电力能源电子变频器及WM控制原理

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。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2.1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~ACCVCFVVVF2.1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2.1.1整流器组合式交-交变频器

基本结构VRVFId-Id+--+负载~50Hz~50Hzu02.1.1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2.1.1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～～uL2.1.1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。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IIIIIIIVVVI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。2.

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。输出电压波形2A0w

ta=a=0

p

2a=

pBCDEFu0图2-3正弦波交-交变压变频器的输出电压波形

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。设期望的A相输出电压为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(2-1)(2-2)式中，Udm是整流组输出的最高直流电压。当I组开放时，

即于是

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。当IV组开放时，即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。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。2.1.2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2.1.2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。2.1.2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~~2.1.2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iL>0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iL<0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。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：uaiAiBiCuABSAaSAbSAcuCAaBCM3

~uBC~~~bcubucSBaSBbSBcnSCaSCbSCcA图2-6矩阵式交-交变频器的简化结构在纯电阻性负载下，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。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。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？2.2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2.2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。2.2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：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。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UdLd2.2.1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。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，其波形接近三角波或正弦波。由于直流环节并联有大电容，直流电压的极性不能改变，直流电流受整流电路功率器件单向导电性的限制也不能改变流向。当负载电动机需要做再生制动运行时：大容量的调速系统：需与整流电路反并联一组逆变桥，使再生能量通过逆变桥回馈到交流电网。当系统容量较小时，可在直流电路加装能耗电阻，当再生能量回馈到直流电路，使直流电压升高到设定阈值以上时，控制与能耗电阻串联的功率开关器件导通，使再生能量消耗在电阻上。2.2.2交-直-交电压源变频器的基本原理1.逆变器主电路开关符号代表任何一种电力电子开关器件，如IGBT,MOSFET,GTR,GTO等。每只功率开关元件反并联一只续流二极管，为感性负载的滞后电流提供续流通路。逆变器直流环节并联有大容量滤波电容，当逆变器的负载为三相异步电动机时，这个电容同时又是缓冲负载无功功率的贮能元件。图2-8三相电压源逆变器主电路主电路构成如图2-8所示。2.波形分析在三相桥式逆变器中，有180°导通型和120°导通型两种换流方式。在某一瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。在由半控型器件组成的逆变器中，这还取决于换流电路的结构，如串联二极管式逆变器只能是120导通型，而串联电感式逆变器可以是120导通型，也可以是180导通型。

2.波形分析

180°导通型逆变器是指同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器。+Ud–ABCZAZBZC图2-10V5、V6、V1导通时的等效电路O

例如，当VT1关断后，使VT4导通，而当VT4关断后，又使VT1导通。这时，每个开关器件在一个周期内导通的区间是180°，其他各相亦均如此。由于每隔60°有一个器件开关，在180°导通型逆变器中，除换流期间外，每一时刻总有3个开关器件同时导通。图2-9180导电型电压源逆变器元件导通规律及输出电压波形2.波形分析但须注意，必须防止同一桥臂的上、下两管同时导通，否则将造成直流电源短路，谓之“直通”。为此，在换流时，必须采取“先断后通”的方法，即先给应关断的器件发出关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，叫做“死区时间”，再给应导通的器件发出开通信号。死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快时，所留的死区时间可以越短。为了安全起见，设置死区时间是非常必要的，但它会造成输出电压波形的畸变。分析逆变器输出电压的谐波分量，可知相电压和线电压均不存在3及3的整数倍次谐波，但都存在（k=1，2，3，…）次谐波，特别是5次、7次谐波成分较大，会使负载电机的谐波损耗增加，发热加剧，负载转矩脉动较大，对电动机的运行十分不利。2.2.3几种常见的SCR交-直-交电压源逆变器1．串联二极管式电压源逆变器VD1~VD6:隔离二极管;C1~C6:换相电容;Df1~Df6及R1~R2反馈二极管和反馈电阻;C0:滤波电容器图2-11串联二极管式电压源逆变器主电路交-直-交电压源PAM变频器原理分析1．逆变器主电路

交-直-交电压源变频器由整流和逆变两部分组成.整流部分一般是由晶闸管元件组成的可控整流电路。逆变器为交-直-交电压源变频器的核心部分三相电压源逆变器主电路构成如图2-11所示。三相逆变器的主电路由VT1~VT6六个晶闸管组成，因为各桥臂晶闸管和二极管串联使用而得名。串联二极管的作用是隔离换相电容与电机反电动势。VD1~VD6是隔离二极管，其作用是使换相电容与负载隔离，防止换相电容通过负载放电，保证各晶闸管之间换相过程的正常进行。各桥臂之间连接的电容C1~C6是换相电容Df1~Df6及R1~R2是六个反馈二极管和两个反馈电阻，其中反馈二极管作为负载滞后电流和换相电容的放电通路。在反馈二极管共阳极组和共阴极组之间并联有滤波电容器C0，这个电容同时又是一个储能元件，起缓冲感性负载无功功率的作用。ZA、ZB、ZC是三相对称负载2.工作原理及输出电压波形分析三相桥式逆变器的六只功率开关按VT1~VT6的顺序每隔60电角度触发导通一只，若每60为一个工作区间，则一个周期共换相六次（又称六拍），对应六个不同的工作区间。逆变器采用120工作方式，即按VT1~VT6的顺序每隔60依次触发导通，每个功率开关元件导通120，形成6个工作区间，各区间内元件的导通规律如表3-1所示。因此每一时刻有分别位于共阴极组和共阳极组且不同相的两只元件同时工作，只有两相负载同时流过电流。图2-12示出了120导通型串联二极管式电压源逆变器各电压波形。2.2.3几种常见的SCR交-直-交电压源逆变器3.换流分析以T2开通，T6关断为例设系统已经工作，即在T2触发前，VT1,VT6导通.导通回路：P-VT1-ZA-ZB-D6-VT6-N同时C1充电：P-VT1-C1()-D6-VT6-N为关断VT1做准备。注意：C6在T5,T6导通时已被充电（）[p-T5-D5-D2-C6-T6-N]UdUd图2-12(a)串联二极管式三相逆变器Df6Df4Df2BCOAC2VT4VT6VT2VT1VT3VT5VD4VD1VD3VD5VD6VD2C1C3C2UdC4C5PZAZBZCCoR1R2+–Df1Df3Df5++T6关断后，C6继续放电，放电回路为：C6(+)－T2－N－R2－Df6－D6－C6(-)注意：RF越大，放电越慢，T6承受的反压时间越长，T6关断越可靠。T6C6在60～120区间：导通回路：P-T1-D1-ZA-ZC-D2-T2-N由于T2的导通，T6承受反压关断图2-12(a)串联二极管式三相逆变器Df6Df4Df2BCOAC2VT4VT6VT2VT1VT3VT5VD4VD1VD3VD5VD6VD2C1C3C6UdC4C5PZAZBZCCoR1R2+–Df1Df3Df5++++T6关断后，ZB产生反电势需要续流。关断前：续流回路：电感(＋)－Df3-R1-P-VT1-D1-ZA-电感（-）此时，R1很小且管压降不计，则B点的电位＝P点电位。iT1T2导通时的等效电路图oPUdABCVT2D2D1VT1R1ZA=ZB=ZC;对称UA0=UB0=1/3UdUCO=-2/3Ud2.2.3几种常见的SCR交-直-交电压源逆变器图2-12120导通型六阶梯波交-直-交电压源逆变器各电压波形(a)电阻性负载(b)电感性负载调压原理：改变整流器的控制角a调频原理：改变六相脉冲的间隔。4．电路的工作特点（1）在逆变器中反馈电阻和换向电容的大小决定了晶闸管换流时的反偏压持续时间，因此反馈电阻R1和R2大小对逆变器换流能力影响较大。反馈电阻增加，换向电容放电时间长，晶闸管承受反偏压时间长，换流可靠。在电压型逆变器中，已能满足换流要求。反馈电阻的增大会引起逆变器输出电压的降低，在实际使用中可以采用电压负反馈来补偿压降，故影响不大。2）反馈电阻上产生损耗，影响效率，且频率越高损耗越大，所以这种变频器的最高效率为85％左右。(3）低频时换流能力差频率越低，Ud电压越低，电容上的电压低，元件承受反压低。措施：采用辅助充电电源；断续换流法（设T6,T1导通，当T1,T2导通瞬间：先通过调节控制角，使Ud=0,使T1,T6均关断，然后再触发T1,T2)。（4）为了防止逆变器轻载时电动机的振荡，往往在逆变器输出侧并联气隙可调的三相交流铁心电抗器，作为逆变器的假负载，保证逆变器有一定的最小负载电流（一般为额定负载的十分之一左右）。这种变频器适用于200Hz以下中小容量电动机变频调速，广泛应用于化纤、造纸和木材加工等工业部门。2．串联电感式电压源逆变器图2-13串联电感式电压源逆变器主电路VT1~VT6:主晶闸管;VD1~VD6:反馈二极管;C1~C6:换流电容;L1~L6:换流电感。2．串联电感式电压源逆变器采用180导电方式这种逆变器是用一个主晶闸管的触发导通而使另一个主晶闸管自动关断，只要换流元件选择恰当，有足够的容量，就能够保证正常换流为了保持必需的换流能力，该电路在低频时需要较大的换流电容，否则会引起换流失败，而过大的换流电容在逆变器输出频率较高时，又会产生过大的换流损耗。因此，这种逆变器的变频范围受到限制。

二、（一）交-直-交电流源变频器的特点中间直流环节采用大电感滤波，因而直流电流脉动很小，近似为电流源，具有高阻抗特性，大电感同时又起到缓冲负载无功能量的作用。逆变器的开关只改变电流的方向，三相交流输出电流波形为矩形波或阶梯波，而输出电压波形及相位随负载不同而变化。由于直流侧电压可以迅速改变甚至反向，所以动态响应比较快，负载电动机可四象限运行。因此主电路结构简单，安全可靠，非常适用于大容量或要求频繁正、反转运行的系统。IdVT1VT3VT5VT4VT6VT2UVWUdZAZBZCiAiBiC图2-14电流源三相桥式逆变电路IdVT4VT6VT2VT1VT3VT5M3~VD4VD1VD3VD5VD6VD2

C1C3C5LC2

~50HzC4C6ABC图2-16串联二极管式电流型逆变器《化妆品术语》起草情况汇报中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所一、标准的立项和下达时间2006年卫生部政法司要求各标委会都要建立自己的术语标准。1ONE二、标准经费标准研制经费：3.8万三、标准的立项意义术语标准有利于行业间技术交流、提高标准一致性、消除贸易误差，作为标准体系中的基础标准，术语标准在各个领域的标准体系中均起着重要的作用。随着我国化妆品卫生标准体系建设逐步加快，所涉及的术语和定义的数量也在迅速增长，在此情形下，化妆品术语标准的制定就显得尤为重要。四、标准的制订原则1.合法性遵守《化妆品卫生监督条例》、《化妆品卫生监督条例实施细则》中关于化妆品的定义。2.协调性直接引用或修改采用的方式，与相关标准中的术语和定义相协调。3.科学性对于没有国标或定义不统一的术语，在定义时体现科学性的原则。4.实用性在标准体系中出现频率较高，与行业联系较紧密的术语优先选用。五、标准的起草经过

第一阶段：资料搜集

搜集国内外相关法规、标准、文献并对国外文献如美国21CFR进行翻译。第二阶段：2007年末形成初稿

初稿内容包括一般术语、卫生化学术语、毒理学术语、微生物术语、产品术语、人体安全和功效评价术语，常用英文成份术语等７部分。第三阶段：专家统稿1.2007年12月第一次专家统稿会（修订情况：1.在结构上增加原料功能术语、相关国际组织和科研机构等内容；2.在内容上增加一般术语、产品术语的种类，将化妆品行业的新产品类别纳入本标准；3.对于毒理学、卫生化学、微生物学术语进行修改；4.删除与化妆品联系不紧密、无存在必要的常用英文成分术语。2.2009年1月第二次专家统稿会会议意见：1.修改能引用国家标准的尽量引用国家标准；对存在歧义的个别用词进行修改。2.删除由于本标准中的“产品术语”一章和香化协会所制定的某个标准存在重复，因此删除“产品术语”一章的内容；对“原料功能术语”的内容进行梳理，删除了20余条内容。3.增加专家建议增加“化妆品限用物质”等若干项术语。第四阶段：征求意见2009年2月面向全国公开征求意见。第五阶段：征求意见的处理与形成送审稿。在征求意见的