电力电子变频器及PWM控制原理课件.ppt
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- 电力 电子 变频器 PWM 控制 原理 课件
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1、 电力电子变频器及电力电子变频器及PWM控制原理控制原理概概 述述 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(Variable Voltage Variable Frequency)装置。基本原理简单,易于理解,发展历程却非易事基本原理简单,易于理解,发展历程却非易事旋转变流机组旋转变流机组2021/7/13概概 述述 随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展,变频调速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技术随之取得了日新月异的进步。人
2、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。产生了多种不同结构和性能的变频调速装置。电力电子电力电子变频器变频器交交-交变频器交变频器交交-直直-交变频器交变频器 电压源型电压源型电流源型电流源型2021/7/13本 章 提 要n 交交-交变频器交变频器n 交交-直直-交变频器交变频器n PWM控制基础控制基础n PWM控制技术控制技术n 三相三相PWM专用集成电路专用集成电路n 单片机和单片机和DSP用于用于PWM信号生成信号生成n 转速开环的转速开环的U/f控制变频调速系统控制
3、变频调速系统 n 转速闭环转差频率控制的变频调速系统转速闭环转差频率控制的变频调速系统2021/7/132.1 交交-交变频器交变频器 v 交交-交变频器直接把恒压恒频(交变频器直接把恒压恒频(Constant Voltage Constant Frequency,简称,简称CVCF)的交流电源变换成变压变频)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。)的交流电源,又称为直接变频装置。有时也有时也称作周波变换器称作周波变换器(Cycloconveter)。)。交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF2021/7/132.1 交交-交变频器交变频器v常用的交常用
4、的交-交变压变频器输出的每一相都是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。一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路。交交-交交变频器变频器整流器组合式整流器组合式矩阵式矩阵式2021/7/132.1.1 整流器组合式交整流器组合式交-交变频器交变频器v 基本结构基本结构VRVFId-Id+-+负负载载 50Hz 50Hzu0tu0正组通正组通反组通反组通正组通正组通反组通反组通1.整半周控制方式整半周控制方式 正、反两组按
5、一定周期正、反两组按一定周期相互切换,在负载上就相互切换,在负载上就获得交变的输出电压获得交变的输出电压 u0,u0的幅值决定于的幅值决定于各组可控整流装置的控各组可控整流装置的控制角制角 ,u0 的频率决的频率决定于正、反两组整流装定于正、反两组整流装置的切换频率。置的切换频率。如果控如果控制角一直不变,则输出制角一直不变,则输出平均电压是方波,如右平均电压是方波,如右下图所示。下图所示。2021/7/132.1.1 整流器组合式交整流器组合式交-交变频器交变频器v 单相整流器组合式交单相整流器组合式交-交变频器交变频器图图2-1 2-1 单相交单相交-交变频器主电路交变频器主电路负负载载正
6、组正组反组反组uL三相?三相?2021/7/13去去触触发发器器电流电流测量测量电压电压测量测量函数函数发生器发生器电流电流调节调节移相移相控制控制电压电压调节调节压频变换压频变换环形计数器环形计数器移相脉冲移相脉冲选组脉冲选组脉冲逻逻辑辑控控制制给定给定O OA AB BC C图图2-2 三相整流器组合式交三相整流器组合式交-交变频器主电路交变频器主电路IIIIIIIVVVI2021/7/13v 交交-交变频器虽然在结构上只有一个变换环节,省去了中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,但所用间直流环节,但所用元件数量更多,设备相当庞大元件数量更多,设备相当庞大。v方波中存
7、在的高次谐波使电动机的低速转矩脉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。动大、转动不均匀、损耗及噪声增大。因此,方因此,方波型交波型交-交变频器在异步电动机的调速中应用较少,常用交变频器在异步电动机的调速中应用较少,常用于于无换向器电动机的调速系统无换向器电动机的调速系统及超同步串级调速系统中。及超同步串级调速系统中。2021/7/132.调制控制方式调制控制方式 要获得正弦波输出,就必须在每一组整流装要获得正弦波输出,就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。置导通期间不断改变其控制角。例如例如:在正向组导通的半个周期中,使控制角:在正向组导通的半个周
8、期中,使控制角 由由/2(对应于平均电压(对应于平均电压 u0=0)逐渐减小到)逐渐减小到 0(对(对应于应于 u0 最大),然后再逐渐增加到最大),然后再逐渐增加到 /2(u0 再变再变为为0),如下图所示。),如下图所示。2021/7/13v输出电压波形输出电压波形2A0w t=0 2=BCDEFu0图图2-3 正弦波交正弦波交-交变压变频器的输出电压波形交变压变频器的输出电压波形2021/7/131OO23456图4-20uoiowtwt2021/7/13对于三相交对于三相交-交变频器,交变频器,B、C两相的期望输出电压应与两相的期望输出电压应与A相的相的正弦输出电压大小相同,相位上互差
9、正弦输出电压大小相同,相位上互差120,各整流组的控制,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。角必须按照本相输出电压的要求运算获得。IdmIcosUu=tUuwsinAmA=设期望的设期望的A相输出电压为相输出电压为则该电压应由整流组则该电压应由整流组I与整流组与整流组IV切换提供,切换提供,I组供电电压为组供电电压为IVdmIVcosUu=IdmIcosUu=式中,式中,Udm 是整流组输出的最高直流电压。是整流组输出的最高直流电压。IAuu=IdmAmcossinwUtU=当当I组开放时,组开放时,即即于是于是 )sin(arccosdmAmItUUw=IIV=2021/7/
10、133.交交-交变频调速的基本特点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1/31/2,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。2021/7/13v鉴于以上各方面的特点,交鉴于以上各方面的特点,交-交变频器特别适用于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、低速、大容量的调速系统,如轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。这类机械由交水泥回转窑等。这类机械由交-交变频器供电的
11、低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,提箱,极大地缩小装置的体积,减少日常维护,提高系统性能。高系统性能。这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装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。有些企业已有可靠的产品。2021/7/13uauABSAaSAbSAcuCAa aBCuBC b bc cubucSBaSBbSBcnSCaS SCbS SCcA2.1.2 矩阵式交矩阵式交-交变频
12、器交变频器v 1.电路结构电路结构LK1CK2三相输入三相输入控制电源输入电压检测变压器TA1TA2TA3abcABC图图2-4 矩阵式交矩阵式交-交变频器的主电路交变频器的主电路2021/7/132.1.2 矩阵式交矩阵式交-交变频器交变频器2.安全换流策略安全换流策略 为了保证为了保证MC的输入电流和输出电压都是正弦波,对的输入电流和输出电压都是正弦波,对9组组双向开关双向开关都实行都实行PWM控制。在矩阵式变频器中功率器件控制。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
13、须满足: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)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;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)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,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,因此三组开关也不能同时断开。也就是说,既不允许两组既不允许两组开关同时导通,也不允许有切换死区,所以必须有严格的开关同时导通,也不允许有切换死区,所
14、以必须有严格的逻辑控制。逻辑控制。2021/7/132.1.2 矩阵式交矩阵式交-交变频器交变频器要保证输入电压不短路,要保证输入电压不短路,则则VT1p、VT2n不能同时导通,不能同时导通,VT2p、VT1n也不能同时导通也不能同时导通;要满足输出不能突然开路,;要满足输出不能突然开路,则四个单向开关中则四个单向开关中至少有一个处于导通状态至少有一个处于导通状态,满足这些,满足这些要求的开关组合共有要求的开关组合共有8种,列于表种,列于表2-1。(a a)(a)开关单元开关单元 (b)接到同一相负载的两组双向开关接到同一相负载的两组双向开关图图2-5 矩阵式变频器的双向开关矩阵式变频器的双向
15、开关is1is2iL(b b)u1 1VT1pVT1nVT2pVT2nu2 2RuLL2021/7/132.1.2 矩阵式交矩阵式交-交变频器交变频器如果原始状态是表如果原始状态是表2-1中的中的第第1种开关状态,即种开关状态,即VS1正正反向都能导通,那么直接反向都能导通,那么直接切换到第切换到第2种开关状态是不种开关状态是不行的,因为这样会造成电行的,因为这样会造成电源短路。但当源短路。但当iL0时,经过时,经过状态状态3、7、5,再切换到状,再切换到状态态2则始终是安全的;则始终是安全的;同理,当同理,当iLutVT1导通VT4截止utVT4导通VT1截止utVT1导通VT4截止Uaru
16、tVT1 导通VT4截止urautVT1关断VT4导通 双极性脉宽调制规律双极性脉宽调制规律(3)单)单/双极性工作方式的性能比较双极性工作方式的性能比较2021/7/13图2-20 三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 OOOw1 tw1 tw1 turaurburcutw1 tOUd2-Ud2w1 tuAO-Ud2Ud2-Ud2-UdUd2UduCOuBOuAB双极性双极性PWM控制方式控制方式2021/7/13v 双极性的工作方式决定了每个载波周期都要出现一次上、双极性的工作方式决定了每个载波周期都要出现一次上、下开关管的切换,而单极性逆变器在调制正弦波的半个周下开关管的切换,而单极
17、性逆变器在调制正弦波的半个周期才切换一次,况且载波频率一般为期才切换一次,况且载波频率一般为120kHz,比调制正,比调制正弦波高很多,因此弦波高很多,因此双极性逆变器的切换次数远远多于单极双极性逆变器的切换次数远远多于单极性逆变器性逆变器。v 双极性逆变器的输出电流更接近正弦波,畸变小。双极性逆变器的输出电流更接近正弦波,畸变小。双极性双极性PWM控制方式控制方式v 脉宽调制的约束条件脉宽调制的约束条件 为保证开关元件安全工作,所调制的脉冲波有为保证开关元件安全工作,所调制的脉冲波有最小脉最小脉宽和最小间隙宽和最小间隙的限制,以保证脉冲宽度和间隙大于开的限制,以保证脉冲宽度和间隙大于开关元件
18、的关元件的t tonon和和t toffoff。2021/7/13(3)单)单/双极性工作方式的性能比较双极性工作方式的性能比较2021/7/13电流谐波电流谐波 谐波电流引起电机电流有效值增加,电流波形畸变,谐波电流引起电机电流有效值增加,电流波形畸变,功率因数降低,铜耗和铁耗上升等。功率因数降低,铜耗和铁耗上升等。谐波电流有效值为谐波电流有效值为-=TdttitiTI021h)()(15.PWM控制的性能指标控制的性能指标总电流谐波畸变率总电流谐波畸变率THDTHD(Total Harmonic DistortionTotal Harmonic Distortion)式中,式中,I I1
19、1为基波电流的有效值;为基波电流的有效值;n n为傅立叶级数展开的为傅立叶级数展开的谐波分量阶次。谐波分量阶次。=22111THDnnhIIII2021/7/13开关频率和开关损耗开关频率和开关损耗随着开关频率提高,输出交流信号谐波成分下降,但对周围电子随着开关频率提高,输出交流信号谐波成分下降,但对周围电子设备的干扰增大。设备的干扰增大。同时,各种电力电子器件的开关频率受到其固有的开关时间和开同时,各种电力电子器件的开关频率受到其固有的开关时间和开关损耗的限制,因此开关频率必须低于其规定的最高开关频率。关损耗的限制,因此开关频率必须低于其规定的最高开关频率。5.PWM控制的性能指标控制的性能
20、指标电力电子器件的开关频率:电力电子器件的开关频率:SCR:300500Hz GTO:12kHz GTR:15kHz MOSFET:可达:可达50kHz IGBT:20kHz2021/7/132.4 PWM控制技术控制技术 1.自然采样法自然采样法 图图2-21 自然采样法生成自然采样法生成SPWM波形波形t0t1t2t3t4t5ut0 0ucur在正弦波与三角波在正弦波与三角波的自然交点时刻控的自然交点时刻控制功率开关器件的制功率开关器件的通断,从而生成通断,从而生成SPWMSPWM波形的方法波形的方法.一般采用的方法是,先将正弦参考波一般采用的方法是,先将正弦参考波ur和三角波和三角波uc
21、以表格的以表格的形式存在存储器内,实际运行时采用查表的方法或仅通过简形式存在存储器内,实际运行时采用查表的方法或仅通过简单的计算得到脉宽的大小。单的计算得到脉宽的大小。采用这种方法,当调速系统频率变化范围较大时,将占用较采用这种方法,当调速系统频率变化范围较大时,将占用较大的内存空间,所以仅适用于有限调速范围的场合。大的内存空间,所以仅适用于有限调速范围的场合。2021/7/132.4 PWM控制技术控制技术2.规则采样法规则采样法 图图2-22 规则采样法规则采样法SPWM调制模式调制模式A ABt2t3t1MBAcuAtMTtv在工程上更实用的简在工程上更实用的简化方法,弥补自然采样化方法
22、,弥补自然采样法的不足,且力求采样法的不足,且力求采样效果,接近于自然采样效果,接近于自然采样法,又不必占用太多的法,又不必占用太多的计算时间。计算时间。2021/7/132.规则采样法规则采样法v 规则采样法原理规则采样法原理v三角波两个正峰值之间为一个采样周期三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。v自然采样法中,脉冲中点不和三角波一周期的中点(即负自然采样法中,脉冲中点不和三角波一周期的中点(即负峰点)重合。峰点)重合。v规则采样法使两者重合,每个脉冲的中点都以相应的三角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。波中点为对称,使计算大为简化。v 根据
23、脉冲电压对三角载波的对称性,脉冲宽度根据脉冲电压对三角载波的对称性,脉冲宽度t t2 2和间隙时和间隙时间间t t1 1及及t t3 3可由下面公式计算(设三角波峰值为标幺值可由下面公式计算(设三角波峰值为标幺值1 1):):Mtt2sin22tMTTtw=)(212t31TTtt-=式中式中Tt为三角载波的周期。为三角载波的周期。2021/7/132.规则采样法规则采样法 根据上述采样原理和计算公式,可以用计算机实时控制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产生SPWMSPWM波形,具体实现方法有:波形,具体实现方法有:v 查表法查表法可以先离线计算出相应的脉宽等数据存放在内可
24、以先离线计算出相应的脉宽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。运算求出各相脉宽时间和间隙时间。v 实时计算法实时计算法事先在内存中存放正弦函数,控制时先查事先在内存中存放正弦函数,控制时先查出正弦值,与调速系统所需的调制度出正弦值,与调速系统所需的调制度M作乘法运算,再根作乘法运算,再根据给定的载波频率查出相应的据给定的载波频率查出相应的Tt/2值,由计算公式计算脉值,由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。宽时间和间隙时间。2021/7/133.电流滞环跟踪型电流滞环跟踪型PWM控制控制 问
25、题的提出问题的提出 应用应用PWMPWM控制技术的变压变频器一般都是电压源型的,它可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以按需要方便地控制其输出电压.但是,在异步电机中,实际需要保证的应该是正弦波电流,但是,在异步电机中,实际需要保证的应该是正弦波电流,因为三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值,不因为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。含脉动分量。v 另一方面,电压型变频器直流电源是恒压源,允许电流突另一方面,电压型变频器直流电源是恒压源,允许电流突变,若负载为低阻抗或发生短路,会产生很大的冲击电流。变,若负载为低阻抗或发
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