機(jī)車三相異步電動機(jī)調(diào)速特性-牽引逆變器

脈寬調(diào)制基本原理牽引逆變器四、脈寬調(diào)制（PWM）逆變器的基本原理

傳統(tǒng)的交-直-交變壓變調(diào)速系統(tǒng)的主要問題：（1）主電路有兩個須控制的功率環(huán)節(jié)，相對來說比較復(fù)雜；（2）由于中間直流環(huán)節(jié)有濾波電容或電抗器等大慣性儲能元件存在，使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)緩慢；（3）由于整流器為可控的，使供電電源的功率因數(shù)隨變頻裝置輸出的頻率的降低（電壓也隨之降低）而變差，并產(chǎn)生高次諧波電流；（4）逆變器輸出為六階波交流電壓（電流），在交流電動機(jī)中形成較多的各次諧波，從而產(chǎn)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)的穩(wěn)定工作，低速時(shí)尤為嚴(yán)重。牽引逆變器1964年，德國的A.Schonung等人率先提出了脈寬調(diào)制變頻的思想，他們把通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)推廣應(yīng)用于交流變頻器，用這種技術(shù)構(gòu)成的PWM逆變器基本上解決了六階波變頻器中存在的問題。逆變器的功率開關(guān)器件按一定規(guī)律控制其導(dǎo)通或關(guān)斷，使輸出端獲得一系列寬度不等的矩形脈沖電壓波形。通過改變矩形脈沖的不同寬度可以控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值，通過改變調(diào)制周期可以控制其輸出頻率，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓和變頻。牽引逆變器

所謂的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波形，就是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，等效的原則是兩波形每一對應(yīng)區(qū)間的面積相等。正弦脈寬調(diào)制逆變器的基本原理

牽引逆變器

正弦波正、負(fù)半周分別用正、負(fù)矩形脈沖等效的SPWM波形稱作單極式SPWM。下圖中VT1~VT6是逆變器的六個功率開關(guān)器件，各有一個續(xù)流二極管反并聯(lián)接。牽引逆變器

下圖所示為單極式SPWM波形，它是由逆變器上橋臂中一個功率開關(guān)器件反復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷形成的。其等效正弦波為Umsinω1t，而SPWM脈沖序列波的幅值為US/2。牽引逆變器

各脈沖寬度不等，但中心間距相同，都等于π/n，n為正弦波半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)。令第i個矩形脈沖的寬度為δi，其中心點(diǎn)相位角為θi，則根據(jù)面積相等的等效原則，可寫成：當(dāng)n的數(shù)值較大時(shí)：

則：

上式表明，第i個脈沖的寬度δi與該處正弦波值近似成正比。因此，與半個周期正弦波等效的SPWM波是兩側(cè)窄、中間寬，脈沖寬度按正弦規(guī)律逐漸變化的序列脈沖波形。牽引逆變器

實(shí)用的辦法是引用通訊技術(shù)中的“調(diào)制”概念，將所期望的正弦波形作為基準(zhǔn)的調(diào)制波（ModulationWave），而受它調(diào)制的信號稱為載波（CarrierWave）。在SPWM中常用等腰三角波作為載波。當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)時(shí)刻控制逆變器開關(guān)器件的通斷，即可在逆變器的輸出端得到一組等幅而脈沖寬度正比于正弦函數(shù)值的矩形脈沖——這就是正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（簡稱SPWM）。牽引逆變器

一組三相對稱的正弦參考電壓信號（調(diào)制波）ura、urb、urc由信號發(fā)生器提供，其頻率決定逆變器輸出的基波頻率，應(yīng)在所要求的輸出范圍內(nèi)可調(diào)，且參考電壓信號的幅值在一定范圍內(nèi)變化，以決定逆變器輸出電壓的大小。三角波載信號由三角波發(fā)生器產(chǎn)生，為三相正弦參考電壓信號共用，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零”的輸出，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波uda、udb、udc，作為逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動控制信號。牽引逆變器圖單極式脈寬調(diào)制電壓波形的形成圖脈寬調(diào)制電壓波形及電流波形電流波形牽引逆變器

單極式SPWM波形在半周內(nèi)的脈沖電壓只在“正”（或“負(fù)”）和“零”之間變化，主電路每相只有一個開關(guān)器件反復(fù)通斷。如果讓同一橋臂上、下兩個開關(guān)器件交替地通斷，處于互補(bǔ)工作方式，則輸出脈沖就在“正”和“負(fù)”之間變化，從而得到雙極式的SPWM波形。逆變器的基本原理牽引逆變器三、逆變器的基本原理

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。左圖中僅給出組成逆變器所必須的6個電力電子開關(guān)器件VT1~VT6。在每個周期中，控制各個器件輪流導(dǎo)通和關(guān)斷，可使輸出端得到三相交流電壓，改變開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，即可得到不同的輸出頻率。牽引逆變器180°導(dǎo)通型：

在同一橋臂上、下兩管之間互相換相，這時(shí)每個晶閘管在一個周期中的導(dǎo)通180°電角，其它各相也是如此，但三相對應(yīng)元件相差120°電角輪流導(dǎo)——使VT1~VT6各元件每隔60°電角輪換導(dǎo)通，在每一時(shí)刻都有三個元件同時(shí)導(dǎo)通。具體分組順序?yàn)椋?、6、1；6、1、2；1、2、3；2、3、4；3、4、5；4、5、6；…

牽引逆變器牽引逆變器

若將每一時(shí)刻逆變器各晶閘管元件的開關(guān)情況以一等效（元件開通時(shí)認(rèn)為短路，元件斷開時(shí)認(rèn)為斷路）電路表示，則可得到任一時(shí)刻的相、線電壓，從而繪出相、線電壓波形。牽引逆變器

例如，在0~60°范圍內(nèi)，VT1、VT5、VT6同時(shí)導(dǎo)通，VT2、VT3、VT4同時(shí)關(guān)斷，則此時(shí)電機(jī)繞組的各相等效阻抗中的ZA與ZC并聯(lián)，再與ZB串聯(lián)。假定三相負(fù)載對稱，則ZA=ZB=ZC=Z，此時(shí)ZA、ZC上的相電壓應(yīng)相等，即ZB上的相電壓為：牽引逆變器

根據(jù)相電壓的六階波形和線電壓的矩形波形可以求出電壓的有效值，即利用富氏級數(shù)對相電壓和線電壓進(jìn)行諧波分析，表示為牽引逆變器

逆變器的負(fù)載是異步電動機(jī)，屬電感性負(fù)載。當(dāng)逆變器以六階波電壓對電機(jī)供電時(shí)，其電流波形在負(fù)載電感的作用下將趨于平滑，其平滑程度將與六階波電壓的頻率有關(guān)。牽引逆變器

當(dāng)電壓頻率較高時(shí)，異步電動機(jī)定子繞組電感對電流的滯后作用相對突出，因此將獲得接近正弦形的電流波形。這樣便可大大消除階梯狀電壓波形帶來的不利影響，可使異步電動機(jī)正常運(yùn)行。而當(dāng)電壓頻率較低時(shí)，六階波電壓波形延續(xù)時(shí)間相對變長，