交流變頻技術(shù)與變流器工作原理課件

1、交流變頻技術(shù)與變流器工作原理雙擊修改標(biāo)題文字株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司雙擊修改標(biāo)題文字交流變頻技術(shù)與變流器工作原理雙擊修改標(biāo)題文字株洲南車時(shí)代電氣1.變流器分類及基本原理2.變流關(guān)鍵技術(shù)3.交直交變流器控制策略目錄1.1整流器1.2逆變器1.3斬波器1.4周波變換器3.1電壓型四象限整流器控制策略3.2逆變器控制策略2.1 PWM技術(shù)2.2 多重化技術(shù)2.3 多電平技術(shù)1.變流器分類及基本原理2.變流關(guān)鍵技術(shù)3.交直交變流器控制1.變流器分類(a)整流器 ：將交流電能變換為直流電能(b)逆變器 ：將直流電能變換為交流電能(c)斬波器 ：將直流電能變換為直流電能(d)周波變換器 ：將交流電能直

2、接變換為交流電能1.變流器分類(a)整流器 ：將交流電能變換為直流電能1.1整流器1.二極管整流器2.相控整流器3.PWM整流器1.1整流器1.二極管整流器1.2逆變器電壓型逆變器電流型逆變器Ud+-V1V2V3V4V5V61.2逆變器電壓型逆變器Ud+-V1V2V3V4V5V6uOUd+-UduOV1V2V3V4V1V4開通V2V3開通V1V4開通1.2 逆變器 逆變技術(shù)的典型電路 單相電壓型逆變電路uOUd+-UduOV1V2V3V4V1V4開通V2V3開UdUd+-V1V2V3V4V5V6uWNUduUN31UduVN23180導(dǎo)通角6121232343454565611.2 三相電壓型

3、逆變電路UdUd+-V1V2V3V4V5V6uWNUduUN31UdId+-V1V2V3V4V5V6Id120導(dǎo)通角IdiUiViW122334455661-Id1.2 三相電流型逆變電路Id+-V1V2V3V4V5V6Id120導(dǎo)通角IdiUi1.2 逆變器電路構(gòu)成輸出電抗作用：降低輸出dv/dt，對(duì)電機(jī)起到一定的保護(hù)作用 1.2 逆變器電路構(gòu)成輸出電抗作用：降低輸出dv/dt，對(duì)1.3斬波器基本原理斬波器基本種類降壓斬波器升壓斬波器升降壓斬波器PWM斬波器UduOKRUOtontoffT1.3斬波器基本原理UduOKRUOtontoffTuB若電感和電容量足夠大，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，輸出電壓近

4、似為恒定值UO，電感儲(chǔ)能在一個(gè)周期內(nèi)增量和減量相等，UdVRLUOTVDLABuAtontoffiL則1.3 降壓斬波電路uB若電感和電容量足夠大，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，輸出電壓近似為恒定若電感和電容量足夠大，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，輸出電壓近似為恒定值UO，電感儲(chǔ)能在一個(gè)周期內(nèi)增量和減量相等，在toff區(qū)間，輸出電壓是由電源電壓與電感疊加形成的，在ton區(qū)間，由于V的短路，電感儲(chǔ)能，輸出電壓由電容C穩(wěn)定。RLUOuBUdVVDLABCTuAtoniL1.1 升壓斬波電路若電感和電容量足夠大，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，輸出電壓近似為恒定值U1.4周波變換器原理反并聯(lián)三相橋依次滯后觸發(fā)角用途極大功率低頻應(yīng)用1.4周波變

5、換器原理1.5組合變流器交直直變流器交直交變流器1.5組合變流器交直直變流器2.變流器關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介2.1 PWM技術(shù)基本原理2.變流器關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介2.1 PWM技術(shù)2.變流器關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介2.1 PWM技術(shù)（pulse width modulation)基本定義：通過控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的通斷時(shí)間，在輸出端獲得幅度相等而寬度可調(diào)的輸出波（稱PWM波形），從而實(shí)現(xiàn)控制輸出電壓的大小、改善輸出波形的一種技術(shù)。常見方法：SPWM-正弦波脈寬調(diào)制SVPWM-空間矢量脈寬調(diào)制2.變流器關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介uuO22面積相等等效2.1 SPWM波形原理uuO22面積相等2.1 SPWM波形原理三角載波正弦調(diào)制波uO

6、uRuCug14ug23 2.1 SPWM調(diào)制方式雙極型調(diào)制三角載波正弦調(diào)制波uO uRuCug14ug23 2.1三角載波正弦調(diào)制波只要改變調(diào)制波的頻率即可變頻改變調(diào)制波的幅值，可得到不同的輸出電壓uOuRuC2.1 SPWM調(diào)制方式單極型調(diào)制三角載波正弦調(diào)制波只要改變調(diào)制波的頻率即可變頻uOuRuC22.變流器關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介2.2 多重化技術(shù)以多個(gè)小功率變換器在其輸入或（和）輸出端通過變壓器串聯(lián)或并聯(lián)，各個(gè)變流器以相同頻率不同相位工作，從而達(dá)到系統(tǒng)的高功率運(yùn)行和輸入輸出諧波改善的一種技術(shù)。2.變流器關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介2.2 多重化技術(shù)2.變流器關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介2.3 多電平技術(shù)通過改進(jìn)變換器自身拓?fù)浣Y(jié)

7、構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出的技術(shù)，它無需升降壓變壓器和均壓電路。主要優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)功率器件僅承受1/(n-1)的母線電壓，可以采用低壓器件實(shí)現(xiàn)高壓輸出；電平數(shù)的增加改善了輸出電壓波形，減少了電壓波形畸變率THD值可以較低開關(guān)頻率獲得高開關(guān)頻率下兩電平電路輸出電壓波形。2.變流器關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介2.3 多電平技術(shù)兩點(diǎn)式電路三點(diǎn)式電路Ud+-V1V4簡(jiǎn)化圖形簡(jiǎn)化圖形1.4 兩點(diǎn)式變流器和三點(diǎn)式變流器兩點(diǎn)式電路三點(diǎn)式電路Ud+-V1V4簡(jiǎn)化圖形簡(jiǎn)化圖形1.4 V1V2V3V4V1、V2導(dǎo)通，V3、V4關(guān)斷0+Ud/2-Ud/2+Ud/21.4 三點(diǎn)式電路工作原理V1V2V3V4V1、V2導(dǎo)通，V3、V4關(guān)斷0+

8、Ud/2-V1V2V3V4V2、V3導(dǎo)通，V1、V4關(guān)斷 實(shí)際V2、V3不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，取決于負(fù)載電流的方向。0+Ud/2-Ud/201.4 三點(diǎn)式電路工作原理V1V2V3V4V2、V3導(dǎo)通，V1、V4關(guān)斷 0+Ud/2V1V2V3V4V1、V2關(guān)斷，V3、V4導(dǎo)通0+Ud/2-Ud/2-Ud/21.4 三點(diǎn)式電路工作原理V1V2V3V4V1、V2關(guān)斷，V3、V4導(dǎo)通0+Ud/2-V1V2V3V40+Ud/2-Ud/2UO0V1通斷斷V2通通斷V3斷通通V4斷斷通+Ud/2-Ud/2UO1.4 三點(diǎn)式電路工作原理V1V2V3V40+Ud/2-Ud/2UO0V1通斷斷V2通3.交流機(jī)車主電路交直交

9、拓?fù)潆妷盒徒恢苯蛔兞髌饕话愣及腥齻€(gè)部分：四象限脈沖整流器電壓型的中間直流環(huán)節(jié)VVVF逆變器多重化運(yùn)行單相運(yùn)行4至6重化運(yùn)行3.交流機(jī)車主電路交直交拓?fù)?200kW電力機(jī)車主電路圖7200kW電力機(jī)車主電路圖DCPT1DCPT2IM11IM12IM13IM14牽引變壓器二次側(cè)單相交流電直流電源側(cè)可調(diào)三相交流電WVUUVW電容預(yù)備充電用電源過電壓抑制晶閘管單元接地檢測(cè)四臺(tái)牽引電機(jī)濾波電容過電壓抑制電阻器 CRH2型動(dòng)車的三點(diǎn)式電壓型交直交牽引變流器DCPT1DCPT2IM11IM12IM13IM14牽引變壓3.1 電壓型四象限脈沖整流器由變流器和并聯(lián)儲(chǔ)能器構(gòu)成，并按PWM方式工作，把交流能量變

10、換為直流能量的裝置，稱為脈沖整流裝置。 四象限脈沖整流器對(duì)牽引變壓器有一定要求：變壓器必須有比較大的漏抗，相當(dāng)于在牽引變壓器里集成了一個(gè)大的電抗器。3.1 電壓型四象限脈沖整流器由變流器和并聯(lián)儲(chǔ)能器構(gòu)成，3.1.1 四象限脈沖整流器工作原理當(dāng)整流器電源短接回路開通時(shí)，牽引變壓器內(nèi)的電流沒有經(jīng)過負(fù)載，直接從變壓器的正極流入負(fù)極，相當(dāng)于將電源短接了。此時(shí)變壓器內(nèi)的能量向電抗器內(nèi)轉(zhuǎn)移，即流過電抗器的電流越來越大。當(dāng)控制相應(yīng)的開關(guān)元器件關(guān)斷時(shí)，電抗器兩端就感應(yīng)出一個(gè)很高的電壓，這個(gè)電壓和變壓器的電壓疊加起來，通過整流回路向中間回路充電，這就是為什么變壓器的次邊電壓等級(jí)低于中間回路，卻能向中間回路充電的

11、原因。這樣做雖然增加了控制難度，但比相控整流對(duì)電網(wǎng)的不利影響要小的多，更重要的是可以方便的實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。3.1.1 四象限脈沖整流器工作原理當(dāng)整流器電源短接回路開3.1.2 四象限脈沖整流器的構(gòu)成預(yù)充電電路：由交流接觸器、功率電阻組成及相應(yīng)的控制回路。主要功能是系統(tǒng)上電時(shí)，完成對(duì)直流母線電容的預(yù)充電。避免上電時(shí)強(qiáng)大的沖擊電流燒壞功率模塊。輸入電抗器：電動(dòng)狀態(tài)下起儲(chǔ)能作用，形成正弦電流波形?；仞仩顟B(tài)下，起濾波作用，濾掉電流波形的高頻成分。變流器模塊：整流側(cè)和逆變側(cè)IGBT變流器、 隔離驅(qū)動(dòng)、電流檢測(cè)以及各種保護(hù)監(jiān)測(cè)功能。 中間電容：儲(chǔ)能，濾波。3.1.2 四象限脈沖整流器的構(gòu)成預(yù)充電電路：由交流

12、接觸器3.1 .3 四象限脈沖整流器控制分析 四象限變流器交流電源側(cè)等效電路如下，其中LN和RN分別為交流回路的電感和電阻，UN為變壓器次邊電壓矢量，IN為變壓器次邊電流的基波電流矢量，US為調(diào)制電壓的基波矢量，由電路知識(shí)可得到二次側(cè)交流回路的矢量電壓方程式為： UN = US + I NR N + jLN I N （1）3.1 .3 四象限脈沖整流器控制分析 四象限變流器交流電3.1.3 四象限脈沖整流器控制矢量圖 假設(shè)UN和US的相角為，UN和IN的相角為，則用方程（1）表示牽引工況的矢量圖如圖（a）所示。同樣對(duì)于再生制動(dòng)工況，該工況下的矢量圖如圖（b）所示。（a） 牽引工況 （b） 再生

13、制動(dòng)工況 3.1.3 四象限脈沖整流器控制矢量圖 假設(shè)UN和US的相3.1.3 四象限變流器控制的基本公式由方程（1）和矢量圖可知： 如果變壓器次邊電壓UN和電感LN為已知量，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）是實(shí)現(xiàn)四象限變流器控制的基本公式。3.1.3 四象限變流器控制的基本公式由方程（1）和矢量圖3.2 逆變器及異步電機(jī)控制策略 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制比較容易實(shí)現(xiàn)。 但是對(duì)于交流異步電動(dòng)機(jī)這樣復(fù)雜的、非線性的、多變量的控制對(duì)象，而且籠型繞組結(jié)構(gòu)中無法直接檢測(cè)轉(zhuǎn)子電流，控制起來就比較復(fù)雜。

14、因此高性能的交傳系統(tǒng)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩生成的物理機(jī)理和數(shù)學(xué)表達(dá)式，除了直接采用轉(zhuǎn)矩作為反饋信號(hào)外，還可以結(jié)合磁通、轉(zhuǎn)差頻率或定子電流環(huán)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。 異步牽引電動(dòng)機(jī)控制方法經(jīng)歷了轉(zhuǎn)差頻率控制、磁場(chǎng)定向控制和直接自轉(zhuǎn)矩控制三個(gè)發(fā)展階段，其間又派生了許多發(fā)展分支。3.2 逆變器及異步電機(jī)控制策略 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制比3.2.1 轉(zhuǎn)差頻率控制 根據(jù)交流異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)關(guān)系式，調(diào)節(jié)定子電壓、頻率和轉(zhuǎn)差率，就能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。 轉(zhuǎn)差頻率電壓控制的異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)定子頻率足夠大時(shí)，電壓幅值隨轉(zhuǎn)矩給定值的變化很小。此時(shí)通過直接控制電壓來決定電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)非常不準(zhǔn)確，更好的辦法是通過電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行校正（只

15、能用于恒磁通運(yùn)行區(qū)內(nèi)）。異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率電流控制系統(tǒng)，在恒磁場(chǎng)的基本速度區(qū)內(nèi)，轉(zhuǎn)矩通過轉(zhuǎn)差頻率電流控制來決定，而在磁場(chǎng)削弱區(qū)僅通過轉(zhuǎn)差頻率來決定。在機(jī)械功率遠(yuǎn)大于損耗功率的區(qū)域，利用功率調(diào)節(jié)器對(duì)轉(zhuǎn)矩控制加以補(bǔ)償。早期的轉(zhuǎn)差-電流控制方法基于異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，其動(dòng)態(tài)性能遠(yuǎn)不能與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美；之后出現(xiàn)了磁場(chǎng)定向控制。3.2.1 轉(zhuǎn)差頻率控制 根據(jù)交流異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)3.2.2 磁場(chǎng)定向概念 補(bǔ)償直流電動(dòng)機(jī)電流空間矢量與磁場(chǎng)矢量的關(guān)系如圖3。電機(jī)電流ie（勵(lì)磁繞組電流）產(chǎn)生磁鏈，電流iA（電樞繞組電流）和iC（補(bǔ)償繞組電流）與磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其中定子電流空間矢量is=ieiA，

16、轉(zhuǎn)矩MiA。根據(jù)磁場(chǎng)的位置來決定定子電流is的兩個(gè)分量ie和iC=iA的方法，稱為磁場(chǎng)定向。 磁場(chǎng)定向控制是70年代初期出現(xiàn)的一種新的交流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制原理。經(jīng)多年發(fā)展完善，這種控制策略已廣泛應(yīng)用于牽引和工業(yè)交流傳動(dòng)領(lǐng)域。3.2.2 磁場(chǎng)定向概念 補(bǔ)償直流電動(dòng)機(jī)電流空間矢量與磁場(chǎng)3.2.2 磁場(chǎng)定向控制 異步電動(dòng)機(jī)在瞬間調(diào)速性能上與直流電動(dòng)機(jī)可視為等效。 異步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向控制的基礎(chǔ)在于，通過從定子參考系向磁場(chǎng)定向參考系的坐標(biāo)變換，把交流控制變量（定子參考系中的量）轉(zhuǎn)換為直流量（磁場(chǎng)參考系中的量），從而能夠各自獨(dú)立地進(jìn)行控制。經(jīng)過調(diào)節(jié)所得的兩個(gè)新的控制變量（磁場(chǎng)參考系中的直流量）通過逆坐標(biāo)變換

17、重新得到三相控制信號(hào)，在電壓控制的變流器中，可以把它作為PWM控制器的輸入量。上述變換由實(shí)際值計(jì)算裝置和控制變量計(jì)算裝置執(zhí)行。 磁場(chǎng)定向控制基于直流調(diào)速系統(tǒng)的控制思想對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行矢量解耦，實(shí)現(xiàn)磁鏈、轉(zhuǎn)矩獨(dú)立調(diào)節(jié)，達(dá)到了與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，同時(shí)也帶來了新的難題，轉(zhuǎn)子參數(shù)及變化規(guī)律難以測(cè)定3.2.2 磁場(chǎng)定向控制 異步電動(dòng)機(jī)在瞬間調(diào)速性能上與直3.2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制方法 在許多變速傳動(dòng)應(yīng)用中，如電力機(jī)車一類的牽引傳動(dòng)，轉(zhuǎn)矩的控制是必需的，并不要求精確的速度控制。在這種應(yīng)用場(chǎng)合，直接轉(zhuǎn)矩自控制的優(yōu)點(diǎn)很多，包括改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，消除過電流，避免控制器參數(shù)隨負(fù)載變化所造成的偏差。 直接轉(zhuǎn)

18、矩自控制方法是適應(yīng)電壓源逆變器有限的開關(guān)能力，把直接控制轉(zhuǎn)矩和直接控制磁通兩者統(tǒng)一起來，通過邏輯處理，產(chǎn)生逆變器的開關(guān)指令。 最新的直接轉(zhuǎn)矩控制基于定子磁場(chǎng)定向，數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，定子參數(shù)及變化規(guī)律易于測(cè)定，有更優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；并且針對(duì)各種變流系統(tǒng)派生出各種控制策略，完善了控制思想，也體現(xiàn)了其發(fā)展?jié)摿Α?.2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制方法 在許多變速傳動(dòng)應(yīng)3.2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制 廣義而言，直接轉(zhuǎn)矩控制也屬于磁場(chǎng)定向控制的范疇。它是在靜止坐標(biāo)系下對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈實(shí)行定向控制的同時(shí)，直接控制電磁轉(zhuǎn)矩。基于不同技術(shù)背景，先后有直接自控制、新型快速響應(yīng)控制方法、直接轉(zhuǎn)矩控制策略等。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者將這些方法統(tǒng)稱為直接轉(zhuǎn)矩控制。 在電力牽引領(lǐng)域，直接自控制法最為成功，已體現(xiàn)出優(yōu)越的性能。 直接轉(zhuǎn)矩控制選擇固定于定子繞組的坐標(biāo)系，并以空間矢量的概念建立逆變器輸出的電壓與定子磁鏈定向控制、電磁轉(zhuǎn)矩控制的策略?？刂葡到y(tǒng)中使用異步電動(dòng)機(jī)型等效電路，其中已將漏抗歸算到轉(zhuǎn)子側(cè)。 逆變器輸出的電壓空間矢量對(duì)定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩的作用結(jié)果與電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)有關(guān)。反之，在已知電動(dòng)機(jī)某時(shí)刻狀態(tài)的條件下，根據(jù)電動(dòng)機(jī)定子磁鏈定向的基本要求，總能選擇合適的電壓空間矢量去控制定子磁鏈的幅值、相位和電磁轉(zhuǎn)矩的大小。 3.