電拖第6章(變頻電路類型)2013-11-15(星期五)

1、*6.3 電力電子變壓變頻器的主要類型電力電子變壓變頻器的主要類型 本節(jié)提要本節(jié)提要 n交交-直直-交和交交和交-交變壓變頻器交變壓變頻器 n電壓源型和電流源型逆變器電壓源型和電流源型逆變器 n180導(dǎo)通型和導(dǎo)通型和120導(dǎo)通型逆變器導(dǎo)通型逆變器 引引 言言 如前所述，對(duì)于異步電機(jī)的變壓 變頻調(diào)速，必須具備能夠同時(shí)控制電 壓幅值和頻率的交流電源，而電網(wǎng)提 供的是恒壓恒頻的電源，因此應(yīng)該配 置變壓變頻器，又稱VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）裝置。 最早的VVVF裝置是旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組，即 由直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)交流同步發(fā)電機(jī)，調(diào)節(jié) 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就能控制

2、交流發(fā)電機(jī)輸 出電壓和頻率。自從電力電子器件獲得廣 泛應(yīng)用以后，旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組已經(jīng)無(wú)例外地 讓位給靜止式的變壓變頻器了。 *6.3.1 交交-直直-交和交交和交-交變壓變頻器交變壓變頻器 從整體結(jié)構(gòu)上看，電力電子變壓變頻器 可分為交-直-交和交-交兩大類。 1.交交-直直-交變壓變頻器交變壓變頻器 交-直-交變壓變頻器先將工頻交流電源通 過(guò)整流器變換成直流，再通過(guò)逆變器變換成 可控頻率和電壓的交流，如下圖所示。 交-直-交變壓變頻器基本結(jié)構(gòu) 圖6-9 交-直-交（間接）變壓變頻器 變壓變頻變壓變頻 (VVVF) 中間直流環(huán)節(jié)中間直流環(huán)節(jié) 恒壓恒頻恒壓恒頻 (CVCF) 逆變逆變DC AC AC

3、50Hz 整流整流 由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源 和變頻交流輸出之間有一個(gè)“中間直流環(huán) 節(jié)”，所以又稱間接式的變壓變頻器。 具體的整流和逆變電路種類很多，當(dāng) 前應(yīng)用最廣的是由二極管組成不控整流器 和由功率開(kāi)關(guān)器件（P-MOSFET，IGBT等） 組成的脈寬調(diào)制（PWM）逆變器，簡(jiǎn)稱 PWM變壓變頻器，如下圖所示。 交-直-交PWM變壓變頻器基本結(jié)構(gòu) 圖6-10 交-直-交PWM變壓變頻器 變壓變頻變壓變頻 (VVVF) 中間直流環(huán)節(jié)中間直流環(huán)節(jié) 恒壓恒頻恒壓恒頻 (CVCF) PWM 逆變器逆變器 DC AC AC 50Hz 調(diào)壓調(diào)頻調(diào)壓調(diào)頻 C PWM變壓變頻器的應(yīng)用之所以如此廣泛，是

4、由于它具有如下的一系列優(yōu)點(diǎn)： 1）在主電路整流和逆變兩個(gè)單元中，只有逆變 單元可控，通過(guò)它同時(shí)調(diào)節(jié)電壓和頻率，結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單。采用全控型的功率開(kāi)關(guān)器件，只通過(guò)驅(qū) 動(dòng)電壓脈沖進(jìn)行控制，電路也簡(jiǎn)單，效率高。 2）輸出電壓波形雖是一系列的PWM波， 但由于采用了恰當(dāng)?shù)腜WM控制技術(shù)，正弦 基波的比重較大，影響電機(jī)運(yùn)行的低次諧 波受到很大的抑制，因而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，提 高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。 3）逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻，動(dòng)態(tài)響應(yīng) 不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響，系 統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也得以提高。 4）采用不可控的二極管整流器，電源側(cè) 功率因素較高，且不受逆變輸出電壓大小 的影響。 PWM變壓變頻器常用的

5、功率開(kāi)關(guān)器件 有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO 的電壓控制器件如IGCT、IEGT等。 受到開(kāi)關(guān)器件額定電壓和電流的限制， 對(duì)于特大容量電機(jī)的變壓變頻調(diào)速仍只好 采用半控型的晶閘管（SCR），并用可控 整流器調(diào)壓和六拍逆變器調(diào)頻的交-直-交 變壓變頻器，見(jiàn)下圖。 普通交-直-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu) SCR可控可控 整流器整流器 六六 拍拍 逆變器逆變器 DC AC AC 50Hz 調(diào)頻調(diào)頻調(diào)壓調(diào)壓 圖6-11 可控整流器調(diào)壓、六拍逆變器調(diào)頻的交-直-交變壓變頻器 2. 交-交變壓變頻器 交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示， 它只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，把恒壓恒頻 （CVCF）的交流

6、電源直接變換成VVVF輸 出，因此又稱直接式變壓變頻器。 有時(shí)為了突出其變頻功能，也稱作周波 變換器（Cycloconveter）。 交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu) 圖6-12 交-交（直接）變壓變頻器 交交變頻交交變頻 AC 50Hz AC CVCFVVVF 常用的交-交變壓變頻器輸出的每一相都 是一個(gè)由正、反兩組晶閘管可控整流裝置 反并聯(lián)的可逆線路。 也就是說(shuō)，每一相都相當(dāng)于一套直流可 逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆線路（下圖a）。 交-交變壓變頻器的基本電路結(jié)構(gòu) VRVFId -Id + - - + a) 電路結(jié)構(gòu) 負(fù)負(fù) 載載 50Hz 50Hz u0 圖6-13a 交-交變壓變頻器每一相的可逆線路

7、 交-交變壓變頻器的控制方式 n整半周控制方式整半周控制方式 正、反兩組按一定周期相互切換，在負(fù)載 上就獲得交變的輸出電壓 u0 ， u0 的幅值決 定于各組可控整流裝置的控制角 ， u0 的 頻率決定于正、反兩組整流裝置的切換頻 率。如果控制角一直不變，則輸出平均電 壓是方波，如下圖 b 所示。 圖6-13b 方波形平均輸出電壓波形 t u0 正組通正組通 反組通反組通 正組通正組通 反組通反組通 輸出電壓波形 控制方式（ 2 ） n 調(diào)制控制方式調(diào)制控制方式 要獲得正弦波輸出，就必須在每一組整流裝 置導(dǎo)通期間不斷改變其控制角。 例如例如：在正向組導(dǎo)通的半個(gè)周期中，使控制角 由 /2（對(duì)應(yīng)于

8、平均電壓 u0 = 0）逐漸減小到 0（對(duì) 應(yīng)于 u0 最大），然后再逐漸增加到 /2（ u0 再變 為0），如下圖所示。 2 A 0 w t = = 0 2 = B C D E F u0 圖6-14 交-交變壓變頻器的單相正弦波輸出電壓波形 輸出電壓波形 當(dāng)角按正弦規(guī)律變化時(shí)，半周中的 平均輸出電壓即為圖中虛線所示的正弦波。 對(duì)反向組負(fù)半周的控制也是這樣。 單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形 1 O O 2 34 5 6 圖4-20 uo io wt wt 三相交交變頻電路 三相交交變頻電路可以由3個(gè)單相交交 變頻電路組成，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。 如果每組可控整流裝置都用橋式電路， 含6個(gè)晶

9、閘管（當(dāng)每一橋臂都是單管時(shí)）， 則三相可逆線路共需36個(gè)晶閘管，即使采 用零式電路也須18個(gè)晶閘管。 三相交交變頻器的基本結(jié)構(gòu) 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路 三相橋式交交變頻電路 因此，這樣的交-交變壓變頻器雖然在結(jié)構(gòu) 上只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，省去了中間直流環(huán) 節(jié)，看似簡(jiǎn)單，但所用的器件數(shù)量卻很多， 總體設(shè)備相當(dāng)龐大。 不過(guò)這些設(shè)備都是直流調(diào)速系統(tǒng)中常 用的可逆整流裝置，在技術(shù)上和制造工藝 上都很成熟，目前國(guó)內(nèi)有些企業(yè)已有可靠 的產(chǎn)品。 這類交-交變頻器的其他缺點(diǎn)是：輸入 功率因數(shù)較低，諧波電流含量大，頻譜復(fù)雜， 因此須配置諧波濾波和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。其最 高輸出頻率不超過(guò)電網(wǎng)頻率的 1/3 1/

10、2，一 般主要用于軋機(jī)主傳動(dòng)、球磨機(jī)、水泥回轉(zhuǎn) 窯等大容量、低轉(zhuǎn)速的調(diào)速系統(tǒng)，供電給低 速電機(jī)直接傳動(dòng)時(shí)，可以省去龐大的齒輪減 速箱。 近年來(lái)又出現(xiàn)了一種采用全控型開(kāi)關(guān) 器件的矩陣式交-交變壓變頻器，類似于 PWM控制方式，輸出電壓和輸入電流的低 次諧波都較小，輸入功率因數(shù)可調(diào)，能量 可雙向流動(dòng)，以獲得四象限運(yùn)行，但當(dāng)輸 出電壓必須為正弦波時(shí)，最大輸出輸入電 壓比只有0.866。目前這類變壓變頻器尚處 于開(kāi)發(fā)階段，其發(fā)展前景是很好的。 *6.3.2 電壓源型和電流源型逆變器電壓源型和電流源型逆變器 在交-直-交變壓變頻器中，按照中間 直流環(huán)節(jié)直流電源性質(zhì)的不同，逆變器可 以分成電壓源型電壓源型

11、和電流源型電流源型兩類，兩種類 型的實(shí)際區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾實(shí)際區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾 波器波器。下圖繪出了電壓源型和電流源型逆 變器的示意圖。 兩種類型逆變器結(jié)構(gòu) 逆 變 器 逆 變 器 Ld Id Cd Ud Ud + - a) 電壓源逆變器b) 電流源逆變器 圖6-15 電壓源型和電流源型逆變器示意圖 n電壓源型逆變器電壓源型逆變器（Voltage Source InverterVSI ），直流環(huán)節(jié)采用大電容 濾波，因而直流電壓波形比較平直，在理 想情況下是一個(gè)內(nèi)阻為零的恒壓源，輸出 交流電壓是矩形波或階梯波，有時(shí)簡(jiǎn)稱電 壓型逆變器。 n電流源型逆變器電流源型逆變器（Cur

12、rent Source Inverter CSI），直流環(huán)節(jié)采用大電感濾 波，直流電流波形比較平直，相當(dāng)于一個(gè) 恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波， 或簡(jiǎn)稱電流型逆變器。 性能比較 兩類逆變器在主電路上雖然只是濾波環(huán) 節(jié)的不同，在性能上卻帶來(lái)了明顯的差異， 主要表現(xiàn)如下： （1）無(wú)功能量的緩沖）無(wú)功能量的緩沖 在調(diào)速系統(tǒng)中，逆 變器的負(fù)載是異步電機(jī)，屬感性負(fù)載。在 中間直流環(huán)節(jié)與負(fù)載電機(jī)之間，除了有功 功率的傳送外，還存在無(wú)功功率的交換。 濾波器除濾波外還起著對(duì)無(wú)功功率的緩沖 作用，使它不致影響到交流電網(wǎng)。 因此，兩類逆變器的區(qū)別還表現(xiàn)在采用什 么儲(chǔ)能元件（電容器或電感器）來(lái)緩沖無(wú) 功能量。

13、 （2）能量的回饋）能量的回饋 用電流源型逆變器給異 步電機(jī)供電的電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 有一個(gè)顯著特征，就是容易實(shí)現(xiàn)能量的回 饋，從而便于四象限運(yùn)行，適用于需要回 饋制動(dòng)和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。 下面以由晶閘管可控整流器UCR和電 流源型串聯(lián)二極管式晶閘管逆變器CSI構(gòu) 成的交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（如下圖 所示）為例，說(shuō)明電動(dòng)運(yùn)行和回饋制動(dòng)兩 種狀態(tài)。 圖6-16 電流源型交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的兩種運(yùn)行狀態(tài) M 3 + - Ud Id Ld CSI 電動(dòng) Te 逆變 UCR a）電動(dòng)運(yùn)行 電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài) P 當(dāng)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，UCR的控制角 w ， 電動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)速運(yùn)行，電功率的傳送方向

14、如上 圖a所示。 圖6-16 電流源型交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的兩種運(yùn)行狀態(tài) M 3 + - Ud Id Ld CSI 90o 有源逆變 1 發(fā)電 Te 整流 UCR b）逆變運(yùn)行 逆變運(yùn)行狀態(tài) P n如果降低變壓變頻器的輸出頻率 w1，或從 機(jī)械上抬高電機(jī)轉(zhuǎn)速 w ，使 w1 90 ，則異步電機(jī)轉(zhuǎn)入 發(fā)電狀態(tài)，逆變器轉(zhuǎn)入整流狀態(tài)，而可控 整流器轉(zhuǎn)入有源逆變狀態(tài)，此時(shí)直流電壓 Ud 立即反向，而電流 Id 方向不變，電能由 電機(jī)回饋給交流電網(wǎng)（圖b）。 與此相反，采用電壓源型的交-直-交變壓 變頻調(diào)速系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)和四象限運(yùn) 行卻很困難，因?yàn)槠渲虚g直流環(huán)節(jié)有大電 容鉗制著電壓的極性，不可

15、能迅速反向， 而電流受到器件單向?qū)щ娦缘闹萍s也不能 反向，所以在原裝置上無(wú)法實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。 必須制動(dòng)時(shí)，只得在直流環(huán)節(jié)中并聯(lián) 電阻實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)，或者與UCR反并聯(lián)一 組反向的可控整流器，用以通過(guò)反向的制 動(dòng)電流，而保持電壓極性不變，實(shí)現(xiàn)回饋 制動(dòng)。這樣做，設(shè)備要復(fù)雜多了。 性能比較（續(xù)） （3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)）動(dòng)態(tài)響應(yīng) 正由于交-直-交電流源型變壓變 頻調(diào)速系統(tǒng)的直流電壓可以迅速改變，所以動(dòng)態(tài) 響應(yīng)比較快，而電壓源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)響應(yīng)就慢得多。 （4）輸出波形）輸出波形 電壓源型逆變器輸出的電壓波形 為方波，電流源型逆變器輸出的電流波形為方波 （見(jiàn)下表）。 性能比較（續(xù)） 表6-1 兩種逆

16、變器輸出波形比較 性能比較（續(xù)） （4）應(yīng)用場(chǎng)合）應(yīng)用場(chǎng)合 電壓源型逆變器屬恒壓源， 電壓控制響應(yīng)慢，不易波動(dòng)，所以適于做 多臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)行時(shí)的供電電源，或單臺(tái) 電機(jī)調(diào)速但不要求快速起制動(dòng)和快速減速 的場(chǎng)合。采用電流源型逆變器的系統(tǒng)則相 反，不適用于多電機(jī)傳動(dòng)，但可以滿足快 速起制動(dòng)和可逆運(yùn)行的要求。 *6.3.3 180導(dǎo)通型和導(dǎo)通型和120導(dǎo)通型逆變器導(dǎo)通型逆變器 交-直-交變壓變頻器中的逆變器一般 接成三相橋式電路，以便輸出三相交流變 頻電源，下圖為6個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)器件VT1 VT6 組成的三相逆變器主電路，圖中用 開(kāi)關(guān)符號(hào)代表任何一種電力電子開(kāi)關(guān)器件。 三相橋式逆變器主電路結(jié)構(gòu) VT1

17、VT3VT5 VT4VT6VT2 Ud 圖6-17 三相橋式逆變器主電路 M 3 控制方式 控制各開(kāi)關(guān)器件輪流導(dǎo)通和關(guān)斷，可 使輸出端得到三相交流電壓。在某一瞬間， 控制一個(gè)開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷，同時(shí)使另一個(gè)器 件導(dǎo)通，就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)器件之間的換流。 在三相橋式逆變器中，有180導(dǎo)通型和 120導(dǎo)通型兩種換流方式。 （1）180導(dǎo)通型控制方式 同一橋臂上、下兩管之間互相換流的逆 變器稱作180導(dǎo)通型逆變器。 n例如，當(dāng)VT1關(guān)斷后，使VT4導(dǎo)通，而當(dāng)VT4關(guān)斷 后，又使VT1導(dǎo)通。這時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件在一個(gè) 周期內(nèi)導(dǎo)通的區(qū)間是180，其他各相亦均如此。 由于每隔60有一個(gè)器件開(kāi)關(guān)，在180導(dǎo)通型 逆變器中

18、，除換流期間外，每一時(shí)刻總有3個(gè)開(kāi) 關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通。 但須注意，必須防止同一橋臂的上、下兩 管同時(shí)導(dǎo)通，否則將造成直流電源短路， 謂之“直通”。為此，在換流時(shí)，必須采 取“先斷后通”的方法，即先給應(yīng)關(guān)斷的 器件發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留一定的 時(shí)間裕量，叫做“死區(qū)時(shí)間”，再給應(yīng)導(dǎo) 通的器件發(fā)出開(kāi)通信號(hào)。 死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短視器件的開(kāi)關(guān)速度而 定，器件的開(kāi)關(guān)速度越快時(shí)，所留的死區(qū) 時(shí)間可以越短。為了安全起見(jiàn)，設(shè)置死區(qū) 時(shí)間是非常必要的，但它會(huì)造成輸出電壓 波形的畸變。 輸出波形 t O t O t O t O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u AO

19、u AO uAB iA id u BO uCO u OO U d Ud 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 電壓型逆變電路的波形 （2）120導(dǎo)通型控制方式 120導(dǎo)通型逆變器的換流是在不同橋 臂中同一排左、右兩管之間進(jìn)行的。 n例如，VT1關(guān)斷后使VT3導(dǎo)通，VT3關(guān)斷后使 VT5導(dǎo)通，VT4關(guān)斷后使VT6導(dǎo)通等等。這時(shí)， 每個(gè)開(kāi)關(guān)器件一次連續(xù)導(dǎo)通120，在同一時(shí) 刻只有兩個(gè)器件導(dǎo)通，如果負(fù)載電機(jī)繞組是Y 聯(lián)結(jié)，則只有兩相導(dǎo)電，另一相懸空。 電流型三相橋式逆變電路的輸出波形 t O t O t O t O I d iV iW uUV iU 返回目錄返回目錄 6.4 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中

20、的脈寬調(diào)制變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù)技術(shù) 本節(jié)提要本節(jié)提要 n問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 n正弦波脈寬調(diào)制正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)技術(shù) n消除指定次數(shù)諧波的消除指定次數(shù)諧波的PWM(SHEPWM)控制技術(shù)控制技術(shù) n電流滯環(huán)跟蹤電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)控制技術(shù)控制技術(shù) n電壓空間矢量電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)（或稱控制技術(shù)（或稱 磁鏈跟蹤控制技術(shù)）磁鏈跟蹤控制技術(shù)） 問(wèn)題的提出 早期的交-直-交變壓變頻器所輸出的交 流波形都是六拍階梯波（對(duì)于電壓型逆變 器）或矩形波（對(duì)于電流型逆變器），這 是因?yàn)楫?dāng)時(shí)逆變器只能采用半控式的晶閘 管，其關(guān)斷的不可控性和較

21、低的開(kāi)關(guān)頻率 導(dǎo)致逆變器的輸出波形不可能近似按正弦 波變化，從而會(huì)有較大的低次諧波，使電 機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)分量，影響其穩(wěn)態(tài)工 作性能，在低速運(yùn)行時(shí)更為明顯。 六拍逆變器主電路結(jié)構(gòu) N N + - U V W 圖5-9 V1 V2 V3 V4 V5 V6 VD1 VD2 VD3 VD4 VD5 VD6 Ud 2 Ud 2 VT1VT6主電路開(kāi)關(guān)器件 VD1VD6續(xù)流二極管 VT3VT5 VT4VT6VT2 VT1 六拍逆變器的諧波 為了改善交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系 統(tǒng)的性能，在出現(xiàn)了全控式電力電子開(kāi)關(guān) 器件之后，科技工作者在20世紀(jì)80年代開(kāi) 發(fā)了應(yīng)用PWM技術(shù)的逆變器。 由于它的優(yōu)良技術(shù)性能

22、，當(dāng)今國(guó)內(nèi)外 各廠商生產(chǎn)的變壓變頻器都已采用這種技 術(shù)，只有在全控器件尚未能及的特大容量 時(shí)才屬例外。 6.4.1 正弦波脈寬調(diào)制正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)技術(shù) 1. PWM調(diào)制原理調(diào)制原理 以正弦波作為逆變器輸出的期望波形， 以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載 波（Carrier wave），并用頻率和期望波相同 的正弦波作為調(diào)制波（Modulation wave）， 當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定 逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得在正 弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一 系列等幅不等寬的矩形波。 PWM調(diào)制原理 按照波形面積相等的原則，每一個(gè)矩形 波的面積與相應(yīng)位置的

23、正弦波面積相等， 因而這個(gè)序列的矩形波與期望的正弦波等 效。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制 （Sinusoidal pulse width modulation，簡(jiǎn)稱 SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM 波。 2. SPWM控制方式 n如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波 只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到 的SPWM波也只處于一個(gè)極性的范圍內(nèi)，叫 做單極性控制方式。 n如果在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在 正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在 正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式。 單相橋式PWM逆變電路 信號(hào)波 載波 圖6-4 調(diào)制 電路 Ud + V1 V2 V3 V4 V

24、D1 VD2 VD3 VD4 uo R L ur uc 單相橋式PWM逆變電路 VT1 VT2 VT3 VT4 圖6-5 u r u c u O wt O wt u o u of u o U d -U d （1）單極性PWM控制方式 （2）雙極性PWM控制方式 圖6-6 u r u cu O wt O wt u o u ofu o U d -U d 3. PWM控制電路 n模擬電子電路 采用正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器 和比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)上述的SPWM控制。 n數(shù)字控制電路 n硬件電路 n軟件實(shí)現(xiàn) 模擬電子電路 數(shù)字控制電路 n自然采樣法只是把同樣的方法數(shù)字 化， 自然采樣法的運(yùn)算比較復(fù)雜。 n規(guī)則

25、采樣法在工程上更實(shí)用的簡(jiǎn)化 方法，由于簡(jiǎn)化方法的不同，衍生出多 種規(guī)則采樣法。 （1）自然采樣法原理 （2）規(guī)則采樣法 圖6-12 u c u O t u r T c AD B Ot u o t A t D t B 2 2 規(guī)則采樣法原理 三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc。 自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波一周 期的中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合。 規(guī)則采樣法使兩者重合，每個(gè)脈沖的中點(diǎn) 都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對(duì)稱，使計(jì)算大 為簡(jiǎn)化。 在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對(duì)正弦信號(hào)波采樣 得D點(diǎn)，過(guò) D作水平直線和三角波分別交 于A、B點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻 tA和B點(diǎn)時(shí)刻 tB控 制開(kāi)關(guān)器件的通斷。 脈沖寬度d 和用自

26、然采樣法得到的脈沖寬 度非常接近。 規(guī)則采樣法原理 正弦調(diào)制信號(hào)波 式中 M 調(diào)制度調(diào)制度，0 a 1； wr 信號(hào)波角頻率。 從圖中可得 2/ 2 2/ sin1 c Dr T tM = w tMu rr sinw= 因此可得 三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度 )sin1 ( 42 1 Dr c c tM T Tw= )sin1 ( 2 Dr c tM T w= 根據(jù)上述采樣原理和計(jì)算公式，可以 用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制產(chǎn)生SPWM波形，具體 實(shí)現(xiàn)方法有： n查表法可以先離線計(jì)算出相應(yīng)的脈寬 d 等數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中，然后在調(diào)速系統(tǒng) 實(shí)時(shí)控制過(guò)程中通過(guò)查表和加、減運(yùn)算求 出各相脈寬時(shí)間和間隙時(shí)間。 n

27、實(shí)時(shí)計(jì)算法事先在內(nèi)存中存放正弦函 數(shù)和Tc /2值，控制時(shí)先查出正弦值，與調(diào) 速系統(tǒng)所需的調(diào)制度M作乘法運(yùn)算，再根 據(jù)給定的載波頻率查出相應(yīng)的Tc /2值，由 計(jì)算公式計(jì)算脈寬時(shí)間和間隙時(shí)間。 由于PWM變壓變頻器的應(yīng)用非常廣泛， 已制成多種專用集成電路芯片作為SPWM 信號(hào)的發(fā)生器，后來(lái)更進(jìn)一步把它做在微 機(jī)芯片里面，生產(chǎn)出多種帶PWM信號(hào)輸出 口的電機(jī)控制用的8位、16位微機(jī)芯片和 DSP。 4. PWM調(diào)制方法 n載波比載波比載波頻率 fc與調(diào)制信號(hào)頻率 fr 之比N，既 N = fc / fr 根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的 變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和 同步調(diào)制。 （1

28、）異步調(diào)制 異步調(diào)制異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不 同步的調(diào)制方式。 通常保持 fc 固定不變，當(dāng) fr 變化時(shí)，載 波比 N 是變化的； 在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè) 數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期 的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的 脈沖也不對(duì)稱； 當(dāng) fr 較低時(shí)，N 較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù) 較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較 ??； 當(dāng) fr 增高時(shí)，N 減小，一周期內(nèi)的脈沖 數(shù)減少，PWM 脈沖不對(duì)稱的影響就變 大。 （2）同步調(diào)制 同步調(diào)制同步調(diào)制N 等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使 載波和信號(hào)波保持同步。 基本同步調(diào)制方式，fr 變化時(shí)N不變，信號(hào) 波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定； 三

29、相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取 N 為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱； 為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，N 應(yīng)取奇數(shù)； fr 很低時(shí)，fc 也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波 不易濾除； fr 很高時(shí)，fc 會(huì)過(guò)高，使開(kāi)關(guān)器件難以承 受。 同步調(diào)制三 相PWM波形 uc urUurVurW u uUN uVN O t t t t 0 0 0 uWN 2 Ud 2 Ud （3）分段同步調(diào)制 把 fr 范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi) 保持N恒定，不同頻段N不同； 在 fr 高的頻段采用較低的N，使載波頻率 不致過(guò)高； 在 fr 低的頻段采用較高的N，使載波頻率 不致過(guò)低。 分段同步調(diào)制方式 0 0.4 0

30、.8 1.2 1.6 2.0 2.4 1020304050607080 201 147 99 69 45 33 21 圖6-11 fr /Hz fc /kHz （4）混合調(diào)制 可在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式， 高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣把 兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，和分段同步方式效 果接近。 5. PWM逆變器主電路及輸出波形 圖6-19 三相橋式PWM逆變器主電路原理圖 調(diào)制 電路 V1 V2 V3 V4 VD1 VD2 VD3 VD4 uc V6 VD6 V5 VD5 V U W NN C + C + urU urV urW 2 Ud 2 Ud VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 V

31、T2 圖6-20 三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形 w1 t O O O O Ud 2 -Ud 2 w1 t w1 t w1 t w1 t uraurburcut uAO -Ud 2 Ud 2 -Ud 2 -Ud Ud 2 Ud uCO uBO uAB 圖6-20為三相PWM波形，其中 nura 、urb 、urc為A，B，C三相的正弦調(diào)制波， uc 為雙極性三角載波； nuAO 、uBO 、uCO 為A，B，C三相輸出與電源中 性點(diǎn)N之間的相電壓矩形波形； n uAB為輸出線電壓矩形波形，其脈沖幅值為+Ud 和- Ud ； nuAB為三相輸出與電機(jī)中點(diǎn)N之間的相電壓。 *6.4.2

32、消除指定次數(shù)諧波的消除指定次數(shù)諧波的PWM(SHEPWM) 控制技術(shù)控制技術(shù) 脈寬調(diào)制（PWM）的目的是使變壓變頻 器輸出的電壓波形盡量接近正弦波，減少 諧波，以滿足交流電機(jī)的需要。要達(dá)到這 一目的，除了上述采用正弦波調(diào)制三角波 的方法以外，還可以采用直接計(jì)算的下圖 中各脈沖起始與終了相位1, 2, 2m的方 法，以消除指定次數(shù)的諧波，構(gòu)成近似正 弦的PWM波形（Selected Harmonics Elimination PWMSHEPWM）。 特定諧波消去法的輸出波形 圖6-21 變壓變頻器輸出的相電壓PWM波形 對(duì)圖6-21的PWM波形作傅氏分析可知，其 k次諧波相電壓幅值的表達(dá)式為 （

33、6-26） 式中 Ud變壓變頻器直流側(cè)電壓； i以相位角表示的PWM波形第i個(gè) 起始或終了時(shí)刻。 = = m i i k k U U 1 cos) 1(21 2 d km 從理論上講，要消除第k次諧波分量，只 須令式（6-26）中的，并滿足基波幅值為所 要求的電壓值，從而解出相應(yīng)的值即可。 然而，圖6-21的輸出電壓波形為一組正負(fù) 相間的PWM波，它不僅半個(gè)周期對(duì)稱，而 且有1/4周期按縱軸對(duì)稱的性質(zhì)。在1/4周期 內(nèi)，有 m 個(gè)值，即 m 個(gè)待定參數(shù)，這些參 數(shù)代表了可以用于消除指定諧波的自由度。 其中除了必須滿足的基波幅值外，尚有 m-1個(gè)可選的參數(shù)，它們分別代表了可消除 諧波的數(shù)量。 n

34、例如，取 m=5，可消除 4 個(gè)不同次數(shù)的諧波。 常常希望消除影響最大的 5、7、11、13 次諧 波，就讓這些諧波電壓的幅值為零，并令基波 幅為需要值，代入式（6-26）可得一組三角函 數(shù)的聯(lián)立方程。 需要值= 54321 d m1 cos2cos2cos2cos2cos21 2 U U 05cos25cos25cos25cos25cos21 5 2 54321 d m5 = U U 07cos27cos27cos27cos27cos21 7 2 54321 d m7 = U U 可采用數(shù)值法迭代，在上述方程組求解 出開(kāi)關(guān)時(shí)刻相位角 1 ，2 ， ， 然后再 利用 1/4 周期對(duì)稱性，計(jì)算出

35、 2m = - 1， 以及 2m-1 . 各值。 這樣的數(shù)值計(jì)算法在理論上雖能消除所 指定的次數(shù)的諧波，但更高次數(shù)的諧波卻 可能反而增大，不過(guò)它們對(duì)電機(jī)電流和轉(zhuǎn) 矩的影響已經(jīng)不大，所以這種控制技術(shù)的 效果還是不錯(cuò)的。 由于上述數(shù)值求解方法的復(fù)雜性，而且 對(duì)應(yīng)于不同基波頻率應(yīng)有不同的基波電壓 幅值，求解出的脈沖開(kāi)關(guān)時(shí)刻也不一樣， 所以這種方法不宜用于實(shí)時(shí)控制，須用計(jì) 算機(jī)離線求出開(kāi)關(guān)角的數(shù)值，放入微機(jī)內(nèi) 存，以備控制時(shí)調(diào)用。 *6.4.3 電流滯環(huán)跟蹤電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)控制控制 技術(shù)技術(shù) 應(yīng)用PWM控制技術(shù)的變壓變頻器一般 都是電壓源型的，它可以按需要方便地 控制其輸出電壓，為此

36、前面兩小節(jié)所述 的PWM控制技術(shù)都是以輸出電壓近似正 弦波為目標(biāo)的。 但是，在電流電機(jī)中，實(shí)際需要保證的 應(yīng)該是正弦波電流，因?yàn)樵诮涣麟姍C(jī)繞組 中只有通入三相平衡的正弦電流才能使合 成的電磁轉(zhuǎn)矩為恒定值，不含脈動(dòng)分量。 因此，若能對(duì)電流實(shí)行閉環(huán)控制，以保證 其正弦波形，顯然將比電壓開(kāi)環(huán)控制能夠 獲得更好的性能。 常用的一種電流閉環(huán)控制方法是電流滯 環(huán)跟蹤 PWM（Current Hysteresis Band PWM CHBPWM）控制，具有電流滯 環(huán)跟蹤 PWM 控制的 PWM 變壓變頻器的A 相控制原理圖示于圖6-22。 圖6-22 電流滯環(huán)跟蹤控制的A相原理圖 1. 滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制原理 圖中，電流控制器是帶滯環(huán)的