湖南大学现代电力电子技术第5章.pptx

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1、第第5章章脉冲宽度调制脉冲宽度调制(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 空间矢量调制技术空间矢量调制技术5.4 5.4 电流跟踪控制技术电流跟踪控制技术5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术第1页/共81页5.1 PWM5.1 PWM技术概述技术概述uPWM技术技术：脉宽调制技术(Pulse Width Modulation)，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

2、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电路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，本章能使我们对逆变电路有完整地认识。一、一、PWMPWM技术原理技术原理第2页/共81页5.1 PWM5.1 PWM技术概述技术概述u重要理论基础面积等效原理面积等效原理冲量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)

3、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5.1 PWM5.1 PWM技术概述技术概述PWM调制思想如何用一系列脉冲来代替一个正弦半波？如何用一系列脉冲来代替一个正弦半波？如何用一系列脉冲来代替一个正弦半波？如何用一系列脉冲来代替一个正弦半波？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5.1 PWM5.1 PWM技术概述技术概述如何改变正弦波形幅值？如何改变正弦波形幅值？如何改变正弦波形幅值？如何改变正弦波形幅值？按同一比例改变按同一比例改变各脉冲宽度各脉冲宽度如何改变正弦波形频率？如何改变正弦波形频率？

4、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5.1 PWM5.1 PWM技术概述技术概述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，而且这种方式在实际应用中更为广泛。单极性SPWM对于正弦波的负半周，采取同样的 方 法，得 到 PWM波形。第6页/共81页5.1 PWM5.1 PWM技术概述技术概述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

5、l 等效的PWM波第7页/共81页5.1 PWM5.1 PWM技术概述技术概述二、谐波电压电流畸变因数二、谐波电压电流畸变因数u畸变的周期性电压和电流的傅立叶级数畸变的周期性电压和电流的傅立叶级数 其中其中 w w1 1:基波角频率基波角频率 n n:谐波次数谐波次数 M M:所考虑谐波最高次所考虑谐波最高次数数V Vn n,I In n: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a an n,b,bn n: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5.1 PWM5.1 PWM技术概述技术概述un n次谐波含有率（次谐波含有

6、率（HR:harmonic ratioHR:harmonic ratio）电压电压THDTHD通常是一个有意义的数据，但对电流来说，较小幅值的谐波电通常是一个有意义的数据，但对电流来说，较小幅值的谐波电 流可能导致较大的流可能导致较大的THDTHD 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5.2 5.2 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（

7、SPWM)SPWM)技术技术一、一、SPWM生成的基本思想生成的基本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于等效原理的易实现的方法现的方法:就是使逆就是使逆变器的输出波形为变器的输出波形为一系列与正弦波等一系列与正弦波等效的等幅不等宽的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分区间内正弦波的面积与矩形波的面面积与矩形波的面积相等积相等,具体等效方具体等效方法如右图示法如右图示.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5.

8、2 5.2 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术二、三角波二、三角波SPWMSPWM的调制方法的调制方法在 ur和 uc交点时刻控制IGBT的通断urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示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5.2 5.2 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（S

9、PWM)SPWM)技术技术urucuOwtOwtuouofuoUd-UdurucuOwtOwtuouofuoUd-Udu双极性调制和单极性调制的比较双极性调制和单极性调制的比较 对照两图可见，单极性调制和双极性调制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5.2 5.2 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术u三相三相SPWM的调制方法的调制方法三相的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12

10、0第14页/共81页5.2 5.2 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术urUu0t00000ttttturVucurWuUN0.5Ud-0.5UduVNuWNUd-UduUVuUN2Ud/3Ud/3相电压分析：相电压分析：urUuc时，V1通，V4断，uUN=Ud/2；urUuc时，V4通，V1断，uUN=-Ud/2；uUN、uVN和uWN的波形只有Ud/2电平。线电压分析：线电压分析：uUV波形由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。线电压PWM波由Ud和0三种电平构成。负载相电压分析：负载相电压分析

11、：负 载 相 电 压 PWM波 由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成。第15页/共81页5.2 5.2 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术u同步调制和异步调制同步调制和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n通常保持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时间死区时间会给输出的死区时间会给输

12、出的PWMPWM波带来影响。波带来影响。第16页/共81页5.2 5.2 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术分段同步调制分段同步调制把f fr r范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同在f fr r高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高在f fr r低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低为防止f fc c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第17页/共81页5.2 5.2 正弦脉宽调制（正弦

13、脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术三、三相三、三相SPWMSPWM的模拟实现法的模拟实现法第18页/共81页5.2 5.2 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术四、四、SPWMSPWM的数字实现法的数字实现法表格法表格法(ROM法法)SPWM随时计算法随时计算法(RAM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计算法实时计算法自然采样法自然采样法规则采样法（对称和不对称规则采样法规则采样法（对称和不对称规则采样法)第19页/共81页5.2 5.2 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术u自然采样法自然采样法按照按照SPWM的基本原的

14、基本原理，理，SPWM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20页/共81页5.2 5.2 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术u规则采样法（对称采样）规则采样法（对称采样）ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d设三角波两个正峰值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

15、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，从而简化了算法，适合微机实时控制控制。第21页/共81页5.2 5.2 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（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式中，M称为调制度调制度，0M i*+h V2通下限：i i*-h V1通第59页/共81页5.4 5.4 电流跟踪控制技术电流跟踪控制技术u三相电流滞环比较控制三相电流滞环比较控制第60页/共81页5.4 5.4 电流跟踪控制技术电流跟踪控制技术u电流滞环比较方式的特点。电流滞环比较方式的特点。（1）硬件电路简单。（2）实时控制，电流响应

16、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。第61页/共81页5.4 5.4 电流跟踪控制技术电流跟踪控制技术三、三、三角波比较方式三角波比较方式负载+-iai*a+-ibi*b+-ici*cUdC+-C+-C+-三相三角波发生电路AAAu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*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，再去和三角波进行比较，产生PWM波形。放大器A通常具有比

17、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5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术一、电路拓扑一、电路拓扑电流源实现：电流源实现：-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5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术二、梯形波调制二、梯形波调制第64页/共81页5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术三、谐波消除调制三、谐波消除调制 可以消除谐波的个数：可以消除谐波的个数：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

18、电流波形设定电流波形第65页/共81页5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术第66页/共81页5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术第67页/共81页5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术 消除消除5、7、11次谐波次谐波:第68页/共81页5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术四、空间矢量调制四、空间矢量调制u电流空间矢量电流空间矢量第69页/共81页5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术u开关状态开关状态第70页/共81页5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术

19、u开关状态与电流空间矢量开关状态与电流空间矢量第71页/共81页5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术u电流空间矢量合成电流空间矢量合成第72页/共81页5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术第73页/共81页5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术u开关序列开关序列一个调制周期开关序列第74页/共81页5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术交流输出周期开关序列第75页/共81页5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术并联多电平拓扑第76页/共81页5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术电流空间矢量第77页/共81页5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术直流电流平衡控制第78页/共81页5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术第79页/共81页5.5 5.5 电流型逆变器电流型逆变器PWMPWM技术技术uPWMPWM技术比较技术比较第80页/共81页感谢您的观看。感谢您的观看。第81页/共81页