【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 器調(diào)壓、六拍逆變器調(diào)頻的交 直 交變壓變頻器 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(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，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）。 ? 交 交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu) 圖 612 交 交（直接）變壓變頻器 交－交變頻 AC 50Hz~ AC CVCF VVVF 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(shuō)，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電路結(jié)構(gòu) VR VF Id Id + + a) 電路結(jié)構(gòu) 負(fù) 載 50Hz~ 50Hz~ u0 圖 613a 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 ? 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。 圖 613 b 方波型平均輸出電壓波形 t u0 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(gè)周期中，使控制角 ? 由 ?/2（對(duì)應(yīng)于平均電壓 u0 = 0）逐漸減小到 0（對(duì)應(yīng)于 u0 最大），然后再逐漸增加到 ?/2（ u0 再變?yōu)?0），如下圖所示。 2 A O ? t ? ? ? ? 0 ? 2 ? ? ? B C D E F u0 圖 614 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(shí) ， 半周中的平均輸出電壓即為圖中虛線所示的正弦波 。 對(duì)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 1OO23 456圖4 2 0uoio? t? t? 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(jiǎn)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(guò)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(guó)內(nèi)有些企業(yè)已有可靠的產(chǎn)品。 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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。其最高輸出頻率不超過(guò)電網(wǎng)頻率的 1/3 ~ 1/2，一般主要用于軋機(jī)主傳動(dòng)、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(dòng)時(shí)，可以省去龐大的齒輪減速箱。 近年來(lái)又出現(xiàn)了一種采用全控型開(kāi)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(dòng)，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。目前這類變壓變頻器尚處于開(kāi)發(fā)階段，其發(fā)展前景是很好的。 * 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(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) 逆變器逆變器Ld Id Cd Ud Ud + + a) 電壓源逆變器 b) 電流源逆變器 圖 615 電壓源型和電流源型逆變器示意圖 ? 電壓源型逆變器 （ Voltage Source Inverter 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(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(jiǎn)稱電壓型逆變器。 ? 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(jiǎn)稱電流型逆變器。 ? 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(lái)了明顯的差異 ，主要表現(xiàn)如下： （ 1）無(wú)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(wú)功功率的交換。濾波器除濾波外還起著對(duì)無(wú)功功率的緩沖作用，使它不致影響到交流電網(wǎng)。 因此，兩類逆變器的區(qū)別還表現(xiàn)在采用什么儲(chǔ)能元件（電容器或電感器）來(lái)緩沖無(wú)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(dòng)和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。 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(shuō)明電動(dòng)運(yùn)行和回饋制動(dòng)兩種狀態(tài)。 圖 616a 電流源型交 直 交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的兩種運(yùn)行狀態(tài) M 3~ + Ud Id Ld CSI α 90o 整流 ω1 ω 電動(dòng) Te ω 逆變 UCR a）電動(dòng)運(yùn)行 ? 電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài) P 當(dāng)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)， UCR的控制角 ? 90? ，工作在整流狀態(tài)，直流回路電壓 Ud 的極性為上正下負(fù)，電流 Id 由正端流入逆變器 CSI，CSI工作在逆變狀態(tài)，輸出電壓的頻率 ?1 ? ，電動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)速運(yùn)行，電功率的傳送方向如上圖 a所示。 圖 616b 電流源型交 直 交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的兩種運(yùn)行狀態(tài) M 3~ + Ud Id Ld CSI α 90o 有源逆變 ω1 ω 發(fā)電 Te ω 整流 UCR b）逆變運(yùn)行 ?逆變運(yùn)行狀態(tài) P ? 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 ? ，同時(shí)使 UCR的控制角 ? 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）。 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(dòng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。 必須制動(dòng)時(shí)，只得在直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)，或者與 UCR反并聯(lián)一組反向的可控整流器，用以通過(guò)反向的制動(dòng)電流，而保持電壓極性不變，實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。這樣做，設(shè)備要復(fù)雜多了。 性能比較（續(xù)） （ 3） 動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jiàn)下表 ） 。 性能比較（續(xù)） 表 61 兩種逆變器輸出波形比較 性能比較（續(xù)） （ 4）應(yīng)用場(chǎng)合 電壓源型逆變器屬恒壓源，電壓控制響應(yīng)慢，不易波動(dòng)，所以適于做多臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)行時(shí)的供電電源，或單臺(tái)電機(jī)調(diào)速但不要求快速起制動(dòng)和快速減速的場(chǎng)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(dòng)，但可以滿足快速起制動(dòng)和可逆運(yùn)行的要求 。 * 180186。導(dǎo)通型和 120186。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(gè)電力電子開(kāi)關(guān)器件 VT1 ~ VT6 組成的三相逆變器主電路，圖中用開(kāi)關(guān)符號(hào)代表任何一種電力電子開(kāi)關(guān)器件。 ? 三相橋式逆變器主電路結(jié)構(gòu) Cd VT1 VT3 VT5 VT4 VT6 VT2 A B C Ud 2 Ud 2 R L 圖 617 三相橋式逆變器主電路 ?控制方式 控制各開(kāi)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(kāi)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 180176。 導(dǎo)通型和120176。 導(dǎo)通型兩種換流方式。 （ 1） 180176。 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 180176。 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(kāi)關(guān)器件在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的區(qū)間是 180176。 ，其他各相亦均如此。由于每隔 60176。 有一個(gè)器件開(kāi)關(guān)，在 180176。 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(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通。 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(hào)，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(kāi)通信號(hào)。 死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短視器件的開(kāi)關(guān)速度而定，器件的開(kāi)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(jiàn)，設(shè)置死區(qū)時(shí)間是非常必要的，但它會(huì)造成輸出電壓波形的畸變。 ? 輸出波形 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 AO39。 u AO u AB i A i d u BO39。 u CO39。 u OO39。 U d U d 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 電壓型逆變電路的波形 （ 2） 120176。 導(dǎo)通型控制方式 120176。 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(kāi)關(guān)器件一次連續(xù)導(dǎo)通 120176。 ，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。 ? 電流型三相橋式逆變電路的輸出波形 t O t O t O t O I d i V i W u UV i U 返回目錄 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù) 本節(jié)提要 ? 問(wèn)題的提出 ? 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)） ? 問(wèn)題的提出 早期的交 直 交變壓變頻器所輸出的交流波形都是六拍階梯波（對(duì)于電壓型逆變器）或矩形波（對(duì)于電流型逆變器），這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)逆變器只能采用半控式的晶閘管，其關(guān)斷的不可控性和較低的開(kāi)關(guān)頻率導(dǎo)致逆變器的輸出波形不可能近似按正弦波變化，從而會(huì)有較大的低次諧波，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)分量，影響其穩(wěn)態(tài)工作性能，在低速運(yùn)行時(shí)更為明顯。 ? 六拍逆變器主電路結(jié)構(gòu) N39。N+UVW圖5 9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3