电力电子变频器及PWM控制原理

（2）换流时不能插入死区，以防止感性负载与线路分 布电感由于开路而感应瞬时高电压，威胁功率器件安全， 因此三组开关也不能同时断开。也就是说，既不允许两组 开关同时导通，也不允许有切换死区，所以必须有严格的 逻辑控制。
2.1.2 矩阵式交-交变频器

u1 ~
VT1p is1 VT1n iL R
2.1.2 矩阵式交-交变频器

1. 电路结构
K1
三相输入
L
a
C
TA1
b
c
TA2
A
K2 控制电源
n 输入电压 检测变压器
B
~ ua ~ ub ~ uc a SAa SAb b SAc c A uCA uAB B uBC C
TA3
C
图2-4 矩阵式交-交变频器的主电路
SBa
2. PWM控制方式
它是把变压（VV）与变频（VF）集中于逆变器完成，即前面为 不可控整流器，中间直流电压恒定，而后由逆变器同时完成变压与
变频，逆变器采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）的方式，
简称PWM控制方式。
2.2 交-直-交变频器

交-直-交变频器根据不同的标准进行分类，如下所示：
wt

uo
O
wt
io
O 1 2 图4-20 3 4 5 6
wt
u I = U dm cos I

设期望的A相输出电压为
u A = U Am sinwt
则该电压应由整流组I与整流组IV切换提供， I组供电电压为
u I = U dm cos I
称作周波变换器(Cycloconveter）。
CVCF VVVF
AC 50Hz~
交－交变频
AC
2.1 交-交变频器

整流器组合式 交 -交 变频器
矩阵式
常用的交-交变压变频器输出的每一相都是 一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并 联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于 一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路。
Id
逆 变 器
电压源型和电流源型逆变器示意图
2.2.1 交-直-交电压源型变压变频器


交-交变频器 交-直-交变频器 PWM控制基础
PWM控制技术
三相PWM专用集成电路 单片机和DSP用于PWM信号生成 转速开环的U/f控制变频调速系统 转速闭环转差频率控制的变频调速系统
2.1 交-交变频器

交-交变频器直接把恒压恒频（Constant Voltage Constant Frequency，简称CVCF）的交流电源变换成变压变频 （VVVF）的交流电源，又称为直接变频装置。有时也

在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电 源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类. 两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波 器。下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。
a) 电压源逆变器 b) 电流源逆变器 +
Ld
+
Ud -
Cd
逆 变 器
Ud -
统的正常工作；
（4）由于电路构成的特点，所用晶闸管元件数量较多，设 备庞大。

鉴于以上各方面的特点，交-交变频器特别适用于 低速、大容量的调速系统，如轧钢机、球磨机、 水泥回转窑等。这类机械由交-交变频器供电的低
速电机直接拖动，可以省去庞大笨重的齿轮减速
箱，极大地缩小装置的体积，减少日常维护，提 高系统性能。 这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装 置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内 有些企业已有可靠的产品。
第二章 电力电子变频器及 PWM控制原理
概

述
对于异步电机的变压变频调速，必须具备能 够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网 提供的是恒压恒频的电源，因此应该配臵变压变 频器，又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装臵。 基本原理简单，易于理解，发展历程却非易事 旋转变流机组
矩阵式交-交变频器的简 化结构如图2-6所示。对于 任意一组三相输入电压ui， 通过按一定规律控制矩阵 式主电路开关元件，就可 以合成所需要的输出电压， 输出电压可表示为：
u A S Aa u = S B Ba uC S Ca S Ab S Bb S Cb S Ac u a u S Bc b S Cc u c
SCa
SBb
SBc
SCb
SCc
2.1.2 矩阵式交-交变频器

2. 安全换流策略 为了保证MC的输入电流和输出电压都是正弦波，对9组 双向开关都实行PWM控制。在矩阵式变频器中功率器件 的安全换流比传统变频器中要困难得多，连接同一相输出 的任意两组双向可控开关之间进行切换时必须满足： （1）换流时确保连接同一输出相的各输入相双向开关 不能同时导通，否则将造成输入两相短路；

综上所述，矩阵式交-交变频器具有以下特点： （1）结构紧凑，效率高，相当于一台取消了大容量贮能 元件的双PWM变流器； （2）输入相电流相位可控，能够实现功率因数为1或超前 的功率因数，因而具有类似同步电动机的无功补偿性能； （3）可以输出正弦负载电压，且输出电压频率和幅值宽 范围连续可调，特别是输出频率可高于基频，克服了整流 器组合式交-交变频器只能在基频以下调速的不足； （4）能够实现能量双向流动，便于电动机实现四象限运 行。
a SAa SBa SCa SAb SBb
b SAc SBc
c
A uCA uAB B uBC C iA M 3 ~
iB
iC
SCb
SCc
图2-6 矩阵式交-交变频器的简化结构

在纯电阻性负载下，MC的最高输出频率可达300Hz以上，在电动机 负载下，也能达到额定频率以上，但最高输出电压有一个限制。当要 求输出电流为正弦波并采用高频调制时，最高输出电压为输入电压的 0.866倍。
方波中存在的高次谐波使电动机的低速转矩脉动
大、转动不均匀、损耗及噪声增大。 因此，方波
型交-交变频器在异步电动机的调速中应用较少，常用于
无换向器电动机的调速系统及超同步串级调速系统中。

2. 调制控制方式
要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装
置导通期间不断改变其控制角。
III
V
A
IV B
O
VI
C
II
给定
函数 发生器 压频变换
电压 调节
电流 调节 环形计数器
移相 移相脉冲 控制 选组脉冲
逻 辑 控 制
去 触 发 器
图2-2 三相整流器组合式交-交变频器主电路

交-交变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中
间直流环节，但所用元件数量更多，设备相当庞大。
VF
负 载 u0
-Id +
VR
~ 50Hz
u0
~ 50Hz
正组通
正组通 反组通 反组通
t
2.1.1 整流器组合式交-交变频器

单相整流器组合式交-交变频器
正组 反组
～
负 载
uL
～
图2-1 单相交-交变频器主电路
三相？

电流 测量
电压 测量
I
2.1.1 整流器组合式交-交变频器

1. 整半周控制方式
基本结构
+ Id
正、反两组按一定周期 相互切换，在负载上就获 得交变的输出电压 u0 ， u0的幅值决定于各组可控 整流装置的控制角 ，u0 的频率决定于正、反两组 整流装置的切换频率。如 果控制角一直不变，则输 出平均电压是方波，如右 下图所示。
正弦输出电压大小相同，相位上互差 120 ，各整流组的控制 角必须按照本相输出电压的要求运算获得。

3.交-交变频调速的基本特点
（1）功率开关元件在电网电压过零点自然换相，对元件无 特殊要求，可采用普通晶闸管； （2）易于实现电机的四象限运行； （3）交-交变频器最高输出频率一般不超过电网频率的 1/3~1/2，否则输出波形畸变太大，将影响变频调速系
同理，当iL<0时，由状态1经过4、8、6到2也能实现安全换流。对于 其他输出相也同样可以找出类似的安全换流次序。当要关断的器件被要 开通的器件施以反压时，可实现零电流开关。这种情况发生的概率只有 50%，所以这种换流策略又称为半软换流策略。

3.输出电压
n ~ ua ~ ub ~ uc
概

述
随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，变频调速 技术随之取得了日新月异的进步。人们从不同的工业生产 需要出发，从不同的角度研究变频调速的实现技术，从而 产生了多种不同结构和性能的变频调速装置。 交-交变频器 电力电子
变频器
交-直-交变频器
电压源型
电流源型
本章提要
恒压恒频 (CVCF)
中间直流环节
变压变频 (VVVF)
AC ~ 50Hz
整流
DC
逆变
AC
Hale Waihona Puke 2.2 交-直-交变频器
交 - 直 - 交型变频器的控制方式根据变压与变频是否同时进行可分
为两种：
1. PAM控制方式 它是把变压（ VV ）与变频（ VF ）分开完成，前面的环节用来改 变直流电压的幅值，后面的环节用来改变逆变器输出的频率，这种 分别控制直流电压幅值和交流输出频率的方法称为脉冲幅值调制方 式（Pulse Amplitude Modulation）方式，简称PAM控制方式；
u IV = U dm cos IV
式中，Udm 是整流组输出的最高直流电压。 当I组开放时，
uA = uI
即
U Am sin wt =U dmcos I
于是
U Am I = arccos( sin wt ) U dm
IV = I
对于三相交-交变频器，B、C两相的期望输出电压应与A相的
例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角 由
/2（对应于平均电压 u0 = 0）逐渐减小到 0（对 应于 u0 最大），然后再逐渐增加到 /2（ u0 再变 为0），如下图所示。

输出电压波形
=

2
=0
u0
=

2
A B
0
C D E F
图2-3 正弦波交-交变压变频器的输出电压波形
MC是开关性质的变换器，其输入电流和输出电压都不可避免地有谐 波，但由于自关断器件在高频SPWM状态下工作，谐波的阶次较高， 故只需在输入、输出端附加很小的LC滤波器，就能显著地改善输入 电流和输出电压波形。由于采用了自关断器件，可以使输入电流的相 移因数（基波功率因数cosφ1）为任意指令值。
2.1.2 矩阵式交-交变频器

如果原始状态是表2-1中的 第1种开关状态，即VS1正 反向都能导通，那么直接 切换到第2种开关状态是不 行的，因为这样会造成电 源短路。但当iL>0时，经 过状态3、7、5，再切换到 状态2则始终是安全的；
1 2 3 4 5 6 7 8
表2-1 4个单向开关的允许组合 VS1p VS1n VS2p VS2n iL方向 1 1 0 0 + 0 0 1 1 + 1 0 0 0 + 0 1 0 0 0 0 1 0 + 0 0 0 1 1 0 1 0 + 0 1 0 1 -

思考题： 1.矩阵式交-交变频器的输出电压与输入电压有
何关系？
2. 矩阵式交-交变频器的特点是什么？
2.2 交-直-交变频器

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。
u2 ~
VT2p is2 VT2n uL L
(a)
(b)
图2-5 矩阵式变频器的双向开关 (a)开关单元 (b)接到同一相负载的两组双向开关
要保证输入电压不短路，则VT1p、VT2n不能同时导通， VT2p、VT1n也不能同时导通；要满足输出不能突然开路， 则四个单向开关中至少有一个处于导通状态，满足这些 要求的开关组合共有8种，列于表2-1。