电力电子变压变频器

5.4 电力电子变压变频器,交-直-交和交-交变压变频器 正弦波脉宽调制(SPWM)技术 消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM) 控制技术 电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术 电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术, 引 言,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（Variable Voltage Variable Frequency）装置。,5.4.1 交-直-交变频器主电路,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。,交-直-交变压变频器基本结构,图 交-直-交（间接）变压变频器,由于这类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。具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如下图所示。,交-直-交PWM变压变频器基本结构,图 交-直-交PWM变压变频器,变压变频 (VVVF),中间直流环节,恒压恒频 (CVCF),PWM 逆变器,DC,AC,AC,50Hz,调压调频,C,六拍逆变器主电路结构,PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：（1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。,（2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。,（3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。,PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（SCR），并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器，见下图。,普通交-直-交变压变频器的基本结构,5.4.2 正弦波脉宽调制(SPWM)技术,问题的提出 正弦波脉宽调制(SPWM)技术, 问题的提出,早期的交-直-交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波（对于电压型逆变器）或矩形波（对于电流型逆变器），这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化，从而会有较大的低次谐波，使电机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能，在低速运行时更为明显。,六拍逆变器的谐波,为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在20世纪80年代开发了应用PWM技术的逆变器。由于它的优良技术性能，当今国内外各厂商生产的变压变频器都已采用这种技术，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才属例外。,以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。,1. PWM调制原理,按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。,2. SPWM控制方式,如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。 如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。,单相桥式PWM逆变电路,（1）单极性PWM控制方式,（2）双极性PWM控制方式,3. PWM控制电路,模拟电子电路采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制； 数字控制电路 硬件电路； 软件实现。,模拟电子电路,数字控制电路,自然采样法只是把同样的方法数字化， 自然采样法的运算比较复杂； 规则采样法在工程上更实用的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。,（1）自然采样法原理,（2）规则采样法,规则采样法原理,三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc 自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合 规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化,在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过 D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻 tA和B点时刻 tB控制开关器件的通断 脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近,规则采样法原理,正弦调制信号波式中，M 称为调制度，0 a <1；r为信号波角频率。从图中可得,因此可得三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度,根据上述采样原理和计算公式，可以用计算机实时控制产生SPWM波形，具体实现方法有： 查表法可以先离线计算出相应的脉宽d 等数据存放在内存中，然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。,实时计算法事先在内存中存放正弦函数和Tc /2值，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的调制度M作乘法运算，再根据给定的载波频率查出相应的Tc /2值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。,由于PWM变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出口的电机控制用的8位、16位微机芯片和DSP。,4. PWM调制方法,载波比载波频率 fc与调制信号频率 fr 之比N，既 N = fc / fr根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。,（1）异步调制,异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。 通常保持 fc 固定不变，当 fr 变化时，载波比 N 是变化的； 在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；,当 fr 较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小； 当 fr 增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。,（2）同步调制,同步调制N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。 基本同步调制方式，fr 变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定； 三相电路中公用一个三角波载波，且取 N 为3的整数倍，使三相输出对称；,为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数； fr 很低时，fc 也很低，由调制带来的谐波不易滤除； fr 很高时，fc 会过高，使开关器件难以承受。,同步调制三相PWM波形,（3）分段同步调制,把 fr 范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同； 在 fr 高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高； 在 fr 低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低；,分段同步调制方式,（4）混合调制,可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。,5. PWM逆变器主电路及输出波形,图 三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形,图中 为三相PWM波形，其中 urU 、urV 、urW为U，V，W三相的正弦调制波， uc为双极性三角载波； uUN 、uVN 、uWN 为U，V，W三相输出与电源中性点N之间的相电压矩形波形；uUV为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为+Ud和- Ud ； uUN为三相输出与电机中点N之间的相电压。,5.4.3 消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM) 控制技术,脉宽调制（PWM）的目的是使变压变频器输出的电压波形尽量接近正弦波，减少谐波，以满足交流电机的需要。要达到这一目的，除了上述采用正弦波调制三角波的方法以外，还可以采用直接计算的下图中各脉冲起始与终了相位1， 2， 2m的方法，以消除指定次数的谐波，构成近似正弦的PWM波形（Selected Harmonics Elimination PWMSHEPWM）。,特定谐波消去法的输出波形,图5-18 特定谐波消去法的输出PWM波形,对图中的PWM波形作傅氏分析可知，其k次谐波相电压幅值的表达式为（5-56）式中 Ud变压变频器直流侧电压；1以相位角表示的PWM波形第i个起始或终了时刻。,从理论上讲，要消除第k次谐波分量，只须令式（5-56）中的，并满足基波幅值为所要求的电压值，从而解出相应的值即可。然而，输出电压波形为一组正负相间的PWM波，它不仅半个周期对称，而且有1/4周期按纵轴对称的性质。在1/4周期内，有 m 个值，即 m 个待定参数，这些参数代表了可以用于消除指定谐波的自由度。,其中除了必须满足的基波幅值外，尚有（m-1）个可选的参数，它们分别代表了可消除谐波的数量。 例如，取 m=5，可消除 4 个不同次数的谐波。常常希望消除影响最大的 5、7、11、13 次谐波，就让这些谐波电压的幅值为零，并令基波幅为需要值，代入式（5-56）可得一组三角函数的联立方程。,可采用数值法迭代，在上述方程组求解出开关时刻相位角 1 ，2 ， ， 然后再利用 1/4 周期对称性，计算出 2m = - 1，以及 2m-1 . 各值。这样的数值计算法在理论上虽能消除所指定的次数的谐波，但更高次数的谐波却可能反而增大，不过它们对电机电流和转矩的影响已经不大，所以这种控制技术的效果还是不错的。,由于上述数值求解方法的复杂性，而且对应于不同基波频率应有不同的基波电压幅值，求解出的脉冲开关时刻也不一样，所以这种方法不宜用于实时控制，须用计算机离线求出开关角的数值，放入微机内存，以备控制时调用。,5.4.4 电流滞环跟踪PWM(CFPWM)控制 技术,应用PWM控制技术的变压变频器一般都是电压源型的，它可以按需要方便地控制其输出电压，为此前面两小节所述的PWM控制技术都是以输出电压近似正弦波为目标的。,但是，在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。,常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪 PWM（Current Hysteresis Band PWM CHBPWM）控制，具有电流滞环跟踪 PWM 控制的 PWM 变压变频器的A相控制原理图示于图5-19。,1. 滞环比较方式电流跟踪控制原理,图5-19 电流滞环跟踪控制的A相原理图,图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流 i*a 与输出电流 ia 进行比较，电流偏差 ia 超过时 h，经滞环控制器HBC控制逆变器 A相上（或下）桥臂的功率器件动作。B、C 二相的原理图均与此相同。,采用电流滞环跟踪控制时，变压变频器的电流波形与PWM电压波形示于图5-20。 如果， ia < i*a ， 且i*a - ia h，滞环控制器 HBC输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件V1导通，变压变频器输出正电压，使增大。当增长到与相等时，虽然，但HBC仍保持正电平输出，保持导通，使继续增大 直到达到ia = i*a + h ， ia = h ，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断V1 ，并经延时后驱动V4,