交流变频技术与变流器工作原理

3.2.1 转差频率控制
根据交流异步电动机的稳态运行时的参数关系式，调节定子电压、频率和 转差率，就能够调节转矩。
转差频率—电压控制的异步电动机，当定子频率足够大时，电压幅值随转矩 给定值的变化很小。此时通过直接控制电压来决定电动机的工作点非常不准确， 更好的办法是通过电流调节器进行校正（只能用于恒磁通运行区内）。
变流器模块：整流侧和逆变侧 IGBT变流器、 隔离驱动、电流检 测以及各种保护监测功能。
中间电容：储能，滤波。
3.1 .3 四象限脉冲整流器控制分析
四象限变流器交流电源侧等效电路如下，其中LN和RN分别为交流回路的电感 和电阻，UN为变压器次边电压矢量，IN为变压器次边电流的基波电流矢量，US为调 制电压的基波矢量，由电路知识可得到二次侧交流回路的矢量电压方程式为：
1.变流器分类及基本原理
1.1整流器
1.2逆变器
1.3斩波器
目
1.4周波变换器
2.变流关键技术
录
2.1 PWM技术
2.2 多重化技术 2.3 多电平技术
3.交直交变流器控制策略 3.1电压型四象限整流器控制策略 3.2逆变器控制策略
1.变流器分类 (a)整流器 ：将交流电能变换为直流电能 (b)逆变器 ：将直流电能变换为交流电能 (c)斩波器 ：将直流电能变换为直流电能 (d)周波变换器 ：将交流电能直接变换为交流电能
V2 0
V3
-Ud/2
V1、V2关断，V3、V4导通
V4 -Ud/2
1.4 三点式电路工作原理
+Ud/2 V1
V2 0
V3
V4 -Ud/2
UO
+Ud/2
V1
通
0
-Ud/2
断
断
V2
通
通
断
UO
V3
断
通
通
V4
断
断
通
3.交流机车主电路
交直交拓扑 电压型交直交变流器一般都包含有三个部分： ✓ 四象限脉冲整流器 ✓ 电压型的中间直流环节 ✓ VVVF逆变器
UC
入或（和）输出端通过变压
器串联或并联，各个变流器
以相同频率不同相位工作，
从而达到系统的高功率运行
UC
和输入输出谐波改善的一种
技术。
Ts
a
b
ct
Ts
i1 L
PWM 变流器
uo
i
I
us
i2 L
PWM 变流器
II
Iim sin(it )
0.5Ts
Ts
Ts
2.变流器关键技术简介
2.3 多电平技术 通过改进变换器自身拓扑结构来实现高压大功率输出的 技术，它无需升降压变压器和均压电路。
1.1整流器
1.二极管整流器 2.相控整流器
3.PWM整流器
Diode Bridge rectifier Thyristor Bridge rectifier
Full Bridge Converter
1.2逆变器
电压型逆变器
电流型逆变器
+
V1
V3
V5
Ud
V4
V6
V2
-
+
V1
V3
V5
Ud
多重化运行 ✓ 单相运行 ✓ 4至6重化运行
7200kW电力机车主电路图
CRH2型动车的三点式电压型交直交牵引变流器
过电压抑制 电阻器
直流电源侧
滤波电容
牵引变压器二次 侧单相交流电
DCPT1 DCPT2
电容预备充电 用电源
接地检测 过电压抑制 晶闸管单元
U V W
四台牵引电机
IM11
IM12
磁场定向控制基于直流调速系统的控制思想对异步电动机进行矢量解耦， 实现磁链、转矩独立调节，达到了与直流调速系统同样的动态响应，同时也带 来了新的难题，转子参数及变化规律难以测定
3.2.3 直接转矩控制方法
最新的直接转矩控制基于定子磁场定向，数学模型简单，定子参数及变化 规律易于测定，有更优良的动态响应；并且针对各种变流系统派生出各种控制 策略，完善了控制思想，也体现了其发展潜力。
1.4周波变换器
原理 ✓ 反并联三相桥 ✓ 依次滞后触发角
用途 ✓ 极大功率 ✓ 低频应用
1.5组合变流器
交直直变流器
整流器
交直交变流器
整流器
斩波器 逆变器
2.变流器关键技术简介 2.1 PWM技术 基本原理
2.变流器关键技术简介
2.1 PWM技术（pulse width modulation)
-
V4
V6
V2
1.2 逆变器 逆变技术的典型电路－ 单相电压型逆变电路
+ V1
Ud
-
V3
Ud
V2
～ uO uO
V4
V1V4开通
V1V4开通
V2V3开通
1.2 三相电压型逆变电路
Ud
612
234
456
561
123
345
+
V1
V3
V5
Ud
V4
V6
V2
-
uUN uVN uWN
1 3
Ud
2 3
Ud
180°导通角
UN = US + I NR N + jωLN I N （1）
3.1.3 四象限脉冲整流器控制矢量图
假设UN和US的相角为Φ，UN和IN的相角为θ，则用方程（1）表示牵引 工况的矢量图如图（a）所示。同样对于再生制动工况，该工况下的矢量图 如图（b）所示。
（a） 牵引工况
（b） 再生制动工况
3.1.3 四象限变流器控制的基本公式
直接转矩控制选择固定于定子绕组的坐标系，并以空间矢量的概念建立逆变 器输出的电压与定子磁链定向控制、电磁转矩控制的策略。控制系统中使用异步电 动机Γ型等效电路，其中已将漏抗归算到转子侧。
主要优点： ✓ 每个功率器件仅承受1/(n-1)的母线电压，可以采用低 压器件实现高压输出； ✓ 电平数的增加改善了输出电压波形，减少了电压波形 畸变率THD值 ✓ 可以较低开关频率获得高开关频率下两电平电路输出 电压波形。
1.4 两点式变流器和三点式变流器
+
V1
Ud
V4
-
简化图形
两点式电路
简化图形 三点式电路
1.3 降压斩波电路
uB T
VA
ton toff
L
Ud
B
VD
UO
uA
RL
iL
若电感和电容量足够大，电路进入稳态后，输出电压近似为恒定值 UO，电感储能在一个周期内增量和减量相等，
则
UO
ton T
U
d
d •Ud
u ton L dt T uL dt 0
0L
L ton
1.1 升压斩波电路
L
VD
✓ 基本定义：通过控制半导体开关器件的通断时间，在输出端获得 幅度相等而宽度可调的输出波（称PWM波形），从而实现控制输 出电压的大小、改善输出波形的一种技术。
✓ 常见方法： ➢ SPWM----正弦波脉宽调制 ➢ SVPWM----空间矢量脉宽调制
2.1 SPWM波形原理
u
面积相等
2π π
等效
uO
3.2.2 磁场定向控制
异步电动机在瞬间调速性能上与直流电动机可视为等效。 异步电动机磁场定向控制的基础在于，通过从定子参考系向磁场定向参考系的 坐标变换，把交流控制变量（定子参考系中的量）转换为直流量（磁场参考系中的 量），从而能够各自独立地进行控制。经过调节所得的两个新的控制变量（磁场参考 系中的直流量）通过逆坐标变换重新得到三相控制信号，在电压控制的变流器中，可 以把它作为PWM控制器的输入量。上述变换由实际值计算装置和控制变量计算装置执 行。
A
Ud
B
V C
uB
ton
UO
uA
RL
T iL
若电感和电容量足够大，电路进入稳态后，输出电压近似为恒定值UO， 电感储能在一个周期内增量和减量相等，
在toff区间，输出电压是由电源电压与电感叠加形成的，在ton区间，由 于V的短路，电感储能，输出电压由电容C稳定。
UO
T
T toff
Ud
1 1 d
•Ud
3.2.3 直接转矩控制
广义而言，直接转矩控制也属于磁场定向控制的范畴。它是在静止坐标系下 对异步电动机的定子磁链实行定向控制的同时，直接控制电磁转矩。基于不同技 术背景，先后有直接自控制、新型快速响应控制方法、直接转矩控制策略等。国 内许多学者将这些方法统称为直接转矩控制。
在电力牵引领域，直接自控制法最为成功，已体现出优越的性能。
在许多变速传动应用中，如电力机车一类的牵引传动，转矩的控制是必需的， 并不要求精确的速度控制。在这种应用场合，直接转矩自控制的优点很多，包括改 善动态响应性能，消除过电流，避免控制器参数随负载变化所造成的偏差。
直接转矩自控制方法是适应电压源逆变器有限的开关能力，把直接控制转矩和 直接控制磁通两者统一起来，通过逻辑处理，产生逆变器的开关指令。
IM13
可调三相交流电 WVU
IM14
3.1 电压型四象限脉冲整流器
由变流器和并联储能器构成，并按PWM方式工作，把交流能量变换为直 流能量的装置，称为脉冲整流装置。
四象限脉冲整流器对牵引变压器有一定要求：变压器必须有比较大的漏抗， 相当于在牵引变压器里集成了一个大的电抗器。
3.1.1 四象限脉冲整流器工作原理
这样做虽然增加了控制难度，但比相控整流对电网的不利影响要小的多， 更重要的是可以方便的实现回馈制动。
3.1.2 四象限脉冲整流器的构成
预充电电路：由交流接触器、功 率电阻组成及相应的控制回路。主 要功能是系统上电时，完成对直流 母线电容的预充电。避免上电时强 大的冲击电流烧坏功率模块。
输入电抗器：电动状态下起储能 作用，形成正弦电流波形。回馈状 态下，起滤波作用，滤掉电流波形 的高频成分。
当整流器电源短接回路开通时，牵引变压器内的电流没有经过负载，直接 从变压器的正极流入负极，相当于将电源短接了。此时变压器内的能量向电抗器 内转移，即流过电抗器的电流越来越大。当控制相应的开关元器件关断时，电抗 器两端就感应出一个很高的电压，这个电压和变压器的电压叠加起来，通过整流 回路向中间回路充电，这就是为什么变压器的次边电压等级低于中间回路，却能 向中间回路充电的原因。
1.4 三点式电路工作原理
+Ud/2 V1
V2பைடு நூலகம்0
V3
+Ud/2
V1、V2导通，V3、V4关断
V4 -Ud/2
1.4 三点式电路工作原理
+Ud/2 V1
V2 0
V3
V2、V3导通，V1、V4关断
实际V2、V3不会同时导通，取决 于负载电流的方向。
0
V4 -Ud/2
1.4 三点式电路工作原理
+Ud/2 V1
1.2 三相电流型逆变电路
+ Id
V5
V1
V3
V4
V6
V2
-
Id
12
34
56
61
23
45
iU Id -Id
iV
iW
120°导通角
1.2 逆变器电路构成
输出电抗作用：降低输出dv/dt，对电机起到一定的保护作用
1.3斩波器 基本原理
K
Ud
uO R
ton toff
T
UO
斩波器基本种类
降压斩波器 升压斩波器 升降压斩波器 PWM斩波器
π
2π
2.1 SPWM调制方式－双极型调制
uO
ug14 ug23 uuCR
三角载波 正弦调制波
2.1 SPWM调制方式－单极型调制
uO uuRC
三角载波 正弦调制波
只要改变调制波的频率即可变频 改变调制波的幅值，可得到不同的输出电压
2.变流器关键技术简介
2.2 多重化技术
➢ 以多个小功率变换器在其输
3.2.2 磁场定向概念
磁场定向控制是70年代初期出现的一种新的交流电动机闭环控 制原理。经多年发展完善，这种控制策略已广泛应用于牵引和工业 交流传动领域。
补偿直流电动机电流空间矢量与磁场矢量的关系如图3。电机电流ie（励磁 绕组电流）产生磁链Ψ，电流iA（电枢绕组电流）和iC（补偿绕组电流）与磁场 相互作用而产生转矩。其中定子电流空间矢量is=ie＋iA，转矩M≈iAΨ。根据磁 场Ψ的位置来决定定子电流is的两个分量ie和iC=－iA的方法，称为磁场定向。
异步电动机转差频率—电流控制系统，在恒磁场的基本速度区内，转矩 通过转差频率—电流控制来决定，而在磁场削弱区仅通过转差频率来决定。在 机械功率远大于损耗功率的区域，利用功率调节器对转矩控制加以补偿。
早期的转差-电流控制方法基于异步电动机的稳态数学模型，其动态性能 远不能与直流调速系统相媲美；之后出现了磁场定向控制。
PI
Im
Controller
i* 三角载波
i
uo
-
+
u
o
R
sin(t)
ui
PLL cos(t)
L
--
+
比 较
驱动
器 电路
3.2 逆变器及异步电机控制策略
直流电动机转矩闭环控制比较容易实现。 但是对于交流异步电动机这样复杂的、非线性的、多变量的控制对象， 而且笼型绕组结构中无法直接检测转子电流，控制起来就比较复杂。因此 高性能的交传系统，根据转矩生成的物理机理和数学表达式，除了直接采 用转矩作为反馈信号外，还可以结合磁通、转差频率或定子电流环，实现 转矩控制。 异步牵引电动机控制方法经历了转差频率控制、磁场定向控制和直接 自转矩控制三个发展阶段，其间又派生了许多发展分支。
由方程（1）和矢量图可知： ➢ 如果变压器次边电压UN和电感LN为已知量，那么只要控制了US 的幅值和相位，也就控制了IN的幅值和相位。 ➢ 反之，只要控制了IN的幅值和相位，也就控制了US的幅值和相 位，因此方程（1）是实现四象限变流器控制的基本公式。
uAB Uim sin(t) R Iim sin(t) L Iim cos(t)