电力电子技术第7章 PWM控制技术.ppt
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1、第七章 PWM控制技术 PWM Techniques,PWM控制的基本原理PWM逆变电路及其控制方法PWM整流电路及其控制方法,本章主要内容,PWM (Pulse Width Modulation)控制技术就是脉宽调制技术:即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效的获得所需要的波形(含形状和幅值),PWM Techniques,The most widely used control techniquein power electronics,PWM控制的思想源于通信技术,全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易PWM技术的应用十分广泛,它使电力电子装置的性能大大提高,因此它在电力电子技
2、术的发展史上占有十分重要的地位PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用,才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术,因此,本章和第5章(逆变电路)相结合,才能使我们对逆变电路有完整地认识,PWM Techniques,重要理论基础面积等效原理 The equal-area theorem,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。,Basic principles of PWM,b),图6-2 冲量相等的各种窄脉冲的响应波形,具体的实例说明“面积等效原理”,a),u (t)电压窄脉冲,是电路的输入 i (t)输出电流,是电路的响
3、应,Basic principles of PWM,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,PWM控制技术的基本思想,若要改变等效输出正弦波幅值,按同一比例改变各脉冲宽度即可。,SPWM波,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,PWM控制技术的基本思想,对于正弦波的负半周,采取同样的方法,得到PWM波形,因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为:,根据面积等效原理,正弦波还可等效为下图中的PWM波,而且这种方式在实际应用中更为广泛。,PWM控制技术的基本思想,等幅PWM波 输入电源是恒定直流 第3章的直流斩波电路 6.2节的PWM逆变电路 6.4节的PWM整流电路,不等幅PWM
4、波 输入电源是交流或不是恒定 的直流 4.1节的斩控式交流调压电路 4.4节的矩阵式变频电路,PWM控制技术的基本思想,直流斩波电路 直流波形,SPWM波 正弦波形,PWM电流波 电流型逆变电路进行PWM控制,得到的就是PWM电流波,PWM波可等效的各种波形,PWM控制技术的基本思想,等效成其他所需波形,如:,目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合本节内容构成了本章的主体PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种,目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路,PWM逆变电路及其控制方法,6.2.1 计算法和调制法6.2.2 异步调制和同步调制 6.2.
5、3 规则采样法6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析6.2.5 提高直流电压利用和减少开关次数6.2.6 PWM逆变电路的多重化,PWM逆变电路及其控制方法,1)计算法,根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数,准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔,据此控制逆变电路开关器件的通断,就可得到所需PWM波形。本法较繁琐,当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时,结果都要变化。,计算法和调制法,工作时V1和V2通断互补,V3和V4通断也互补以uo正半周为例,V1通,V2断,V3和V4交替通断负载电流比电压滞后,在电压正半周,电流有一段区间为正,一段区间为负负载电流为正的区间,V1和V4导通时,uo等于Ud,2)调制
6、法,图64 单相桥式PWM逆变电路,结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明,计算法和调制法,图64 单相桥式PWM逆变电路,V4关断时,负载电流通过V1和VD3续流,uo=0负载电流为负的区间, V1和V4仍导通,io为负,实际上io从VD1和VD4流过,仍有uo=Ud 。uo负半周,让V2保持通,V1保持断,V3和V4交替通断,uo可得-Ud和零两种电平。,计算法和调制法,ur正半周,V1保持通,V2保持断。当uruc时使V4通,V3断,uo=Ud 。当uruc时,给V1和V4导通信号,给V2和V3关断信号。如io0,V1和V4通,如io0,VD2和VD3通,uo=-Ud 。,在
7、ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,计算法和调制法,图6-6 双极性PWM控制方式波形,图6-5 单极性PWM控制方式波形,对照上述两图可以看出,单相桥式电路既可采取单极性调制,也可采用双极性调制,由于对开关器件通断控制的规律不同,它们的输出波形也有较大的差别。,计算法和调制法,4)双极性PWM控制方式(三相桥逆变),图6-7 三相桥式PWM型逆变电路,三相的PWM控制公用三角波载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120,计算法和调制法,以U相为例分析:,当urUuc时,给V1导通信号,给V4关断信号,uUN=Ud/2。当urUuc时,给V4导通信号,给V1关断信号,uU
8、N=-Ud/2。,计算法和调制法,当给V1(V4)加导通信号时,可能是V1(V4)导通,也可能是VD1(VD4)导通。uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2两种电平。,uUV波形可由uUN-uVN得出,当1和6通时,uUV=Ud,当3和4通时,uUV=Ud,当1和3或4和6通时,uUV=0。,计算法和调制法,输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成。,图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形,计算法和调制法,防直通的死区时间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,留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死
9、区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWM波带来影响,使其稍稍偏离正弦波。,计算法和调制法,特定谐波消去法 (Selected Harmonic Elimination PWMSHEPWM),计算法中一种较有代表性的方法。输出电压半周期内,器件通、断各3次(不包括0和),共6个开关时刻可控。为减少谐波并简化控制,要尽量使波形对称。,计算法和调制法,为消除偶次谐波,使波形正负两半周期镜对称,即,为消除谐波中余弦项,应使波形在正半周期内前后1/4周期以/2为轴线对称,同时满足上两个条件的波形称为四分之一周期对称波形,用傅里叶级数表示为 式中,an为,计算法和调制法,能独立控
10、制a1、a 2和a 3共3个时刻。该波形的an为 式中n=1,3,5,确定a1的值,再令两个不同的an=0(n=1,3,5),就可建三个方程,求得a1、a2和a3 。,计算法和调制法,消去两种特定频率的谐波,在三相对称电路的线电压中,相电压所含的3次谐波相互抵消。可考虑消去5次和7次谐波,得如下联立方程:,给定a1,解方程可得a1、a2和a3。a1变,a1、a2和a3也相应改变。,(65),计算法和调制法,如果在输出电压半周期内,器件通、断各k次,考虑到PWM波四分之一周期对称,k个开关时刻可控,除用一个自由度控制基波幅值外,可消去k1个频率的特定谐波。k的取值越大,开关时刻的计算越复杂。除计
11、算法和调制法外,还有跟踪控制方法。,计算法和调制法,根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况,PWM调制方式分为异步调制和同步调制。,载波比,载波频率fc与调制信号频率fr之比,N= fc / fr,1) 异步调制,载波信号和调制信号不同步的调制方式,异步调制和同步调制,2) 同步调制,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N等于常数。,通常保持fc固定不变,当fr变化时,载波比N是变化的在信号波的半周期内,PWM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1/4周期的脉冲也不对称当fr较低时,N较大,一周期内脉冲数较多,脉冲不对称
12、产生的不利影响都较小当fr增高时,N减小,一周期内的脉冲数减少,PWM脉冲不对称的影响就变大,1) 异步调制,异步调制和同步调制,2) 同步调制,基本同步调制方式,fr变化时N不变,信号波一周期内输出脉冲数固定。三相电路中公用一个三角波载波,且取N为3的整数倍,使三相输出对称。为使一相的PWM波正负半周镜对称,N应取奇数。,异步调制和同步调制,fr很低时,fc也很低,由调制带来的谐波不易滤除。fr很高时,fc会过高,使开关器件难以承受。,3)分段同步调制异步调制和同步调制的综合应用。,把整个fr范围划分成若干个频段,每个频段内保持N恒定,不同频段的N不同。在fr高的频段采用较低的N,使载波频率
13、不致过高;在fr低的频段采用较高的N,使载波频率不致过低。,图6-11 分段同步调制方式举例,异步调制和同步调制,3)分段同步调制异步调制和同步调制的综合应用。,为防止fc在切换点附近来回跳动,采用滞后切换的方法。同步调制比异步调制复杂,但用微机控制时容易实现。可在低频输出时采用异步调制方式,高频输出时切换到同步调制方式,这样把两者的优点结合起来,和分段同步方式效果接近。,异步调制和同步调制,1)自然采样法: 按照SPWM控制的基本原理产生的PWM波的方法,其求解复杂,难以在实时控制中在线计算,工程应用不多。,图6-12 规则采样法,2)规则采样法 工程实用方法,效果接近自然采样法,计算量小得
14、多。,规则采样法,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(负峰点)重合。规则采样法使两者重合,使计算大为减化。如图所示确定A、B点,在tA和tB时刻控制开关器件的通断。脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。,规则采样法原理,规则采样法,规则采样法计算公式推导,正弦调制信号波,规则采样法,3)三相桥逆变电路的情况,规则采样法,使用载波对正弦信号波调制,会产生和载波有关的谐波分量。谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一。分析以双极性SPWM波形为准。同步调制可看成异步调制的特殊情况,只分析异步调制方式。分析方法以载波周期为基础,再利用贝
15、塞尔函数推导出PWM波的傅里叶级数表达式。尽管分析过程复杂,但结论简单而直观。,PWM逆变电路的谐波分析,图6-13,不同a时单相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图。,1)单相的分析结果,PWM波中不含低次谐波,只含wc及其附近的谐波以及2wc、3wc等及其附近的谐波。,图6-13 单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图,PWM逆变电路的谐波分析,2)三相的分析结果公用载波信号时的情况,输出线电压中的谐波角频率为,式中,n=1,3,5,时,k=3(2m1)1,m=1,2,; n=2,4,6,时,,PWM逆变电路的谐波分析,三相和单相比较,共同点是都不含低次谐波,一个较显著的区别是载波角频率wc整数
16、倍的谐波没有了,谐波中幅值较高的是wc2wr和2wcwr。SPWM波中谐波主要是角频率为wc、2wc及其附近的谐波,很容易滤除。当调制信号波不是正弦波时,谐波由两部分组成:一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果,另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波分布情况和SPWM波的谐波分析一致。,谐波分析小结,PWM逆变电路的谐波分析,直流电压利用率逆变电路输出交流电压基波最大幅值U1m和直流电压Ud之比。提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力。减少器件的开关次数可以降低开关损耗。正弦波调制的三相PWM逆变电路,调制度a为1时,输出线电压的基波幅值为 ,直流电压利用率为0.866
17、,实际还更低。梯形波调制方法的思路采用梯形波作为调制信号,可有效提高直流电压利用率。当梯形波幅值和三角波幅值相等时,梯形波所含的基波分量幅值更大。,提高直流电压利用率和减少开关次数,图6-15 梯形波为调制信号的PWM控制,1)梯形波调制方法的原理及波形,梯形波的形状用三角化率 s =Ut/Uto描述,Ut为以横轴为底时梯形波的高,Uto为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高。s =0时梯形波变为矩形波,s =1时梯形波变为三角波。梯形波含低次谐波,PWM波含同样的低次谐波。低次谐波(不包括由载波引起的谐波)产生的波形畸变率为d 。,提高直流电压利用率和减少开关次数,图6-16,
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- 电力 电子技术 PWM 控制 技术
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