第七讲控制基础.ppt
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1、第七讲控制基础现在学习的是第1页,共62页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如下下问问题: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多,装置庞大;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应缓缓慢;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
2、较较大大的的脉脉动动转转矩矩,低低速速时时尤尤为为严重。严重。现在学习的是第2页,共62页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)方式,简称)方式,简称PAM控制方式;控制方式;现在学习的是第3页,共62页2
3、.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-交变频器交变频器现在学习的是第4页,共62页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,成成为为现现代代交流调速技术发展
4、最快的一个领域。交流调速技术发展最快的一个领域。现在学习的是第5页,共62页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。现在学习的是第6页,共62页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
5、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C现在学习的是第7页,共62页v2.3.1.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的调制等率先把通信系统中的调制技术应用到交流调速领域,提出了脉宽调制变频的思想。其技术应用到交流调速领域,提出了脉宽调制变频的思想。其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,弦波,即通过控制逆变器功率开关器件导通或关断,在逆变器即通过控制逆变器功率开关器件导通或关断,在逆变器
6、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期就可以改变输出电压的幅值和频率。的宽度和调制周期就可以改变输出电压的幅值和频率。现在学习的是第8页,共62页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,其效果基本相同。时,其效果基本相同。v2.3.1.PWM控制原理控制原理现在学习的是第9页,共62页 按照波形面积相等的原则,每一个矩形波的面积与相应位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
7、的正弦波面积相等,因而这个序列的矩形波与期望的正弦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(波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制(Sinusoidal Sinusoidal pulse width modulationpulse 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控制原理控制原理现在学习的是第10页,共62页v2.3.1.PWM控制原理控制原理现在学习的是第11页,共62页v以正弦波作为逆变器输出的
8、期望波形,以频率比期望波高得多的等腰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三角波作为载波载波(Carrier waveCarrier wave),并用频率和期望波相同的正弦),并用频率和期望波相同的正弦波作为波作为调制波调制波(Modulation waveModulation wave),当调制波与载波相交时,),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调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波形波
9、。v2.3.1.PWM控制原理控制原理现在学习的是第12页,共62页注意注意:(1 1)PWMPWM脉冲特点:高度相等,中心矩相等,但宽度呈脉冲特点:高度相等,中心矩相等,但宽度呈正弦变化;正弦变化;(2 2)SPWMSPWM波仍有高次谐波,但幅值较大的低次谐波都被消波仍有高次谐波,但幅值较大的低次谐波都被消除或被有效地抑制了;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子元件;控制方式,要求使用高开关频率的电力电子元件;(4 4)PWMPWM技术在本质上是变压技术而不是变频技术,是一技术在本质上是变压技术而不是变频技术,是一种区别于种区别于PAMPAM的调压
10、方式。的调压方式。v2.3.1.PWM控制原理控制原理现在学习的是第13页,共62页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)现在学习的是第14页,共62页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)主电路主电路现在学习的是第15页,共62页3个参
11、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 现在学习的是第16页,共62页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,从而改变输出电波的宽度,从而改变输出电压的有效值;压的有效值;v2.3.2 PWM变频器变频器 现在学习的是第17页,共62页q PWM和PAM控制的区别(1)
12、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,而接近于与负载电压无关,而接近于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,大大扩展了电,大大扩展了电动机的调速范围。动机的调速范围。v2.3.2 PWM变频器变频器 现在学习的是第18页,共62页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v载波比载波比载波频率载波频率 fc与调制信号频率与
13、调制信号频率 fr 之比之比N,即,即vN=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。现在学习的是第19页,共62页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信号波即在变频时使载波频率和信号波频率成正比变化。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现在学习的是第20页,共62页v特点:特点:v三相公用一个三角波载波,且取三相公用
14、一个三角波载波,且取 N 为为3的整数倍,使的整数倍,使三相输出对称三相输出对称;vfr 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;vfr 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现在学习的是第21页,共62页v同步调同步调制三相制三相PWM波波形形ucurUurVurWuuUNuVNOtttt000uWN2Ud-2Udv2.3.3.同步调制与异步调制现在学习的是第22页,共62页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
15、同步的调制方式。v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;v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,相位也不固定,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。正负半周期的脉冲不对称。v2.3.3.同步调制与异步调制现在学习的是第23页,共62页v异步调制的特点:异步调制的特点:v1)低频时(低频时(fr 较低),较低),N 较大,一周期内脉冲数较多,脉冲不对较大,一周期内脉冲数较多,脉冲不对称产生的不利影响较小,所以称产生的不利影响较小,所以低频时相应地减小了谐波分量低频时相应地减小了谐波分量;
16、v2)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稳工作不平稳。v2.3.3.同步调制与异步调制现在学习的是第24页,共62页v(3)分段同步调制)分段同步调制v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,不同频段不同频段N不同不同;v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;v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现在学习的是第25页,共62页v分段同步调制方式
17、分段同步调制方式v2.3.3.同步调制与异步调制现在学习的是第26页,共62页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,高频高频输出时切换到输出时切换到同步同步调制调制方式,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。接近。v2.3.3.同步调制与异步调制现在学习的是第27页,共62页图2-19 三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5BACOOC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2v2
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