最新变频调速选用课件第三章-PWM控制技术幻灯片.ppt

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1、进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记想起那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老忆中的故乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着少，个个手持一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着“怎么这么热怎么这么热”，于是三，于是三五成群，聚在大树下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑五成群，聚在大树下，或站着

2、，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到“强子，别跑强子，别跑了，快来我给你扇扇了，快来我给你扇扇”。孩子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，。孩子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，这才一跑一踮地围过了，这时母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，“你你看热的，跑什么？看热的，跑什么？”此时这把蒲扇，是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲此时这把蒲扇，是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在我国

3、已有三千年多年的历史。取材的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表面光滑，因而，古人常会在上于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即今日的蒲扇，江浙称之为面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非圆，轻巧又便宜的蒲芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，也走过了我们的扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，也走过

4、了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长长的时间隧半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长长的时间隧道，袅道，袅PWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脉宽调制技术脉宽调制技术：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)。第5、6章已涉及到PWM控制，第5章直流直流-直流变流直流变流电路电路采用的就PWM技术；第6章的6.1斩控式调压电斩控式调压电路路也涉及到了。 PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。近年来，PWM技术在整流电路也开始应用，并具有突出性能。2）PW

5、M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直流斩波电路 直流波形SPWM波 正弦波形等效成其他所需波形，如:l 所需波形 l 等效的PWM波0s5m s10m s15m s20m s25m s30m s-20V0V20V 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电压型和电流型电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。 1）计算法 根据PWM控制的基本原理，当给出了正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，

6、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。 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）调制法图74 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2）调制法图74 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

7、VD1和VD4流过，仍有uo=Ud 。 V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。 uo总可得到Ud和零两种电平。 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。3）单极性PWM控制方式( (单相桥逆变单相桥逆变) )uur正半周正半周，V1保持通通，V2保持断断。 当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud 。 当uruc时时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。 如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通， uo=Ud 。 当当uruc时时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。 如io0，VD2和VD3通，uo=-U

8、d 。图7-6 双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。图7-5 双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图7-5 单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud 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。4）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）（三相桥逆变）图7-7 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12

9、0ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd- UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud图7-7 三相桥式PWM型逆变电路 图7-8 三相桥式PWM逆变电路波形 下面以U相为例分析控制规律控制规律： 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，uUN=-Ud/2。 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，uU

10、V=Ud，当3和4通时，uUV=Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。 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。 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。ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd- UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud图7-7 三相桥式PWM型逆变电路 图7

11、-8 三相桥式PWM逆变电路波形 v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异步调制和同步调制同步调制。 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载波比载波比载波频率fc与调制信号频率fr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2） 同步调制同步

12、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。ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud-2Ud图7-10 同步调制三相PWM波形 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。 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

13、不同。在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。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。1）自然采样法： 按照SPWM控制的基本原理,在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断来产生的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。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d图7-12 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，计算量小得多。 三角波两

14、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。l 规则采样法原理原理ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d图7-12 规则采样法 l规则采样法计算公式推导正弦调制信号波tUurmrrsinw三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度)sin1 (421DrcctaTTwdd-(7-7)wr为信号波角频率从图7-12得,2/22/sin1cDrTtadw)sin1 (2DrctaTwd (7-6

15、)ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d图7-12 规则采样法 a称为调制度调制度， (0a1)crmUUa/3）三相桥逆变电路三相桥逆变电路的情况三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120同一三角波周期内三相的脉宽分别为dU、dV和dW，脉冲两边的间隙宽度分别为dU、d V和d W，同一时刻三相调制波电压之和为零，由式(7-6)得 由式(7-7)得23cWVUTddd43c W V UTddd利用以上两式可简化三相SPWM波的计算(7-8)(7-9) PWM波形生成的第三种方法跟踪控制方法跟踪控制方法。 把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为 反馈信号，通过

16、两者的瞬时值比较来决定逆变电路 各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号 变化。 常用的有滞环比较方式滞环比较方式和三角波比较方式三角波比较方式。 1) 跟踪型PWM变流电路中，电流跟踪控制应用最多。tOiii*+D Ii*-D Ii*图7-25 滞环比较方式的指令电流和输出电流图7-24 滞环比较方式电流跟踪控制举例基本原理基本原理 把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入。 V1（或VD1）通时，i增大 V2（或VD2）通时，i减小通过环宽为2DI的滞环比较器的控制，i就在i*+D DI和i*-D DI的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*。参数的影响参数的影响 环

17、宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。L大时，i的变化率小，跟踪慢；L小时，i的变化率大，开关频率过高。滞环环宽电抗器L的作用2) 三相的情况图7-27 三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形图7-26 三相电流跟踪型PWM逆变电路3) 采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路有如下特点特点。 （1）硬件电路简单。 （2）实时控制，电流响应快。 （3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。 （4）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流 中高次谐波含量多。 （5）闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。4) 采用滞环比较方式实

18、现电压跟踪控制把指令电压u*和输出电压u进行比较，滤除偏差信号中的谐波，滤波器的输出送入滞环比较器，由比较器输出控制开关器件的通断，从而实现电压跟踪控制。图7-28 电压跟踪控制电路举例 和电流跟踪控制电路相比，只是把指令和反馈信号从电流变为电压。 输出电压PWM波形中含大量高次谐波，必须用适当的滤波器滤除。u u* *=0=0时，输出电压u u为频率较高的矩形波，相当于一个自励振荡电路。u*为直流信号时，u u产生直流偏移，变为正负脉冲宽度不等，正宽负窄或正窄负宽的矩形波。u u* *为交流信号时，只要其频率远低于上述自励振荡频率，从u u中滤除由器件通断产生的高次谐波后，所得的波形就几乎和

19、u u* * 相同，从而实现电压跟踪控制。负载+-iUi*U+-iVi*V+-iWi*WUdC+-C+-C+-三相三角波发生电路AAA(1) 基本原理 不是把指令信号和三角波直接进行比较，而是通过闭环来进行控制。 把指令电流i i* *U U、i i* *V V和i i* *WW和实际输出电流i iU U、i iV V、i iWW进行比较，求出偏差，通过放大器A放大后，再去和三角波进行比较，产生PWM波形。放大器A通常具有比例积分特性或比例特性，其系数直接影响电流跟踪特性。(2) 特点 开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便。为改善输出电压波形，三角波载波常用三相三角波载波。和滞环比较

20、控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐波少。图7-29 三角波比较方式电流跟踪型逆变电路不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟。v以固定采样周期对指令信号和被控制变量进行采样，根据偏差的极性来控制开关器件通断。在时钟信号到来的时刻，如i i i i* *，V1断，V2通，使I I 减小。每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令电流的误差减小。采用定时比较方式时，器件的最高开关频率为时钟频率的1/2。和滞环比较方式相比，电流控制误差没有一定的环宽，控制的精度低一些。(3) 除上述两种比较方式外，还有定时比较方式定时比较方式。 1单相PWM整流电路图7-30 单相PWM整流电路vPWM整流电路

21、也可分为电压型和电流型两大类，目前电压型的较多。半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联，其中点和交流电源连接。 单相半桥电路 交流侧电感Ls包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必须的。全桥电路直流侧电容只要一个就可以。 单相全桥电路(1)单相全桥单相全桥PWM整流电路整流电路的工作原理正弦信号波和三角波相比较的方法对图6-28b中的V1V4进行SPWM控制，就可以在桥的交流输入端AB产生一个SPWM波uAB。uAB中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，不含有低次谐波。由于Ls的滤波作用，谐波电压只使is产生很小的脉动。当正弦信号

22、波频率和电源频率相同时，is也为与电源频率相同的正弦波。us一定时，is幅值和相位仅由uAB中基波uABf的幅值及其与us的相位差决定。改变uABf的幅值和相位，可使is和us同相或反相，或使is与us相位差为所需角度。 开关管开关管 V V1 1和和 V V2 2的控制信号的控制信号1bu 、2bu 由由ru和和cu 调制得到调制得到。当当ru cu 时使时使 V V1 1导通导通，V V2 2关断关断；当当ru cu 时使时使 V V3 3导导通通，V V4 4关断；关断；当当ru- 0时时，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分别组成两个升压斩波电路，以（V2、

23、VD4、VD1、Ls）为例。 V2通时，us通过V2、VD4向Ls储能。 V2关断时，Ls中的储能通过VD1、VD4向C充电。 us 0时时，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分别组成两个升压斩波电路。2三相PWM整流电路 三相桥式PWM整流电路，是最基本的PWM整流电路之一，应用最广。 工作原理和前述的单相全桥电路相似，只是从单相扩展到三相。 进行SPWM控制，在交流输入端A、B和C可得 SPWM电压，按图7-31a的相量图控制，可使i ia a、i ib b、i ic c为正弦波且和电压同相且功率因数近似为1。 和单相相同，该电路也可工作在逆变运行状态及图7-3

24、1c或d的状态。图7-32 三相桥式PWM整流电路 负载图7-33 间接电流控制系统结构1) 间接电流控制间接电流控制也称为相位和幅值控制相位和幅值控制。按图7-31a（逆变时为图7-21b）的相量关系来控制整流桥交流输入端电压，使得输入电流和电源电压同相位，从而得到功率因数为1的控制效果。图7-33，间接电流控间接电流控制的系统结构图制的系统结构图图中的PWM整流电路为图7-32的三相桥式电路控制系统的闭环是整流器直流侧电压控制环。有多种控制方法，根据有没有引入电流反馈引入电流反馈可分为两种 间接电流控制间接电流控制、直接电流控制直接电流控制。从整流运行向逆变运行转换首先负载电流反向而向C充

25、电，ud抬高，PI调节器出现负偏差，id减小后变为负值，使交流输入电流相位和电压相位反相，实现逆变运行。稳态时，ud和 仍然相等，PI调节器输入恢复到零，id为负值，并与逆变电流的大小对应。控制原理 和实际的直流电压ud比较后送入PI调节器，PI调节器的输出为一直流电流信号id，id的大小和整流器交流输入电流幅值成正比。 稳态时，ud= ，PI调节器输入为零，PI调节器的输出id和负载电流大小对应，也和交流输入电流幅值相对应。*du负载电流减小时，调节过程和上述过程相反。 负载电流增大时，C放电而使ud下降，PI的输入端出现正偏差，使其输出id增大，进而使交流输入电流增大，也使ud回升。达到新

26、的稳态时，ud和 相等，PI调节器输入仍恢复到零，而id则稳定为新的较大的值，与较大的负载电流和较大的交流输入电流对应。*du*du*du 控制系统中其余部分的工作原理 图中上面的乘法器是id分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，再乘以电阻R，得到各相电流在Rs上的压降uRa、uRb和uRc。 图中下面的乘法器是id分别乘以比a、b、c三相相电压相位超前/2的余弦信号，再乘以电感L的感抗，得到各相电流在电感Ls上的压降uLa、uLb和uLc。 各相电源相电压ua、ub、uc分别减去前面求得的输入电流在电阻R和电感L上的压降，就可得到所需要的交流输入端各相的相电压uA、uB和uC的信号

27、，用该信号对三角波载波进行调制，得到PWM开关信号去控制整流桥，就可以得到需要的控制效果。l存在的问题在信号运算过程中用到电路参数Ls和Rs，当Ls和Rs的运算值和实际值有误差时，会影响到控制效果。是基于系统的静态模型设计的，其动态特性较差。间接电流控制的系统应用较少。2) 直接电流控制 有不同的电流跟踪控制方法，图6-32给出一种最常用的采用电流滞环比较方式的控制系统结构图。图7-34 直接电流控制系统结构图 通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。控制系统组成双闭环控制系统，外环是直流电压控制环，内环是交流电流控制环。外环的结构、工

28、作原理和图6-31间接电流控制系统相同。外环PI调节器的输出为i id d，i id d分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，得到三相交流电流的正弦指令信号 ， 和 。 ， 和 分别和各自的电源电压同相位，其幅值和反映负载电流大小的直流信号i id d成正比，这是整流器运行时所需的交流电流指令信号。指令信号和实际交流电流信号比较后，通过滞环对器件进行控制，便可使实际交流输入电流跟踪指令值。*ai*bi*ci*ai*bi*ci图7-34 直接电流控制系统结构图优点优点控制系统结构简单，电流响应速度快，系统鲁棒性好。获得了较多的应用 现代电力电子装置的发展趋势发展趋势 小型化、轻量化、对

29、效率和电磁兼容性也有更高的要求。电力电子装置高频化 滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。 开关损耗增加，电磁干扰增大。l软开关技术 降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。 2）特点：）特点： 不存在电压和电流的重叠。降低了开关损耗、开关噪声，提高了开关频率。 2、软开关、软开关 开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中其电流也很小，开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中其电流也很小，这种开关过程的功率损耗不大，称之为软开关。这种开关过程的功率损耗不大，称之为软开关。 l 硬开关： 开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。 电压、电流变化很快，波形出现明

30、显得过冲，导致开关噪声。t0a）硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程图81 硬开关的开关过程uiP0uituuiiP00l 软开关： 在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。 降低开关损耗和开关噪声。uiP0uitt0uiP0uitt0a）软开关的开通过程b）软开关的关断过程图82 软开关的开关过程零电压开通开关开通开通前其两端电压电压为零开通时不会产生损耗和噪声。零电流关断开关关断关断前其电流电流为零关断时不会产生损耗和噪声。零电压关断与开关并联并联的电容电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。零电流开通与开关串联串联的电感电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关零电压开关和零电流开关零电流开关。l 根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成零电压电路和零电流电路两大类l 根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路准谐振电路、零开关零开关PWM电路电路和零转换零转换PWM电路电路。