第七章 电力电子技术―PWM控制技术

第七章PWM控制技术—电力电子技术—本章主要内容7.1PWM控制的基本原理7.2PWM逆变电路及其控制方法7.3PWM跟踪控制技术7.4PWM整流电路及其控制方法—电力电子技术—概述PWM(PulseWidthModulation)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)直流斩波电路、斩控式交流调压电路采用了PWM技术PWM控制技术在逆变电路中应用最为广泛，对逆变电路影响最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路—电力电子技术—7.1PWM控制的基本原理PWM控制技术重要理论基础——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的环节上时，其效果基本相同冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同低频段接近，高频段略有差异输出响应波形—电力电子技术—7.1PWM控制的基本原理SPWM——等效正弦波第一步：将正弦半波等效为N个相连的脉冲序列——宽度为/N，幅值顶部是曲线，大小按正弦规律变化第二步：利用数量相同的等幅而不等宽的矩形脉冲代替脉冲序列——使矩形脉冲中点与正弦波部分中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，即为PWM波——正弦波负半周可得到类似PWM波形定义：脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形—电力电子技术—7.1PWM控制的基本原理等幅PWM波输入电源是恒定直流，如直流斩波、PWM逆变不等幅PWM波输入电源是交流或不是恒定的直流，如斩控式交流调压OwtUd-UdUoωt—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法计算法和调制法异步调制和同步调制规则采样法PWM逆变电路的谐波分析提高直流电压利用率和减少开关次数空间矢量PWM控制PWM逆变电路的多重化—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法1.计算法和调制法计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，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—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法1.计算法和调制法调制法把希望波形作为调制信号，将接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多除正弦波外，其他波形也适用—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法1.计算法和调制法单相桥式逆变电路V1和V2通断互补，V3和V4通断互补在uo正半周，V1导通，V2关断，V3和V4交替通断io比uo滞后，在uo正半周，io一段区间为正，一段区间为负——io为正，V1和V4导通，uo=Ud；V4关断，V1和VD3续流，uo=0——io为负，V1和V4仍导通，io从VD1和VD4流过，uo=Ud；V4关断，V3开通，V3和VD1续流，uo=0——uo包括Ud和0两种电平在uo负半周，V2导通，V1关断，V3和V4交替通断，uo包括-Ud和0两种电平io—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法1.计算法和调制法单极性PWM控制方式调制信号ur为正弦波，载波uc在ur正半周为正极性三角波，在负半周为负极性三角波在ur正半周，V1导通，V2关断——uruc，导通V4，关断V3，uo=Ud——uruc，关断V4，导通V3，uo=0在ur负半周，V1关断，V2导通——uruc，导通V3，关断V4，uo=-Ud——uruc，关断V3，导通V4，uo=0iourucuOwtOwtuouofuoUd-Ud—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法1.计算法和调制法双极性PWM控制方式仍然在ur和uc的交点，控制各开关器件通断在ur半个周期内，uc有正有负，PWM波也有正有负，在ur一个周期内，PWM波只有±Ud两种电平在ur正负半周各开关控制规律相同——uruc，V1和V4导通，V2和V3关断。io0，V1和V4通；io0，VD1和VD4通。uo=Ud——uruc，V2和V3导通，V1和V4关断。io0，V2和V3通；io0，VD2和VD3通，uo=-UdiourucuOwtOwtuouofuoUd-Ud—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法1.计算法和调制法三相桥式PWM逆变电路采用双极性控制方式U、V和W三相公用一个三角波载波uc，三相调制信号urU、urV和urW依次相差120o工作过程——urUuc，V1导通，V4关断，uUN’=Ud/2——urUuc，V4导通，V1关断，uUN’=-Ud/2——V1和V4的驱动信号始终互补——给V1(V4)加导通信号时，V1(V4)或者VD1(VD4)导通，由阻感负载中电流方向决定—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法1.计算法和调制法工作过程——uUN’、uVN’和uWN’的PWM波只有±Ud/2两种电平——输出线电压PWM波包括±Ud和0三种电平：①臂1和6导通，uUV=Ud②臂3和4导通，uUV=-Ud③臂1和3或4和6导通，uUV=0——负载相电压uUN——负载相电压PWM波包括(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平为防止上下臂直通造成短路，在两臂通断切换时留一小段都施加关断信号的死区时间3''''WNVNUNUNUNuuuuu—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法2.异步调制和同步调制载波比——载波频率fc与调制频率fr之比N=fc/fr根据载波和信号波是否同步及载波比变化,分为异步和同步调制异步调制载波和调制信号不保持同步的调制方式同步调制载波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—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法2.异步调制和同步调制异步调制载波和调制信号不保持同步保持fc不变，当fr变化时，载波比N是变化的在信号波半个周期内，PWM波脉冲个数不固定，相位不固定，正负半周期脉冲不对称，半周期内前后1/4周期脉冲也不对称fr较低，N较大，一周期内脉冲数较多，不对称影响都较小，波形接近正弦波fr增高，N减小，一周期内脉冲数减少，不对称影响变大，波形和正弦波差异变大，三相PWM型逆变电路输出的对称性也差应采用较高fc，使在fr较高时仍保持较大载波比—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法2.异步调制和同步调制同步调制fr变化载波比N不变，信号波一周期内脉冲数固定，脉冲相位固定分段同步调制——将fr范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比N为恒定，不同频段的载波比不同——fr高频段采用较低的载波比，使fc不致过高——fr低频段采用较高的载波比，使fc不致过低低频可用异步调制，高频用同步调制—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法3.规则采样法自然采样法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，生成SPWM波的方法求解复杂，难以实现在实时控制中的在线计算，工程应用不多规则采样法工程实用方法，效果接近自然采样法，但计算量却小得多，近似算法—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法3.规则采样法原理三角波uc两个正峰值之间为一个采样周期Tc脉冲中点与三角波对应中点(即负峰点)对称在tD时刻D点，对ur采样，过D点直线和uc交于A和B点，在tA和tB时刻控制开关器件通断得到的脉冲宽度和自然采样法非常接近ucuOturTcADBOtuotAtDtB''22—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法3.规则采样法和'的确定正弦调制信号波ur得脉冲间隙宽度'ucuOturTcADBOtuotAtDtB''22taurrwsina为调制度，0≤a1ωr为信号波角频率Dc1222rasint/T/wD(1)2crTasintwccD1(1)24rT'Tasintw—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法3.规则采样法三相桥式逆变电路三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120o同一三角波周期内三相脉冲宽度分别为U、V和W，间隙宽度分别为'U、'V和'W，在同一时刻三相正弦调制波电压之和为零同理利用上式可简化三相SPWM波计算c34UVWT'''c32UVWT—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法4.PWM逆变电路的谐波分析载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量，其频率和幅值可衡量PWM逆变电路性能双极性SPWM波形的谐波分析同步调制是异步调制的特殊情况，分析异步调制分析方法——以载波周期为基础，利用贝塞尔函数推导PWM波的傅里叶级数—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法4.PWM逆变电路的谐波分析单相桥式PWM逆变电路不同调制度下谐波角频率——n=1,3,5,…时,k=0,2,4,…,——n=2,4,6,…时,k=1,3,5,…PWM波不含低次谐波，只含wc及其附近的谐波，与2wc、3wc及其附近的谐波wc谐波分量幅值最高影响最大rcwwkn—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法4.PWM逆变电路的谐波分析三相桥式PWM逆变电路谐波角频率——n=1,3,5,…时，k=3(2m-1)±1，m=1,2,…——n=2,4,6,…时,PWM波不含低次谐波rcwwkn61016112mm,,kmm,,。不含wc整数倍谐波，wc±2wr和2wc±wr是谐波中幅值较高的—电力电子技术—7.2PWM逆变电路及其控制方法7.PWM逆变电路的多重化PWM多重化可提高等效开关频率、减少开关损耗、减少和载波有关的谐波分量PWM逆变电路多重化联结包括变压器方式和电抗器方式电抗器联接二重PWM逆变电路两个单元载波信号相互错开180o输出端相对于N’的电压UUN’=(uU1N’+uU2N’)/2,为单极性PWM波谐波角频率仍为nwc+kwr，但n为奇数的谐波已被除去，最低频率在2wc附近—电力电子技术—要点总结PWM控制原理：面积等效原理、SPWMPWM控制技术：调制法、自然采样法、规则采样法和多重化等，单极性、双极性PWM波，单相PWM逆变和三相PWM逆变特性等—电力电子技术—作业第7章：1、3、5、6(184页)