第5章5.4变频调速系统中的功率变换器及PWM技术
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1、5.4 变频调速系统中变频调速系统中的功率变换器及的功率变换器及PWM技术技术南阳志联软件 变频调速系统：控制电路、主电路（功率变换器或变频器） 1. 功率变换的必要性 上面讨论的电压/频率协调控制，必须同时改变电机供电电源的电压幅值和频率，才能满足变频调速的要求。但交流电网的电源都是恒压恒频的，必须通过功率变换装置，才能获得变压变频的电源，这类用途的功率变换装置通称为变频器。 变频器的任务就是将电压和频率均固定不变的交流电源变换成两者均可调的交流电源。变频器是变频调速系统中最主要的部件。 2. 变频器的分类 根据变频方式的不同，变频器可分为直接变频器和间接变频器两大类型。 直接变频器：亦称交
2、交变频器，结构如图（a）所示，它直接将固定频率的交流电源电压变换成幅值和频率均可调的交流电压。AC-AC 间接变频器：亦称交直交变频器，结构如图（b）所示，它先通过整流器将固定频率的交流电源电压变换成平均值可调的直流电压，再通过逆变器将直流电压变换成幅值和频率均可调的交流电压。AC-DC-AC根据滤波器不同，间接变频器又可分为：电压源型变频器：电容滤波，变频电源近似于电压源电流源型变频器：电感滤波，变频电源近似于电流源下图所示为四种形式的交直交变频器：图（a）为电压源型变频器；图 (b)为电流源型变频器。 相相控控整整流流器器逆逆变变器器M M3 3相相控控整整流流器器逆逆变变器器M M3 3
3、逆逆变变器器M M3 3斩斩波波器器不不控控整整流流器器PWMPWM型型逆逆变变器器M M3 3不不控控整整流流器器（a）（a）（b）（b）（c）（c）（d）（d） 上图所示的这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。 具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如下图所示。交交-直直-交交PWM变压变频器变压变频器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器D
4、CACAC50Hz调压调频调压调频C 这种PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P- MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（SCR）。 这种PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点： 在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。 输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运
5、行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。 逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。 采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。 正弦波脉宽调制(SPWM)技术消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM)控制技术电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术 （1） PWM调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，一般以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulat
6、ion wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。 PWM调制原理调制原理 按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。 信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc单相桥式PWM逆变电路 VT1VT2VT3VT4如果在正弦调制波的半
7、个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。制方式。信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆变电路 VT1VT2VT3VT4图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud单极性单极性PWM控制方式控制方式如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。信号波载波图
8、6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆变电路 VT1VT2VT3VT4图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud模拟电子电路 采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制。数字控制电路 硬件电路 软件实现自然采样法只是把同样的模拟电子电路实现方法数字化， 自然采样法的运算比较复杂；规则采样法在工程上更实用的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB22 三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc 自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点
9、（即负峰点）重合 规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化 在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过 D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻 tA和B点时刻 tB控制开关器件的通断 脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近 由于PWM变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出口的电机控制用的8位、16位微机芯片和DSP。 载波比载波频率 fc与调制信号频率 fr 之比N，既 N = fc / fr 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化
10、情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。 异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。 通常保持 fc 固定不变，当 fr 变化时，载波比 N 是变化的； 信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称； 当 fr 较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小； 当 fr 增大时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。 同步调制N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。 基本同步调制方式，fr 变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定； 三相电路中公用一个三角波
11、载波，且取 N 为3的整数倍，使三相输出对称； 为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数； fr 很低时，fc 也很低，由调制带来的谐波不易滤除； fr 很高时，fc 会过高，使开关器件难以承受。ucurUurVurWuuUNuVNOtttt000uWN2Ud-2Ud 把 fr 范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同； 在 fr 高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高； 在 fr 低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低；00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr /Hzfc /kHz 可在低频
