第三講電力電子變壓變頻器,交-直-交和交-交變壓變頻器第五章

第三講電力電子變壓變頻器,交-直-交和交-交變壓變頻器第五章異步電動機變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速的基本原理基頻以下調(diào)速基頻以上調(diào)速電壓保持額定電壓不變變壓變頻調(diào)速時的機械特性“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”方式“近似的恒功率調(diào)速”方式基頻以下電壓補償控制恒氣隙磁通控制（恒Eg/

1控制

）恒定子磁通控制（恒Es/

1控制

）恒轉(zhuǎn)子磁通控制（恒Er/

1控制

）回顧恒壓頻比控制（恒Us/

1控制

）5.4電力電子變壓變頻器本節(jié)提要交-直-交和交-交變壓變頻器變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)消除指定次數(shù)諧波的PWM(SHEPWM)控制技術(shù)電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)控制技術(shù)電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)（或稱磁鏈跟蹤控制技術(shù)）

引言

如前所述，對于異步電機的變壓變頻調(diào)速，必須具備能夠同時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（VariableVoltageVariableFrequency）裝置。

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-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。

引言

交-直-交變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)圖

交-直-交（間接）變壓變頻器

變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻(CVCF)逆變DCACAC50Hz~整流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。

交-直-交PWM變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)圖交-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DCACAC50Hz~調(diào)壓調(diào)頻C

PWM變壓變頻器的應(yīng)用之所以如此廣泛，是由于它具有如下的一系列優(yōu)點：（1）在主電路整流和逆變兩個單元中，只有逆變單元可控，通過它同時調(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。（2）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）逆變器同時實現(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。

交-直-交PWM變壓變頻器優(yōu)點

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，見下圖。

普通交-直-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)SCR可控整流器六拍逆變器DCACAC50Hz~調(diào)頻調(diào)壓圖可控整流器調(diào)壓、六拍逆變器調(diào)頻的交-直-交變壓變頻器特大容量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，因此又稱直接式變壓變頻器。也稱作周波變換器（Cycloconveter）。

交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)圖交-交（直接）變壓變頻器交－交變頻AC50Hz~ACCVCFVVVF常用的交-交變壓變頻器輸出的每一相都是一個由正、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）。

交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)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)載50Hz~50Hz~u0圖6-13-a交-交變壓變頻器每一相的可逆線路交-交變壓變頻器的控制方式正半周控制方式正、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-b方波型平均輸出電壓波形tu0正組通反組通正組通反組通輸出電壓波形

控制方式（2）

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。2AOw

ta=a=0

p

2a=

pBCDEFu0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，半周中的平均輸出電壓即為圖中藍(lán)線所示的正弦波。對反向組負(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

三相交交變頻電路

三相交交變頻電路可以由3個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個晶閘管（當(dāng)每一橋臂都是單管時），則三相可逆線路共需36個晶閘管，即使采用零式電路也須18個晶閘管。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。

三相交交變頻電路這類交-交變頻器的其他缺點是：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主傳動、球磨機、水泥回轉(zhuǎn)窯等大容量、低轉(zhuǎn)速的調(diào)速系統(tǒng)，供電給低速電機直接傳動時，可以省去龐大的齒輪減速箱。

三相交交變頻電路近年來又出現(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)，能量可雙向流動，以獲得四象限運行，但當(dāng)輸出電壓必須為正弦波時，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。

三相交交變頻電路5.4.1交-直-交PWM變頻器主回路圖5-15交-直-交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖左邊是不可控整流橋，將三相交流電整流成電壓恒定的直流電壓。右邊是逆變器，將直流電壓變換為頻率與電壓均可調(diào)的交流電。中間的濾波環(huán)節(jié)是為了減小直流電壓脈動而設(shè)置的。5.4.1交-直-交PWM變頻器主回路主回路只有一套可控功率級，具有結(jié)構(gòu)、控制方便的優(yōu)點，采用脈寬調(diào)制的方法，輸出諧波分量小。缺點是當(dāng)電動機工作在回饋制動狀態(tài)時能量不能回饋至電網(wǎng)，造成直流側(cè)電壓上升，稱作泵升電壓。5.4.1交-直-交PWM變頻器主回路直流母線供電采用直流母線供電給多臺逆變器，可以減少整流裝置的電力電子器件，逆變器從直流母線上汲取能量，還可以通過直流母線來實現(xiàn)能量平衡，提高整流裝置的工作效率。當(dāng)某個電動機工作在回饋制動狀態(tài)時，直流母線能將回饋的能量送至其他負(fù)載，實現(xiàn)能量交換，有效地抑制泵升電壓。直流母線供電圖5-16直流母線方式的變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖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和電流源型兩類，兩種類型的實際區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾波器。示意圖如下：

兩種類型逆變器結(jié)構(gòu)LdIdCdUdUd++--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電壓源型逆變器（VoltageSourceInverter--VSI），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，有時簡稱電壓型逆變器。電流源型逆變器（CurrentSourceInverter--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。性能比較表5-1兩種逆變器輸出波形比較性能比較應(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同步運行時的供電電源，或單臺電機調(diào)速但不要求快速起制動和快速減速的場合。采用電流源型逆變器的系統(tǒng)則相反，不適用于多電機傳動，但可以滿足快速起制動和可逆運行的要求。表5-1

電壓源和電流源交-直-交變頻器主要特點比較變頻器類型比較項目電壓源電流源直流回路濾波環(huán)節(jié)無功功率緩沖環(huán)節(jié)電容器電抗器輸出電壓波形矩形波決定于負(fù)載，對異步電機負(fù)載近似為正弦波輸出電流波形決定于負(fù)載的功率因數(shù)，有較大的諧波分量矩形波輸出阻抗小大回饋制動須在電源側(cè)設(shè)置反并聯(lián)逆變器方便，主電路不需要附加設(shè)備調(diào)速動態(tài)響應(yīng)較慢快適用范圍多電機拖動，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源單電機拖動，可逆拖動180o導(dǎo)通型和120o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。圖三相橋式逆變器主電路CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd2Ud2RL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，控制一個開關(guān)器件關(guān)斷，同時使另一個器件導(dǎo)通，就實現(xiàn)了兩個器件之間的換流。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。CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd2Ud2RL（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。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，每個開關(guān)器件在一個周期內(nèi)導(dǎo)通的區(qū)間是180°，其他各相亦均如此。由于每隔60°有一個器件開關(guān)，在180°導(dǎo)通型逆變器中，除換流期間外，每一時刻總有3個開關(guān)器件同時導(dǎo)通。CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd2Ud2RL

但須注意，必須防止同一橋臂的上、下兩管同時導(dǎo)通，否則將造成直流電源短路，謂之“直通”。為此，在換流時，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)斷后留一定的時間裕量，叫做“死區(qū)時間”，再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通信號。

死區(qū)時間的長短視器件的開關(guān)速度而定，器件的開關(guān)速度越快時，所留的死區(qū)時間可以越短。為了安全起見，設(shè)置死區(qū)時間是非常必要的，但它會造成輸出電壓波形的畸變。（1）180°導(dǎo)通型控制方式

電壓源型三相橋式逆變電路的輸出波形

UAO’=Ud/2UBO’=UCO’=-Ud/2UAO=2Ud/3UBO=UCO=-Ud/3例VT1,VT2,VT6導(dǎo)通時等效電路如下：

tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uAO'uAOuABiAiduBO'uCO'uOO'UdUd2Ud3Ud62Ud3（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。VT1關(guān)斷后使VT3導(dǎo)通，VT3關(guān)斷后使VT5導(dǎo)通