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文檔簡介
1、第2章 變頻器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理,變頻器按控制方式可以分為:U/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差率控制變頻器、矢量控制變頻器和直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器。,2.1 變頻調(diào)速的基本原理及變頻器結(jié)構(gòu),在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí),常須考慮的一個(gè)重要因素是:希望保持電機(jī)中每極磁通量 m 為額定值不變。如果磁通太弱,沒有充分利用電機(jī)的鐵心,是一種浪費(fèi);如果過分增大磁通,又會使鐵心飽和,從而導(dǎo)致過大的勵磁電流,嚴(yán)重時(shí)會因繞組過熱而損壞電機(jī)。,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,對于直流電機(jī),勵磁系統(tǒng)是獨(dú)立的,只要對電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償, m 保持不變是很容易做到的。 在交流異步電機(jī)中,磁通 m 由定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生,要保持磁通恒
2、定就需要費(fèi)一些周折了。,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,定子每相電動勢,(2-1),式中:Eg 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢的有效值,單位為V;,定子頻率,單位為Hz;,定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù);,基波繞組系數(shù);,每極氣隙磁通量,單位為Wb。,f1,N1,kN1,m,2. 2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,由式(2-1)可知,只要控制好 Eg 和 f1 ,便可達(dá)到控制磁通m 的目的,對此,需要考慮基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況。,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,(1) 基頻以下調(diào)速,由式(2-1)可知,要保持 m 不變,當(dāng)頻率 f1 從額定值 f1N 向下調(diào)節(jié)時(shí),必須同時(shí)
3、降低 Eg ,使,常值 (2-3),即采用恒值電動勢頻率比的控制方式。,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,恒壓頻比的控制方式,然而,繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的,當(dāng)電動勢值較高時(shí),可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降,而認(rèn)為定子相電壓 U1 Eg,則得 (2-5) 這是恒壓頻比的控制方式。,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,但是,在低頻時(shí) U1 和 Eg 都較小,定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著,不再能忽略。這時(shí),需要人為地把電壓 U1 抬高一些,以便近似地補(bǔ)償定子壓降。 帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性示于下圖中的 b 線,無補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a 線。,2.1.1 變頻器的恒U/f控
4、制原理,帶壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性,a 無補(bǔ)償,b 帶定子壓降補(bǔ)償,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,(2) 基頻以上調(diào)速,在基頻以上調(diào)速時(shí),頻率應(yīng)該從 f1N 向上升高,但定子電壓U1 卻不可能超過額定電壓U1N ,最多只能保持U1 = U1N ,這將迫使磁通與頻率成反比地降低,相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。 把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起,如下圖所示。,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,變壓變頻控制特性,圖2-31 異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性,Us,mN,m,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,如果電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)所帶的負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值,即都能在允許
5、溫升下長期運(yùn)行,則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化,按照電力拖動原理,在基頻以下,磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定,屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì),而在基頻以上,轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低,基本上屬于“恒功率調(diào)速”。,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,U/f控制變頻器的實(shí)現(xiàn)方式有兩種 1. 整流變壓、逆變變頻方式,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,(3) U/f控制變頻器的構(gòu)成,U/f控制變頻器的實(shí)現(xiàn)方式有兩種,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,(3) U/f控制變頻器的構(gòu)成,2. 逆變變壓變頻方式,2.1.1 變頻器的恒U/f控制原理,(4) U/f控制變頻器的機(jī)械特性,P15.圖2-3(a)(b),思考題:,什么是U
6、/f控制? 為什么變頻調(diào)速時(shí)還需要變壓?,2.1.2 變頻器的基本構(gòu)成,變頻器技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合性技術(shù),既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換(整流、逆變),又要處理信息的收集、變換和傳輸,因此分成功率轉(zhuǎn)換(主電路)和弱電控制(控制電路)兩大部分。 主電路要解決與強(qiáng)電大電流有關(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題;控制電路要解決基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略的硬、軟件開發(fā)問題,在目前狀況下主要全數(shù)字控制技術(shù)。,CVCF,VVVF,2.1.2 變頻器的基本構(gòu)成,變頻器技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合性技術(shù),既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換(整流、逆變),又要處理信息的收集、變換和傳輸,因此分
7、成功率轉(zhuǎn)換(主電路)和弱電控制(控制電路)兩大部分。 主電路要解決與強(qiáng)電大電流有關(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題;控制電路要解決基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略的硬、軟件開發(fā)問題,在目前狀況下主要全數(shù)字控制技術(shù)。,CVCF,VVVF,3.1.1 通用變頻器的基本結(jié)構(gòu)原理,通用變頻器硬件結(jié)構(gòu),(1)整流電路 組成:VD1VD6。功能:將工頻交流電整流為脈動直流電。當(dāng)電源線電壓為380V時(shí),整流器件的最大反向電壓一般為1000V,最大整流電流為通用變頻器額定電流的2倍。 (2)濾波電路 組成:C1、C2、R1、R2。功能:將脈動直流電變?yōu)檩^平滑的直流電。原理:電容濾波原理、電阻
8、分壓原理。,3逆變電路 組成:VT1VT6、VD7VD12。 功能:將直流電變?yōu)轭l率和電壓可調(diào)的三相交流電。 4指示電路 組成:R4、HL。,5制動單元 組成:VT7、R5 功能:消耗電動機(jī)制動過程中的回饋能量,保護(hù)變頻器。 制動單元工作原理:電動機(jī)制動時(shí),回饋電流通過VD7VD12給C1、C2充電。當(dāng)電容兩端電壓升到一定程度時(shí),計(jì)算機(jī)控制VT7 導(dǎo)通,電容通過R5和VT7放電,電阻發(fā)熱消耗能量,電容兩端電壓降低,電動機(jī)制動。,(1)不可控整流電路,1.整流電路,整流電路分為可控整流電路和不可控整流電路兩種。,特點(diǎn):不可控整流電路簡單,優(yōu)點(diǎn)是輸入電流和電源電壓基本可保持同相位,cos1。但是整
9、流器的輸出端如果接電容濾波,輸入電流不是正弦波,有較大的畸變,所以功率 因數(shù)不為1。,513V,(2)可控整流電路,1.整流電路,特點(diǎn):可控整流電路波形有較大的畸變,對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾,功率因數(shù)比不可控整流低。 現(xiàn)在變頻器通常采用不可控整流。,2 濾波電路,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)的不同或者說按儲能環(huán)節(jié)(濾波方式)不同,逆變器可以分成電壓源型和電流源型兩類,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),2 濾波電路,電壓源型逆變器(Voltage Source Inverter -VSI ),直流環(huán)節(jié)
10、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)簡稱電壓型逆變器。,2 濾波電路,電流源型逆變器(Current 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,或簡稱電流型逆變器。,2 濾波電路,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,在性能上卻帶來了明顯的差異,主要表現(xiàn)如下: (1)無功能量的緩沖 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,還存在無功功率的交換。濾波
11、器除濾波外還起著對無功功率的緩沖作用,使它不致影響到交流電網(wǎng)。,2 濾波電路,因此,兩類逆變器的區(qū)別還表現(xiàn)在采用什么儲能元件(電容器或電感器)來緩沖無功能量。 (2)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和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。,2 濾波電路,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,說明電動運(yùn)行和回饋制動兩種狀態(tài)。,2 濾波電路,電動運(yùn)行狀態(tài),2 濾波電路,當(dāng)電動運(yùn)行時(shí),UCR的控制角 ,電動機(jī)以轉(zhuǎn)速運(yùn)行
12、,電功率的傳送方向如上圖a所示。,2 濾波電路,逆變運(yùn)行狀態(tài),2 濾波電路,如果降低變壓變頻器的輸出頻率 1,或從機(jī)械上抬高電機(jī)轉(zhuǎn)速 ,使 1 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)。,2 濾波電路,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,所以在原裝置上無法實(shí)現(xiàn)回饋制動。,2 濾波電路,必須制動時(shí),只得在直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)電阻
13、實(shí)現(xiàn)能耗制動,或者與UCR反并聯(lián)一組反向的可控整流器,用以通過反向的制動電流,而保持電壓極性不變,實(shí)現(xiàn)回饋制動。這樣做,設(shè)備要復(fù)雜多了。,2 濾波電路,(3)動態(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)的動態(tài)響應(yīng)就慢得多。 (4)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(見下表)。,2 濾波電路,表2-1 兩種逆變器輸出波形比較,2 濾波電路,(4)應(yīng)用場合 電壓源型逆變器屬恒壓源,電壓控制響應(yīng)慢,不易波動,所以適于做多臺電機(jī)同步運(yùn)行時(shí)的供電電源,或單臺電機(jī)調(diào)速但不要求快速起制動
14、和快速減速的場合。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,但可以滿足快速起制動和可逆運(yùn)行的要求。,2 濾波電路,從整體結(jié)構(gòu)(變流環(huán)節(jié)不同)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-直-交變壓變頻器 交-直-交變壓變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流,再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流,如下圖所示。,3 逆變電路,交-直-交變壓變頻器基本結(jié)構(gòu),圖2-21 交-直-交(間接)變壓變頻器,3 逆變電路,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
15、二極管組成不控整流器和由功率開關(guān)器件(P-MOSFET,IGBT等)組成的脈寬調(diào)制(PWM)逆變器,簡稱PWM變壓變頻器,如下圖所示。,3 逆變電路,交-直-交PWM變壓變頻器基本結(jié)構(gòu),圖2-22 交-直-交PWM變壓變頻器,變壓變頻 (VVVF),中間直流環(huán)節(jié),恒壓恒頻 (CVCF),PWM 逆變器,DC,AC,AC,50Hz,調(diào)壓調(diào)頻,C,3 逆變電路,PWM變壓變頻器的應(yīng)用之所以如此廣泛,是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,通過它同時(shí)調(diào)節(jié)電壓和頻率,結(jié)構(gòu)簡單。采用全控型的功率開關(guān)器件,只通過驅(qū)動電壓脈沖進(jìn)行控制,電路也簡單,效率高。,3
16、逆變電路,(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)矩脈動小,提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。,3 逆變電路,(3)逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻,動態(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。,3 逆變電路,PWM變壓變頻器常用的功率開關(guān)器件有:P-MOSFET,IGBT,GTO和替代GTO的電壓控制器件如IGCT、IEGT等。 受到開關(guān)器件額定電壓和電流的限制,對于特大容量電機(jī)的變壓變頻調(diào)速仍只好
17、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。,3 逆變電路,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)電力電子開關(guān)器件VT1 VT6 組成的三相逆變器主電路,圖中用開關(guān)符號代表任何一種電力電子開關(guān)器件。,3 逆變電路,三相橋式逆變器主電路結(jié)構(gòu),3 逆變電路,N,N,控制方式,控制各開關(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。,3 逆變電路,(1)180導(dǎo)
18、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。 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)器件開關(guān),在180導(dǎo)通型逆變器中,除換流期間外,每一時(shí)刻總有3個(gè)開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通。,3 逆變電路,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,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)出開通信號。,3 逆變電路,死區(qū)時(shí)間的長短
19、視器件的開關(guān)速度而定,器件的開關(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,設(shè)置死區(qū)時(shí)間是非常必要的,但它會造成輸出電壓波形的畸變。,3 逆變電路,輸出波形,圖2-24 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。 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。,3 逆變電路,電流型三相橋式逆變電路的輸出波形,3 逆變電路,(2) 交-交變壓變頻器,交-交變
20、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)的交流電源直接變換成VVVF輸出(轉(zhuǎn)換前后的相數(shù)相同),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)。,3 逆變電路,交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu),圖2-27 交-交(直接)變壓變頻器,3 逆變電路,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,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)。,3 逆變電路,交-交變壓變頻器的基本電路結(jié)構(gòu),圖2-28-a 交-交變壓變頻器每一相的可逆線路,3 逆變電路,
21、交-交變壓變頻器的控制方式,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。,3 逆變電路,輸出電壓波形,3 逆變電路, 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:在正向組導(dǎo)通的半個(gè)周期中,使控制角 由/2(對應(yīng)于平均電壓 u0 = 0)逐漸減小到 0(對應(yīng)于 u0 最大),然后再逐漸增加到 /2( u0 再變?yōu)?),如下圖所示。,3 逆變電路,圖2-29
22、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,3 逆變電路,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。對反向組負(fù)半周的控制也是這樣。,3 逆變電路,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),看似簡單,但所用的器件數(shù)量
23、卻很多,總體設(shè)備相當(dāng)龐大。 不過這些設(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,目前國內(nèi)有些企業(yè)已有可靠的產(chǎn)品。,3 逆變電路,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功補(bǔ)償設(shè)備。其最高輸出頻率不超過電網(wǎng)頻率的 1/3 1/2,一般主要用于軋機(jī)主傳動、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)直接傳動時(shí),可以省去龐大的齒輪減速箱。,3 逆變電路,近年來又出現(xiàn)了一種采用全控型開關(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
24、流動,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發(fā)階段,其發(fā)展前景是很好的。,3 逆變電路,思考題:,變頻器由幾部分組成,各部分都具有什么功能。 變頻器種類很多,其中按濾波方式可分為什么類型。,根據(jù)變頻器的變流環(huán)節(jié)的不同進(jìn)行分類 :,(1)交直交變頻器 交直交變頻器是先將頻率固定的交流電“整流”成直流電,再把直流電“逆變”成頻率任意可調(diào)的三相交流電,又稱間接式變頻器。目前應(yīng)用廣泛的通用型變頻器都是交直交變頻器。 (2)交交變頻器 交交變頻器就是把頻率固定的交流電直接轉(zhuǎn)換成頻率任意可調(diào)的交流電,而且轉(zhuǎn)換前后的相數(shù)相同,又稱直接式變頻
25、器或周波變頻器。,2.2 變頻器的分類與特點(diǎn),2.2 變頻器的分類與特點(diǎn),根據(jù)直流電路的儲能環(huán)節(jié)(或?yàn)V波方式)分類頻器的變流環(huán)節(jié)的不同進(jìn)行分類 :,(1)電壓型變頻器 電壓型變頻器的儲能元件為電容器,其特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容,負(fù)載的無功功率將由它來緩沖,直流電壓比較平穩(wěn),直流電源內(nèi)阻較小,相當(dāng)于電壓源,故稱電壓型變頻器,常選用于負(fù)載電壓變化較大的場合。 (2)電流型變頻器電流型變頻器的儲能元件為電感線圈,因此其特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲能環(huán)節(jié),緩沖無功功率,即扼制電流的變化,使電壓接近正弦波,由于該直流內(nèi)阻較大,故稱電流型變頻器。,2.2 變頻器的分類與特點(diǎn),根據(jù)電壓的
26、調(diào)制方式分類,(1)正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變頻器 正弦波脈寬調(diào)制變頻器是指輸出電壓的大小是通過調(diào)節(jié)脈沖占空比來實(shí)現(xiàn)的,且載頻信號用等腰三角波,而基準(zhǔn)信號采用正弦波。中、小容量的通用變頻器幾乎全都采用此類變頻器。 (2)脈幅調(diào)制(PAM)變頻器 脈幅調(diào)制變頻器是指將變壓與變頻分開完成,即在把交流電整流為直流電的同時(shí)改變直流電壓的幅值,而后將直流電壓逆變?yōu)榻涣麟姇r(shí)改變交流電頻率的變壓變頻控制方式。,2.2 變頻器的分類與特點(diǎn),根據(jù)控制方式分類 :,(1)U/F控制 (2)轉(zhuǎn)差頻率控制 (3)矢量控制 (4)直接轉(zhuǎn)矩控制,2.2 變頻器的分類與特點(diǎn),根據(jù)輸入電源的相數(shù)分類,(1)三進(jìn)三出變頻器
27、變頻器的輸入側(cè)和輸出側(cè)都是三相交流電。絕大多數(shù)變頻器都屬此類。 (2)單進(jìn)三出變頻器 變頻器的輸入側(cè)為單相交流電,輸出側(cè)是三相交流電,俗稱“單相變頻器”。該類變頻器通常容量較小,且適合在單相電源情況下使用,如家用電器里的變頻器均屬此類。,2.2 變頻器的分類與特點(diǎn),根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性分類,(1)P型機(jī)變頻器 適用于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的變頻器。 (2)G型機(jī)變頻器 適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的變頻器。 (3)P/G合一型變頻器 同一種機(jī)型既可以使用變轉(zhuǎn)矩負(fù)載,又可以適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載;同時(shí)在變轉(zhuǎn)矩方式下,其標(biāo)稱功率大一檔。,2.2 變頻器的分類與特點(diǎn),根據(jù)應(yīng)用場合分類,(1)通用變頻器 通用變頻器的特點(diǎn)是其通用性,可
28、應(yīng)用在標(biāo)準(zhǔn)異步電機(jī)傳動、工業(yè)生產(chǎn)及民用、建筑等各個(gè)領(lǐng)域。通用變頻器的控制方式,已經(jīng)從最簡單的恒壓頻比控制方式向高性能的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等發(fā)展。 (2)專用變頻器 專用變頻器的特點(diǎn)是其行業(yè)專用性,它針對不同的行業(yè)特點(diǎn)集成了可編程控制器以及很多硬件外設(shè),可以在不增加外部板件的基礎(chǔ)上直接應(yīng)用于行業(yè)中。比如,恒壓供水專用變頻器就能處理供水中變頻與工頻切換、一拖多控制等。,思考題:,什么是交-直-交類型變頻器,根據(jù)濾波環(huán)節(jié)其分成幾種類型? 什么是單相變頻器?,2.3 正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù),1. SPWM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(
29、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。,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,簡稱SPWM),這種序列的矩形波稱作SPWM波。,2. SPWM控制方式,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
30、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。 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。,(1)單極性PWM控制方式,(2)雙極性PWM控制方式,3. SPWM波形的實(shí)現(xiàn),模擬電子電路 采用正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器和比較器來實(shí)現(xiàn)上述的SPWM控制。 數(shù)字控制電路 硬件電路; 軟件實(shí)現(xiàn)。,模擬電子電路,數(shù)字控制電路(軟件實(shí)現(xiàn)方法),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; 規(guī)則采樣法在工程上更實(shí)用的簡化方法,由于簡化方法的不同,衍生出多種規(guī)則采樣法。,(1)自然采樣法原理,將三相正弦波與
31、三角波比較,在波形相交點(diǎn)自然地確定脈沖的采樣點(diǎn)和開關(guān)點(diǎn)。即采樣點(diǎn)和開關(guān)點(diǎn)重合。,優(yōu)點(diǎn): 1、基波幅值與調(diào)制度M成正比,利于調(diào)壓; 2、高次諧波隨著載波比N與調(diào)制度M的增大而減小,有利于波形正弦化。 缺點(diǎn): 1、實(shí)時(shí)控制時(shí)難以計(jì)算脈沖寬度; 2、離線計(jì)算,利用查表法輸出PWM波,占有內(nèi)存過大,不符合微機(jī)等采樣周期的控制要求。,(2)規(guī)則采樣法,在載波三角波的固定點(diǎn)對正弦波進(jìn)行采樣,以確定脈沖的前沿和后沿時(shí)刻,而并不管此時(shí)是否發(fā)生正弦調(diào)制波與載波三角波相交。也就是說采樣點(diǎn)和開關(guān)點(diǎn)不重合,采樣點(diǎn)是固定的,開關(guān)點(diǎn)是變化的。開關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)刻可以利用簡單的三角函數(shù)在線地計(jì)算出來,滿足了微機(jī)全數(shù)字控制的需要。
32、,規(guī)則采樣法的種類:,對稱規(guī)則采樣中生成的PWM脈寬較實(shí)際的正弦波與三角波自然相交的脈寬偏小,使變頻電源的輸出電壓較低。,不規(guī)則采樣中,雖能更真實(shí)地反映自然采樣,但由于在一個(gè)載波周期中需要采樣兩次,極大地增加了數(shù)據(jù)的處理量。,在實(shí)際采樣中我們采用的是平均對稱規(guī)則采樣。采樣時(shí)刻設(shè)在三角載波的谷底處,以此刻的正弦波數(shù)值為中心,確定PWM脈沖的前后沿。,平均規(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,平均規(guī)則采樣法原理,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,平均規(guī)則采樣法原理,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)為對稱,使計(jì)算大為簡化,平均規(guī)則
33、采樣法原理,在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對正弦信號波采樣得D點(diǎn),過 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控制開關(guān)器件的通斷,平均規(guī)則采樣法原理,脈沖寬度 和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近,平均規(guī)則采樣法原理,正弦調(diào)制信號波 式中,M 稱為調(diào)制度,0 M 1;r為信號波角頻率。,平均規(guī)則采樣法原理,從圖中可得 因此可得,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: 查表法可以先離線計(jì)算出相應(yīng)的脈寬 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)控制過程中通過查表和加、減運(yùn)算求出各相脈寬時(shí)間和間隙時(shí)間。,實(shí)時(shí)計(jì)算法事先在內(nèi)存中存放正弦函
34、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信號的發(fā)生器,應(yīng)用較多的有HEF4752、SLE4520、SA8281、SA8282、SA4828等。后來更進(jìn)一步把它做在微機(jī)芯片里面,生產(chǎn)出多種帶PWM信號輸出口的電機(jī)控制用的8位、16位微機(jī)芯片和DSP。,數(shù)字控制電路(硬件電路實(shí)現(xiàn)方法),4. PWM調(diào)制方法,載波比載波頻率 fc與調(diào)制信號頻率 fr 之比N,既 N = fc / fr 根據(jù)載波和信號波是否同步及載
35、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)異步調(diào)制,異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(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)半周期的脈沖不對稱,半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱;,當(dāng) fr 較低時(shí),N 較大,一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多,脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小; 當(dāng) fr 增高時(shí),N 減小,一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少,PWM 脈沖不對稱的影響就變大。,(2)同步調(diào)制,同步調(diào)制N 等于常數(shù),并在變頻時(shí)使載波和信號波保持同步。 基本同步調(diào)制方式,fr 變化時(shí)N不變,信號波一周期
36、內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定; 三相電路中公用一個(gè)三角波載波,且取 N 為3的整數(shù)倍,使三相輸出對稱;,為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡像對稱,N應(yīng)取奇數(shù); fr 很低時(shí),fc 也很低,由調(diào)制帶來的諧波不易濾除; fr 很高時(shí),fc 會過高,使開關(guān)器件難以承受。,同步調(diào)制三相PWM波形,(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,使載波頻率不致過高; 在 fr 低的頻段采用較高的N,使載波頻率不致過低;,分段同步調(diào)制方式,(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,和分段
37、同步方式效果接近。,5. PWM逆變器主電路及輸出波形,圖6-20 三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形,圖6-20為三相PWM波形,其中 urU 、urV 、urW為U,V,W三相的正弦調(diào)制波, uc為雙極性三角載波; uUN 、uVN 、uWN 為U,V,W三相輸出與電源中性點(diǎn)N之間的相電壓矩形波形; uUV為輸出線電壓矩形波形,其脈沖幅值為+Ud和- Ud ; uUN為三相輸出與電機(jī)中點(diǎn)N之間的相電壓。,思考題:,什么是基本Uf控制方式?為什么在基本Uf控制基礎(chǔ)上還要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償? 在U/f控制方式下,當(dāng)輸出頻率比較低時(shí),會出現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩不足的情況,要求變頻器具有什么功能。 說明SPW
38、M控制技術(shù)的原理。 什么是SPWM的平均規(guī)則采樣法?,2.4 電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)控制 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,不含脈動分量。因此,若能對電流實(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
39、CHBPWM)控制,具有電流滯環(huán)跟蹤 PWM 控制的 PWM 變壓變頻器的A相控制原理圖如下圖。,1. 滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制原理,圖6-22電流滯環(huán)跟蹤控制的A相原理圖,圖中,電流控制器是帶滯環(huán)的比較器,環(huán)寬為2h。 將給定電流 i*a 與輸出電流 ia 進(jìn)行比較,電流偏差 ia 超過時(shí) h,經(jīng)滯環(huán)控制器HBC控制逆變器 A相上(或下)橋臂的功率器件動作。B、C 二相的原理圖均與此相同。,采用電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí),變壓變頻器的電流波形與PWM電壓波形如下圖。 如果, ia i*a , 且i*a - ia h,滯環(huán)控制器 HBC輸出正電平,驅(qū)動上橋臂功率開關(guān)器件VT1導(dǎo)通,變壓變頻器輸出正電壓
40、,使 ia增大。當(dāng)ia增長到與i*a相等時(shí),雖然ia =0,但HBC仍保持正電平輸出,保持導(dǎo)通,使ia繼續(xù)增大。 直到達(dá)到ia = i*a + h , ia = h ,使滯環(huán)翻轉(zhuǎn),HBC輸出負(fù)電平,關(guān)斷VT1 ,并經(jīng)延時(shí)后驅(qū)動VT4,但此時(shí)未必能夠?qū)?,由於電機(jī)繞組的電感作用,電流不會反向,而是通過二極管VD4續(xù)流,使VT1受到反向鉗位而不能導(dǎo)通。此后, ia逐漸減小,直到到達(dá)滯環(huán)偏差的下限值,使 HBC 再翻轉(zhuǎn), VT1又重復(fù)使導(dǎo)通。這樣, VT1與VD4交替工作,使輸出電流給定值之間的偏差保持在范圍內(nèi),在正弦波上下作鋸齒狀變化。從圖 中可以看到,輸出電流是十分接近正弦波的。,滯環(huán)比較方式的
41、指令電流和輸出電流,圖6-23電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí)的電流波形,下圖給出了在給定正弦波電流半個(gè)周期內(nèi)的輸出電流波形和相應(yīng)的相電壓波形??梢钥闯?,在半個(gè)周期內(nèi)圍繞正弦波作脈動變化,不論在的上升段還是下降段,它都是指數(shù)曲線中的一小部分,其變化率與電路參數(shù)和電機(jī)的反電動勢有關(guān)。,三相電流跟蹤型PWM逆變電路,圖6-24 三相電流跟蹤型PWM逆變電路,三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形,因此,輸出相電壓波形呈PWM狀,但與兩側(cè)窄中間寬的SPWM波相反,兩側(cè)增寬而中間變窄,這說明為了使電流波形跟蹤正弦波,應(yīng)該調(diào)整一下電壓波形。,電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的環(huán)寬有關(guān),同時(shí)還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。
42、當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí),可降低開關(guān)頻率,但電流波形失真較多,諧波分量高;如果環(huán)寬太小,電流波形雖然較好,卻使開關(guān)頻率增大了。這是一對矛盾的因素,實(shí)用中,應(yīng)在充分利用器件開關(guān)頻率的前提下,正確地選擇盡可能小的環(huán)寬。,2.5 電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù) (或稱磁鏈跟蹤控制技術(shù)),本節(jié)提要 問題的提出 空間矢量的定義 電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 電壓空間矢量的線性組合與SVPWM控制,問題的提出,經(jīng)典的SPWM控制主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波,并未顧及輸出電流的波形。而電流滯環(huán)跟蹤控制則直接控制輸出電流,使之在正弦波附近變化,這就比只要
43、求正弦電壓前進(jìn)了一步。然而交流電動機(jī)需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場,從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。,2.5 電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù) (或稱磁鏈跟蹤控制技術(shù)),如果對準(zhǔn)這一目標(biāo),把逆變器和交流電動機(jī)視為一體,按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制逆變器的工作,其效果應(yīng)該更好。這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”,下面的討論將表明,磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的,所以又稱“電壓空間矢量PWM(SVPWM,Space Vector PWM)控制”。,1. 空間矢量的定義,交流電動機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時(shí)間變化的,分析時(shí)常用時(shí)間相量來表示,但如果
44、考慮到它們所在繞組的空間位置,也可以如圖所示,定義為空間矢量uA0, uB0 , uC0 。,圖6-25 電壓空間矢量,電壓空間矢量的相互關(guān)系,定子電壓空間矢量:uA0 、 uB0 、 uC0 的方向始終處于各相繞組的軸線上,而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律脈動,時(shí)間相位互相錯開的角度也是120。 合成空間矢量:由三相定子電壓空間矢量相加合成的空間矢量 us 是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量,它的幅值不變,是每相電壓幅值的3/2倍。,電壓空間矢量的相互關(guān)系(續(xù)),當(dāng)電源頻率不變時(shí),合成空間矢量 us 以電源角頻率1 為電氣角速度作恒速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)某一相電壓為最大值時(shí),合成電壓矢量 us 就落在該相的軸線上。用公式表示
45、,則有,(6-39),與定子電壓空間矢量相仿,可以定義定子電流和磁鏈的空間矢量 Is 和s 。,2. 電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系,三相的電壓平衡方程式:,2. 電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系(續(xù)),三相的電壓平衡方程式相加,即得用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為,(6-40),式中,us 定子三相電壓合成空間矢量; Is 定子三相電流合成空間矢量; s 定子三相磁鏈合成空間矢量。,近似關(guān)系,當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí),定子電阻壓降在式(6-40)中所占的成分很小,可忽略不計(jì),則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為,(6-41),(6-42),或,磁鏈軌跡,當(dāng)電動機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí),電動機(jī)定
46、子磁鏈幅值恒定,其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn),磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動軌跡呈圓形(一般簡稱為磁鏈圓)。這樣的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量可用下式表示。,(6-43),其中 m是磁鏈s的幅值,1為其旋轉(zhuǎn)角速度。,由式(6-41)和式(6-43)可得,(6-44),上式表明,當(dāng)磁鏈幅值一定時(shí),us的大小與(或供電電壓頻率)1成正比,其方向則與磁鏈?zhǔn)噶空唬创沛湀A的切線方向。,磁場軌跡與電壓空間矢量運(yùn)動軌跡的關(guān)系,如圖所示,當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時(shí),電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)動2弧度,其軌跡與磁鏈圓重合。 這樣,電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動軌跡問題。,圖6-26 旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量的
47、運(yùn)動軌跡,3. 六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場,(1)電壓空間矢量運(yùn)動軌跡 在常規(guī)的 PWM 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中,異步電動機(jī)由六拍階梯波逆變器供電,這時(shí)的電壓空間矢量運(yùn)動軌跡是怎樣的呢? 為了討論方便起見,再把三相逆變器-異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖繪出,圖6-27中六個(gè)功率開關(guān)器件都用開關(guān)符號代替,可以代表任意一種開關(guān)器件。,主電路原理圖,圖6-27 三相逆變器-異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖,開關(guān)工作狀態(tài),如果,圖中的逆變器采用180導(dǎo)通型,功率開關(guān)器件共有8種工作狀態(tài)(見附表) ,其中 6 種有效開關(guān)狀態(tài); 2 種無效狀態(tài)(因?yàn)槟孀兤鬟@時(shí)并沒有輸出電壓): 上橋臂開關(guān) VT1
48、、VT3、VT5 全部導(dǎo)通 下橋臂開關(guān) VT2、VT4、VT6 全部導(dǎo)通,輸出波形,電壓型逆變電路的波形,開關(guān)狀態(tài)表,開關(guān)控制模式,對于六拍階梯波的逆變器,在其輸出的每個(gè)周期中6 種有效的工作狀態(tài)各出現(xiàn)一次。逆變器每隔 /3 時(shí)刻就切換一次工作狀態(tài)(即換相),而在這 /3 時(shí)刻內(nèi)則保持不變。,(a)開關(guān)模式分析,設(shè)工作周期從100狀態(tài)開始,這時(shí)VT6、VT1、VT2導(dǎo)通,其等效電路如圖所示。各相對直流電源中點(diǎn)的電壓都是幅值為 UAO = Ud / 2 UBO = UCO = - Ud /2,(b)工作狀態(tài)100的合成電壓空間矢量,由圖可知,三相的合成空間矢量為 u1,其幅值等于Ud,方向沿A軸
49、(即X軸)。,(c)工作狀態(tài)110的合成電壓空間矢量,u1 存在的時(shí)間為/3,在這段時(shí)間以后,工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為110,和上面的分析相似,合成空間矢量變成圖中的 u2 ,它在空間上滯后于u1 的相位為 /3 弧度,存在的時(shí)間也是 /3 。,(d)每個(gè)周期的六邊形合成電壓空間矢量,依此類推,隨著逆變器工作狀態(tài)的切換,電壓空間矢量的幅值不變,而相位每次旋轉(zhuǎn) /3 ,直到一個(gè)周期結(jié)束。 這樣,在一個(gè)周期中 6 個(gè)電壓空間矢量共轉(zhuǎn)過 2 弧度,形成一個(gè)封閉的正六邊形,如圖所示。,(2)定子磁鏈?zhǔn)噶慷它c(diǎn)的運(yùn)動軌跡,電壓空間矢量與磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系 一個(gè)由電壓空間矢量運(yùn)動所形成的正六邊形軌跡也可以看作是異步電動機(jī)定
50、子磁鏈?zhǔn)噶慷它c(diǎn)的運(yùn)動軌跡。對于這個(gè)關(guān)系,進(jìn)一步說明如下:,圖6-29 六拍逆變器供電時(shí)電動機(jī)電壓空間矢量與磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系,設(shè)在逆變器工作開始時(shí)定子磁鏈空間矢量為1,在第一個(gè) /3 期間,電動機(jī)上施加的電壓空間矢量為圖6-28d中的 u1 ,把它們再畫在圖6-29中。按照式(6-41)可以寫成,也就是說,在 /3 所對應(yīng)的時(shí)間 t 內(nèi),施加 u1的結(jié)果是使定子磁鏈 1 產(chǎn)生一個(gè)增量,其幅值 |u1| 與成正比,方向與u1一致,最后得到圖6-29所示的新的磁鏈,而,(6-45),(6-46),依此類推,可以寫成 的通式,(6-47),(6-48),總之,在一個(gè)周期內(nèi),6個(gè)磁鏈空間矢量呈放射狀,矢量
51、的尾部都在O點(diǎn),其頂端的運(yùn)動軌跡也就是6個(gè)基本電壓空間矢量所圍成的正六邊形。,磁鏈?zhǔn)噶吭隽颗c電壓矢量、時(shí)間增量的關(guān)系,如果 u1 的作用時(shí)間t 小于 /3 ,則 i 的幅值也按比例地減小,如圖 6-30 中的矢量 ??梢姡谌魏螘r(shí)刻,所產(chǎn)生的磁鏈增量的方向決定于所施加的電壓,其幅值則正比于施加電壓的時(shí)間。,圖6-30 磁鏈?zhǔn)噶吭隽颗c電壓矢量、時(shí)間增量的關(guān)系,4. 電壓空間矢量的線性組合與SVPWM控制,如前分析,我們可以得到的結(jié)論是: 如果交流電動機(jī)僅由常規(guī)的六拍階梯波逆變器供電,磁鏈軌跡便是六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場,這顯然不象在正弦波供電時(shí)所產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場那樣能使電動機(jī)獲得勻速運(yùn)行。 如果想獲得
52、更多邊形或逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場,就必須在每一個(gè)期間內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)工作狀態(tài),以形成更多的相位不同的電壓空間矢量。為此,必須對逆變器的控制模式進(jìn)行改造。,圓形旋轉(zhuǎn)磁場逼近方法,PWM控制顯然可以適應(yīng)上述要求,問題是,怎樣控制PWM的開關(guān)時(shí)間才能逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場。 科技工作者已經(jīng)提出過多種實(shí)現(xiàn)方法,例如線性組合法,三段逼近法,比較判斷法等31,這里只介紹線性組合法。,基本思路,圖6-31 逼近圓形時(shí)的磁鏈增量軌跡,如果要逼近圓形,可以增加切換次數(shù),設(shè)想磁鏈增量由圖中的11 , 12 , 13 , 14 這4段組成。這時(shí),每段施加的電壓空間矢量的相位都不一樣,可以用基本電壓矢量線性組合的方法獲得。,線性組合
53、的方法,圖6-32 電壓空間矢量的線性組合,圖6-32表示由電壓空間矢量和的線性組合構(gòu)成新的電壓矢量。,設(shè)在一段換相周期時(shí)間T0 中,可以用兩個(gè)矢量之和表示由兩個(gè)矢量線性組合后的電壓矢量us ,新矢量的相位為 。,(1)線性組合公式,可根據(jù)各段磁鏈增量的相位求出所需的作用時(shí)間 t1和 t2 。在圖6-32中,可以看出,(6-49),(2)相電壓合成公式,根據(jù)式(6-39)用相電壓表示合成電壓空間矢量的定義,把相電壓的時(shí)間函數(shù)和空間相位分開寫,得,(6-50),式中 = 120。,(3)線電壓合成公式,若改用線電壓表示,可得,(6-50),幾種表示法的比較:由圖6-27可見,當(dāng)各功率開關(guān)處于不同
54、狀態(tài)時(shí),線電壓可取值為Ud、0 或 Ud,比用相電壓表示時(shí)要明確一些。,(3)線電壓合成公式,若改用線電壓表示,可得,(6-50),如當(dāng)開關(guān)狀態(tài)為100時(shí), uAB = Ud , uBC =0,帶入上式等u1 = Ud ;當(dāng)開關(guān)狀態(tài)為110時(shí), uAB =0 , uBC = Ud ,帶入上式等u2 = Ud 。同理可得u3 = Ud , u4 = -Ud , u5 = Ud , u6 = Ud 。,作用時(shí)間的確定,這樣,根據(jù)各個(gè)開關(guān)狀態(tài)的線電壓表達(dá)式可以推出,(6-52),比較式(6-52)和式(6-49),令實(shí)數(shù)項(xiàng)和虛數(shù)項(xiàng)分別相等,則,解 t1和 t2 ,得,(6-53),(6-54),零矢
55、量的使用,換相周期 T0 應(yīng)由旋轉(zhuǎn)磁場所需的頻率決定, T0 與 t1+ t2 未必相等,其間隙時(shí)間可用零矢量 u7 或 u8 來填補(bǔ)。為了減少功率器件的開關(guān)次數(shù),一般使 u7 和 u8 各占一半時(shí)間,因此,(6-55), 0,電壓空間矢量的扇區(qū)劃分,為了討論方便起見,可把逆變器的一個(gè)工作周期用6個(gè)基本電壓空間矢量劃分成6個(gè)區(qū)域,稱為扇區(qū)(Sector),如圖所示的、,每個(gè)扇區(qū)對應(yīng)的時(shí)間均為/3 。 由于逆變器在各扇區(qū)的工作狀態(tài)都是對稱的,分析一個(gè)扇區(qū)的方法可以推廣到其他扇區(qū)。,電壓空間矢量的6個(gè)扇區(qū),圖6-33 電壓空間矢量的放射形式和6個(gè)扇區(qū),在常規(guī)六拍逆變器中一個(gè)扇區(qū)僅包含兩個(gè)開關(guān)工作狀
56、態(tài)。 實(shí)現(xiàn)SVPWM控制就是要把每一扇區(qū)再分成若干個(gè)對應(yīng)于時(shí)間 T0 的小區(qū)間。按照上述方法插入若干個(gè)線性組合的新電壓空間矢量 us,以獲得優(yōu)于正六邊形的多邊形(逼近圓形)旋轉(zhuǎn)磁場。,開關(guān)狀態(tài)順序原則,在實(shí)際系統(tǒng)中,應(yīng)該盡量減少開關(guān)狀態(tài)變化時(shí)引起的開關(guān)損耗,因此不同開關(guān)狀態(tài)的順序必須遵守下述原則:每次切換開關(guān)狀態(tài)時(shí),只切換一個(gè)功率開關(guān)器件,以滿足最小開關(guān)損耗。,插值舉例,每一個(gè) T0 相當(dāng)于 PWM電壓波形中的一個(gè)脈沖波。 例如: 圖6-32所示扇區(qū)內(nèi)的區(qū)間包含t1, t2,t7 和 t8 共4段,相應(yīng)的電壓空間矢量為 u1,u2,u7 和 u8 ,即 100,110,111 和 000 共4
57、種開關(guān)狀態(tài)。,為了使電壓波形對稱,把每種狀態(tài)的作用時(shí)間都一分為二,因而形成電壓空間矢量的作用序列為:12788721,其中1表示作用u1 ,2表示作用u2 ,。 這樣,在這一個(gè)時(shí)間內(nèi),逆變器三相的開關(guān)狀態(tài)序列為100,110,111,000,000,111,110,100。,按照最小開關(guān)損耗原則進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)上述1278的順序是不合適的。 為此,應(yīng)該把切換順序改為81277218,即開關(guān)狀態(tài)序列為000,100,110,111,111,110,100,000,這樣就能滿足每次只切換一個(gè)開關(guān)的要求了。,T0 區(qū)間的電壓波形,圖6-34 第扇區(qū)內(nèi)一段區(qū)間的開關(guān)序列與逆變器三相電壓波形,虛線間的每一
58、小段表示一種工作狀態(tài),如上所述,如果一個(gè)扇區(qū)分成4個(gè)小區(qū)間,則一個(gè)周期中將出現(xiàn)24個(gè)脈沖波。當(dāng)然,一個(gè)扇區(qū)內(nèi)所分的小區(qū)間越多,就越能逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場。,小 結(jié),歸納起來,SVPWM控制模式有以下特點(diǎn): 1) 逆變器的一個(gè)工作周期分成6個(gè)扇區(qū),每個(gè)扇區(qū)相當(dāng)于常規(guī)六拍逆變器的一拍。為了使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場逼近圓形,每個(gè)扇區(qū)再分成若干個(gè)小區(qū)間 T0 , T0 越短,旋轉(zhuǎn)磁場越接近圓形,但 T0 的縮短受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。,2) 在每個(gè)小區(qū)間內(nèi)雖有多次開關(guān)狀態(tài)的切換,但每次切換都只涉及一個(gè)功率開關(guān)器件,因而開關(guān)損耗較小。 3) 每個(gè)小區(qū)間均以零電壓矢量開始,又以零矢量結(jié)束。 4) 利用電壓
59、空間矢量直接生成三相PWM波,計(jì)算簡便。 5) 采用SVPWM控制時(shí),逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓,這比一般的SPWM逆變器輸出電壓提高了15%。,思考題:,為什么磁鏈跟蹤控制又被稱為電壓空間矢量控制? 電壓空間矢量控制為什么比SPWM控制性能優(yōu)越? 六拍階梯形波逆變器供電時(shí)電動機(jī)磁鏈軌跡是什么形狀? 三相逆變橋共有幾個(gè)基本電壓空間矢量?,電力傳動的基本控制規(guī)律,我們知道,任何電力拖動自動控制系統(tǒng)都服從于基本運(yùn)動方程式 提高調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能主要依靠控制轉(zhuǎn)速的變化率 d / dt ,根據(jù)基本運(yùn)動方程式,控制電磁轉(zhuǎn)矩就能控制 d / dt ,因此,歸根結(jié)底,調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能就是控制轉(zhuǎn)矩的能力。,2.6 轉(zhuǎn)差頻率控制(SF)原理,在異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中,需要控制的是電壓(或電
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