现代交流伺服系统 课件 第6章 交流伺服系统的功率变换电路

第6章交流伺服系统的功率变换电路内容提要6.1功率变换主电路的构成6.2功率变换主电路设计6.3脉宽调制技术交流伺服系统的功率变换电路6.1功率变换主电路的构成功率变换主电路的作用将电网的电能转换为适合驱动交流伺服电动机的电能，有时还要将电动机转子的动能转换为储能回路的直流电能。功率变换主电路的基本结构主电路主要包括：整流电路；滤波电路；逆变电路；缓冲电路；制动电路。图6-1电压型功率变换主电路6.1功率变换主电路的构成

6.2.1整流电路的设计整流电路的分类1）按照组成器件可分为不可控、半控和全控整流电路；2）按电路结构可分为桥式整流电路和零式整流电路；3）按照交流输入相数可分为单相整流电路和多相整流电路。逆变器直流侧与交流侧功率、电压和电流的关系逆变器电路采用SPWM方式控制输出电压时，如果忽略损耗和高次谐波，则逆变器直流侧与交流侧之间的功率，电压之间存在着如下关系：

6.2.1整流电路的设计

6.2.2滤波电路的设计滤波电路的主要构成在电压型逆变器中，滤波元件主要是采用电解电容器。滤波电容器的主要参数滤波电容器的选择主要考虑以下三个因素：电容器的额定电压、滤波电路纹波电压及电容器的额定纹波电流。纹波电流滤波电容器流过的纹波电流主要包括两部分：从工频电源通过整流电路流入的电流和通过逆变器电路输入到电动机中的电流；PWM逆变电路滤波电容器的电流主要取决于电动机电流，其有效值大约为电动机电流有效值的1/2；电容流过纹波电流大小确定以后，根据电解电容器手册中的技术数据，选择外形尺寸大小合适的电容器。6.2.3逆变电路的设计

输入交流电压/V180~220380~440480~575器件额定电压值/V6001000~12001400表6-1输入交流电压和器件额定电压关系6.2.3逆变电路的设计电流额定值的确定器件额定电流值由逆变电路容量与伺服电动机功率之间的关系得到

6.2.3逆变电路的设计（2）正弦波PWM逆变电路开关器件损耗的计算IGBT饱和损耗IGBT的饱和损耗为：

6.2.3逆变电路的设计续流二极管饱和损耗续流二极管的饱和损耗为

其中FWD是指续流二极管。6.2.4缓冲电路的设计缓冲电路的作用缓冲电路又称吸收电路，用于抑制逆变器中因功率器件开关所导致的过电压，减小器件的损耗，确保开关器件安全。功率器件过电压的产生原因功率器件过电压的产生与回路布线的寄生电感的关系密切，因此必须首先优化布线，尽量减小寄生电感。缓冲电路的分类抑制过电压的缓冲电路主要包括与开关元件一对一配置的分体式缓冲电路和在直流母线之间配置的整体式缓冲电路两种。6.2.4缓冲电路的设计（1）分体式缓冲电路分体式缓冲电路的分类分体式缓冲电路主要有RC缓冲电路、放电阻止型RCD缓冲电路和充放电型RCD缓冲电路。图6-2分体式缓冲电路a）RC缓冲电路b）充放电型RCD缓冲电路c）放电阻止型RCD缓冲电路6.2.4缓冲电路的设计

6.2.4缓冲电路的设计

6.2.4缓冲电路的设计

如果缓冲电阻值选择过低，缓冲电路中的电流会发生振荡，IGBT导通时的集电极电流的尖峰值也会增大，因此要满足上式的条件，尽量选用高阻值的电阻。缓冲二极管选择方法1）如果缓冲二极管的反向恢复时间长，则在高频开关动作时缓冲二极管产生的损耗大；2）如果缓冲二级管的反向恢复时间过急，IGBT的C-E间电压会产生振荡。3）因此放电阻止型RCD缓冲电路的缓冲二极管要选择过渡正方向电压减小，反向恢复时间短，具有软恢复特性的二极管。6.2.4缓冲电路的设计充放电型RCD缓冲电路充放电型RCD缓冲电路对关断时的浪涌电压抑制效果好；它与RC缓冲电路不同，由于带有缓冲二极管，缓冲电阻值可以取大，能够避免导通时，集电极电流增大影响IGBT的问题；与放电阻止型RCD缓冲电路相比，由于在缓冲电路上产生的损耗非常大，不适合高频开关电路。充放电型RCD缓冲电路电阻上产生的损耗可以根据下式计算6.2.4缓冲电路的设计（2）整体式缓冲电路整体式缓冲电路的分类整体式缓冲电路主要有C缓冲电路，RCD缓冲电路和组合缓冲电路。图6-3整体式缓冲电路a）C缓冲电路b）RCD缓冲电路c）组合缓冲电路6.2.4缓冲电路的设计C缓冲电路C缓冲电路是最简单的缓冲电路；器件关断时的浪涌电压被电容器C缓冲电路吸收后，在主电路的电感与缓冲电容之间有LC振荡电流，使母线电压产生较大波动；C缓冲电路适用于100A以下的IGBT电路中。RCD缓冲电路特点1）RCD缓冲电路中的充电电流经缓冲二极管流入，放电电流经缓冲电阻流出，因此不会产生像C缓冲电路那样的振荡电流；2）它能够减小母线电压的波动，尤其是在母线配线较长时效果更好；3）适用于200A以下的IGBT电路中。6.2.4缓冲电路的设计电阻阻值选择如果缓冲电阻值选择过低，缓冲电路中的电流会发生振荡，IGBT导通时的集电极电流的尖峰值也会增大，因此，要尽量选用高阻值的电阻。组合式缓冲电路有时为了提高缓冲效果，常将C缓冲电路和RCD缓冲电路组合起来使用。电容容量计算缓冲电容的容量可以根据下式计算电阻阻值计算缓冲电阻阻值可根据下式计算6.2.5制动电路的设计

6.2.5制动电路的设计（2）制动电阻阻值计算制动电阻最大阻值在附加制动电阻进行制动的情况下，电动机内部的有功损耗部分折合成制动转矩，大约为电动机额定转矩的20%。考虑到这一点，可用下式计算制动电阻的阻值：

6.2.5制动电路的设计

6.3脉宽调制技术PWM的定义PWM控制技术，即脉宽调制技术，是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲列的宽度或周期达到变压、变频目的一种控制技术。PWM的分类常用的PWM控制技术方法有电压型正弦脉冲宽度调制（SPWM），电流跟踪型PWM控制和电压空间矢量PWM等控制方法。PWM控制功率变换系统的优点1）主电路的拓扑结构简单，需要的功率器件少；2）开关频率高，输出电流容易连续，谐波含量少，电机损耗及转矩波动小；3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；4）动态响应快，抗干扰能力强；5）导通耗损小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而系统效率较高。6.3.1SPWM技术（1）SPWM控制原理SPWM的定义将正弦半波形划成N等份，每一等份中的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形波来代替。各个矩形宽度不同，宽度大小按正弦曲线规律变化。用宽度作为控制逆变器电路开关元件通断的依据。这种方法称为正弦脉宽调制（SPWM）技术。图6-4PWM控制原理示意图

图6-5电压型单相桥式PWM逆变电路6.3.1SPWM技术

图6-6单极性PWM控制原理6.3.1SPWM技术

图6-7双极性PWM控制波形6.3.1SPWM技术

图6-8三相桥式PWM逆变电路与波形a）电路b）波形6.3.1SPWM技术

图6-9同步调制三相PWM波形6.3.1SPWM技术6.3.2电流跟踪型PWM技术电流跟踪型PWM逆变电路的特点电流跟踪型PWM逆变电路又称为电流控制型电压源PWM逆变电路，由PWM电压源逆变电路与电流控制环组成，使逆变器输出可控的正弦波电流。电流跟踪型PWM逆变电路的分类通过判断逆变电路功率开关器件的开关频率是否恒定，可以把电流型跟踪PWM逆变电路分为电流滞环跟踪控制型和固定开关频率型两种。（1）电流滞环跟踪型特点电流滞环跟踪型PWM逆变电路除了具有电流跟踪型PWM逆变电路的一般优点外，还因其电流动态响应快，系统运行不受负载参数的响应以及实现方便，而常用于高性能的交流伺服系统中。6.3.2电流跟踪型PWM技术原理图6-11中的上、下两条正弦曲线分别称为滞回区的上部极限和下部极限，两个极限的中间区域称为滞环区，区域中间以虚线表示的正弦曲线是正弦基准波，环区中的实线是实际电流。图6-10电流滞环跟踪控制型PWM逆变电路结构及电流控制原理图6-11电流滞环跟踪控制时的电流波形与PWM电压波形6.3.2电流跟踪型PWM技术（2）固定开关频率型在伺服驱动系统中，一般使用固定的开关频率，这样可以消除噪声，并能更好地预测逆变电路的开关损耗。如图6