对直流母线电容的预充电。避免上电时强大的冲击电流烧坏功率模块。输入电抗器：电动状态下起储能作用，形成正弦电流波形。回馈状态下，起滤波作用，滤掉电流波形的高频成分。变流器模块：整流侧和逆变侧IGBT变流器、 隔离驱动、电流检测以及各种保护监测功能。 中间电容：储能，滤波。3.1.2 四象限脉冲整流器的构成预充电电路：由交流

12、接触器3.1 .3 四象限脉冲整流器控制分析 四象限变流器交流电源侧等效电路如下，其中LN和RN分别为交流回路的电感和电阻，UN为变压器次边电压矢量，IN为变压器次边电流的基波电流矢量，US为调制电压的基波矢量，由电路知识可得到二次侧交流回路的矢量电压方程式为： UN = US + I NR N + jLN I N （1）3.1 .3 四象限脉冲整流器控制分析 四象限变流器交流电3.1.3 四象限脉冲整流器控制矢量图 假设UN和US的相角为，UN和IN的相角为，则用方程（1）表示牵引工况的矢量图如图（a）所示。同样对于再生制动工况，该工况下的矢量图如图（b）所示。（a） 牵引工况 （b） 再生

13、制动工况 3.1.3 四象限脉冲整流器控制矢量图 假设UN和US的相3.1.3 四象限变流器控制的基本公式由方程（1）和矢量图可知： 如果变压器次边电压UN和电感LN为已知量，那么只要控制了US的幅值和相位，也就控制了IN的幅值和相位。 反之，只要控制了IN的幅值和相位，也就控制了US的幅值和相位，因此方程（1）是实现四象限变流器控制的基本公式。3.1.3 四象限变流器控制的基本公式由方程（1）和矢量图3.2 逆变器及异步电机控制策略 直流电动机转矩闭环控制比较容易实现。 但是对于交流异步电动机这样复杂的、非线性的、多变量的控制对象，而且笼型绕组结构中无法直接检测转子电流，控制起来就比较复杂。

14、因此高性能的交传系统，根据转矩生成的物理机理和数学表达式，除了直接采用转矩作为反馈信号外，还可以结合磁通、转差频率或定子电流环，实现转矩控制。 异步牵引电动机控制方法经历了转差频率控制、磁场定向控制和直接自转矩控制三个发展阶段，其间又派生了许多发展分支。3.2 逆变器及异步电机控制策略 直流电动机转矩闭环控制比3.2.1 转差频率控制 根据交流异步电动机的稳态运行时的参数关系式，调节定子电压、频率和转差率，就能够调节转矩。 转差频率电压控制的异步电动机，当定子频率足够大时，电压幅值随转矩给定值的变化很小。此时通过直接控制电压来决定电动机的工作点非常不准确，更好的办法是通过电流调节器进行校正（只

15、能用于恒磁通运行区内）。异步电动机转差频率电流控制系统，在恒磁场的基本速度区内，转矩通过转差频率电流控制来决定，而在磁场削弱区仅通过转差频率来决定。在机械功率远大于损耗功率的区域，利用功率调节器对转矩控制加以补偿。早期的转差-电流控制方法基于异步电动机的稳态数学模型，其动态性能远不能与直流调速系统相媲美；之后出现了磁场定向控制。3.2.1 转差频率控制 根据交流异步电动机的稳3.2.2 磁场定向概念 补偿直流电动机电流空间矢量与磁场矢量的关系如图3。电机电流ie（励磁绕组电流）产生磁链，电流iA（电枢绕组电流）和iC（补偿绕组电流）与磁场相互作用而产生转矩。其中定子电流空间矢量is=ieiA，

16、转矩MiA。根据磁场的位置来决定定子电流is的两个分量ie和iC=iA的方法，称为磁场定向。 磁场定向控制是70年代初期出现的一种新的交流电动机闭环控制原理。经多年发展完善，这种控制策略已广泛应用于牵引和工业交流传动领域。3.2.2 磁场定向概念 补偿直流电动机电流空间矢量与磁场3.2.2 磁场定向控制 异步电动机在瞬间调速性能上与直流电动机可视为等效。 异步电动机磁场定向控制的基础在于，通过从定子参考系向磁场定向参考系的坐标变换，把交流控制变量（定子参考系中的量）转换为直流量（磁场参考系中的量），从而能够各自独立地进行控制。经过调节所得的两个新的控制变量（磁场参考系中的直流量）通过逆坐标变换

17、重新得到三相控制信号，在电压控制的变流器中，可以把它作为PWM控制器的输入量。上述变换由实际值计算装置和控制变量计算装置执行。 磁场定向控制基于直流调速系统的控制思想对异步电动机进行矢量解耦，实现磁链、转矩独立调节，达到了与直流调速系统同样的动态响应，同时也带来了新的难题，转子参数及变化规律难以测定3.2.2 磁场定向控制 异步电动机在瞬间调速性能上与直3.2.3 直接转矩控制方法 在许多变速传动应用中，如电力机车一类的牵引传动，转矩的控制是必需的，并不要求精确的速度控制。在这种应用场合，直接转矩自控制的优点很多，包括改善动态响应性能，消除过电流，避免控制器参数随负载变化所造成的偏差。 直接转

18、矩自控制方法是适应电压源逆变器有限的开关能力，把直接控制转矩和直接控制磁通两者统一起来，通过逻辑处理，产生逆变器的开关指令。 最新的直接转矩控制基于定子磁场定向，数学模型简单，定子参数及变化规律易于测定，有更优良的动态响应；并且针对各种变流系统派生出各种控制策略，完善了控制思想，也体现了其发展潜力。3.2.3 直接转矩控制方法 在许多变速传动应3.2.3 直接转矩控制 广义而言，直接转矩控制也属于磁场定向控制的范畴。它是在静止坐标系下对异步电动机的定子磁链实行定向控制的同时，直接控制电磁转矩。基于不同技术背景，先后有直接自控制、新型快速响应控制方法、直接转矩控制策略等。国内许多学者将这些方法统称为直接转矩控制。 在电力牵引领域，直接自控制法最为成功，已体现出优越的性能。 直接转矩控制选择固定于定子绕组的坐标系，并以空间矢量的概念建立逆变器输出的电压与定子磁链定向控制、电磁转矩控制的策略。控制系统中使用异步电动机型等效电路，其中已将漏抗归算到转子侧。 逆变器输出的电压空间矢量对定子磁链、电磁转矩的作用结果与电动机的状态有关。反之，在已知电动机某时刻状态的条件下，根据电动机定子磁链定向的基本要求，总能选择合适的电压空间矢量去控制定子磁链的幅值、相位和电磁转矩的大小。 3.