第六章 脉宽调制控制,PWM控制技术.ppt

第六章第六章 PWM控制技术控制技术本章所要讲述的内容本章所要讲述的内容1)PWM控制的基本原理控制的基本原理2)PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法本章重点本章重点 PWM控制的基本原理控制的基本原理第第2页页PWM(Pulse Width Modulation)控制就是控制就是脉宽调制脉宽调制技术技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值效地获得所需要的波形（含形状和幅值)。PWM技术在逆变电路中的应用最为广泛，目前应用技术在逆变电路中的应用最为广泛，目前应用的逆变电路绝大部分都是的逆变电路绝大部分都是PWM 型逆变电路型逆变电路。PWM控制技术正是有赖于在控制技术正是有赖于在逆变电路逆变电路中的成功应用，才中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。确定了它在电力电子技术中的重要地位。基本概念基本概念第第3页页6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 理论基础理论基础采样控制理论（面积等效原理）采样控制理论（面积等效原理）冲量（面积）冲量（面积）相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其节上时，其效果基本相同效果基本相同。冲量冲量窄脉冲的面积窄脉冲的面积效果基本相同效果基本相同环节的输出响应波形基本相同环节的输出响应波形基本相同图图6.1 6.1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)d)单位脉冲函数单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)a)矩形脉冲矩形脉冲b)b)三角形脉冲三角形脉冲c)c)正弦半波脉冲正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)e e）输出波形）输出波形第第4页页6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。一个正弦半波。根据根据面积等效原理面积等效原理，PWM波形和正波形和正弦半波是等效的。像这种脉冲的宽弦半波是等效的。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效度按正弦规律变化而和正弦波等效的的PWM波形，也称波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形）波形。要改变等效输出正弦波的幅值时，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可脉冲的宽度即可。PWM逆变电路也可分为电压型和电逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实际应用的流型两种，目前实际应用的PWM逆逆变电路几乎都是变电路几乎都是电压型电压型电路。电路。图图6.2（P151，图，图6-3)第第5页页6.2 PWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法产生产生PWM波形的常用方法波形的常用方法计算法、调制法和跟踪计算法、调制法和跟踪控制法控制法 调制法调制法:结合结合IGBT单相桥式电压型逆变电路进行说明单相桥式电压型逆变电路进行说明,把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波。作为载波。工作时工作时V1和和V2通断互通断互补，补，V3和和V4通断也互通断也互补。补。以以uo正半周为例，正半周为例，V1通，通，V2断，断，V3和和V4交替通交替通断。断。图图6.3单相桥式单相桥式PWM逆变电路（逆变电路（p152,图图6-4）第第6页页负载电流比电压滞后，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流在电压正半周，电流有一段区间为正，一有一段区间为正，一段区间为负。段区间为负。负载电流为正的区间，负载电流为正的区间，V1和和V4导通时，导通时，uo等等于于Ud。V4关断时，负载电流通过关断时，负载电流通过V1和和VD3续流，续流，uo=0负载电流为负的区间，负载电流为负的区间，V1和和V4仍导通，仍导通，io为负，实为负，实际上际上io从从VD1和和VD4流过，仍有流过，仍有uo=Ud。6.2 PWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法第第7页页6.2 PWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法V4关断关断V3开通后，开通后，io从从V3和和VD1续流，续流，uo=0。uo总可得到总可得到Ud和零两种电平。和零两种电平。uo负半周，让负半周，让V2保持通，保持通，V1保持断，保持断，V3和和V4交替交替通断，通断，uo可得可得-Ud和零两种电平。和零两种电平。第第8页页 调制信号调制信号ur为正弦波，载波为正弦波，载波uc在在ur的正半周为正的正半周为正极性的三角波，在极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角的负半周为负极性的三角波。在波。在ur和和uc的交点时刻控制的交点时刻控制IGBT的通断。的通断。6.2 PWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示表示uo的基波分量的基波分量图图6.4 单极性单极性PWM控制方式波形（控制方式波形（p153,图图6-5）单极性单极性PWM控制方式控制方式第第9页页 在在ur的正半周，的正半周，V1保持通态，保持通态，V2保持断态，当保持断态，当uruc时，使时，使V4导通，导通，V3关断，关断，uo=Ud；当；当uruc时，使时，使V4关断，关断，V3导通，导通，uo=0。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示表示uo的基波分量的基波分量6.2 PWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法第第10页页 在在ur的的负负半半周周，V1保保持持断断态态，V2保保持持通通态态，当当 uruc时时，使使V3导导通通，V4关关断断，uo-Ud；当当 uruc时时，使使 V3关关断断，V4导导 通通，uo=0。这这 样样，就就 得得 到到 了了 S P W M波波 形形 uo。6.2 PWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示表示u uo o的基波分量的基波分量第第11页页双极性双极性PWM控制方式控制方式6.2 PWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法图图6.5 双极性双极性PWM控制方式波形控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有波也有正有负，其幅值只有Ud两种电平。两种电平。第第12页页同样在调制信号同样在调制信号ur和载波信号和载波信号uc的交点时刻控制器的交点时刻控制器件的通断。件的通断。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。正负半周，对各开关器件的控制规律相同。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud6.2 PWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法第第13页页6.2 PWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法urucuOwtOwtuouofuoUd-Udv当当ur uc时时，给，给V1和和V4导通信号，给导通信号，给V2和和V3关断信号。关断信号。v如如io0，V1和和V4通，如通，如io0，VD1和和VD4通，通，uo=Ud。v当当uruc时时，给，给V2和和V3导通信号，给导通信号，给V1和和V4关断信号。关断信号。v如如io0，VD2和和VD3通，通，uo=-Ud。第第14页页三相三相SPWM逆变电路和逆变电路和PWM控制方式控制方式6.2 PWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法图图6.6 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路（型逆变电路（p153，图，图6-7）三相的三相的PWM控制控制公用三角波载波公用三角波载波uc三相的调制信号三相的调制信号urU、urV和和urW依次相差依次相差120第第15页页ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 图图6.7 三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形 以以U U相为例分析相为例分析控制规律控制规律：当当urUuc时，给时，给V1导通信号，给导通信号，给V4关断信号，关断信号，uUN=Ud/2。当当urUuc时，给时，给V4导通信号，给导通信号，给V1关断信号，关断信号，uUN=-Ud/2。当给当给V1(V4)加导通信号时，可能加导通信号时，可能是是V1(V4)导通，也可能是导通，也可能是VD1(VD4)导通。导通。uUN、uVN和和uWN的的PWM波形波形只有只有Ud/2两种电平。两种电平。uUV波形可由波形可由uUN-uVN得出，当得出，当1和和6通时，通时，uUV=Ud，当，当3和和4通通时，时，uUV=Ud，当，当1和和3或或4和和6通时，通时，uUV=0。6.2 PWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法第第16页页输出线电压输出线电压PWM波由波由Ud和和0三三种电平构成种电平构成负载相电压负载相电压PWM波由波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和和0共共5种电平组成。种电平组成。防直通的死区时间防直通的死区时间v同一相上下两臂的驱动信号互补，同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。区时间。v死区时间的长短主要由开关器件的死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。关断时间决定。v死区时间会给输出的死区时间会给输出的PWM波带来波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。影响，使其稍稍偏离正弦波。ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 图图6.7三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形 6.2 PWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法第第17页页6.3 PWM调制方式及实现方法调制方式及实现方法 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWMPWM调制方式分为调制方式分为异步调制异步调制和和同步调制同步调制。通常保持通常保持fc固定不变，当固定不变，当fr变化时，载波比变化时，载波比N是变化的。是变化的。在信号波的半周期内，在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。周期的脉冲也不对称。载波比载波比载波频率载波频率fc与调制信号频率与调制信号频率fr之比，之比，N=fc/fr1）异步调制异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式载波信号和调制信号不同步的调制方式第第18页页当当fr较低时，较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小。对称产生的不利影响都较小。当当fr增高时，增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。这使得脉冲不对称的影响就变大。这使得PWM波形和正弦波形和正弦波的差异变大。波的差异变大。在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。6.3 PWM调制方式及实现方法调制方式及实现方法第第19页页基本同步调制方式，基本同步调制方式，fr变化时变化时N不变，信号波一周期不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。内输出脉冲数固定。fr很低时，很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。也很低，由调制带来的谐波不易滤除。fr很高时，很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。会过高，使开关器件难以承受。2）同步调制同步调制载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即变频时使载波与信号波保持同步，即N N等于常数。等于常数。6.3 PWM调制方式及实现方法调制方式及实现方法第第20页页3 3）分段同步调制）分段同步调制异步调制和同步调制的综合应用。异步调制和同步调制的综合应用。把整个把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒恒定，不同频段的定，不同频段的N不同。不同。在在fr高高的的频频段段采采用用较较低低的的N，使使载载波波频频率率不不致致过过高高；在在fr低的频段采用较高的低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。，使载波频率不致过低。6.3 SPWM调制方式及实现方法调制方式及实现方法第第21页页讲述讲述PWMPWM控制的基本原理控制的基本原理PWMPWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法6.4 小结小结第第22页页本章结束本章结束