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第5章第3讲电力电子变压变频器,交-直-交和交-交变压变频器.ppt

第5章第3讲电力电子变压变频器,交-直-交和交-交变压变频器

一米阳光
2019-03-24 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第5章第3讲电力电子变压变频器,交-直-交和交-交变压变频器ppt》,可适用于综合领域

异步电动机变压变频调速变压变频调速的基本原理基频以下调速基频以上调速电压保持额定电压不变变压变频调速时的机械特性ldquo恒转矩调速rdquo方式ldquo近似的恒功率调速rdquo方式基频以下电压补偿控制恒气隙磁通控制(恒Eg控制)恒定子磁通控制(恒Es控制)恒转子磁通控制(恒Er控制)回顾恒压频比控制(恒Us控制)电力电子变压变频器本节提要交直交和交交变压变频器变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术正弦波脉宽调制(SPWM)技术消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM)控制技术电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术(或称磁链跟踪控制技术)引言如前所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置变压变频器又称VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)装置。引言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。交直交变压变频器基本结构图交直交(间接)变压变频器间接式的变压变频器由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个ldquo中间直流环节rdquo所以又称间接式的变压变频器。具体的整流和逆变电路种类很多当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件(PMOSFETIGBT等)组成的脉宽调制(PWM)逆变器简称PWM变压变频器如下图所示。交直交PWM变压变频器基本结构图交直交PWM变压变频器变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)PWM逆变器DCACACHz~调压调频C��交直交PWM变压变频器优点PWM变压变频器的应用之所以如此广泛是由于它具有如下的一系列优点:()在主电路整流和逆变两个单元中只有逆变单元可控通过它同时调节电压和频率结构简单。采用全控型的功率开关器件只通过驱动电压脉冲进行控制电路也简单效率高。()转矩脉动小提高了系统的调速范围和稳态性能。()逆变器同时实现调压和调频动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响系统的动态性能也得以提高。()采用不可控的二极管整流器电源侧功率因素较高且不受逆变输出电压大小的影响。在主电路整流和逆变两个单元中只有逆变单元可控通过它同时调节电压和频率结构简单。采用全控型的功率开关器件只通过驱动电压脉冲进行控制电路也简单效率高。PWM变压变频器常用的功率开关器件有:PMOSFETIGBTGTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。受到开关器件额定电压和电流的限制对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管(SCR)并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交直交变压变频器见下图。普通交直交变压变频器的基本结构特大容量交交变压变频器交交变压变频器的基本结构如下图所示它只有一个变换环节把恒压恒频(CVCF)的交流电源直接变换成VVVF输出因此又称直接式变压变频器。也称作周波变换器(Cycloconveter)。交交变压变频器的基本结构图交交(直接)变压变频器交交变压变频器的基本结构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(下图a)。交交变压变频器的基本电路结构图a交交变压变频器每一相的可逆线路交交变压变频器的控制方式正半周控制方式正、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uu的幅值决定于各组可控整流装置的控制角u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下图b所示。输出电压波形控制方式()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。例如:在正向组导通的半个周期中使控制角由(对应于平均电压u=)逐渐减小到(对应于u最大)然后再逐渐增加到(u再变为)如下图所示。图交交变压变频器的单相正弦波输出电压波形输出电压波形当角按正弦规律变化时半周中的平均输出电压即为图中蓝线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。单相交交变频电路输出电压和电流波形三相交交变频电路三相交交变频电路可以由个单相交交变频电路组成其基本结构如下图所示。如果每组可控整流装置都用桥式电路含个晶闸管(当每一桥臂都是单管时)则三相可逆线路共需个晶闸管即使采用零式电路也须个晶闸管。三相桥式交交变频电路三相交交变频电路因此这样的交交变压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看似简单但所用的器件数量却很多总体设备相当庞大。不过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。这类交交变频器的其他缺点是:输入功率因数较低谐波电流含量大频谱复杂因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的~一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统供电给低速电机直接传动时可以省去庞大的齿轮减速箱。三相交交变频电路近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交交变压变频器类似于PWM控制方式输出电压和输入电流的低次谐波都较小输入功率因数可调能量可双向流动以获得四象限运行但当输出电压必须为正弦波时最大输出输入电压比只有。目前这类变压变频器尚处于开发阶段其发展前景是很好的。三相交交变频电路交直交PWM变频器主回路图交直交变频器主回路结构图交直交PWM变频器主回路左边是不可控整流桥将三相交流电整流成电压恒定的直流电压。右边是逆变器将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电。中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。交直交PWM变频器主回路主回路只有一套可控功率级具有结构、控制方便的优点采用脉宽调制的方法输出谐波分量小。缺点是当电动机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网造成直流侧电压上升称作泵升电压。直流母线供电采用直流母线供电给多台逆变器可以减少整流装置的电力电子器件逆变器从直流母线上汲取能量还可以通过直流母线来实现能量平衡提高整流装置的工作效率。当某个电动机工作在回馈制动状态时直流母线能将回馈的能量送至其他负载实现能量交换有效地抑制泵升电压。直流母线供电图直流母线方式的变频器主回路结构图电压源型和电流源型逆变器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。示意图如下:两种类型逆变器结构电压源型逆变器(VoltageSourceInverterVSI)直流环节采用大电容滤波因而直流电压波形比较平直在理想情况下是一个内阻为零的恒压源输出交流电压是矩形波或阶梯波有时简称电压型逆变器。电流源型逆变器(CurrentSourceInverterCSI)直流环节采用大电感滤波直流电流波形比较平直相当于一个恒流源输出交流电流是矩形波或阶梯波或简称电流型逆变器。性能比较表两种逆变器输出波形比较性能比较应用场合电压源型逆变器属恒压源电压控制响应慢不易波动所以适于做多台电机同步运行时的供电电源或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。采用电流源型逆变器的系统则相反不适用于多电机传动但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。表电压源和电流源交直交变频器主要特点比较变频器类型比较项目电压源电流源直流回路滤波环节无功功率缓冲环节电容器电抗器输出电压波形矩形波决定于负载对异步电机负载近似为正弦波输出电流波形决定于负载的功率因数有较大的谐波分量矩形波输出阻抗小大回馈制动须在电源侧设置反并联逆变器方便主电路不需要附加设备调速动态响应较慢快适用范围多电机拖动稳频稳压电源单电机拖动可逆拖动ordm导通型和ordm导通型逆变器交直交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路以便输出三相交流变频电源下图为个电力电子开关器件VT~VT组成的三相逆变器主电路图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。图三相桥式逆变器主电路控制方式控制各开关器件轮流导通和关断可使输出端得到三相交流电压。在某一瞬间控制一个开关器件关断同时使另一个器件导通就实现了两个器件之间的换流。在三相桥式逆变器中有deg导通型和deg导通型两种换流方式。()deg导通型控制方式同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器称作deg导通型逆变器。当VT关断后使VT导通而当VT关断后又使VT导通。这时每个开关器件在一个周期内导通的区间是deg其他各相亦均如此。由于每隔deg有一个器件开关在deg导通型逆变器中除换流期间外每一时刻总有个开关器件同时导通。()deg导通型控制方式但须注意必须防止同一桥臂的上、下两管同时导通否则将造成直流电源短路谓之ldquo直通rdquo。为此在换流时必须采取ldquo先断后通rdquo的方法即先给应关断的器件发出关断信号待其关断后留一定的时间裕量叫做ldquo死区时间rdquo再给应导通的器件发出开通信号。死区时间的长短视器件的开关速度而定器件的开关速度越快时所留的死区时间可以越短。为了安全起见设置死区时间是非常必要的但它会造成输出电压波形的畸变。电压源型三相桥式逆变电路的输出波形UAOrsquo=UdUBOrsquo=UCOrsquo=UdUAO=UdUBO=UCO=Ud例VT,VT,VT导通时等效电路如下:()deg导通型控制方式deg导通型逆变器的换流是在不同桥臂中同一排左、右两管之间进行的。VT关断后使VT导通VT关断后使VT导通VT关断后使VT导通等等。这时每个开关器件一次连续导通deg在同一时刻只有两个器件导通如果负载电机绕组是Y联结则只有两相导电另一相悬空。电流源型三相桥式逆变电路的输出波形图示出了一个ordm导电型交直交电流型逆变器的主电路及其波形。这种主电路拓扑称为串联二极管式六个电容起强迫换流的作用。电动机正转时逆变器中晶闸管的触发顺序是VTrarrVTrarrVTrarrVTrarrVTrarrVTrarrVThellip由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个ldquo中间直流环节rdquo所以又称间接式的变压变频器。在主电路整流和逆变两个单元中只有逆变单元可控通过它同时调节电压和频率结构简单。采用全控型的功率开关器件只通过驱动电压脉冲进行控制电路也简单效率高。

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