湖南大学现代电力电子技术第5章学习教案.pptx

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1、会计学1湖南大学现代湖南大学现代(xindi)电力电子技术第电力电子技术第5章章第一页，共82页。第第5章章 脉冲宽度调制脉冲宽度调制(tiozh)(PWM)技术技术 5.1 PWM5.1 PWM技术概述技术概述5.2 5.2 正弦正弦PWMPWM技术技术5.3 5.3 空间矢量空间矢量(shling)(shling)调制技术调制技术5.4 5.4 电流跟踪控制技术电流跟踪控制技术5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术第1页/共81页第二页，共82页。5.1 PWM5.1 PWM技术技术(jsh)(jsh)概述概述uPWM 技术：脉宽调制技术：

2、脉宽调制(tiozh)技术技术(Pulse Width Modulation)，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制(tiozh)，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。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(n bin)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(n bin)电路都采用了PWM技术，因此，本章能使

3、我们对逆变(n bin)电路有完整地认识。一、一、PWMPWM技术原理技术原理第2页/共81页第三页，共82页。5.1 PWM5.1 PWM技术技术(jsh)(jsh)概述概述u重要理论基础(jch)面积等效原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性(gunxng)的环节上时，其效果基本相同。的环节上时，其效果基本相同。d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)冲量冲量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第3页/共81页第四页，共82页。5.1 PWM5.1

4、PWM技术技术(jsh)(jsh)概述概述PWM调制(tiozh)思想如何用一系列脉冲来代替一个如何用一系列脉冲来代替一个如何用一系列脉冲来代替一个如何用一系列脉冲来代替一个(y)(y)正弦半波？正弦半波？正弦半波？正弦半波？OutOutSPWM波Out 固定幅值，使波形调制方案更具可实现性第4页/共81页第五页，共82页。5.1 PWM5.1 PWM技术技术(jsh)(jsh)概述概述如何如何如何如何(rh)(rh)改变正弦波形幅值？改变正弦波形幅值？改变正弦波形幅值？改变正弦波形幅值？按同一比例改变按同一比例改变各脉冲各脉冲(michng)宽度宽度如何改变正弦波形频率？如何改变正弦波形频率

5、？如何改变正弦波形频率？如何改变正弦波形频率？在脉冲周期不变在脉冲周期不变的条件下，的条件下，改变脉冲个数改变脉冲个数PWM的调制原理的调制原理OutOutSPWM波第5页/共81页第六页，共82页。5.1 PWM5.1 PWM技术技术(jsh)(jsh)概述概述OwtUd-UdOwtUd-Ud双极性SPWM根据面积等效原理，正弦波还可等效为右图中的PWM波，而且(r qi)这种方式在实际应用中更为广泛。单极性SPWM对于(duy)正弦波的负半周，采取同样的方法，得到 PWM波形。第6页/共81页第七页，共82页。5.1 PWM5.1 PWM技术技术(jsh)(jsh)概述概述PWM波可等效的

6、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波第7页/共81页第八页，共82页。5.1 PWM5.1 PWM技术技术(jsh)(jsh)概述概述二、谐波二、谐波(xi b)(xi b)电压电流畸变因数电压电流畸变因数u畸变畸变(jbin)(jbin)的周期性电压和电流的傅立叶级数的周期性电压和电流的傅立叶级数u 其中其中 w1:w1:基波角频率基波角频率 n:n:谐波次数谐波次数 M:M:所所考虑谐波最高次数考虑谐波最高次数uVn,In:Vn,In:第第n n次谐波电压和电流的均方根值次谐波电压和电流的均方根值uan,bn:an

7、,bn:第第n n次谐波电压和电流的初相角次谐波电压和电流的初相角u均方根值均方根值第8页/共81页第九页，共82页。5.1 PWM5.1 PWM技术技术(jsh)(jsh)概述概述un n次谐波次谐波(xi b)(xi b)含有率（含有率（HR:harmonic ratioHR:harmonic ratio）u电压电压THDTHD通常是一个有意义的数据，但对电流通常是一个有意义的数据，但对电流(dinli)(dinli)来说，较小幅值的来说，较小幅值的谐波电谐波电 流可能导致较大的流可能导致较大的THD THD 值，而此时电力系统受到的威胁并不大。值，而此时电力系统受到的威胁并不大。u总谐波

8、畸变率（总谐波畸变率（THD:total Harmonic distortionTHD:total Harmonic distortion）u总谐波畸变因数与基波和均方根的关系总谐波畸变因数与基波和均方根的关系第9页/共81页第十页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术一、一、SPWM生成生成(shn chn)的基本的基本思想思想目前所采用的一种基目前所采用的一种基于等效原理的易实现于等效原理的易实现的方法的方法(fngf):(fngf):就就是使逆变器的输出波是使逆变器的输出波形为一系列与正弦波形为一系列与正弦波

9、等效的等幅不等宽的等效的等幅不等宽的矩形脉冲波形矩形脉冲波形.等效的原则等效的原则:每一等每一等分区间内正弦波的面分区间内正弦波的面积与矩形波的面积相积与矩形波的面积相等等,具体等效方法具体等效方法(fngf)(fngf)如右图示如右图示.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SPWM波形。第10页/共81页第十一页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术二、三角二、三角(snjio)(snjio)波波SPWMSPWM的调制方法的调制方法在

10、 ur和 uc交点时刻控制IGBT的通断urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示(biosh)uo的基波分量ur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，使V4通，V3断，uo=0；当uruc时时，V1和V4导通，V2和V3关断io0时时，V1和V4工作，uo=Ud；iouc时时，V2和V3导通，V1和V4关断io0时时，VD2和VD3工作，uo=-Ud。第12页/共81页第十三页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技技术术urucuOwtOwtuouo

11、fuoUd-UdurucuOwtOwtuouofuoUd-Udu双极性调制双极性调制(tiozh)和单极性调制和单极性调制(tiozh)的比较的比较 对照两图可见，单极性调制(tiozh)和双极性调制(tiozh)都适用于单相桥式电路。由于对开关器件通断控制的规律不同，两种调制(tiozh)方式存在差异：1、输出波形有较大的差别；2、一个正弦周期的开关损耗不同；3、产生IGBT驱动信号的难易程度不同。第13页/共81页第十四页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技技术术u三相三相SPWM的调制的调制(tiozh)方法方

12、法三相的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第14页/共81页第十五页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术urUu0t00000ttttturVucurWuUN0.5Ud-0.5UduVNuWNUd-UduUVuUN2Ud/3Ud/3相电压分析相电压分析(fnx)：urUuc时时，V1通通，V4断断，uUN=Ud/2；urUuc时时，V4通通，V1断断，uUN=-Ud/2；uUN、uVN和和uWN的的波波形形只只有有Ud/2电平。电平。线电压分析线电压分析(fnx)：u

13、UV波形由波形由uUN-uVN得出得出当当1和和6通时，通时，uUV=Ud；当当3和和4通时，通时，uUV=Ud；当当1和和3或或4和和6通时，通时，uUV=0。线线电电压压PWM波波由由Ud和和0三三种种电电平构成。平构成。负载相电压分析负载相电压分析(fnx)：负负载载相相电电压压PWM波波由由(2/3)Ud、(1/3)Ud和和0共共5种电平组成。种电平组成。第15页/共81页第十六页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术u同步同步(tngb)调制和调制和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

14、步的调制方式n通常保持(boch)fc固定不变同同步调制步调制载波信号和调制信号保持同步的调制方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式，当变频时使载波与信号波保持同步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会给输出的死区时间会给输出的PWMPWM波带来影响。波带来影响。第16页/共81页第十七页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技技术术分段分段(fn dun)同步调制同步调制把把fr范范

15、围围划划分分成成若若干干个个频频段段，每每个个频频段段内内保保持持N恒恒定定，不不同频段同频段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，使载波频率不致过高使载波频率不致过高在在fr低低的的频频段段采采用用较较高高的的N，使载波频率不致过低使载波频率不致过低为为防防止止fc在在切切换换点点附附近近来来回回跳动，采用滞后切换的方法跳动，采用滞后切换的方法同同步步调调制制比比异异步步调调制制复复杂杂，但用微机控制时容易实现但用微机控制时容易实现可可在在低低频频输输出出时时采采用用异异步步调调制制方方式式，高高频频输输出出时时切切换换到到同同步步调调制制方方式式，这这样样把把两两者者的

16、的优优点点结结合合起起来来，和和分分段段(fn dun)同同步步方方式式效效果果接接近近第17页/共81页第十八页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术三、三相三、三相(sn xin)SPWM(sn xin)SPWM的模的模拟实现法拟实现法第18页/共81页第十九页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术四、四、SPWMSPWM的数字的数字(shz)(shz)实现法实现法 表格法表格法(ROM法法)SPWM 随时计算法随时计算法(RA

17、M法法)波形的波形的软件软件生成法生成法 等效面积法等效面积法 实时实时(sh sh)计算法计算法 自然采样自然采样法法 规则采样法（对规则采样法（对称和不对称规则采样法称和不对称规则采样法)第19页/共81页第二十页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术u自然自然(zrn)采样采样法法按按照照(nzho)SPWM(nzho)SPWM的的基基本原本原理，理，SPWMSPWM波的生成波的生成方法被称为自然采样方法被称为自然采样法。这种方法最大的法。这种方法最大的问题是：用软件算法问题是：用软件算法不易实现不易实现第

18、20页/共81页第二十一页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术u规则采样法（对称规则采样法（对称(duchn)采样）采样）ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d设三角波两个正峰值(fn zh)之间为一个采样周期Tc方法脉冲中点D时刻的ur采样值与三角波比较，确定A、B点，在tA和tB时刻控制开关器件的通断。特点特点 脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近；计算大为减化。规则采样法的实质是用阶梯波来代替正规则采样法的实质是用阶梯波来代替正弦波，从而简化了算法，适合微机实时弦波，从

19、而简化了算法，适合微机实时控制控制。第21页/共81页第二十二页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术规则采样法计算公式推导规则采样法计算公式推导 正弦调制信号波正弦调制信号波 式中，式中，M称为调制度，称为调制度，0M i*+h V2通下限：i i*-h V1通第59页/共81页第六十页，共82页。5.4 5.4 电流电流(dinli)(dinli)跟踪控制技术跟踪控制技术u 三相电流滞环比较(bjio)控制第60页/共81页第六十一页，共82页。5.4 5.4 电流电流(dinli)(dinli)跟踪控制技术

20、跟踪控制技术u电流滞环比较方式电流滞环比较方式(fngsh)(fngsh)的特点。的特点。（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(hnling)多。（5）闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。第61页/共81页第六十二页，共82页。5.4 5.4 电流电流(dinli)(dinli)跟踪控制技术跟踪控制技术三、三、三角三角(snjio)(snjio)波比较波比较方式方式负载+-iai*a+-ibi*b+-ici*cUdC+-C+-C+-三相三角波发生电路AAA

21、u基本原理u不是把指令信号和三角(snjio)波直接进行比较，而是通过闭环来进行控制。u把指令电流i*a、i*b和i*c和实际输出电流ia、ib、ic进行比较，求出偏差，通过放大器A放大后，再去和三角(snjio)波进行比较，产生PWM波形。u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。第62页/共81页第六十三页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术一、电路一、电路(dinl)拓扑拓扑电流源实现电流源实现(shxin)：使用平波电抗器使用平波电抗器;采用直流电流反馈控制采用直流电流反馈控制第63页/共81页

22、第六十四页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术二、梯形波调制二、梯形波调制(tiozh)第64页/共81页第六十五页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术三、谐波三、谐波(xi b)消除调制消除调制 可以消除谐波可以消除谐波(xi b)的个数：的个数：调制比不可控，只能通过控制直流电流大小来实现调制比不可控，只能通过控制直流电流大小来实现设定电流波形设定电流波形第65页/共81页第六十六页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器P

23、WMPWM技术技术第66页/共81页第六十七页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术第67页/共81页第六十八页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术 消除消除(xioch)5、7、11次谐波次谐波:第68页/共81页第六十九页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术四、空间矢量四、空间矢量(shling)调制调制u电流空间电流空间(kngjin)矢量矢量第69页/共81页第七十页，共82页。5.5 5.5 电流

24、电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术u开关开关(kigun)状态状态第70页/共81页第七十一页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术u开关开关(kigun)状态与电流空间矢量状态与电流空间矢量第71页/共81页第七十二页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术u电流空间矢量电流空间矢量(shling)合成合成第72页/共81页第七十三页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术第73

25、页/共81页第七十四页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术u开关开关(kigun)序列序列一个调制周期开关(kigun)序列第74页/共81页第七十五页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术交流输出周期(zhuq)开关序列第75页/共81页第七十六页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术并联多电平(din pn)拓扑第76页/共81页第七十七页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型

26、逆变器型逆变器PWMPWM技术技术电流(dinli)空间矢量第77页/共81页第七十八页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术直流电流平衡(pnghng)控制第78页/共81页第七十九页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术第79页/共81页第八十页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术uPWMPWM技术技术(jsh)(jsh)比较比较第80页/共81页第八十一页，共82页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)。第81页/共81页第八十二页，共82页。