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  交流电机驱动 概 述 异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化,调速范围宽,无论是高速还是低速时效率都较高,在采取一定的技术措施后能实现高动态性能,可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广。 1. 交-直-交变压变频器 从整体结构上看,电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流,再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流,如下图所示。 交-直-交变压变频器基本结构 由于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-直-交PWM变压变频器基本结构 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: (1)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。 (2)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。 (3)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。 (4)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。 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),并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器,见下图。 普通交-直-交变压变频器的基本结构 2. 180o导通型和120o导通型逆变器 交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路,以便输出三相交流变频电源,下图为6个电力电子开关器件VT1 ~ VT6 组成的三相逆变器主电路,图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。 三相桥式逆变器主电路结构 控制方式 控制各开关器件轮流导通和关断,可使输出端得到三相交流电压。在某一瞬间,控制一个开关器件关断,同时使另一个器件导通,就实现了两个器件之间的换流。在三相桥式逆变器中,有180°导通型和120°导通型两种换流方式。 (1)180°导通型控制方式 同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器称作180°导通型逆变器。 例如,当VT1关断后,使VT4导通,而当VT4关断后,又使VT1导通。这时,每个开关器件在一个周期内导通的区间是180°,其他各相亦均如此。由于每隔60°有一个器件开关,在180°导通型逆变器中,除换流期间外,每一时刻总有3个开关器件同时导通。 但须注意,必须防止同一桥臂的上、下两管同时导通,否则将造成直流电源短路,谓之“直通”。为此,在换流时,必须采取“先断后通”的方法,即先给应关断的器件发出关断信号,待其关断后留一定的时间裕量,叫做“死区时间”,再给应导通的器件发出开通信号。 死区时间的长短视器件的开关速度而定,器件的开关速度越快时,所留的死区时间可以越短。为了安全起见,设置死区时间是非常必要的,但它会造成输出电压波形的畸变。 输出波形 (2)120°导通型控制方式 120°导通型逆变器的换流是在不同桥臂中同一排左、右两管之间进行的。 例如,VT1关断后使VT3导通,VT3关断后使VT5导通,VT4关断后使VT6导通等等。这时,每个开关器件一次连续导通120°,在同一时刻只有两个器件导通,如果负载电机绕组是Y联结,则只有两相导电,另一相悬空。 电流型三相桥式逆变电路的输出波形 3 变压变频调速系统中的脉宽调制 (PWM)技术 本节提要 问题的提出 正弦波脉宽调制(SPWM)技术 3.1 问题的提出 早期的交-直-交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波(对于电压型逆变器)或矩形波(对于电流型逆变器),这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管,其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化,从而会有较大的低次谐波,使电机输出转矩存在脉动分量,影响其稳态工作性能,在低速运行时更为明显。 六拍逆变器主电路结构 六拍逆变器的谐波 为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能,在出现了全控式电力电子开关器件之后,科技工作者在20世纪80年代开发了应用PWM技术的逆变器。 由于它的优良技术性能,当今国内外各厂商生产的变压变频器都已采用这种技术,只有在全控器件尚未能及的特大容量时才属例外。 3.2 正弦波脉宽调制(SPWM)技术 3.2.1. PWM调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形,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(Modulation 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。 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。 3.2.2 SPWM控制方式 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SPWM波也只处于一个极性的范围内,叫做单极性控制方式。 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。 单相桥式PWM逆变电路 (2)双极性PWM控制方式 3.3 PWM控制电路 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。 模拟电子电路 数字控制电路 自然采样法——只是把同样的方法数字化, 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。 (1)自然采样法原理 (2)规则采样法 规则采样法原理 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(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 规则采样法原理 正弦调制信号波 式中,M 称为调制度,0 ≤a

  1;?r为信号波角频率。从图中可得 因此可得 三角波一周期内,脉冲两边间隙宽度 根据上述采样原理和计算公式,可以用计算机实时控制产生spwm波形,具体实现方法有: 查表法——可以先离线计算出相应的脉宽d 等数据存放在内存中,然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。 实时计算法——事先在内存中存放正弦函数和tc /2值,控制时先查出正弦值,与调速系统所需的调制度m作乘法运算,再根据给定的载波频率查出相应的tc /2值,由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。 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。 3.4 pwm调制方法 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情况,pwm调制方式分为异步调制和同步调制。 (1)异步调制 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; 在信号波的半周期内,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 增高时,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。 (2)同步调制 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。 (3)分段同步调制 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; 分段同步调制方式 (4)混合调制 可在低频输出时采用异步调制方式,高频输出时切换到同步调制方式,这样把两者的优点结合起来,和分段同步方式效果接近。 3.5 pwm逆变器主电路及输出波形 图17为三相pwm波形,其中 uru 、urv 、urw为u,v,w三相的正弦调制波, uc为双极性三角载波; uun’ 、uvn’ 、uwn’ 为u,v,w三相输出与电源中性点n’之间的相电压矩形波形; uuv为输出线电压矩形波形,其脉冲幅值为+ud和- ud ; uun为三相输出与电机中点n之间的相电压。 谢 谢! (1)单极性pwm控制方式 图10 单极性波形 图11 双极性波形 图12 模拟电路 图13 自然采样法 图14 规则采样法 图15 分段调制方式 图16 三相桥式pwm逆变器主电路原理图 调制 电路 v 1 v 2 v 3 v 4 vd 1 vd 2 vd 3 vd 4 u c v 6 vd 6 v 5 vd 5 v u w n n c + c + u ru u rv u rw 2 u d 2 u d vt1 vt4 vt3 vt6 vt5 vt2 图17 三相桥式pwm逆变器的双极性spwm波形 u uun’ o w t o o o o ud 2 -ud 2 uvn’ uwn’ uuv uun w t w t w t w t o w t uru urv urw uc ud 2 3ud 2 * * 图1 交-直-交(间接)变压变频器 变压变频 (vvvf) 中间直流环节 恒压恒频 (cvcf) 逆变 dc ac ac 50hz~ 整流 图2 交-直-交pwm变压变频器 变压变频 (vvvf) 中间直流环节 恒压恒频 (cvcf) pwm 逆变器 dc ac ac 50hz~ 调压调频 c scr可控 整流器 六 拍 逆变器 dc ac ac 50hz~ 调频 调压 图3 可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器 cd vt1 vt3 vt5 vt4 vt6 vt2 a b c ud 2 ud 2 r l 图4 三相桥式逆变器主电路 t o t o t o t o t o t o t o t o a) b) c) d) e) f) g) h) u ao u ao u ab i a i d u bo u co u oo u d u d 2 u d 3 u d 6 2 u d 3 图5 电压型逆变 电路的波形 t o t o t o t o i d i v i w u uv i u 图6 电流型逆变电路波形 图7 vt1~vt6――主电路开关器件 vd1~vd6――续流二极管 vt3 vt5 vt4 vt6 vt2 vt1 图8 pwm调制原理 图9 单相桥式pwm逆变电路 vt1 vt2 vt3 vt4