第5章--PWM逆變器控制技術

1、 逆變的概念 逆變與整流相對應，直流電變成交流電。 交流側接電網(wǎng)，為有源逆變有源逆變。交流側接負載，為無無源逆變源逆變。逆變技術應用l在3220V低壓變頻器的應用中，逆變器容量達到300kVA以上；l在中壓（10kV以下）變頻器中，逆變器可達7500kVA；l在不間斷電源（UPS）的應用中，逆變器容量達1000kVA；l在電力機車牽引電氣傳動應用中，逆變器可達1500kW；l在鐵道運輸應用中，110VDC/3220V逆變器的容量可達600kVA；l幾乎滲透到國民經(jīng)濟的各個領域。 逆變技術發(fā)展l隨著電力半導體器件、高頻PWM控制技術、微電子技術和微處理器技術的迅速發(fā)展，推動著PWM高頻逆變器技術

2、的發(fā)展與應用。 l由于PWM控制技術、現(xiàn)代控制理論、微控制器技術和電機控制專用DSP技術等普及及應用，PWM高頻逆變器向全數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。 PWM逆變器分類l單相逆變器適用于中、小功率應用場合；三相逆變器適用于中、大功率應用場合。lPWM逆變器按電路結構的不同又可劃分為半橋式、全橋式、推挽式等；l按輸出波形的特點可劃分為正弦波和非正弦波逆變器；l按輸入（直流）電源的特點劃分為電壓型、電流型和諧振環(huán)型逆變器。 本章分析三相全橋電壓型PWM高頻逆變器控制技術。 5.2 PWM5.2 PWM逆變器主電路逆變器主電路 主電路包括直流側濾波電容、均壓電阻、三相IGBT-PWM全橋電路、緩沖吸收回

3、路、交流側輸出濾波電路、以及交流輸出電壓、電流檢測電路和直流側電壓檢測電路等幾個部分。在電壓型交-直-交變流器中，直流側是作為輸入端變流器的整流器和作為輸出端變流器的PWM逆變器之間的聯(lián)接紐帶，一般稱之為中間回路。 v器件選用lIGBT-PWM全橋電路中的6個IGBT管選用1200V耐壓的新型NPT-IGBT器件；l直流側濾波電容C1和C2選用450VDC耐壓的電解電容器；lR1和R2是均壓功率電阻，以保持C1和C2上的電壓均衡；lC3和C4是高頻濾波電容器，選取500V或600V的耐壓值；lRf、Cf和Df組成了IGBT的緩沖吸收回路，Rf采用無感功率電阻，Cf采用1200V的無感吸收電容，

4、Df選用快恢復二極管。 實際上，在PWM逆變器主電路中還必須設置一些必要的保護措施： 交流輸出電壓的過壓保護（鎖死保護）； 交流輸出電壓的欠壓保護（回差保護）； 交流輸出電流的過流保護（鎖死保護）； 交流輸出電流的過載保護（鎖死保護）； 直流側電壓的欠壓保護（回差保護）； 直流側電壓的過壓保護（鎖死保護）； IGBT模塊的過溫保護（回差保護）等。5.3 PWM5.3 PWM逆變器的控制技術逆變器的控制技術 對于電壓型PWM逆變控制方式而言，常用的有分相電壓SPWM控制、空間矢量PWM控制（SVPWM）、預測電壓PWM控制等。 1 1. . 分相電壓分相電壓SPWMSPWM控制控制 基本控制原理

5、：對PWM逆變器的三相輸出電壓分別進行電壓SPWM控制，然后在輸出端合成三相輸出正弦波電壓。 分相電壓分相電壓SPWMSPWM控制技術的特點控制技術的特點l 對RLC線性負載能夠很好地輸出三相正弦波電壓；l 對非線性負載如不可控整流負載，其輸出電壓波形會發(fā)生畸變，表現(xiàn)為正弦波的波頭位置產(chǎn)生電壓跌落，使得輸出電壓波形近似為梯形波，從而使星型連接的三相輸出中性點對地電位的電壓提高。此時應該對非線性負載進行有效的補償控制，使輸出電壓波形保持為正弦波；l 三相輸出電壓的對稱性可控制為 三相相電壓幅值差1%（帶三相平衡非線性負載）；3%（帶100%的三相不平衡非線性負載）； 三相相電壓相位移差1（帶三相

6、平衡非線性負載）；2.5（帶100%的三相不平衡非線性負載）。 2. 2. 電壓空間矢量電壓空間矢量PWMPWM控制控制 基本控制原理：在一個開關周期Ts中，用相鄰的兩個有效電壓開關矢量的平均值等效在此開關周期中三相輸出電壓合成矢量的給定值，同時對稱地插入零矢量作用時間。 電壓空間矢量電壓空間矢量PWMPWM控制技術的特點控制技術的特點 具有容易實現(xiàn)交流側輸出相電壓正弦化和直流側電壓的利用率高等優(yōu)點； 三相輸出電壓的對稱性控制容易，不論平衡非線性負載還是不平衡非線性負載，均可以控制為 三相相電壓幅值差1%；三相相電壓相位移差2。 能夠有效地優(yōu)化開關序列，降低系統(tǒng)的開關損耗，提高系統(tǒng)的效率； 由

7、于開關頻率固定，交流側輸出濾波電路容易設計； 實現(xiàn)DSP數(shù)字控制方案極為容易。 5.4 PWM5.4 PWM逆變器的主要性能指標逆變器的主要性能指標 1. 1. 直流側電壓的利用率直流側電壓的利用率 uk定義為交流側輸出線電壓峰值（ ）與直流側電壓平均值）與直流側電壓平均值 的比值的比值 mV3dcVdcmuVVk32. 2. 最低次諧波最低次諧波LOHLOH（Lowest-order harmonicLowest-order harmonic） 最低次諧波定義為與輸出電壓基波最接近的諧波。 3. 3. 畸變因數(shù)畸變因數(shù)DFDF（Distortion factorDistortion fact

8、or）為了表征經(jīng)過二次濾波后諧波產(chǎn)生波形畸變的程度，引入畸變因數(shù)?；円驍?shù)定義為 21, 3 , 22211nnnVVDF21nVVDFnn第n次諧波DF 4. 4. 輸出電壓諧波畸變率輸出電壓諧波畸變率THD(THD(TotalTotal Harmonic Distortion Harmonic Distortion) ) 輸出相電壓諧波有效值為 ThdttVtVTV21)()(1)(1tV為輸出相電壓的基波分量 輸出相電壓諧波畸變率THD22111nnhVVVVTHD分別為相電壓基波和n次諧波電壓的有效值 1VnV6. 6. 輸出電壓的動態(tài)特性輸出電壓的動態(tài)特性對于小功率等級逆變器，其輸出

9、電壓動態(tài)波動值應小于6%8%（典型值）；對于中、大功率等級逆變器，其輸出電壓動態(tài)波動值應小于5%（典型值）。上述電壓波動值應在1030ms內(nèi)恢復到穩(wěn)定值（典型值為20ms）。5. 5. 輸出電壓的靜態(tài)穩(wěn)定度輸出電壓的靜態(tài)穩(wěn)定度 對于中、小功率等級逆變器輸出電壓的靜態(tài)控制精度，其典型值為2%3%；對于中、大功率等級逆變器，其典型值為1%。 7. 7. 三相輸出電壓的對稱性三相輸出電壓的對稱性 三相輸出相電壓幅值差，一般可以做到1%3%； 三相輸出相電壓相位移差，一般可達到12.5。8. 8. 輸出電壓的頻率特性輸出電壓的頻率特性中、小功率等級PWM逆變器頻率控制精度的典型值為2（相對額定頻率值）

10、，中、大功率等級逆變器的典型值可達到為0.11（相對額定頻率值）的范圍。 利用上述性能指標就可以比較科學地評價PWM逆變電路的質量。對于逆變裝置或系統(tǒng)來說，還需增加逆變效率、單位重量（或體積）輸出功率及可靠性等性能指標。 5.5 PWM5.5 PWM逆變器用于驅動異步電機逆變器用于驅動異步電機l由于異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數(shù)系統(tǒng)，難以直接、準確地控制電磁轉矩。l通過轉子磁鏈這一旋轉的空間矢量為參考坐標，利用從靜止坐標系到旋轉坐標系的坐標變換，就可以將定子電流分解出相互獨立的勵磁電流分量和轉矩電流分量。l由于這兩個分量是直流量（標量），所以可方便地進行獨立控制。l通過坐標變換

11、后重構的電機模型就可等效成一臺直流電機，從而可像直流電機那樣進行快速的轉矩和磁鏈控制。 v應用原因應用原因轉子磁鏈定向矢量控制的基本原理交流電機的電磁轉矩一般和定、轉子旋轉磁場及其夾角有關。因此，要控制其電磁轉矩，必須先檢測和控制交流電機的磁鏈。 磁鏈檢測方法 在轉子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)中，一般將（ ）坐標系放在同步旋轉的轉子磁鏈上，從而把靜止坐標系中的各交流量轉化為旋轉坐標系中的直流量（標量），并且通過動態(tài)控制使得 軸與轉子磁鏈空間矢量方向重合，此時轉子磁鏈 軸分量為零（ ）。 ddqq0rq5.6 PWM5.6 PWM逆變器用于不間斷電源（逆變器用于不間斷電源（UPSUPS）以愛克賽公司（

12、Exide）生產(chǎn)的9305系列中功率UPS產(chǎn)品（7.560kVA）為例，說明在采用了三相電壓型PWM逆變器控制技術后UPS的輸出特性。 輸出電壓的靜態(tài)特性輸出電壓的靜態(tài)特性 9305系列UPS產(chǎn)品的輸出電壓靜態(tài)控制精度為380V1%； 輸出電壓的動態(tài)特性輸出電壓的動態(tài)特性 輸出電壓動態(tài)波動值3%（7.515kVA）或5%（2060kVA）（0100%負載）；并且1ms恢復到輸出電壓的穩(wěn)定值； 輸出頻率特性輸出頻率特性 頻率控制精度為0.1；允許的市電同步跟蹤范圍為50Hz4%； 輸出電壓的諧波畸變率輸出電壓的諧波畸變率 帶線性負載時，輸出電壓的諧波畸變率小于2%； 帶100%非線性負載時，其諧

13、波畸變率小于5%。 帶三相不平衡負載能力帶三相不平衡負載能力 帶100%不平衡負載時，三相相電壓幅值差為1%（典型值）；三相相位移差為2（典型值）； 輸出過載能力輸出過載能力 125%過載時，可以持續(xù)帶負載10分鐘；150%過載，30秒；大于150%過載，5秒； 系統(tǒng)效率系統(tǒng)效率 系統(tǒng)的運行效率高達94%，由于9305系列UPS采用雙PWM變流器技術，因而可以估計逆變器的運行效率約為96%左右。思考與練習五思考與練習五 5.1 5.1 試分析三相試分析三相PWMPWM逆變器的實際應用主電路。它有哪逆變器的實際應用主電路。它有哪幾個部分組成？各自起到什么作用？幾個部分組成？各自起到什么作用？ 5.2 5.2 試說明試說明PWMPWM逆變器有哪兩種主要的控制