第4讲变压变频器及PWM技术课件.ppt

1、1第第4 4讲：静止式变压变频器讲：静止式变压变频器变频器变频器4-1 4-1 静止式变压变频器的主要类型静止式变压变频器的主要类型4-2 PWM4-2 PWM控制技术控制技术2 电网提供的是恒压恒频的电源，为了实现异步电动机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，必须要有能够的变压变频调速，必须要有能够同时控制电压幅值和频同时控制电压幅值和频率率的交流电源，即变压变频器，又称的交流电源，即变压变频器，又称VVVF(VariableVVVF(Variable Voltage Variable Frequency)Voltage Variable Frequency)装置。

2、装置。最早的最早的VVVFVVVF装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖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，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。并形成了一系列通用型的静止式变压变频装置。34-1 4-1 静止式变压变频器的主要类型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从

3、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换成直流，再通过逆变器变换成可控的交流(同时控制频率同时控制频率和电压和电压)。交交直直交变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出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之间有一个“中间直流环节中间直流环节”，所以又称间接式的变压变，所以又称间接式的变压变频器。频器。交交直直交变频器又可分

4、为电压型和电流型两大类。交变频器又可分为电压型和电流型两大类。41 1、电压型变频器、电压型变频器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC 50HzC（Voltage Source Inverter：VSI）电路结构电路结构56 电压型变频器电压型变频器的特点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。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

5、输出电流波形因负载的不同而不同。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。压型变频器不容易实现四象限运行。7 负载电动机再生制动时回馈电能的解决方案负载电动机再生制动时回馈电能的解决方案方案方案11对大容量的调速系统：需与整流电路反并联一组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。逆变桥，使再生能量通过逆变桥回馈到交

6、流电网。LALBLCABC逆变器逆变器/电机系统的再生制动方案一电机系统的再生制动方案一+-T1T3D1T4T6D4T2D6D3T5D2D5U UV VW WM 9090p 系统可四象限运行系统可四象限运行p 功率因数低功率因数低p 谐波电流大谐波电流大p 主电路复杂主电路复杂8方案方案22对大容量的调速系统：或通过脉冲变流器将再生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。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逆变器/电机系统的再生运行方案二电机系统的再生运行方案二Mp系统可四象限运行系统可四象限运行p功率因数高（接近于功率因数高（接近于1

7、1）p谐波电流小谐波电流小p控制较复杂控制较复杂9方案方案33对小系统容量：可在直流环节加对小系统容量：可在直流环节加制动单元制动单元，当再，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，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。在电阻上。Line AC ac motor+Vd-Diode rectifierFilter capacitorSwitch-mode inverter10 高压大容量变频器高压大容量变频器二极管箝二极管箝位式位式(NPC)NPC)

8、三电平逆变器三电平逆变器11 二极管箝位式三电平逆变器的工作原理Turning S+a1 and S+a2 on,results in vao=Vd/2;Turning S+a2 and S-a2 on,results in vao=0;Turning S-a2 and S-a1 on,results in vao=-Vd/2121314p Switchs need to block only one-half the dc-bus voltage;p Three levels(Vd/2,0,-Vd/2)result in less switch frequency ripple in the

9、 output as compared to two-level inverters.Major advantages:15p Need to ensure that the midpoint remains at half the dc bus voltage.Major drawbacks:16SIMOVERT MV系列中压变频器照片17 H H桥串联式高压逆变器桥串联式高压逆变器18罗宾康级联式高压变频器照片19变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节DCDC恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器ACAC 50HzL2 2、电流型变频器、电流型变频器（Current

10、Source Inverter：CSI）电路结构电路结构20由由GTOGTO器件构成的电流型变频器器件构成的电流型变频器21由由SCRSCR和电力二极管和电力二极管器件构成的串联二极器件构成的串联二极管型电流型逆变器管型电流型逆变器电流型逆变器输出电流型逆变器输出波形波形22 电流型变频器的特点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，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。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

11、压波形及相位随负载不同而变为矩形波或阶梯波，而输出电压波形及相位随负载不同而变化。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可四象限运行。主电路结构安全可靠。主电路结构安全可靠。2324二、交二、交-交变频器（交变频器（CycloconveterCycloconveter ，周波变换器），周波变换器）交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF 交一交变压变频器只有一个变换环节，把恒压恒频交一交变压变频器只有一个变换环节，把恒压恒频(CVCF)(CVCF)的交流电源直接变换成的交流电源直接变换成VVVFVVVF的输出

12、，因此又称的输出，因此又称直接式直接式变压变压变频器。变频器。1 1、电路结构、电路结构25 三相零式交交变频电路结构三相零式交交变频电路结构26 三相桥式交交变频电路结构三相桥式交交变频电路结构27vo0t t0t tioaPaN=/2aNaP=0=aPaN=/2aPaN=/2aNaP=0=P converter rectificationWaveforms of the output voltage and the output currentN converter rectificationP converter inversionN converter inversion2 2、输出波

13、形输出波形28293 3、交、交-交变频器的特点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；要求，可采用普通晶闸管；易于实现电机的四象限运行；易于实现电机的四象限运行；交交-交变频器最高输出频率一般不超过电网频率的交变频器最高输出频率一般不超过电网频率的1/31/21/31/2，否则输出波形畸变太大，将影响变频调速系统的正常工作；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；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。电路复杂，所用

14、晶闸管元件数量较多，设备庞大。304 4、交、交-交变频器的适用场合交变频器的适用场合 适用于适用于低速、大容量的调速系统低速、大容量的调速系统，如轧钢机、球磨机、水，如轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。这类机械由交泥回转窑等。这类机械由交-交变频器供电的低速电机直接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。体积，减少日常维护，提高系统性能。31交交变频器与交直交变频器性能比较交交变频器与交直交变频器性能比较324-2 PWM4-2 PWM控制技术控制技术 为了使变频器输出的交

15、流电压波形接近正弦，使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，采用脉宽器都是由全控型电力电子开关器件构成，采用脉宽调制（调制（Pulse Width ModulationPulse Width Modulation，简称，简称PWMPWM）控制）控制的，应用最早的是正弦脉宽调制（的，应用最早的是正弦脉宽调制（SPWMSPWM）。）。33一、逆变器的一、逆变器的PWMPWM技术性能指标技术性能指标 不同的不同的PWMPWM控制策略往往针对不同的技术性能指标要求，控制策略往

16、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：而其中比较重要的技术指标有：1 1、输出电压谐波的分布、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，但不同的总体上讲希望输出电压中的谐波越小越好，但不同的PWMPWM控制策略控制策略会使输出电压中的谐波分布不同，而不同的谐波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，因此能都不一样，因此考察考察PWMPWM控制策略的谐波性能不仅要看总控制策略的谐波性能不仅要看总谐波含量的谐波含量的“大小大小”，更要看谐波的分布，更

17、要看谐波的分布。342 2、开关器件的开关损耗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，如何提高受其开关损耗和开关速度的限制。因此，如何用相对较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低的开关频率尽可能地保证输出电能的质量也是设计PWMPWM控控制策略时必须考虑的因素制策略时必须考虑的因素。353 3、直流环节电压的利用率直流环节电压的利用率 为了充分发挥电机功

18、率，一般都希望在一定的直流电压条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。这一指标可以用件下，逆变器能输出较高的交流电压。这一指标可以用直流直流电压利用率电压利用率来表示。来表示。dLL1V:V直流输入电压波峰值最大交流输出线电压基直流电压利用率定义36 PWMPWM控制策略的控制策略的“直流电压利用率直流电压利用率”是指在线性调制区内是指在线性调制区内的的“直流电压利用率直流电压利用率”。方波控制的方波控制的“直流电压利用率直流电压利用率”最高，达最高，达110%110%。SPWMSPWM控制的控制的“直流电压利用率直流电压利用率”为为87%87%。

19、Line-Modulation(ma1.0)vtrivcontrolvAo42 如何在如何在PWMPWM脉冲不出现脉冲不出现“重叠重叠”现象的情况下提现象的情况下提高输出电压？高输出电压？需要重新构造调制波。需要重新构造调制波。43三、三、提高提高SPWMSPWM直流电压利用率的方法直流电压利用率的方法准正准正弦脉宽调制弦脉宽调制图6-18ucur1uOturur1uOtur3调制波中加入三次谐波调制波中加入三次谐波441 1、准正弦脉宽调制方法、准正弦脉宽调制方法 在正弦调制波在正弦调制波u um1m1上叠加幅度适当并与正弦调制波同相位上叠加幅度适当并与正弦调制波同相位的三次谐波分量的三次谐

20、波分量u um3m3，从而得到合成后的马鞍形调制波，从而得到合成后的马鞍形调制波u um m=u=um1m1+u+um3m3，将，将u um m与三角载波相比较产生与三角载波相比较产生PWMPWM脉冲。脉冲。此方法也称为此方法也称为“三次谐三次谐波注入正弦脉冲宽度调制波注入正弦脉冲宽度调制”或或“准最优准最优PWM”PWM”。45)3sin()sin(1131tktmuuuammm可以证明：可以证明：k=1/6k=1/6时注入的三次谐波分量最佳，时注入的三次谐波分量最佳，u um3m3=sin(3=sin(31 1t t)/6)/6。在调制不出现饱和的情况下，可使输出电压基波产生约在调制不出现

21、饱和的情况下，可使输出电压基波产生约1515的增量，从而提高逆变器直流电压的利用率（达的增量，从而提高逆变器直流电压的利用率（达100%100%）。）。46四、降低开关频率的方法四、降低开关频率的方法1),min(rW1rV1rU1puuuuucurU1urV1urW1uuUNUd-UdOtOurUurVurWucOtOOOOtttttuVNuWNuUVu1-11-1-0.5uP2Ud2Ud在调制波中加入如下分量：在调制波中加入如下分量：47基于某项优化指标，计算出各个开关管的特定开关角度基于某项优化指标，计算出各个开关管的特定开关角度（开关时刻）。（开关时刻）。优化优化PWMPWM算法的控制

22、目标算法的控制目标消除特定谐波（消除特定谐波（SHESHE）、谐波电流最小化、电机转矩和转）、谐波电流最小化、电机转矩和转速脉动最优等优化方式。速脉动最优等优化方式。五、优化五、优化PWMPWM算法算法48例：特定谐波消除例：特定谐波消除PWMPWM（SHEPWMSHEPWM）oABCuAoUdUdUd-Ud背景：背景：方波控制逆变器的输出电压中含有大量的方波控制逆变器的输出电压中含有大量的3 3次、次、5 5次、次、7 7次谐波，次谐波，PWMPWM逆变器要求功率开关器件有比较高的开关频率。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，在此情况下如何对大容量

23、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？提高输出电压质量？通过陷波（挖槽）消除特定次谐波。通过陷波（挖槽）消除特定次谐波。49 特定谐波消除特定谐波消除PWMPWM（SHEPWMSHEPWM）的原理）的原理输出电压波形输出电压波形u(tu(t)为四分之一周期对称波形（为四分之一周期对称波形（/2/2对称）对称）如何挖槽？如何挖槽？.531sin)(1、ktkUtukkmcos2cos21421kkkUUdkm5007cos27cos2105cos25cos212121取取 U U5m5m=0=0、U U7m7m=0=0可消除可消除5 5thth、7 7thth谐波谐波得角

24、度得角度 1 和和2。51 SHEPWMSHEPWM的特点的特点:在输出电压半个周期内挖在输出电压半个周期内挖m m个槽，考虑个槽，考虑PWMPWM波四分之一周期波四分之一周期对称，则有对称，则有m m个量个量(开关角度开关角度)可控，可控制基波幅值，可消可控，可控制基波幅值，可消去去(m(m1)1)个频率的特定谐波。个频率的特定谐波。(注：若不控制基波幅值，则可注：若不控制基波幅值，则可消去消去m m个频率的特定谐波。个频率的特定谐波。)开关频率低，直流电开关频率低，直流电压压利用率利用率高高，适用于大功率变流器。，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。算法

25、比较复杂，很难实时计算，通常采用查表的方式实现。52六、电流跟踪控制六、电流跟踪控制PWMPWM背景：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。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。在电机绕组中波电流，因为

26、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。含脉动分量。531 1、电压、电压PWMPWM控制的不足控制的不足(1)(1)电压型电压型PWMPWM逆变器可以方便地按需要控制输出逆变器可以方便地按需要控制输出VVVFVVVF的电压的电压信号，但是输出电压的信号，但是输出电压的正弦度正弦度并不能完全反映输出电流的并不能完全反映输出电流的正正弦度弦度，电流波形还与电机负载有关。，电流波形还与电机负载有关。(2)(2)异步电动机定子的电流与电压之间的关系，可以近似看异步电动机定子的电流与电压

27、之间的关系，可以近似看成一个惯性环节。异步电动机变压变频调速，定子电流不可成一个惯性环节。异步电动机变压变频调速，定子电流不可能立即跟随电压或频率指令的改变，这是造成电压型逆变器能立即跟随电压或频率指令的改变，这是造成电压型逆变器调速系统速度响应不是很快的一个重要原因。调速系统速度响应不是很快的一个重要原因。54 电流跟踪控制电流跟踪控制PWMPWM一方面近似于电流闭环控制，强迫电机一方面近似于电流闭环控制，强迫电机定子电流跟踪电流给定值，保证电流正弦波形，使电压型逆定子电流跟踪电流给定值，保证电流正弦波形，使电压型逆变器调速系统具有和电流型逆变器调速系统一样的动态性能；变器调速系统具有和电流

28、型逆变器调速系统一样的动态性能；另一方面对电网电压波动和直流电压纹波影响变得不敏感。另一方面对电网电压波动和直流电压纹波影响变得不敏感。552 2、电流跟踪控制、电流跟踪控制PWMPWM逆变器的原理逆变器的原理 通常由电压源变频器和电流控制环组成，使变频器输出通常由电压源变频器和电流控制环组成，使变频器输出可控的正弦波电流，如图所示。可控的正弦波电流，如图所示。MACRACRACRPWM逆变器逆变器iaibicia*ib*ic*ACR电流调节器电流调节器56MACRACRACRPWM逆变器逆变器iaibicia*ib*ic*i i*a a、i i*b b、i i*c c分别与电流传感分别与电流

29、传感器实测的变频器输出电流信器实测的变频器输出电流信号号i ia a、i ib b、i ic c相比较，控制逆相比较，控制逆变器开关器件的动作。这样变器开关器件的动作。这样输出电流将基本按照给定正输出电流将基本按照给定正弦波电流变化。弦波电流变化。当开关器件当开关器件具有足够高的开关频率时，具有足够高的开关频率时，可以使电动机的电流有很高可以使电动机的电流有很高的动态响应的动态响应。57本章应掌握的主要内容：本章应掌握的主要内容：SPWMSPWM技术及提高直流电压利用率的方法。技术及提高直流电压利用率的方法。SHEPWMSHEPWM原理、特点。原理、特点。电流跟踪电流跟踪PWMPWM的原理、特点。的原理、特点。58思思 考考 题题1 1、PWMPWM逆变器有哪些优点？其开关频率的大小有什么利弊？逆变器有哪些优点？其开关频率的大小有什么利弊？