基于双PWM变频器的交流调速技术探讨

摘要： 随着电力电子技术的不断发展，功率器件的不断更新，控制技术的不断完善，越来越多的场合采用变频调速来有效地改善系统运行效率。文章探讨了新型的 双PWM 变频器对整流侧和逆变侧均采用PWM技术，其网侧电流接近正弦波、网侧功率因数可控、电能双向传输、较快的动态控制响应，可实现电动机的四象限运行。

关键词： 变频器；双PWM；IGBT

0 引言

在传动领域，鼠笼式异步电动机凭借自身的诸多优势，长期以来一直被应用得非常广泛，比如结构简单、价格低廉、使用年限长等。随着电力电子技术和计算机技术的不断发展，再加上电力电子器件的更新换代，变频调速交流异步电机驱动逐渐取代了传统的直流电机驱动，变频调速技术受到了很大的青睐。据统计，我国电动机总装机容量达12亿千瓦，约占全国总发电量的65%～75%，是名副其实的耗能大户，电机节能最受瞩目的就是变频调速技术。交流电源的频率和电压都是固定的，变频器的功能就是把其变成频率和电压都可以进行调整的三相交流电源。

1 整流侧不可控变频器

传统变频器整流部分不能进行能量回馈，这是因为其采用的是二极管不可控整流（见图1），它的功率因数达不到 1，如此会造成：

①产生高次谐波电流对电网和变频器自身都造成了不利影响。传统变频器会对电网和负载造成很大的谐波污染，谐波电流会浪费电网容量，使电网电压降低，线路损耗增加，导致电网品质降低。同时高次谐波对负载设备也有着很大的损害，比如加快的负载设备的绝缘老化、增大其无功消耗等，严重地缩短了设备的使用年限。

②对于长期运行四象限的设备，当设备制动、减速、带位能性负载下降时，电动机处于回馈发电状态，产生的回馈电能通过逆变器的续流二极管输送到直流侧的电容上，造成的泵升电压会危害到系统安全。

由于采用二极管整流器传输具有不可逆的特点，通常传统的变频调速系统都是通过加制动电阻来处理再生电能的，但是这样会造成很大的电能损耗。有时也会采用反并联有源逆变装置的处理方法，但这种方法也存在弊端，那就是增加了系统的复杂程度。

2 整流侧半可控变频器

如果将图1整流侧不可控型变频器结构中二极管不可控整流部分采用晶闸管半可控整流环节取代（见图2）。

整流部分采用晶闸管组成的正反桥，无论是在整流状态，还是逆变状态都能够正常运行。虽然在两种状态下电流的方向时相反的，但是其直流侧输出电压极性是相同的，能够有效地解决能量回馈的问题，但对电网稳定性要求很高。由于该结构晶闸管的半可控特性，如果电网电压波动过大，很可能会烧毁变频器可控硅部分，因此必须保证该结构情况时电网电压稳定。

3 双PWM变频器

如果将图2可控型变频器结构中晶闸管整流部分采用PWM 整流环节取代，与PWM逆变环节共同构成交-直-交变频器（见图3）。因为脉宽调制（PWM）技术被应用到了两次变换过程中，所以称为双PWM变换器。

在双PWM结构，整流桥和逆变桥都采用全控的IGBT管，即绝缘栅双极型功率管（见图4）。IGBT是由BJT和MOS组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件，同时具备GTR的低导通压降和MOSFET的高输入阻抗两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快；IGBT同时具备以上两种器件的所有优点，很适用于直流电压为600V及以上的变流系统。

由于IGBT管具有全控性的特点，能够随意控制其关断，如此即使出现一些异常情况，也能快速地进行关断，阻止过电流的产生，实现变频器的安全、正常运行。

通过PWM整流控制，可以实现整流环节网侧电流正弦化，运行于单位功率因数，且能实现能量的双向流动。电压型PWM可逆整流器采用全控器件，器件工作在高频状态，用高速度、高运算能力的DSP产生PWM控制脉冲，因为开关器件的开通和关断都是可以控制的，因此PWM整流器的电流波形也是可控的，交流输入电压和电流可保持同相位或反相位是它的理想状态，在这种状态下，能够有效消除对电网的谐波污染。由于PWM整流器采样直流输出电压，因此还能对直流电压进行调整，在负载变化时，具有较快的响应速度，使直流输出电压稳定在一定的设定值。因此采用PWM整流器不仅可以弥补传统变频器的不足，还可以实现调速节能和“绿色环保”的高度结合，具有网侧电流接近正弦波、网侧功率因数可控、电能双向传输等优点。

4 结束语

现有的交-直-交变频调速系统主要采用不可控二极管整流-电容滤波-IGBT逆变形式，尽管通过PWM逆变器可以有效降低电源电流的谐波成分，但存在能量无法双向流动、直流电压无法调节、电容器体积较大、惯性大、仍有一定程度的谐波影响等问题。双PWM变频调速系统采用PWM整流环节取代传统的不可控整流方式，与PWM逆变环节共同构成交-直-交变频器。双PWM变频调速系统具有网侧电流接近正弦波、电能双向传输、网侧功率因数可控、较快的动态控制响应等优点，受到广泛关注，应用范围越来越广。

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