第5章第3讲电力电子变压变频器交直交和交交变压变频器.ppt

5.4 电力力电子子变压变频器器本本节提要提要n n交交交交- -直直直直- -交交交交和交和交-交交变压变频器器n变压变频调变压变频调速系速系统统中的中的脉脉脉脉宽调宽调宽调宽调制制制制(PWM)技技术术ÜÜ正弦波脉正弦波脉正弦波脉正弦波脉宽调宽调制制制制(SPWM)(SPWM)技技技技术术Ü消除指定次数消除指定次数谐波的波的PWM(SHEPWM)控制技控制技术Ü电流滞流滞环跟踪跟踪PWM(CHBPWM)控制技控制技术ÜÜ电压电压空空空空间间矢量矢量矢量矢量PWM(SVPWM)PWM(SVPWM)控制技控制技控制技控制技术术（或称磁（或称磁（或称磁（或称磁链链跟踪控制技跟踪控制技跟踪控制技跟踪控制技术术）））） 引引 言言 如前所述，如前所述，对于异步于异步电机的机的变压变频调速，必速，必须具具备能能够同同时控制控制电压幅幅值和和频率的交流率的交流电源，源，而而电网提供的是恒网提供的是恒压恒恒频的的电源，因此源，因此应该配置配置变压变频器，又称器，又称VVVF（（Variable Voltage Variable Frequency）装置 从从整整体体结构构上上看看，，电力力电子子变压变频器器可可分分为交交-直直-交和交交和交-交两大交两大类。

1.交交-直直-交交变压变频器器 交交-直直-交交变压变频器先将工器先将工频交流交流电源通源通过整整流器流器变换成直流，再通成直流，再通过逆逆变器器变换成可控成可控频率率和和电压的交流，如下的交流，如下图所示 引引 言言• 交交-直直-交交变压变频器基本器基本结构构图 交交-直直-交（交（间接）接）变压变频器器 变压变频(VVVF)中中间直流直流环节恒恒压恒恒频(CVCF)逆逆变DCACAC50Hz~整流整流间接式的接式的变压变频器器 具体的整流和逆具体的整流和逆变电路种路种类很多，当前很多，当前应用最用最广的是由二极管广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器成不控整流器和由功率开关器件（件（P-MOSFET，，IGBT等）等）组成的脉成的脉宽调制制（（PWM）逆）逆变器，器，简称称PWM变压变频器，如下器，如下图所示• 交交-直直-交交PWM变压变频器基本器基本结构构图 交交-直直-交交PWM变压变频器器变压变频(VVVF)中中间直流直流环节恒恒压恒恒频(CVCF)PWM逆逆变器器DCACAC50Hz~调压调频C PWM变压变频器器的的应用用之之所所以以如如此此广广泛泛，，是是由由于于它它具具有有如如下的一系列下的一系列优点：点： （（1））在在主主电路路整整流流和和逆逆变两两个个单元元中中，，只只有有逆逆变单元元可可控控，，通通过它它同同时调节电压和和频率率，，结构构简单。

采采用用全全控控型型的的功功率率开开关器件，只通关器件，只通过驱动电压脉冲脉冲进行控制，行控制，电路也路也简单，效率高 （（2））转矩脉矩脉动小，提高了系小，提高了系统的的调速范速范围和和稳态性能 （（3））逆逆变器器同同时实现调压和和调频，，动态响响应不不受受中中间直直流流环节滤波器参数的影响，系波器参数的影响，系统的的动态性能也得以提高性能也得以提高 （（4））采采用用不不可可控控的的二二极极管管整整流流器器，，电源源侧功功率率因因素素较高高，，且不受逆且不受逆变输出出电压大小的影响大小的影响• 交交-直直-交交PWM变压变频器器优点点 PWM变压变频器常用的功率开关器件有：器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，，IGBT，，GTO和替代和替代GTO的的电压控控制器件如制器件如IGCT、、IEGT等 受到开关器件受到开关器件额定定电压和和电流的限制，流的限制，对于特于特大容量大容量电机的机的变压变频调速仍只好采用半控型的速仍只好采用半控型的晶晶闸管（管（SCR），并用可控整流器），并用可控整流器调压和六拍逆和六拍逆变器器调频的交的交-直直-交交变压变频器，器，见下下图。

• 普通交普通交-直直-交交变压变频器的基本器的基本结构构SCR可控可控整流器整流器六六 拍拍逆逆变器器DCACAC50Hz~调频调压图 可控整流器可控整流器调压、六拍逆、六拍逆变器器调频的交的交-直直-交交变压变频器器特大容量特大容量5.4.1 交交-直直-交交PWM变频器主回路器主回路图5-15 交交-直直-交交变频器主回路器主回路结构构图l左左边是不可控整流是不可控整流桥，将三相交流，将三相交流电整流成整流成电压恒定的直流恒定的直流电压l右右边是逆是逆变器，将直流器，将直流电压变换为频率与率与电压均可均可调的交流的交流电l中中间的的滤波波环节是是为了减小直流了减小直流电压脉脉动而而设置的5.4.1 交交-直直-交交PWM变频器主回路器主回路直流母直流母线供供电图5-16 直流母直流母线方式的方式的变频器主回路器主回路结构构图电压电压源型和源型和电电流源型逆流源型逆变变器器 在在交交-直直-交交变压变频器器中中，，按按照照中中间直直流流环节直直流流电源源性性质的的不不同同，，逆逆变器器可可以以分分成成电压源源型型和和电流流源源型型两两类，，两两种种类型型的的实际区区别在在于于直直流流环节采用怎采用怎样的的滤波器。

示意波器示意图如下：如下： • 两种两种类型逆型逆变器器结构构LdIdCdUdUd++--a) 电压源逆源逆变器器b) 电流源逆流源逆变器器图6-15 电压源型和源型和电流源型逆流源型逆变器示意器示意图n电压源型逆源型逆变器（器（Voltage Source Inverter --VSI ），直流），直流环节采用大采用大电容容滤波，因而直流波，因而直流电压波形比波形比较平直，在理想情况下是一个内阻平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒零的恒压源，源，输出交流出交流电压是矩形波或是矩形波或阶梯波，梯波，有有时简称称电压型逆型逆变器n电流源型逆流源型逆变器（器（Current Source Inverter-- CSI），直流），直流环节采用大采用大电感感滤波，直流波，直流电流波流波形比形比较平直，相当于一个恒流源，平直，相当于一个恒流源，输出交流出交流电流流是矩形波或是矩形波或阶梯波，或梯波，或简称称电流型逆流型逆变器 性能比性能比较表表5-1 两种逆两种逆变器器输出波形比出波形比较性能比性能比较应用用场合合 电压源型逆源型逆变器属恒器属恒压源，源，电压控制响控制响应慢，慢，不易波不易波动，所以适于做多台，所以适于做多台电机同步运行机同步运行时的供的供电电源，或源，或单台台电机机调速但不要求快速起制速但不要求快速起制动和和快速减速的快速减速的场合。

采用合采用电流源型逆流源型逆变器的系器的系统则相反，不适用于多相反，不适用于多电机机传动，但可以，但可以满足快速起足快速起制制动和可逆运行的要求和可逆运行的要求180º导通型和通型和120º导通型逆通型逆变器器 交交-直直-交交变压变频器中的逆器中的逆变器一般接成三相器一般接成三相桥式式电路，以便路，以便输出三相交流出三相交流变频电源，下源，下图为6个个电力力电子开关器件子开关器件VT1 ~ VT6 组成的三相逆成的三相逆变器主器主电路，路，图中中用开关符号代表任何一种用开关符号代表任何一种电力力电子开关器件子开关器件图 三相三相桥式逆式逆变器主器主电路路CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd 2Ud 2RL•控制方式控制方式 控制各开关器件控制各开关器件轮流流导通和关断，可使通和关断，可使输出端得出端得到三相交流到三相交流电压在某一瞬在某一瞬间，控制一个开关器件，控制一个开关器件关断，同关断，同时使另一个器件使另一个器件导通，就通，就实现了两个器件了两个器件之之间的的换流在三相流在三相桥式逆式逆变器中，有器中，有180°导通型通型和和120°导通型两种通型两种换流方式。

流方式CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd 2Ud 2RL（（1））180°导通型控制方式通型控制方式 同一同一桥臂上、下两管之臂上、下两管之间互相互相换流的逆流的逆变器称作器称作180°导通型逆通型逆变器n当当VT1关断后，使关断后，使VT4导通，而当通，而当VT4关断后，又使关断后，又使VT1导通这时，每个开关器件在一个周期内，每个开关器件在一个周期内导通的区通的区间是是180°，其他，其他各相亦均如此由于每隔各相亦均如此由于每隔60°有一个器件开关，在有一个器件开关，在180°导通型通型逆逆变器中，除器中，除换流期流期间外，每一外，每一时刻刻总有有3个开关器件同个开关器件同时导通CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd 2Ud 2RL 但但须注意，必注意，必须防止同一防止同一桥臂的上、下两管同臂的上、下两管同时导通，否通，否则将造成直流将造成直流电源短路，源短路，谓之之“直通直通”为此，此，在在换流流时，必，必须采取采取“先断后通先断后通”的方法，即先的方法，即先给应关关断的器件断的器件发出关断信号，待其关断后留一定的出关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，裕量，叫做叫做“死区死区时间”，再，再给应导通的器件通的器件发出开通信号。

出开通信号 死区死区时间的的长短短视器件的开关速度而定，器件的器件的开关速度而定，器件的开关速度越快开关速度越快时，所留的死区，所留的死区时间可以越短可以越短为了安了安全起全起见，，设置死区置死区时间是非常必要的，但它会造成是非常必要的，但它会造成输出出电压波形的畸波形的畸变1））180°导通型控制方式通型控制方式p 电压源型三相源型三相桥式式逆逆变电路的路的输出波形出波形 UAO’ = Ud / 2UBO’ = UCO’ = - Ud /2UAO = 2Ud/3UBO= UCO = - Ud /3例VT1,VT2,VT6导通通时等效等效电路如下：路如下： tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uAO'uAOuABiAiduBO'uCO'uOO'UdUd2Ud3Ud62 Ud3 （（2））120°导通型控制方式通型控制方式 120°导通型逆通型逆变器的器的换流是在不同流是在不同桥臂中同一排左、右两管之臂中同一排左、右两管之间进行的nVT1关断后使关断后使VT3导通，通，VT3关断后使关断后使VT5导通，通，VT4关断后使关断后使VT6导通等等。

通等等这时，每个开关器件一次，每个开关器件一次连续导通通120°，在同，在同一一时刻只有两个器件刻只有两个器件导通，如果通，如果负载电机机绕组是是Y联结，，则只只有两相有两相导电，另一相，另一相悬空 CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd 2Ud 2RLp 电流源型三相流源型三相桥式逆式逆变电路的路的输出波形出波形 图示出了一个示出了一个120120º导电型交型交- -直直- -交交电流型逆流型逆变器的主器的主电路及其路及其波形 这种主种主电路拓扑称路拓扑称为串串联二二极管式，六个极管式，六个电容起容起强迫迫换流的流的作用电动机正机正转时，逆，逆变器中器中晶晶闸管的触管的触发顺序是序是 VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1…→VT1…，，。