双PWM变频调速系统优化方案

将PWM整流和PWM变频调速系统进行组合，用PWM整流取代相控整流方式，与PWM逆变器组成交-直-交变频器，再结合交流电动机变频调速理论设计电动机控制系统，就构成了双PWM变频调速系统。

双PWM变频调速系统是近年来得到广泛应用的交-直-交变频调速系统的一个分支。在双PWM变频调速系统中PWM整流器取代了相控整流器，与PWM逆变器共同构成交-直-交变频器，由于在两次变换过程中均采用了脉宽调制（PWM）技术，因此称为双PWM变频调速系统。为实现双PWM控制，系统主电路中的整流桥和逆变桥都必须采用自关断电力电子器件，高性能的IGBT和集成了部分驱动保护电路的IPM模块成为目前最佳的选择。另外，PWM整流器一般采用Boost型电路结构，为实现能量传递，需要在交流侧串接电抗器作为储能元件，这也是和相控整流电路所不同的地方。除了在主电路结构上的不同，双PWM变频调速系统的控制结构也和一般的交-直-交变频调速系统有明显的区别。在一般的交-直-交变频调速系统中，通过不同的调制方式产生PWM脉冲，控制逆变桥产生变频变压交流电源，而在整流部分大都采取不控整流或简单的电压控制；在双PWM交流变频调速系统中，整流部分采用PWM技术，并配置比较复杂的控制方案。

1.双PWM变频器的主电路组成及工作原理

所谓的双PWM变频器，就是在交-直-交变频调速系统中，整流器和逆变器均采用PWM技术，实现功率双向流动，无需增加任何附加电路就能实现变频器再生能量向电网回馈达到节省电能的目的。采用PWM整流技术对整流桥上各电力电子器件进行正弦PWM控制，使得输入电流接近正弦波，其相位与电源相电压相位相同。这样，输入电流中就只含与开关频率有关的谐波，这些谐波次数高，容易滤除，大大减少了谐波对电网的污染，同时也使输入功率因数接近1。图7-41为双PWM变频器主电路，主电路由进线电抗器、整流电路、中间储能电容器、逆变电路和交流电动机组成，主开关器件采用IGBT。

（1）能量由三相交流电网流向电动机负载

当电动机处于电动运行状态时，电流由交流电网经桥式整流电路向滤波电容器C充电，此时变频器在PWM控制下，以调频调压方式工作，使变频器输出电压与工作频率成正比，使交流电动机得到恒转矩特性。

图7-41 双PWM变频调速的主电路拓扑结构

（2）电动机再生能量馈入三相交流电网(www.xing528.com)

在变频调速过程中，当电动机处于减速运行时，由于负载惯性作用，电动机进入发电状态，此时交流电动机的再生能量经逆变器中的开关器件和续流二极管向中间直流环节的储能电容充电，使电容器两端电压升高，此时整流器通过PWM控制作逆变器运行，将电量馈入交流电网，使馈入电网的电流为与电网电压同相位的正弦波电流，提高了电网功率因数（电网输入功率因数约等于1），消除了网侧谐波污染。此时储能电容器也能对交流电源输入电路的漏抗所产生的无功电流起到补偿作用。

2.双PWM变频器的优点

一般的变频器会产生严重的换相电压豁口，其幅度的大小和影响轻重将取决于变频器的设计和电网特性。而双PWM变频器不会产生换相电压豁口。

一般变频器会产生谐波问题，它们的幅度大小将取决于电动机功率、电网容量及变频器的配置，电网容量较小将遇到许多问题。双PWM变频器谐波可被忽略。

由于电源波动的问题，一般变频器在直流电压环节上会产生电压降。另外DC电压上有较高的300Hz纹波分量，这在电动机的轴上会有转矩（速度）波动，从而使电动机的轴特性受到影响。而双PWM变频器直流环节电压降可被调整，DC电压保持稳定，其纹波电压可忽略不计。因而，电动机的轴特性平滑，且不受影响。

另外一般变频器只有基波的功率因数近似于1，电网的谐波使其波形畸变。如用于四象限运行，功率因数同样会很差，例如功率因数在0.85左右。而双PWM变频器采用进线电流控制技术，使功率因数可依据设定值或动态值而得到控制。一般变频器为补偿功率因数和降低谐波影响，经常要用到一些补偿设备。而双PWM变频器能对功率因数加以控制，谐波影响不再发生，因此，无需补偿装置。一般变频器的整流变压器不可能是标准的配电型变压器，变压器要包含5%的额外损耗，而且是较昂贵的变频变压器。

一般变频器对许多电动机的负载条件有着较多弱点，例如：弱磁、快速负载变化和反向转矩等。而双PWM变频器具有高动态特性，在弱磁范围内，AFE还能承受类似负载冲击这样的苛刻条件。双PWM变频器由于快速动态响应特性，在DC母线上的纹波可忽略不计，从而可延长电容器的寿命和减少电动机的转矩波动。

总之，双PWM变频调速系统的性能特点是由其结构决定的。由于采用了PWM整流，使其在电网侧具有PWM整流器的特性，即能够实现任意功率因数运行，直流输出稳定，动态响应好，可实现能量的双向流动，且几乎不产生谐波。在电力电子装置的应用日益广泛、电网中谐波电流和无功功率对电力系统的污染也日益严重的今天，双PWM变频器这样的特点自然引起广泛的关注。在调速性能上，双PWM变频调速系统在保持一般交-直-交变频调速系统优势的同时，利用双PWM变频结构在物理上的对称性，实现了电动机的四象限运行，使能量可以回馈电网。但双PWM变频器主电路结构复杂，一次性投资成本较高。