电力电子变频器及PWM控制原理.ppt

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第二章第二章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（VariableVoltageVariableFrequency）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。

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nPWM控制基础控制基础nPWM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2.1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（ConstantVoltageConstantFrequency，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AC50HzACCVCFVVVF2.1交交-交变频器交变频器v常用的交常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一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联个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。

也就是说，每一相都相当于一的可逆线路。

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。

套直流可逆调速系统的反并联可逆线路。

2.1.1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50Hz50Hzu0tu0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、反两组按一定周期正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获相互切换，在负载上就获得交变的输出电压得交变的输出电压u0，u0的幅值决定于各组可控的幅值决定于各组可控整流装置的控制角整流装置的控制角，u0的频率决定于正、反两组的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。

整流装置的切换频率。

如如果控制角一直不变，则输果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如右出平均电压是方波，如右下图所示。

下图所示。

2.1.1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2-12-1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组正组反组反组uL三相？

三相？

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OOAABBCC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IIIIIIIVVVIv交交-交交变变频频器器虽虽然然在在结结构构上上只只有有一一个个变变换换环环节节，省省去去了了中中间直流环节，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方方波波中中存存在在的的高高次次谐谐波波使使电电动动机机的的低低速速转转矩矩脉脉动动大大、转转动动不不均均匀匀、损损耗耗及及噪噪声声增增大大。

因因此此，方方波波型型交交-交交变变频频器器在在异异步步电电动动机机的的调调速速中中应应用用较较少少，常常用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。

2.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。

v输出电压波形输出电压波形2A0t=02=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对对于于三三相相交交-交交变变频频器器，B、C两两相相的的期期望望输输出出电电压压应应与与A相相的的正正弦弦输输出出电电压压大大小小相相同同，相相位位上上互互差差120，各各整整流流组组的的控控制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。

设期望的期望的A相相输出出电压为则该电压应由整流由整流组I与整流与整流组IV切切换提供，提供，I组供供电电压为式中，式中，Udm是整流是整流组输出的最高直流出的最高直流电压。

当当I组开放开放时，即即于是于是3.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。

v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、水低速、大容量的调速系统，如轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。

这类机械由交泥回转窑等。

这类机械由交-交变频器供电的低速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，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，提高系统极大地缩小装置的体积，减少日常维护，提高系统性能。

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，目前国内有置，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。

些企业已有可靠的产品。

uauABSAaSAbSAcuCAaaBCuBCbbccubucSBaSBbSBcnSCaSSCbSSCcA2.1.2矩阵式交矩阵式交-交变频器交变频器v1.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2.1.2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，所以必须有严格的逻辑控制。

逻辑控制。

2.1.2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。

（aa）（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开关is1is2iL（bb）u11VT1pVT1nVT2pVT2nu22RuLL2.1.2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UarutVT1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图2-20三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形OOO1t1t1turaurburcut1tOUd2-Ud21tuAO-Ud2Ud2-Ud2-UdUd2UduCOuBOuAB双极性双极性PWM控制方式控制方式v双双极极性性的的工工作作方方式式决决定定了了每每个个载载波波周周期期都都要要出出现现一一次次上上、下下开开关关管管的的切切换换，而而单单极极性性逆逆变变器器在在调调制制正正弦弦波波的的半半个个周周期期才才切切换换一一次次，况况且且载载波波频频率率一一般般为为120kHz，比比调调制制正正弦弦波波高高很很多多，因因此此双双极极性性逆逆变变器器的的切切换换次次数数远远远远多多于于单单极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的关元件的ttonon和和ttoffoff。

（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5.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（TotalHarmonicDistortionTotalHarmonicDistortion）式中，式中，II11为基波电流的有效值；为基波电流的有效值；nn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。

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