第4讲变压变频器及PWM技术课件

第4讲：静止式变压变频器—变频器4-1静止式变压变频器的主要类型4-2PWM控制技术1第4讲：静止式变压变频器—变频器4-1静止式变压变频器的主电网提供的是恒压恒频的电源，为了实现异步电动机的变压变频调速，必须要有能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，即变压变频器，又称VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)装置。最早的VVVF装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发电机构成的机组，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出的电压和频率。自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组便逐渐被淘汰，并形成了一系列通用型的静止式变压变频装置。2电网提供的是恒压恒频的电源，为了实现异步电动机的变压变频4-1静止式变压变频器的主要类型从整体结构上看，静止式电力电子变压变频器可分为交一直一交变频器和交一交变频器两大类。一、交一直一交变压变频器交一直一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的交流(同时控制频率和电压)。交—直—交变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。交—直—交变频器又可分为电压型和电流型两大类。34-1静止式变压变频器的主要类型从整体结构上看，静止式1、电压型变频器变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)PWM逆变器DCACAC~50HzC（VoltageSourceInverter：VSI）⑴电路结构41、电压型变频器变压变频中间直流环节恒压恒频PWMDCACA55⑵电压型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。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，而输出电流波形因负载的不同而不同。由于直流侧电压的极性不能改变，直流侧电流又受整流电路功率器件单向导电性的限制不能改变流向，因此普通的电压型变频器不容易实现四象限运行。6⑵电压型变频器的特点6⑶负载电动机再生制动时回馈电能的解决方案☆方案1——对大容量的调速系统：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。～LALBLCABC逆变器/电机系统的再生制动方案一+-T1T3D1T4T6D4T2D6D3T5D2D5UVWM～α>

90°系统可四象限运行功率因数低谐波电流大主电路复杂7⑶负载电动机再生制动时回馈电能的解决方案☆～LALBLCA方案2——对大容量的调速系统：或通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网。LALBLCABC三相脉冲整流器平波电容无源逆变电机逆变器/电机系统的再生运行方案二M～系统可四象限运行功率因数高（接近于1）谐波电流小控制较复杂8方案2——对大容量的调速系统：或通过脉冲变流器将再生能量反馈方案3——对小系统容量：可在直流环节加制动单元，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。LineACacmotor+Vd-DioderectifierFiltercapacitorSwitch-modeinverter9方案3——对小系统容量：可在直流环节加制动单元，当再生能量回⑷高压大容量变频器二极管箝位式(NPC)三电平逆变器10⑷高压大容量变频器10二极管箝位式三电平逆变器的工作原理TurningS+a1andS+a2on,resultsinvao=Vd/2;TurningS+a2andS-a2on,,resultsinvao=0;TurningS-a2andS-a1on,,resultsinvao=-Vd/211二极管箝位式三电平逆变器的工作原理TurningS+a112121313Switchsneedtoblockonlyone-halfthedc-busvoltage;Threelevels(Vd/2,0,-Vd/2)resultinlessswitchfrequencyrippleintheoutputascomparedtotwo-levelinverters.Majoradvantages:14SwitchsneedtoblockonlyonNeedtoensurethatthemidpointremainsathalfthedcbusvoltage.Majordrawbacks:15NeedtoensurethatthemidpoSIMOVERTMV系列中压变频器照片16SIMOVERTMV系列中压变频器照片16H桥串联式高压逆变器17H桥串联式高压逆变器17罗宾康级联式高压变频器照片18罗宾康级联式高压变频器照片18变压变频(VVVF)中间直流环节DC恒压恒频(CVCF)PWM逆变器ACAC~50HzL2、电流型变频器（CurrentSourceInverter：CSI）⑴电路结构19变压变频中间直流环节DC恒压恒频PWMACAC~50HzL由GTO器件构成的电流型变频器20由GTO器件构成的电流型变频器20由SCR和电力二极管器件构成的串联二极管型电流型逆变器电流型逆变器输出波形21由SCR和电力二极管器件构成的串联二极管型电流型逆变器电流型⑵电流型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。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，所以负载电动机可四象限运行。主电路结构安全可靠。22⑵电流型变频器的特点222323二、交-交变频器（Cycloconveter，周波变换器）交－交变频AC50Hz~ACCVCFVVVF交一交变压变频器只有一个变换环节，把恒压恒频(CVCF)的交流电源直接变换成VVVF的输出，因此又称直接式变压变频器。1、电路结构24二、交-交变频器（Cycloconveter，周波变换器）三相零式交交变频电路结构25三相零式交交变频电路结构25三相桥式交交变频电路结构26三相桥式交交变频电路结构26vo0tω0tωioaPaN==π/2aNaP=0=πaPaN==π/2aPaN==π/2aNaP=0=πPconverterrectificationWaveformsoftheoutputvoltageandtheoutputcurrentNconverterrectificationPconverterinversionNconverterinversion2、输出波形27vo0tω0tωioaPaN==π/2aNaP=0=πaP28283、交-交变频器的特点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；易于实现电机的四象限运行；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；输入电源功率因数低，电流谐波大；电路复杂，所用晶闸管元件数量较多，设备庞大。293、交-交变频器的特点294、交-交变频器的适用场合适用于低速、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。304、交-交变频器的适用场合30交交变频器与交直交变频器性能比较31交交变频器与交直交变频器性能比较314-2PWM控制技术为了使变频器输出的交流电压波形接近正弦，使电动机的输出转矩平稳，现代通用变频器中的逆变器都是由全控型电力电子开关器件构成，采用脉宽调制（PulseWidthModulation，简称PWM）控制的，应用最早的是正弦脉宽调制（SPWM）。324-2PWM控制技术为了使变频器输出的交流电压波形接近一、逆变器的PWM技术性能指标不同的PWM控制策略往往针对不同的技术性能指标要求，而其中比较重要的技术指标有：

1、输出电压谐波的分布总体上讲希望输出电压中的谐波越小越好，但不同的PWM控制策略会使输出电压中的谐波分布不同，而不同的谐波对不同设备，甚至同一设备在不同的运行条件下的影响可能都不一样，因此考察PWM控制策略的谐波性能不仅要看总谐波含量的“大小”，更要看谐波的分布。

33一、逆变器的PWM技术性能指标不同的PWM控制策略往往针2、开关器件的开关损耗较高的开关频率对改善逆变装置的性能（特别是改善输出谐波的分布）一般都比较有利。但是，功率器件开关频率的提高受其开关损耗和开关速度的限制。因此，如何用相对较低的开关频率尽可能地保证输出电能的质量也是设计PWM控制策略时必须考虑的因素。

342、开关器件的开关损耗343、直流环节电压的利用率为了充分发挥电机功率，一般都希望在一定的直流电压条件下，逆变器能输出较高的交流电压。这一指标可以用直流电压利用率来表示。

353、直流环节电压的利用率35

PWM控制策略的“直流电压利用率”是指在线性调制区内的“直流电压利用率”。方波控制的“直流电压利用率”最高，达110%。SPWM控制的“直流电压利用率”为87%。Line-Modulation

(ma<1.0)vtrivcontrolvAo36PWM控制策略的“直流电压利用率”是指在线性调制区内的“直二、正弦脉宽调制（SPWM）正弦脉宽调制是以正弦波作为调制信号来控制逆变器的输出脉冲宽度，使其按照正弦波的规律变化。37二、正弦脉宽调制（SPWM）正弦脉宽调制是以正弦波作为调1、正弦脉宽调制的特点⑴在线性调制区内，输出电压与调制比ma近似成正比，因此调压方便；

但在过调制区内，输出电压与M不再保持线性关系。线性调制区cumumu过调制区cuupwmuupwmutttt381、正弦脉宽调制的特点⑴在线性调制区内，输出电压与调制比m⑵在线性调制区内，电压谐波集中分布在载波频率fc的整倍数两侧，并且随着谐波频率的增大，谐波幅值减小。由此可知，SPWM脉冲中谐波频率随载波频率fc的提高而提高，这对改善输出电压质量是有利的，因此在条件允许情况下应采用较高的开关频率。注：相电压中包含载波比mf的整倍数次谐波，若mf为3的倍数，则相电压中含有3的倍数次谐波，但线电压中不含3的倍数次谐波。三相PWM逆变器输出线电压频谱实例（逆变器输出频率50Hz，开关频率4kHz）50Hz4kHz8kHz12kHz16kHz20kHz39⑵在线性调制区内，电压谐波集中分布在载波频率fc的整倍数两

但在过调制区内，会出现对负载运行产生不利影响的低次谐波。40但在过调制区内，会出现对负载运行产生不利影响的低次谐波。若想进一步增大输出电压，就会出现过调制。在过调制区，PWM脉冲出现“重叠”现象，脉冲宽度不再遵循正弦调制波的规律,输出电压的谐波特性也受到影响。

⑶直流电压利用率低(87%)Over-Modulation

(ma>1.0)vtrivcontrolvAo41若想进一步增大输出电压，就会出现过调制。在过调制区，PW

如何在PWM脉冲不出现“重叠”现象的情况下提高输出电压？需要重新构造调制波。42如何在PWM脉冲不出现“重叠”现象的情况下提高输出电压？三、提高SPWM直流电压利用率的方法——准正弦脉宽调制☆调制波中加入三次谐波43三、提高SPWM直流电压利用率的方法——准正弦脉宽调制☆调制1、准正弦脉宽调制方法在正弦调制波um1上叠加幅度适当并与正弦调制波同相位的三次谐波分量um3，从而得到合成后的马鞍形调制波um=um1+um3，将um与三角载波相比较产生PWM脉冲。此方法也称为“三次谐波注入正弦脉冲宽度调制”或“准最优PWM”。441、准正弦脉宽调制方法此方法也称为“三次谐波注入正弦脉冲可以证明：k=1/6时注入的三次谐波分量最佳，um3=sin(3ω1t)/6。在调制不出现饱和的情况下，可使输出电压基波产生约15％的增量，从而提高逆变器直流电压的利用率（达100%）。45可以证明：45四、降低开关频率的方法ucurU1urV1urW1uuUN'Ud-UdOtOurUurVurWucOtOOOOtttttuVN'uWN'uUVu1-11-1-0.5uP2Ud-2Ud在调制波中加入如下分量：46四、降低开关频率的方法ucurU1urV1urW1uuUN'基于某项优化指标，计算出各个开关管的特定开关角度（开关时刻）。优化PWM算法的控制目标消除特定谐波（SHE）、谐波电流最小化、电机转矩和转速脉动最优等优化方式。五、优化PWM算法47基于某项优化指标，计算出各个开关管的特定开关角度（开关时刻）例：特定谐波消除PWM（SHEPWM）oABCuAoUdUdUd-Ud背景：方波控制逆变器的输出电压中含有大量的3次、5次、7次谐波，PWM逆变器要求功率开关器件有比较高的开关频率。对大容量的逆变器来说开关频率受到限制，在此情况下如何提高输出电压质量？通过陷波（挖槽）消除特定次谐波。48例：特定谐波消除PWM（SHEPWM）oABCuAoUdUd特定谐波消除PWM（SHEPWM）的原理输出电压波形u(t)为四分之一周期对称波形（π/2对称）如何挖槽？49特定谐波消除PWM（SHEPWM）的原理如何挖槽？49取U5m=0、U7m=0可消除5th、7th谐波得角度α1和α2。50取U5m=0、U7m=0可消除5th、7th谐波得角度αSHEPWM的特点:在输出电压半个周期内挖m个槽，考虑PWM波四分之一周期对称，则有m个量(开关角度α)可控，可控制基波幅值，可消去(m－1)个频率的特定谐波。(注：若不控制基波幅值，则可消去m个频率的特定谐波。)开关频率低，直流电压利用率高，适用于大功率变流器。算法比较复杂，很难实时计算，通常采用查表的方式实现。51SHEPWM的特点:51六、电流跟踪控制PWM背景：电力传动系统的性能主要取决于对电机电磁转矩的控制性能。在稳态情况下希望电磁转矩恒定，不含脉动分量；在动态情况下，希望电磁转矩的有很快的调节速度，以提高动态调节性能。对交流异步电机变频调速系统来说实际需要保证的是正弦波电流，因为电机电流直接影响磁链和转矩。在电机绕组中通以三相平衡的正弦波电流才能使合成的电磁转矩恒定，不含脉动分量。52六、电流跟踪控制PWM背景：521、电压PWM控制的不足(1)电压型PWM逆变器可以方便地按需要控制输出VVVF的电压信号，但是输出电压的正弦度并不能完全反映输出电流的正弦度，电流波形还与电机负载有关。(2)异步电动机定子的电流与电压之间的关系，可以近似看成一个惯性环节。异