秦晓飞系列-现代交流调速技术-第2章-交-直-交变频调速系统课件

第2章 交-直-交变频调速系统主讲教师：秦晓飞秦晓飞上海理工大学光电学院上海理工大学光电学院第2章 交-直-交变频调速系统2.1 交-直-交变频调速系统的基本电路2.2 交-直-交变压变频调速系统2.3 多重叠加式变频器2.4 脉冲宽度调制技术2.5 谐振型变换器2.1 交-直-交变频调速系统基本电路2.1 交-直-交变频调速系统基本电路结构：交流电源输入 整流滤波环节 逆变环节类型：交-直-交电压型电压型变频器 交-直-交电流型电流型变频器2.1.1 交-直-交电压型变频器特点特点技术上非常成熟，应用十分广泛；不仅可以驱动单台交流电机，还可以实现1拖N，即一台变频器同时驱动N台参数相近的交流电动机；有源逆变实现困难，不适于在大功率且需频繁启动、制动、正反转切换的场合应用。2.1 交-直-交变频调速系统基本电路主电路结构主电路结构图2-1 交-直-交电压型变频器主电路2.1 交-直-交变频调速系统基本电路等效电路结构等效电路结构图2-2 交-直-交电压型逆变器等效电路结构2.1 交-直-交变频调速系统基本电路6 6拍换向律拍换向律表2-1 180导电型6拍换向律工作状态工作状态每种工作状态下被导通的开关管每种工作状态下被导通的开关管状态1060V1V5V6状态260120V1V2V6状态3120180V1V2V3状态4180240V2V3V4状态5240300V3V4V5状态6300360V4V5V62.1 交-直-交变频调速系统基本电路6 6拍换向律下逆变器的输出电压拍换向律下逆变器的输出电压三相平衡阻性负载时逆变器的输出电压（线电压）是什么样子？三相平衡阻性负载时与三相平衡感性负载时逆变器的输出电压是不是一样？三相平衡感性负载的负载角小于/3时与大于/3时，逆变器的输出电压是不是一样？三种负载情况下逆变器的工作状态有何不同？2.1 交-直-交变频调速系统基本电路表2-2 Y接均衡阻性负载各状态下的相电压线电压相电压相电压状态状态1状态状态2状态状态3状态状态4状态状态5状态状态6uAOuBOuCO2.1 交-直-交变频调速系统基本电路表2-2Y接均衡阻性负载各状态下的相电压和线电压相电压相电压状态状态1状态状态2状态状态3状态状态4状态状态5状态状态6uAOuBOuCOuABuBCuCA2.1 交-直-交变频调速系统基本电路图2-4 阻性负载时电压型逆变器的输出电压波形2.1 交-直-交变频调速系统基本电路谐波分析（以A相和AB线为例）：相电压与线电压中都存在（6k1）次谐波，尤其是5次、7次谐波对电机运行十分不利。由于电枢电感的低通滤波作用，电机电流将是近似正弦波。2.1 交-直-交变频调速系统基本电路负载角/3的感性负载：与阻性负载输出电压相同与阻性负载输出电压相同回馈回馈2.1 交-直-交变频调速系统基本电路四种工作模式：a)三个功率开关导通；3V 0Db)两个功率开关+一个二极管导通2V 1Dc)一个功率开关+两个二极管导通1V 2Dd)两个或三个二极管导通0V 3Dor2D阻性负载只有a；/3的感性负载有b、c，其中c能量回馈电源；电机再生制动时只有d。2.1 交-直-交变频调速系统基本电路2.1.2 交-直-交电流型变频器特点特点一般情况下只可驱动单台交流电机；中间环节的滤波电感很大，可看做电流源；有源逆变实现容易，非常适于在大功率或需频繁启动、制动、正反转切换的场合应用。主电路结构主电路结构没有续流没有续流二极管二极管2.1 交-直-交变频调速系统基本电路等效电路结构等效电路结构2.1 交-直-交变频调速系统基本电路6 6拍换向律拍换向律表2-3 120导电型6拍换向律工作状态工作状态每种工作状态下被导通的开关管每种工作状态下被导通的开关管状态1060V1V6状态260120V1V2状态3120180V2V3状态4180240V3V4状态5240300V4V5状态6300360V5V62.1 交-直-交变频调速系统基本电路6 6拍换向律下逆变器的输出电流（以三相对称拍换向律下逆变器的输出电流（以三相对称负载为例）负载为例）表2-4 接均衡负载各状态下的线电流和相电流电流电流状态状态1状态状态2状态状态3状态状态4状态状态5状态状态6iAiBiCiABiBCiCA2.1 交-直-交变频调速系统基本电路图2-11 120导电型三相电流型逆变器的输出电流波形2.1 交-直-交变频调速系统基本电路谐波分析（以A线和AB相为例）：线电流与相电流中都存在（6k1）次谐波，尤其是5次、7次谐波对电机运行十分不利。由于电枢电路的低通滤波作用，电机电压将是近似正弦波。2.1 交-直-交变频调速系统基本电路再生制动：有源逆变只需将整流器的整流角调整到大于90的状态，并适当控制回馈功率即可。因此电流型逆变器可实现异步电动机的快速调整和频繁的四象限运行。2.2 交-直-交变压变频调速系统2.2 交-直-交变压变频调速系统VVVF类型及特点：l 转速开环转速开环恒压频比变压变频调速系统（可带低频电压补偿）速度控制精度较差；动态性能较差；一般只应用于风机、水泵等场合。l 转速闭环转速闭环转差频率控制变压变频调速系统 稳态速度控制精度很高；动态性能较好；与双闭环的伺服控制系统性能差距较大。控制方法基于稳态模型；控制电压曲线US=f(1,IS)只考虑了电流幅值，没有考虑电流与电压间的相位。原因：原因：2.2 交-直-交变压变频调速系统2.2.1 转速开环恒压频比变压变频调速系统控制结构图控制结构图图2-13 转速开环恒压频比变压变频调速系统结构框图2.2 交-直-交变压变频调速系统原理框图原理框图图2-14 转速开环恒压频比变压变频调速系统原理框图2.2 交-直-交变压变频调速系统2.2.2 转速闭环转差频率控制变压变频调速系统基本概念基本概念运动方程：系统的动态性能 因此，系统的动态性能就是控制转矩的能力。动态性能就是控制转矩的能力。恒磁通下的转矩方程：S较小时2.2 交-直-交变压变频调速系统 由 图2-15 恒m条件下转矩特性曲线2.2 交-直-交变压变频调速系统压频曲线：图2-16 不同定子电流时恒m控制所需压频曲线2.2 交-直-交变压变频调速系统转差频率控制律总结：1.在不同的定子电流时，按图2-16控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通m恒定（稳态）；2.在气隙磁通m恒定的条件下，在f1的时候，PWM进入过调制区。过调制将重新引入6k1次谐波，当m增大到一定程度的时候，PWM消失，变成6拍阶梯波输出形式。2.4 脉冲宽度调制技术死区效应：死区效应：通常情况下，开关器件的导通时间短，关断时间长；另外上下桥臂的PWM信号的传递通路的传输延时不可能完全一样。因此必须引入死区时间td，来避免上下桥臂的直通。即上下桥臂状态切换时，要导通的器件应滞后于要关断的器件一个死区时间td（通常为微秒级）。死区的引入会导致逆变器输出脉冲电压的伏-秒损失或增加，从而导致输出电压的基波产生畸变。尤其调制波幅值比较小时，死区效应引起的输出电压畸变（主要是幅值的损失）在总的输出电压中占的比重较大，严重影响系统的控制性能，必须进行适当的补偿。2.4 脉冲宽度调制技术 图2-28 单桥臂逆变器死区效应示意图分析可知：死区效应造成的输出电压伏-秒面积损失的大小只与电流的流向有关，而与电流的大小无关。死区补偿时只需根据电流流向和死区时间td的大小对输出电压进行补偿即可。注注：死区补偿的难点是电流方向的判断。2.4 脉冲宽度调制技术 图2-29 死区效应对输出相电压基波的影响2.4 脉冲宽度调制技术2.4.3 特定谐波消除PWM(SHEPWM)SHEPWM不是一种严格意义上的PWM，它只是应用特定数量、宽度和位置的负脉冲，来改善6拍阶梯波，以消除高次谐波中的特定频率谐波成分，并控制输出电压基波的幅值。图2-30 3种谐波消除PWM的相电压波形2.4 脉冲宽度调制技术原理：原理：2.4 脉冲宽度调制技术实现方法：实现方法：通常上面求解得到的1，2，k解析式复杂，不利于在线计算。因此实际中一般采用离线计算得到它们的曲线，在线采用查表方式获得它们的值。图2-31 5、7谐波消除PWM负脉冲角度曲线2.4 脉冲宽度调制技术存在的问题：存在的问题：（1）低频时，查询表内容会很大；（2）特定谐波消除的同时引起相邻较高次谐波幅值增加。采用混合PWM方法，即在低频区采用SPWM方法，在高频区采用SHEPWM。采用最小纹波电流PWM代替SHEPWM。2.4 脉冲宽度调制技术2.4.4 最小纹波电流PWM 前面讲的PWM技术的控制目标都是使逆变电路的输出电压基波成分尽量大，谐波成分尽量小。而输出电压基波最大化的最终目的是使输出电流尽量正弦化。因此计算总的电流纹波，让其最小化得到的1，2，k比SHEPWM更合理。纹波电流Iripple是1，2，k非常复杂的函数，还与电机漏感有关，在线计算几乎不可能实现，通常通过计算机离线进行迭代计算得到角度结果。此方法的显著缺点就是计算量很大，表格复杂；另一方面计算结果与电机漏感相关，电机漏感是很不稳定的参数，系统鲁棒性较差。2.4 脉冲宽度调制技术2.4.5 空间矢量PWM（SVPWM）SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）是以电压空间矢量合成的方式来控制电机磁通轨迹，具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高、适于数字实现等优点，广泛应用于高性能变频器和交流伺服驱动器中。具体内容将在第5章结合永磁同步电机的矢量控制进行讲解。2.4 脉冲宽度调制技术2.4.6 瞬时电流控制正弦PWM 采用电流反馈方式控制电动机的电流，使其跟踪电流指令。实质上是利用电流跟踪误差修改SPWM调制波的PWM技术。图2-34 瞬时电流控制SPWM的控制框图2.4 脉冲宽度调制技术优点：优点：直接对电流进行控制，电流直接影响磁链和转矩，有利于系统的高性能控制；而且该控制方法简单，实现容易，在基于SPWM的高性能逆变系统中应用较多。缺点：缺点：电流控制环ACR调节器带宽有限，导致实际电流相位滞后和一定的幅值误差，高频时尤其严重；电流控制环ACR的输出是正弦调制波上叠加了高频纹波，因此SPWM比较器会产生多次过零点，导致逆变电路开关频率增加，开关损耗升高。2.4 脉冲宽度调制技术2.4.7 滞环电流控制PWM 本质上是一种ACR增益无限大，且额外增加滞环区间的瞬时电流控制方法，属于Bang-Bang控制方法。在开关磁阻电机（SRM）、步进电机等驱动中经常用到。图2-35 滞环电流控制原理2.4 脉冲宽度调制技术图2-36 滞环PWM控制框图2.4 脉冲宽度调制技术优点：优点：直接对电流进行控制，动态响应快，可直接限制器件的最大电流，直流母线滤波电容较小。缺点：缺点：PWM频率不固定，不利于电流谐波的最优化处理，开关器件的开关损耗不容易控制；输出电流基波会有一个相位滞后，高速运行时尤其明显。2.4 脉冲宽度调制技术2.4.8 Sigma-Delta调制 是一种把高分辨率信号用脉冲密度调制编码为低分辨率信号的一种方法，多用于ADC/DAC中的噪声整形，属于信号处理的范畴，本门课不作介绍。2.5 谐振型变换器2.5 谐振型变换器问题：PWM逆变器有很多优点，但电力电子器件开关状态的切换是在高电压、大电流情况下进行的，开关损耗随开关频率的增加而迅速增加；另一方面大功率逆变电路的EMI问题也随开关频率的增加而越来越严重。解决方法：采用谐振直流环节逆变器，即利用谐振原理使PWM逆变器的直流母线端周期性地进入零电压或零电流状态，使电力电子开关在零电压或零电流的瞬间进行开关状态切换，又称为软开关技术。这样既解决了开关损耗问题，也大大降低了EMI。2.5 谐振型变换器2.5.1 谐振直流环节逆变器的基本原理以串联谐振电路串联谐振电路为例进行分析图2-38 串联谐振直流环节逆变器原理图2.5 谐振型变换器图2-39 串联谐振直流环节逆变器等效电路2.5 谐振型变换器忽略电路中的损耗和负载电流忽略电路中的损耗和负载电流 其中谐振角频率图2-40 忽略谐振槽路损耗及负载电流时的uC波形2.5 谐振型变换器考虑负载电流，但忽略电路中的损耗考虑负载电流，但忽略电路中的损耗 此电路还是一个无损电路，只要使电流i的初始状态为Id，电压还是可以震荡到零的。此时电流iL的波形只是向上抬升了Id。2.5 谐振型变换器考虑电路中的损耗，但忽略负载电流考虑电路中的损耗，但忽略负载电流 图2-40 考虑电路中的损耗，但忽略负载电流时的uC波形没有过零点2.5 谐振型变换器开关开关S Sr r的作用的作用 开关Sr是这个电路的关键，它存在的目的就是创造条件，让uC能周期性的回零。第一步：在uC回零时刻，导通Sr，使电感上的电流增加到阈值电流IL0。此阶段称为蓄能阶段，或者预充电阶段；第二步：电感上的电流增加到阈值电流IL0后关断Sr，利用电感中储存的能量抵消电路中消耗的能量，从而使uC安全回零。此阶段称为谐振阶段。考虑电路中的损耗考虑电路中的损耗+负载电流负载电流 只要控制开关Sr的通断，使每个谐振周期初始时刻的电流IL0足够抵消Id和电路损耗的影响即可，因此IL0Id。具体的IL0计算本课不做介绍。2.5 谐振型变换器 2.5 谐振型变换器串联谐振电路的缺点串联谐振电路的缺点（1）逆变器开关元件承受的电压约为直流电压的23倍，必须使用高耐压的功率开关器件，增加了系统的成本；（2）因为开关器件必须在零电压下切换开关状态才能实现零开关损耗，但此电路的零电压时刻是一个瞬间时间点，PWM的开关时刻很难与零电压时刻一致。为了克服上面的缺点，开发出并联谐振电路和结实型谐振电路。2.5 谐振型变换器2.5.2 谐振直流环节逆变电路举例并联谐振电路并联谐振电路2.5 谐振型变换器结实型谐振电路结实型谐振电路2.5 谐振型变换器 本课不再详细介绍这两种电路的工作过程分析，有兴趣的同学课下自己看书。这里只给出结论结论：这两种谐振电路最重要的改改进进就是：限制了谐振电压的峰值到Ud以内；将直流母线的零电压时刻由瞬间时间点改进为一段可控的时间区间，PWM的开关时刻很容易落在这个时间区间。谢谢！