城轨牵引传动5逆变器

一、

对于异步电动机的变压变频调速，必须提供能够同时改变电压率的交流电现有的通用交流电源是恒压恒频的（如工频50Hz、线电压 城市轨道交通车辆则由直流供电网供电因此，必须配备专门的变压变频装置，通称VVVF（VoltageVariableFrequeney的缩写）3一、

逆变——整流的逆过有源逆变电路无源逆变电路——直流电能通过逆向变换，得到的交流电直接供给负载，其输无源逆变电路输出的频率和电压的大小，取决于负载的实用需可以是恒压恒频（CVCF），也可以是变压变频（VVVF）城市轨道车辆牵引交流传动 为VVVF逆变电路城市轨道车辆的辅助供电系统一般采用CVCF逆变电路，如为车辆空调、空气压缩机提供三相、50Hz电源4Ud的周期变电压、相应的交流电流为iR。负载电压和负载电流的频率取决于 51、电阻性负载的逆用全控型器件，如IGETT1、 T3、 T1、 URUdu

U

iT1、TiT1、T4

0

iT3、iT3、62、电阻性负载的逆ωt＝π时刻，当1(T1)和2(T2)关断、3(T3)和4(T4)导通7感性负载下的逆变电ππiT1、iD3、iT3、

Z0 8++AUd0B -图5- 三相逆变器主电

92323U13d123456123123456123

三相逆变器导通情况及电压波

+—+— Z2Z2Z2Z2

2UAOUCO

U

22UAC=-UCA= UAB=-UBC=2121U

UAB

21U221U2

221 221 223 d d2233

Ud3d

32

2U[sint1sin5t1sin7t1sin11t 3 3

U[sint1sin5t1sin7t1sin11t

、11次（11ω1）⋯⋯+-图5-

具有续流二极管的三

UZWV11 3 5 2 4 6 3 5 1 ππππU相电压波U相电流波T1的电流波D4的电流波

直流输入电流波

（e）0

图5- 感性负载下三相逆变器的电压和电流波的续流反馈二极管见图基波阻抗和各次谐波阻抗所得出的基波电流和各次谐波电流的总和。其波形可根据电压波形的阶跃变电压和电流波形如图所示。图中Al中流过的电流。阴影部分则为反馈二极管Dl和中流过的电流和

图5- 六阶波电压下的电流波电压频率较高对突出，因此将获得接近正弦形的电流波形，如图电压频率较低愈多，必将增大异步电动机的附加转矩（脉动转矩）和损耗，异步第二节脉宽调制 响应缓慢相控整流器对供电网的功率因数随输出直流电压降低而变差，并产生逆变器输出为六阶波交流电压（电流），在交流电动机中形成较多的次谐波，从而产生较大的脉动转矩，增大电机损耗 年，德国的等人率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通信系统中的调制技术推广应用于交流变频器，用这种技术其输出频率，从而同 冲量 窄脉冲的面效果基本相同 环节的输出响应波形基本相f f

f f a)矩形脉

d)单位脉冲函图5-形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 正弦脉宽调制（S）等效的原则：两波形每一对应区间的面积相图5—与正弦波等效的等幅不等宽矩形脉冲序列 （b）等效的 下图所示为单极式 波形，它是由逆变器上桥臂中一个功开关器件反复导通和关断形成的。其等效正弦波为Umsinω1t， 脉冲序列波的幅值为Ud/2 各脉冲宽度不等，但中心间距相同，都等于π/n，n为正弦波期内的脉冲数。令第i个矩形脉冲的宽度为δi，其中心点相位角为θi，则据面积相等的等效原Ud

sintd(

当n的数值较大 m U[cos()cos(

2Um

ii

sin半个周期正弦波等效的S波是两侧窄、中间宽，脉冲宽按正弦规律逐 “调制”概念，将所期望的正弦波形作为基准的调制波ur Wave），而受它调制的信号称为载波ut（Carrier断，即可在逆变器的输出端得到S波形。

图5-单极性 正弦调制波的频率决图5-单极式脉宽调制波的形成 脉冲电压只在“正”（）和“零”之间变化，主电路每相只有一个开关器件反复通断。如果让同一桥臂上、下两个开关器件交替地通断，处于互补工作方式，则输出脉冲就在“正”和“负”之间变化，从而得到双极式 图 三相双极式 波（a）三相调制波与双极性三角载波；（b）uU0f（c）uV0ft)；（d）uW0ft)；（e）uUVft) 图5- 电压波形及电流波（a）载波频率较 （b）载波频率较图5-不同载波频率下的 电流

较低的电流波形有较大的“毛刺”，谐波电流较多；载波频率较高的电流波形“毛刺”较尽管目前多数控制系统的S的实现都采用数字或微处理器控制，模拟控制电路实现的S现在已经很少应用，但它的原理是其 如下图所示，三相对称的参考正弦电压调制信号uru、urv、由参考信号发生器提供，其频率和幅值都是可调的；三角载波信号在比较器上进行比较，产生三相S脉冲序列波，作为逆变器功率开关器件的驱动信号，经放大后去控制各开关器件的导通与关断，从而使逆变器输出S电压。 +

U -

信号发生

发生

图5- 数字控制是S是目前常用的控制方法。可以采用微机先计算的S数据表格，控制时根据指令调出；或者通过软件实时生成S波形；也可以采用大规模集成电路 产生S信前已，正弦脉宽调制的基本原理就是按面积相等的原则与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。根据已知数据和 依照模拟控制的基本原理，计算正弦调制波与三角载波的交点，从而求出相应的脉宽S波形。因要求解方程，求解，工程应用不图5-生成 u规则采样三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。脉冲中点与三角波(负峰点) 合，取该点正弦调制波的幅值（D）在

B 正弦调制信号波：u=Msinω

从右图得 1MsinrtD / Tc/Tc(1Msin 2

'

r1T

规则采样(1Msint r出电压半周内要开关n次。当n越大，脉冲序列波的脉宽δi越小时，S的基波更接近期望的正弦波。但是，功率开关器件本身的开关能力是有限的，所以在应各种功率开关器件的开关损耗限制了脉宽调制逆变器的每秒脉冲数普通晶闸管（半控型开关器件）的换流能力差（须采用强迫换路），其开关频率一般不超过300~500Hz，现在在 逆变器中已少使用。取而代之的是全控型开关器件 小脉宽与最小间歇的限制，以保证最小脉冲宽度大于开关器件的导通时这就要求正弦参考电压信号的幅值Urm过三角载波的峰值的某百分比。为此，定义Urm与Utm之比为调制度在理想情况下，M值可在0～1之间变化，以大小。实际上M总是小于1的 由于上述的原因），一般取最高的比），N=在实行S脉宽调制时，载波比N对变频调速系统的工作性能很有影响。视载波比N的变化与否，有同步调制与异步调制之在同步调制方式中，N=ft／fr=常数，变频时三角载波的频率ft与若取N等于3的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差120°会显著增加，使负载电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声，这是同步为获得异步电动机低频（低速）运行的良好特性，必须抑制在时的最低次谐波率与一般被驱动机械的自振频率较接近，很容易引起传动系统的而损Nr。。这样逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电机的转矩脉动与噪音，从而改善有利则有弊，异步调制方式在改善低频工作性能的同时，又失去同步调制的优点当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数，势必使逆变器输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相因此，在实际应用中，为了避短，可将同步与异步两种调制方若干频段频率低时，值取大些，一般大致按等比级数安排。表给出了一个实在逆变器输出频率f1的不同频段内，用不同的N值进行同步调制，

-分段同步调制时输出频率世界各国对载波比N异步调制与很低）2异步状态的ft=200Hz，用于f1≤18Hz的范当f1＞35Hz时，N=1，即实行矩形波法控制。如图5-10ft

制

有的国家在异步状态时采用ft=300Hz，同步状态时取N=9、75、3、1，避开N=6调制比。也有不采用异步状态的，如的Airporter型动车上，在f1=1~2Hz时，取N=105；f1=2~4.5Hz时，N=45f1=4.5~9.5Hz时，N=21f1=9.5~22HzN=9取消了强迫换流电路，故最高三角载波频率已超过了第三节二点式逆变器和三点式逆变器

二点式逆变器，或者称为二电平电路。这种逆变器的工作方式是把中间直流回路的正极电位或负极管）、（绝缘栅双极晶体管）的电路中，已经开始采用多点式逆变或负极电位送到电动机去以外，还可以把中间直流电压回路的中点电位送到电动机上去，。AABZBC+ —AdB

U-

iCi图5-3-1二点式逆变器及其输出波形+A+A0BC—

++ UdA0TD TD TDUdB C—

图5-3-2三点式逆变器及其输出波形

从一相的输出波形来两种工作方1 。即）2有多个不同脉宽的脉冲波组成，常称脉宽调 方式。若

0α

-

图5-3-3

三相负载上的相电压波形（如uA0′）若α＝0°，逆变器的相电位uA是幅值为±Ud/2的，这个负载相电压和二30°、45°、60°等情况下的负载相电压uA0′的波形，由图可见，当αuA0′的有效值下降。但当控制角大于60°时，uAO波形就变为不连续的脉冲波。

ππ

0

dUd

0

U

U 0

图5-3-4

fs=50Hz,m=0

fs=50Hz,m=0.

-

---0

0 0 0（a）二点式逆变器输

---0

0 0 0 0（b）二点式逆变器输出线电压波

0

fs=50Hz,m=0.

fs=50Hz,m=0.

0--

0----0

0

0 0

0 0 0 0

0

--

0 0 0

0 0 0 0

0（c）三点式逆变器输

三点式逆变器输压被限制在输入端直流电压的一半。对于采用一定电压参数的开关器件（GTO、），中间直流电压可提高到1倍以上——在一定的容量下，可为六阶梯波；而三点式逆变器电路中有27种状态，电机的相电压如UAO可达

一个三点式电路可想象两个二点式电路组成，如图5-3-5所示，T1、的二点式逆变器情况相同，在TSR1和TSR2中，总是一个元件开通，同时另一个当输出点的电位从uA=＋Ud/2转换为uA=0时，T1/T3从（通/断）变换为当输出点的电位从uA=0转换为uA=－Ud/2时，T1/T3保持（断/通）的状T1和T4是主管，起着开关的作用；T2和T3是辅管，它们与二极管D5、D6一道，钳制输出端电位等于中点电位uA=0。

+

D5

D5 0

AD D6

0

AD D6

0通断断通通断断通通断断通第四 管 dgaeiolar)一种新型的电力半导体器件,它是既具有功率场效应晶体管ST)高、输阻、驱的点,有O电容大、高反等优点的电力电子开关器件，且具有开关速度快可正常工在频率范围内） 、开关功率损耗小、通态压降小等一系列优良特得 成为大 率开关电源、逆变器、高频应加热、有源滤波件。特别是近年来,变频技术在交流传动领域的应用 ,作为 可工作性放大区、饱和区和截止区,而其主要作为开关器件应用，即工作于饱和导通和截止关断这两个区间。下图所示为开关 各极间存在负分布电容CGE、CGC、负

E

布漏感LE是由于这些参数的存在而对的

利的影响 开通与关断时动态波形

触发

t

t t0′t1′ 二 栅极驱动要栅极电的栅极电容比较大，所以要提高其开关速度，就要有合适的极正反向偏置电 值(一般为20V),最佳栅极正向偏置电压为15V±10%，这个值足够令饱和导通,使导通损耗至最 间,提高的耐压、dV/dt耐量和能力，一般在使处于阻断状态时,可在栅极与源极之间加一个-5～-15V的反向电压。二 栅极驱动栅极串联 的dV/dt耐量减小。具体选择RG驱动功率的的开关过程要损耗一置电压之差△VGE，工作频率为f，栅极电容CGE，则电源的最小峰驱动电源的平