第5章 PWM逆变器控制技术

现代电力电子技术 Modern Power Electronics
教案编写：
授课教师：
肖强晖
肖强晖
廖无限
第5章 PWM逆变器控制技术
• • • • • • §5.1 §5.2 §5.3 §5.4 §5.5 §5.6 引 言 PWM逆变器主电路 PWM逆变器的控制技术 PWM逆变器的主要性能指标 PWM逆变器用于驱动异步电机 PWM逆变器用于不间断电源（UPS）
§5.1 引
言
逆变的概念 逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，为无 源逆变。 逆变技术应用 在3×220V低压变频器的应用中，逆变器容量达到300kVA 以上； 在中压（10kV以下）变频器中，逆变器可达7500kVA； 在不间断电源（UPS）的应用中，逆变器容量达1000kVA； 在电力机车牵引电气传动应用中，逆变器可达1500kW； 在铁道运输应用中，110VDC/3×220V逆变器的容量可达 600kVA； 几乎渗透到国民经济的各个领域。
逆变技术发展 随着电力半导体器件、高频PWM控制技术、微电子技术和 微处理器技术的迅速发展，推动着PWM高频逆变器技术的发 展与应用。 由于PWM控制技术、现代控制理论、微控制器技术和电机 控制专用DSP技术等普及及应用，PWM高频逆变器向全数字化、 智能化方向发展。 PWM逆变器分类 单相逆变器适用于中、小功率应用场合；三相逆变器适用 于中、大功率应用场合。 PWM逆变器按电路结构的不同又可划分为半桥式、全桥式、 推挽式等； 按输出波形的特点可划分为正弦波和非正弦波逆变器； 按输入（直流）电源的特点划分为电压型、电流型和谐振 环型逆变器。 本章分析三相全桥电压型PWM高频逆变器控制技术。
V1 (t ) 为输出相电压的基波分量
② 输出相电压谐波畸变率THD
V 1 Vn
V 1 THD h V1 V1
n 2
Vn

2
分别为相电压基波和n次谐波电压的有效值
5. 输出电压的静态稳定度 对于中、小功率等级逆变器输出电压的静态控制精度， 其典型值为±2%～±3%；对于中、大功率等级逆变器，其 典型值为±1%。 6. 输出电压的动态特性 对于小功率等级逆变器，其输出电压动态波动值应小于 ±6%～±8%（典型值）； 对于中、大功率等级逆变器，其输出电压动态波动值应小于 ±5%（典型值）。 上述电压波动值应在10～30ms内恢复到稳定值（典型值为 20ms）。
§5.2 PWM逆变器主电路
主电路包括直流侧滤波电容、均压电阻、三相IGBT-PWM全桥电 路、缓冲吸收回路、交流侧输出滤波电路、以及交流输出电压、 电流检测电路和直流侧电压检测电路等几个部分。在电压型交 -直-交变流器中，直流侧是作为输入端变流器的整流器和作为 输出端变流器的PWM逆变器之间的联接纽带，一般称之为中间 回路。
§5.5 PWM逆变器用于驱动异步电机
应用原因
由于异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参 数系统，难以直接、准确地控制电磁转矩。
通过转子磁链这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从 静止坐标系到旋转坐标系的坐标变换，就可以将定子电流 分解出相互独立的励磁电流分量和转矩电流分量。 由于这两个分量是直流量（标量），所以可方便地进行 独立控制。
§5.6 PWM逆变器用于不间断电源（UPS）
以爱克赛公司（Exide）生产的9305系列中功率UPS产品（7.5～ 60kVA）为例，说明在采用了三相电压型PWM逆变器控制技术后 UPS的输出特性。
① 输出电压的静态特性 9305系列UPS产品的输出电压静态控制精度为380V±1%； ② 输出电压的动态特性 输出电压动态波动值<±3%（7.5～15kVA）或±5%（20～ 60kVA）（0↔100%负载）；并且1ms恢复到输出电压的稳定值； ③ 输出频率特性 频率控制精度为0.1‰；允许的市电同步跟踪范围为 50Hz±4%； ④ 输出电压的谐波畸变率 带线性负载时，输出电压的谐波畸变率小于2%； 带100%非线性负载时，其谐波畸变率小于5%。
通过坐标变换后重构的电机模型就可等效成一台直流电 机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁链控制。
转子磁链定向矢量控制的基本原理 交流电机的电磁转矩一般和定、转子旋转磁场及其夹角有 关。因此，要控制其电磁转矩，必须先检测和控制交流电 机的磁链。 磁链检测方法 在转子磁链定向矢量控制系统中，一般将（ d q ）坐标系放在 同步旋转的转子磁链上，从而把静止坐标系中的各交流量转化 为旋转坐标系中的直流量（标量），并且通过动态控制使得 d 轴与转子磁链空间矢量方向重合，此时转子磁链 q 轴分量为零 （ rq 0 ）。
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思考与练习五
• 5.1 试分析三相PWM逆变器的实际应用主电路。它有哪 几个部分组成？各自起到什么作用？ • 5.2 试说明PWM逆变器有哪两种主要的控制方式？各自 具有什么样的技术特点？ • 5.3 试说明PWM逆变器的分相电压SPWM控制原理。 • 5.4 试说明PWM逆变器的电压空间矢量PWM控制原理。 • 5.5 试说明PWM逆变器的主要性能指标有哪些?
2 1 Vn DF 2 V1 n 2,3, n 1 2
DFn
Vn V1 n 2
第n次谐波DF
4. 输出电压谐波畸变率THD(Total Harmonic Distortion ) ① 输出相电压谐波有效值为
Vh 1 2 V ( t ) V ( t ) dt 1 T T
§5.3 PWM逆变器的控制技术
对于电压型PWM逆变控制方式而言，常用的有分相电压 SPWM控制、空间矢量PWM控制（SVPWM）、预测电压PWM 控制等。
1. 分相电压SPWM控制
基本控制原理：对PWM逆变器的三相输出电压 分别进行电压SPWM控制，然后在输出端合成三 相输出正弦波电压。
分相电压SPWM控制技术的特点 ① 对RLC线性负载能够很好地输出三相正弦波电压； ② 对非线性负载如不可控整流负载，其输出电压波形会发 生畸变，表现为正弦波的波头位置产生电压跌落，使得输出电 压波形近似为梯形波，从而使星型连接的三相输出中性点对地 电位的电压提高。此时应该对非线性负载进行有效的补偿控制， 使输出电压波形保持为正弦波； ③ 三相输出电压的对称性可控制为 三相相电压幅值差≤±1%（带三相平衡非线性负载）； ±3%（带100%的三相不平衡非线性负载）； 三相相电压相位移差≤±1º （带三相平衡非线性负 载）；±2.5º （带100%的三相不平衡非线性负载）。
§5.4 PWM逆变器的主要性能指标
1. 直流侧电压的利用率 k u 定义为交流侧输出线电压峰值（ 的比值
ku
3Vm ）与直流侧电压平均值V dc
3V m V dc
2. 最低次谐波LOH（Lowest-order harmonic） 最低次谐波定义为与输出电压基波最接近的谐波。 3. 畸变因数DF（Distortion factor） 为了表征经过二次滤波后谐波产生波形畸变的程度，引入畸变 因数。畸变因数定义为
7. 三相输出电压的对称性 ① 三相输出相电压幅值差，一般可以做到≤±1%～±3%； ② 三相输出相电压相位移差，一般可达到≤±1º ～ ±2.5º 。
8. 输出电压的频率特性 中、小功率等级PWM逆变器频率控制精度的典型值为2‰ （相对额定频率值）， 中、大功率等级逆变器的典型值可达到为0.1‰～1‰ （相对额定频率值）的范围。 利用上述性能指标就可以比较科学地评价PWM逆变电路的 质量。对于逆变装置或系统来说，还需增加逆变效率、 单位重量（或体积）输出功率及可靠性等性能指标。
⑤ 带三相不平衡负载能力 带100%不平衡负载时，三相相电压幅值差为±1%（典 型值）；三相相位移差为<±2°（典型值）； ⑥ 输出过载能力 125%过载时，可以持续带负载10分钟；150%过载，30 秒；大于150%过载，5秒； ⑦ 系统效率 系统的运行效率高达94%，由于9305系列UPS采用双 PWM变流器技术，因而可以估计逆变器的运行效率约为 96%左右。
• 实际上，在PWM逆变器主电路中还必须设置一些必要的 保护措施： • ① 交流输出电压的过压保护（锁死保护）； • ② 交流输出电压的欠压保护（回差保护）； • ③ 交流输出电流的过流保护（锁死保护）； • ④ 交流输出电流的过载保护（锁死保护）； • ⑤ 直流侧电压的欠压保护（回差保护）； • ⑥ 直流侧电压的过压保护（锁死保护）； • ⑦ IGBT模块的过温保护（回差保护）等。
2. 电压空间矢量PWM控制
基本控制原理：在一个开关周期Ts中，用相邻的两个 有效电压开关矢量的平均值等效在此开关周期中三相 输出电压合成矢量的给定值，同时对称地插入零矢量 作用时间。
• 电压空间矢量PWM控制技术的特点 • ① 具有容易实现交流侧输出相电压正弦化和直流侧电 压的利用率高等优点； • ② 三相输出电压的对称性控制容易，不论平衡非线性 负载还是不平衡非线性负载，均可以控制为 三相相电压幅值差≤±1%；三相相电压相位移差 ≤±2º 。 • ③ 能够有效地优化开关序列，降低系统的开关损耗， 提高系统的效率； • ④ 由于开关频率固定，交流侧输出滤波电路容易设计； • ⑤ 实现DSP数字控制方案极为容易。
器件选用 IGBT-PWM全桥电路中的6个IGBT管选用1200V耐压的新型 NPT-IGBT器件； 直流侧滤波电容C1和C2选用450VDC耐压的电解电容器； R1和R2是均压功率电阻，以保持C1和C2上的电压均衡； C3和C4是高频滤波电容器，选取500V或600V的耐压值； Rf、Cf和Df组成了IGBT的缓冲吸收回路，Rf采用无感功率 电阻，Cf采用1200V的无感吸收电容，Df选用快恢复二极管。