(精品)第七讲2.3PWM控制基础.ppt

第二章第二章 电力电子变频器及电力电子变频器及PWM控制原理控制原理山东大学山东大学2.3 PWM控制基础控制基础 v采采用用晶晶闸闸管管元元件件的的六六脉脉波波PAMPAM变变频频调调速速系系统统在在运运行行中中存存在在如下问题：如下问题：（1 1）整整流流和和逆逆变变需需要要两两套套晶晶闸闸管管元元件件，主主电电路路开开关关元元件件较较多，装置庞大；多，装置庞大；（2 2）低频时网侧功率因数低，谐波高，对电网污染大；低频时网侧功率因数低，谐波高，对电网污染大；（3 3）由由于于中中间间直直流流环环节节大大惯惯性性元元件件存存在在，使使系系统统的的动动态态响响应缓慢；应缓慢；（4 4）逆逆变变器器输输出出谐谐波波分分量量大大，产产生生较较大大的的脉脉动动转转矩矩，低低速速时尤为严重。时尤为严重。2.3 PWM控制基础控制基础PAM控制控制 它它是是把把变变压压（VV）与与变变频频（VF）分分开开完完成成，前前面面的的环环节节用用来来改改变变直直流流电电压压的的幅幅值值，后后面面的的环环节节用用来来改改变变逆逆变变器器输输出出的的频频率率，这这种种分分别别控控制制直直流流电电压压幅幅值值和和交交流流输输出出频频率率的的方方法法称称为为脉脉冲冲幅幅值值调调制制方方式式（Pulse Amplitude Modulation）方方式式，简简称称PAM控制方式；控制方式；2.3 PWM控制基础控制基础ACSCR可控可控整流器整流器六六 拍拍逆变器逆变器DCAC 50Hz调频调频调压调压PAM交交-直直-交变频器交变频器2.3 PWM控制基础控制基础v 随随着着自自关关断断型型电电力力电电子子器器件件（如如GTO、GTR、IGBT、MOSFET等等）、微微电电子子技技术术及及微微计计算算机机技技术术的的发发展展，采采用用脉脉宽宽调调制制（PWM）控控制制技技术术的的变变频频调调速速器器蓬蓬勃勃发发展展起起来来。PWM变变频频器器基基本本解解决决了了常常规规六六脉脉波波变变频频器器中中存存在在的的问问题题，成为现代交流调速技术发展最快的一个领域。成为现代交流调速技术发展最快的一个领域。PWM控制控制 它它是是把把变变压压（VV）与与变变频频（VF）集集中中于于逆逆变变器器完完成成，即即前前面面为为不不可可控控整整流流器器，中中间间直直流流电电压压恒恒定定，而而后后由由逆逆变变器器同同时时完完成成变变压压与与变变频频，逆逆变变器器采采用用脉脉冲冲宽宽度度调调制制（Pulse Width Modulation）的方式，简称的方式，简称PWM控制方式。控制方式。2.3 PWM控制基础控制基础交交-直直-交交PWMPWM变压变频器变压变频器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC 50Hz调压调频调压调频Cv2.3.1.PWM控制原理控制原理 1964年，德国的年，德国的A.Schonung等率先把通信系统中等率先把通信系统中的调制技术应用到交流调速领域，提出了脉宽调制变的调制技术应用到交流调速领域，提出了脉宽调制变频的思想。其频的思想。其基本思想是用一系列等幅不等宽的矩形基本思想是用一系列等幅不等宽的矩形脉冲来逼近理想正弦波，脉冲来逼近理想正弦波，即通过控制逆变器功率开关即通过控制逆变器功率开关器件导通或关断，在逆变器输出端获得一系列等幅不器件导通或关断，在逆变器输出端获得一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。改变矩形脉冲的宽度和调制周等宽的矩形脉冲波形。改变矩形脉冲的宽度和调制周期就可以改变输出电压的幅值和频率。期就可以改变输出电压的幅值和频率。在在采采样样控控制制理理论论中中有有一一个个重重要要的的结结论论：冲冲量量相相等等而而形形状状不不等等的的窄窄脉脉冲冲 加加在在具具有有惯惯性性的的环环节节上上时时，其效果基本相同。其效果基本相同。v2.3.1.PWM控制原理控制原理 按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulationSinusoidal pulse width modulation，SPWMSPWM），），这种序列的矩形波称作这种序列的矩形波称作SPWMSPWM波。波。怎样才能得到所需要的PWM脉冲序列呢？v2.3.1.PWM控制原理控制原理v2.3.1.PWM控制原理控制原理v以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为多的等腰三角波作为载波载波（Carrier waveCarrier wave），），并用频率和并用频率和期望波相同的正弦波作为期望波相同的正弦波作为调制波调制波（Modulation waveModulation wave），），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。v2.3.1.PWM控制原理控制原理注意注意:（1 1）PWMPWM脉冲特点：高度相等，中心矩相等，但宽脉冲特点：高度相等，中心矩相等，但宽度呈正弦变化；度呈正弦变化；（2 2）SPWMSPWM波仍有高次谐波，但幅值较大的低次谐波仍有高次谐波，但幅值较大的低次谐波都被消除或被有效地抑制了；波都被消除或被有效地抑制了；（3 3）PWMPWM控制方式，要求使用高开关频率的电力电控制方式，要求使用高开关频率的电力电子元件；子元件；（4 4）PWMPWM技术在本质上是变压技术而不是变频技技术在本质上是变压技术而不是变频技术，是一种区别于术，是一种区别于PAMPAM的调压方式。的调压方式。v2.3.1.PWM控制原理控制原理v2.3.1 PWM控制原理控制原理在在PWM控制中，一般定义调制比为控制中，一般定义调制比为 式中，式中，Urm 是正弦调制波的幅值；是正弦调制波的幅值；Ucm是三角载波的幅值。是三角载波的幅值。通常通常M在在01之间变化，以调节输出电压的幅值。之间变化，以调节输出电压的幅值。（2-7）v2.3.2 PWM变频器变频器 VT1BCAUdCVT4 VT3VT5VT6VT2M3(a)图图2-18 PWM变频器的原理图变频器的原理图(a)主电路主电路3个参考信号互差个参考信号互差120且共用一个载波信号。且共用一个载波信号。ura参考信号参考信号发生器发生器三角波三角波发生器发生器驱动驱动VT1VT6udaudbudcurburcutv2.3.2 PWM变频器变频器 v调频原理：调频原理：改变参考波频率，即可调节改变参考波频率，即可调节SPWM波的基波频率；波的基波频率；v调压原理：调压原理：改变参考波幅值，即可调节改变参考波幅值，即可调节SPWM波的宽度，从而改波的宽度，从而改变输出电压的有效值；变输出电压的有效值；v2.3.2 PWM变频器变频器 q PWM和PAM控制的区别（1）逆变器的开关逆变器的开关采用全控型器件采用全控型器件，只有一个功率级；，只有一个功率级；（2）采用不控整流，）采用不控整流，电网功率因数电网功率因数与负载电压无关，而接与负载电压无关，而接近于近于1；（3）动态响应动态响应与直流环节无关，响应快；与直流环节无关，响应快；（4）能消除或抑制低次谐波，因而）能消除或抑制低次谐波，因而转矩脉动小转矩脉动小，大大扩展，大大扩展了电动机的调速范围。了电动机的调速范围。v2.3.2 PWM变频器变频器 v2.3.3.同步调制与异步调制v3.同步调制与异步调制同步调制与异步调制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，即，即N=fc/fr 根据载波和信号波根据载波和信号波是否同步是否同步即载波比的变化情况，即载波比的变化情况，PWM调制方式分为调制方式分为异步调制和同步调制异步调制和同步调制。v（1）同步调制）同步调制 同步调制同步调制N 等于常数等于常数，即在变频时使载波频率和即在变频时使载波频率和信号波频率成正比变化。信号波频率成正比变化。fr 变化时变化时N不变，信号波不变，信号波一周期内输出脉冲数固定一周期内输出脉冲数固定；v2.3.3.同步调制与异步调制v特点：特点：三相公用一个三角波载波，且取三相公用一个三角波载波，且取 N 为为3的整数倍，使的整数倍，使三相三相输出对称输出对称；fr 很低时很低时，fc 也很低，脉冲间距大，也很低，脉冲间距大，谐波显著增加；谐波显著增加；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。v2.3.3.同步调制与异步调制v同步调同步调制三相制三相PWM波形波形ucurUurVurWuuUNuVNOtttt000uWN2Ud-2Udv2.3.3.同步调制与异步调制v（2）异步调制）异步调制 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。保持保持 fc 固定不变，当固定不变，当 fr 变化时，变化时，载波比载波比 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，相位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。也不固定，正负半周期的脉冲不对称。v2.3.3.同步调制与异步调制v异步调制的异步调制的特点：特点：1)低频时（低频时（fr 较低），较低），N 较大，一周期内脉冲数较多，较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响较小，所以脉冲不对称产生的不利影响较小，所以低频时相应地减小低频时相应地减小了谐波分量了谐波分量；2）难以保证三相输出的对称关系，引起电动机）难以保证三相输出的对称关系，引起电动机工作不平工作不平稳稳。v2.3.3.同步调制与异步调制v（3）分段同步调制）分段同步调制把把 fr 范围划分成若干个频段，范围划分成若干个频段，每个频段内保持每个频段内保持N恒定恒定，不不同频段同频段N不同不同；在在 fr 高的频段采用较低的高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；使载波频率不致过高；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。v2.3.3.同步调制与异步调制v分段同步调制方式分段同步调制方式v2.3.3.同步调制与异步调制v（4 4）混合调制）混合调制 可在可在低频低频输出时采用输出时采用异步调制异步调制方式，方式，高频高频输出时切输出时切换到换到同步调制同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。段同步方式效果接近。v2.3.3.同步调制与异步调制图2-19 三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5BACOOC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2v2.3.3.同步调制与异步调制2.3.4 单极性和双极性脉宽调制单极性和双极性脉宽调制v4.4.单极性和双极性脉宽调制单极性和双极性脉宽调制 根据调制波的根据调制波的正或负半周期内正或负半周期内PWMPWM脉冲的极性脉冲的极性是否变化，是否变化，PWMPWM变频器的工作方式分为单极性工变频器的工作方式分为单极性工作方式和双极性工作方式两种。作方式和双极性工作方式两种。v（1 1）单极性控制方式）单极性控制方式 正弦波的半个周期内，三角载波只在正弦波的半个周期内，三角载波只在一种极性一种极性范围内变化，所得到的范围内变化，所得到的PWMPWM波也只处于一个极波也只处于一个极性范围内，叫做单极性控制方式。性范围内，叫做单极性控制方式。2.3.4 单极性和双极性脉宽调制单极性和双极性脉宽调制单极性控制方式单极性控制方式工工作作时时V1和和V2的的通通断断状状态态互互补补，V3和和V4的的通通断断状状态态也也互互补。补。单极性脉宽调制单极性脉宽调制在输出电压在输出电压u0的正半周，让的正半周，让V1保持通态，保持通态，V2保持断态，保持断态，V3和和V4交替通断；交替通断；单极性控制方式单极性控制方式 在在输输出出电电压压u0的的负负半半周周，让让V2保保持持通通态态，V1保保持持断断态态，V3和和V4交替通断。交替通断。双极性双极性PWM控制方式控制方式v（2）双极性）双极性PWM控制方式控制方式 在正弦波半个周期内，三角载波在正负极性之在正弦波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则所得到的间连续变化，则所得到的PWM波也是在正负之间波也是在正负之间变化变化，叫做双极性控制方式。，叫做双极性控制方式。双极性双极性PWM控制方式控制方式双极性双极性PWM控制方式控制方式 仍以单相电路为例：仍以单相电路为例：v 在正负半周对开关器件的控制规律相同。即当在正负半周对开关器件的控制规律相同。即当uruc时，给时，给V1和和V4导通信号，给导通信号，给V2和和V3关断信号，这关断信号，这时如时如i00，则，则V1和和V4导通；如导通；如i00，则，则VD1和和VD4导通。导通。不论哪种情况都是不论哪种情况都是u0=Ud。双极性双极性PWM控制方式控制方式w1 tOw1 t双极性双极性PWM控制方式控制方式图2-20 三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 OOOw1 tw1 tw1 turaurburcutw1 tOUd2-Ud2w1 tuAO-Ud2Ud2-Ud2-UdUd2UduCOuBOuAB双极性双极性PWM控制方式控制方式v双双极极性性的的工工作作方方式式决决定定了了每每个个载载波波周周期期都都要要出出现现一一次次上上、下下开开关关管管的的切切换换，而而单单极极性性逆逆变变器器在在调调制制正正弦弦波波的的半半个个周周期期才才切切换换一一次次，况况且且载载波波频频率率一一般般为为120kHz，比比调调制制正正弦弦波波高高很很多多，因因此此双双极极性性逆逆变变器器的的切切换换次次数数远远远远多多于于单单极极性逆变器性逆变器。v双极性逆变器的输出电流更接近正弦波，畸变小。双极性逆变器的输出电流更接近正弦波，畸变小。双极性双极性PWM控制方式控制方式v脉宽调制的约束条件脉宽调制的约束条件为保证开关元件安全工作，所调制的脉冲波有为保证开关元件安全工作，所调制的脉冲波有最小脉最小脉宽和最小间隙宽和最小间隙的限制，以保证脉冲宽度和间隙大于开的限制，以保证脉冲宽度和间隙大于开关元件的关元件的t tonon和和t toffoff。双极性双极性PWM控制方式控制方式（3）单）单/双极性工作方式的性能比较双极性工作方式的性能比较v5.PWM5.PWM控制的性能指标控制的性能指标 电流谐波电流谐波 谐波电流引起电机电流有效值增加，电流波形畸变，谐波电流引起电机电流有效值增加，电流波形畸变，功率因数降低，铜耗和铁耗上升等。功率因数降低，铜耗和铁耗上升等。谐波电流有效值为谐波电流有效值为5.PWM控制的性能指标控制的性能指标总电流谐波畸变率总电流谐波畸变率THDTHD（Total Harmonic DistortionTotal Harmonic Distortion）式中，式中，I I1 1为基波电流的有效值；为基波电流的有效值；n n为傅立叶级数展开的为傅立叶级数展开的谐波分量阶次。谐波分量阶次。5.PWM控制的性能指标控制的性能指标开关频率和开关损耗开关频率和开关损耗v随着开关频率提高，输出交流信号谐波成分下降，但随着开关频率提高，输出交流信号谐波成分下降，但对周围电子设备的干扰增大。对周围电子设备的干扰增大。v同时，各种电力电子器件的开关频率受到其固有的开同时，各种电力电子器件的开关频率受到其固有的开关时间和开关损耗的限制，因此开关频率必须低于其关时间和开关损耗的限制，因此开关频率必须低于其规定的最高开关频率。规定的最高开关频率。5.PWM控制的性能指标控制的性能指标v电力电子器件的开关频率：电力电子器件的开关频率：SCR：300500HZ GTO：12KHZ GTR：15KHZ MOSFET、IGBT：2030KHZ5.PWM控制的性能指标控制的性能指标 思考题：思考题：v为什么调制比为什么调制比M既不能过大，既不能过大，也不能过小？也不能过小？vPWM控制的最小脉宽和最小间隙有何限制？控制的最小脉宽和最小间隙有何限制？2.4 PWM控制技术控制技术 vPWMPWM波形生成方法有波形生成方法有调制法调制法和和计算法计算法两种。两种。1.自然采样法自然采样法 图图2-21 自然采样法生成自然采样法生成SPWM波形波形t0t1t2t3t4t5ut0 0ucur在正弦波与三角波在正弦波与三角波的自然交点时刻控的自然交点时刻控制功率开关器件的制功率开关器件的通断，从而生成通断，从而生成SPWMSPWM波形的方法波形的方法1.自然采样法自然采样法v 一般采用的方法是，先将正弦参考波一般采用的方法是，先将正弦参考波ur和三角波和三角波uc以表以表格的形式存在存储器内，实际运行时采用查表的方法或仅格的形式存在存储器内，实际运行时采用查表的方法或仅通过简单的计算得到脉宽的大小。通过简单的计算得到脉宽的大小。v 采用这种方法，当调速系统频率变化范围较大时，将占采用这种方法，当调速系统频率变化范围较大时，将占用较大的内存空间，所以仅适用于有限调速范围的场合。用较大的内存空间，所以仅适用于有限调速范围的场合。2.4 PWM控制技术控制技术2.规则采样法规则采样法 图图2-22 规则采样法规则采样法SPWM调制模式调制模式A ABt2t3t1MtMTtv在在工工程程上上更更实实用用的的简简化化方方法法，弥弥补补自自然然采采样样法法的的不不足足，且且力力求求采采样样效效果果，接接近近于于自自然然采采样样法法，又又不不必必占占用用太太多多的的计算时间。计算时间。2.规则采样法规则采样法v规则采样法原理规则采样法原理三角波两个正峰值之间为一个采样周期三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合。峰点）重合。规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化。波中点为对称，使计算大为简化。2.规则采样法规则采样法v根据脉冲电压对三角载波的对称性，脉冲宽度根据脉冲电压对三角载波的对称性，脉冲宽度t t2 2和间隙时和间隙时间间t t1 1及及t t3 3可由下面公式计算（设三角波峰值为标幺值可由下面公式计算（设三角波峰值为标幺值1 1）：）：（2-12）（2-13）式中式中Tt为三角载波的周期。为三角载波的周期。2.规则采样法规则采样法 根据上述采样原理和计算公式，可以用计算机实时控制根据上述采样原理和计算公式，可以用计算机实时控制产生产生SPWMSPWM波形，具体实现方法有：波形，具体实现方法有：v查表法查表法可以先离线计算出相应的脉宽可以先离线计算出相应的脉宽 等数据存放在等数据存放在内存中，然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、内存中，然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。2.规则采样法规则采样法v实时计算法实时计算法事先在内存中存放正弦函数，控制时事先在内存中存放正弦函数，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的调制度先查出正弦值，与调速系统所需的调制度M作乘法运作乘法运算，再根据给定的载波频率查出相应的算，再根据给定的载波频率查出相应的Tt/2值，由计值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。算公式计算脉宽时间和间隙时间。3.电流滞环跟踪型电流滞环跟踪型PWM控制控制 问题的提出问题的提出 应用应用PWMPWM控制技术的变压变频器一般都是电压源型控制技术的变压变频器一般都是电压源型的，它可以按需要方便地控制其输出电压的，它可以按需要方便地控制其输出电压.但是，在异步电机中，实际需要保证的应该是正弦但是，在异步电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁波电流，因为三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。转矩为恒定值，不含脉动分量。3.电流滞环跟踪型电流滞环跟踪型PWM控制控制v另一方面，电压型变频器直流电源是恒压源，允许电流突另一方面，电压型变频器直流电源是恒压源，允许电流突变，若负载为低阻抗或发生短路，会产生很大的冲击电流。变，若负载为低阻抗或发生短路，会产生很大的冲击电流。措施：对电流实施实时控制。措施：对电流实施实时控制。3.电流滞环跟踪型电流滞环跟踪型PWM控制控制图图2-23 电流滞环跟踪电流滞环跟踪PWM控制逆变器的单相结构控制逆变器的单相结构 3.电流滞环跟踪型电流滞环跟踪型PWM控制控制 图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2 。将将给定电流给定电流 ir 与输出电流与输出电流 if 进行比较，电流偏差进行比较，电流偏差 超过超过 时，时，经滞环控制器经滞环控制器HBC控制逆变器相应相上（或下）桥控制逆变器相应相上（或下）桥臂的功率器件动作。臂的功率器件动作。3.电流滞环跟踪型电流滞环跟踪型PWM控制控制输输出出电电流流与与给给定定值值之之间间的的偏偏差差保保持持在在 范范围围内内，在在正正弦弦波波上上下下作作锯齿状变化。锯齿状变化。3.电流滞环跟踪型电流滞环跟踪型PWM控制控制电流跟踪控制的电流跟踪控制的精度与滞环精度与滞环的环宽有关，同时还受到的环宽有关，同时还受到功率开功率开关器件允许开关频率关器件允许开关频率的制约；的制约；当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；谐波分量高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了；应在充分利用器件开关频率的前提下，选择尽可能小的环宽。应在充分利用器件开关频率的前提下，选择尽可能小的环宽。3.电流滞环跟踪型电流滞环跟踪型PWM控制控制 电流滞环跟踪控制方法的特点：电流滞环跟踪控制方法的特点：结结构构简简单单，电电流流响响应应快快，输输出出电电压压波波形形中中不不含含特特定定频频率率的的谐波分量谐波分量 。调调速速时时，只只需需改改变变电电流流给给定定信信号号的的频频率率，无无需需进进行行电电压压调调节。节。功功率率器器件件的的开开关关频频率率变变化化大大，不不利利于于功功率率器器件件的的安安全全工工作。作。 固定开关频率的电流跟踪固定开关频率的电流跟踪PWM控制技术控制技术 图图2-25 固定开关频率的电流跟踪固定开关频率的电流跟踪PWM控制原理图控制原理图 ifF/VuT-+-irAFR