电力电子技术备课本

Chap.6 PWM控制技术PWMPulse Width Modulation）/ 脉宽调制技术：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）。在第3 （DC斩波电路）、4章（斩控式调压电路、失!阵式变频电路 ）已涉及PWM空制，但未明确提出 PWM控制的概念。PWM!制技术在四类基本的变流电路都有应用，因此单独设立一章进行讲述PW雌术的应用十分广泛，它使 PE装置的性能大大提高；正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在 PE技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PW雌术，因此，本章和第 5章（逆变电路）相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。6.1 PWM控制的基本原理理论基础：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：指窄脉冲的面积。 效果基本相同：指环节的输出响应波形基本 相同。?对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PW瞰形，因此正弦波一个完整周期的等效 PW瞰为：（see fig.1.）f(t)0a)fig.2.b)力。fs根据面积等效原理c)料)弦波用厚效为润0d)图6-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲a）方波窄脉冲b)三角波窄脉冲卜图中的PW瞰，而且这种方式在实际应用中更为tc）正旋半波窄脉冲d）单位冲激函授窄脉冲? PWM电流波-电流型逆变电路进行 PWM6制，得到的就是 PWMI流波PWM波形可等效的各种波形-DC斩波电路对应DC波形-SPWMt对应 正弦波形-等效成其他所需波形，如：（Fig.3 ）6.2 PWM逆变电路及其控制方法?目前中小功率的逆变电路几乎都采用PW峨术?逆变电路是PWM!制技术最为重要的应用场合?本节内容构成了本章的主体目前实用的PW陋变电路几乎都是电PW瞰各脉冲宽度和间隔，据此控制逆?PW喧变电路也可分为电压型和电流型两种， 压型电路。6.2.1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，准确计算变电路开关器件的通断，就可得到所需PW眼形VD 本 vd2 V4 K 否 VD4图6-5 单极性PWM制方式波形Uof表示U6-5基波分量?本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化信万波一调制J载波一电路I-uc图6-4 单相桥式PW逆变电路调制法结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明（ see图6-4）控制规律:以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断工作时 V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。？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id。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，Vi和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=id?V4关断V3开通后，io从V3和VD）续流，uo=0Uo总可得到Ld和零两种电平？必负半周，让V2保持通，Vi保持断，V3和V4交替通断，uo可彳#-id和零两种电平?单极性PW配制方式（单相桥逆变）在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断（see图6-4 ）ur正半周，V1保持通，V2保持断；ur负半周，自己分析。?当 ur>uc时使 V4 通，V3 断，uo=Ud?当 ur<uc 时使 V4 断，V3 通，uo=03和载波信号uc的交点时当ur >uc时，给V1和双极性PWM!制方式（单相桥逆变）在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PW眼也有正有负，其幅值只有土 Ud两种电平；同样在调制信号 ur刻控制器件的通断；ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。？V4导通信号，给 V2和V3关断信号?如 i o>0, V1 和 V4 通，如 i o<0, VDi 和 VD4 通，uo=Ud?当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给 V1和V4关断信号uo=-Ud对照图6-5和6-6可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制, 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双极性PWMfe制方式（三相桥逆变）以 U相为例进行分析：也可采用双极性调制,控制规律：？当urU>uC时，给V1导通信号，给 V4关断信号，uUN=ud/2?当urU<uc时，给V4导通信号，给 V关断信号，uun =- Uj/2?uUN、uVN和uWN的PW瞰形只有Ud/2两种电平?当给 必4）加导通信号时，可能是 V1（V4）导通，也可能是 VD1（VD4）导通UUV波形可由UUN - UVM得出，当1和6通时，uuuUd，当3和4通时，uu=Ud，当1防直通的死区时间1.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；2.死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定；3.死区时间会给输出的 PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。特定谐波消去法 （Selected HarmonicElimination PWM SHEPW）M?这是计算法中一种较有代表性的方法，如图6-9?输出电压半周期内，器件通、断各 3次（不包括0和兀），共6个开关时刻可控?为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称6-911首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即U（ t） = -U（ t 二）（6-1）?其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后1/4周期以兀/2为轴线对称u（ t）=u（，： t）（6-2）?同时满足式（6-1）、（ 6-2）的波形称为四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为Q0(6-3)u( 1 t) = 、.an sin n tn 工3,5,|式中，4二an = - 2u( t)sin n td t二0?图6-9,啜至判号轴泅由3和3/性苧t魅川航为尸Ud . 分，Ud .、，+ f sin ncii tdo t + 2 (-sin no t)do tJa 2X 22Ud ,(1 -2cos n 1 2cosn： 2 -2cosn_：3) n 二式中n=1,3,5,确定ai的值，再令两个不同的 an=0,就可建三个方程，求得 ai、a2和a3?消去两种特定频率的谐波在三相对称电路的线电压中，相电压所含的 3次谐波相互抵消，可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程：2Ud -、a1 =(1 -2cosa1 +2cosot2 -2cosc(3)ji2Uda5 =(1 -2cos5 ： 1 2cos5 1 2 一2cos5 1 3) =05n2Ud -r - r c r 、 ca7 =(12cos 7al+2cos 7%2cos 7%) = 07n,给定a1,解方程可得aa2和23。a1变，a1、a2和 电也相应改变。？ 一般在输出电压半周期内，器件通、断各 k次，考虑到PW瞰四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去k-1个频率的特定谐波；?k的取值越大，开关时刻的计算越复杂；?除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在 6.3节介绍。6.2.2 异步调制和同步调制 载波比：载波频率fc与调制信号频率fr之比，N = fc / fr根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PW硼制方式分为异步调制和同步调制。异步调制：载波信号和调制信号不同步的调制方式?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，PW瞰的脉冲个数不固定，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，PW咻冲不对称的影响就变大 同步调制：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。讨论：（see图6-10）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PW瞰正负半周镜对称，N应取奇数 加很低时，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。分段同步调制：异步调制和同步调制的综合应用（see图6-10-1 ）结论：?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；？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。fr/Hz图6-11 分段夕幽1式举例图6-10同步调制三相PWM形? 6-106.2.3 规则采样法自然采样法：按照SPW配制的基本原理产生的 PW瞰的方法。其求解复 杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。规则采样法特点工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。规则采样法原理 （see图6-12）三角波两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一周期的中点(即负峰点)重合；？ 规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对 称，使计算大为简化脉冲宽度 d和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近；？在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得 D点，过D作水平直线和三角波分别交于 A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断。规则采样法计算公式 (see图612asiS廨调制信号波：其中，a称为调制度，0 wa<1;w为信号波角频率从图6-12得, 则，1 - asin ,rtDTc -c =-c (1 asin .22)-/32tTT2三角波一周期内，脉冲凹边间隙宽厚、=2Tc-、- ； (1 -asin 抵)(6-6)(6-7)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d廿d V和d由式(6-7)得=整)得一 26u +6v 历w =芈4(6-8)(6-9)利用以上两式可简化三相 SPW俄的计算,42 QI.8I.6I.4I,2 1 1 1 o o o O幅振波谐k n角频率售皆+)图 6-13a=1.0 a=0.8 a=0.5 a=0图6-12 规则采样法? 6-12图6-13 单相PWM式逆变电路输出电压频谱图6.2.4 PWM变电路的谐波分析使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量。谐波频率和幅值是衡量-PWM逆变电路性能的重要指标之一。分析以双极