电力电子技术第七章PWM控制技术演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,7,章,PWM,控制技术,7.1 PWM,控制的基本原理,7.2 PWM,逆变电路及其控制方法,7.3 PWM,跟踪控制技术,1,引言,PWM,（,Pulse Width Modulation,）,控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。,第,5,章的直流斩波电路实际上采用的就是,PWM,技术，第,6,章中涉及到,PWM,控制技术的地方有两处，一处是第,6.1,节中的斩控式交流调压电路，另一处是第,6.4,节矩阵式变频电路。,PWM,控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是,PWM,型逆变电路,。,2,7.1 PWM,控制的基本原理,面积等效原理,是,PWM,控制技术的重要理论基础,。,原理内容：,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,。,冲量即指窄脉冲的面积。,效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。,如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。,实例,将图,7-1a,、,b,、,c,、,d,所示的脉冲作为输入，加在图,7-2a,所示的,R-L,电路,上，设其电流,i(t),为电路的输出，图,7-2b,给出了不同窄脉冲时,i(t),的响应波形。,图,7-1,形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,图,7-2,冲量相同的各种窄脉冲的响应波形,3,7.1 PWM,控制的基本原理,用,PWM,波代替正弦半波,将正弦半波看成是由,N,个彼此相连的脉冲宽度为,/N,，但幅值顶部是,曲线,且大小按,正弦规律变化,的脉冲序列组成的。,把上述脉冲序列利用相同数量的,等幅而不等宽,的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是,PWM,波形,。,对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到,PWM,波形。,脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的,PWM,波形，也称,SPWM,（,Sinusoidal PWM,）波形,。,PWM,波形可分为,等幅,PWM,波,和,不等幅,PWM,波,两种，由直流电源产生的,PWM,波通常是等幅,PWM,波。,基于等效面积原理，,PWM,波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。,图,7-3,用,PWM,波代替正弦半波,4,7.2 PWM,逆变电路及其控制方法,7.2.1,计算法和调制法,7.2.2,异步调制和同步调制,7.2.3,规则采样法,7.2.4 PWM,逆变电路的谐波分析,5,7.2.1,计算法和调制法,计算法,根据逆变电路的,正弦波输出频率,、,幅值,和半个周期内的,脉冲数,，将,PWM,波形中各脉冲的,宽度,和,间隔,准确计算出来，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的,PWM,波形，这种方法称之为计算法。,计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。,调制法,把希望输出的波形作为,调制信号,，把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。,6,7.2.1,计算法和调制法,图,7-4,单相桥式,PWM,逆变电路,单相桥式,PWM,逆变电路（调制法）,电路工作过程,工作时,V,1,和,V,2,通断互补,，,V,3,和,V,4,通断也互补,，比如在,u,o,正半周，,V,1,导通，,V,2,关断，,V,3,和,V,4,交替通断。,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。,在负载电流为正的区间，,V,1,和,V,4,导通时，,u,o,=U,d,。,V,4,关断时，负载电流通过,V,1,和,VD,3,续流，,u,o,=0,。,在负载电流为负的区间，仍为,V,1,和,V,4,导通时，因,i,o,为负，故,i,o,实际上从,VD,1,和,VD,4,流过，仍有,u,o,=U,d,。,V,4,关断，,V,3,开通后，,i,o,从,V,3,和,VD,1,续流，,u,o,=0,。,u,o,总可以得到,U,d,和零两种电平。,在,u,o,的负半周，让,V,2,保持通态，,V,1,保持断态，,V,3,和,V,4,交替通断，负载电压,u,o,可以得到,-U,d,和,零,两种电平。,阻感负载,7,7.2.1,计算法和调制法,u,r,u,c,u,O,w,t,O,w,t,u,o,u,of,u,o,U,d,-,U,d,图,7-4,单相桥式,PWM,逆变电路,图,7-5,单极性,PWM,控制方式波形,单极性,PWM,控制方式,调制信号,u,r,为正弦波，载波,u,c,在,u,r,的正半周为,正极性,的三角波，在,u,r,的负半周为,负极性,的三角波。,在,u,r,的正半周，,V,1,保持通态，,V,2,保持断态。,当,u,r,u,c,时使,V,4,导通，,V,3,关断，,u,o,=U,d,。,当,u,r,u,c,时使,V,4,关断，,V,3,导通，,u,o,=0,。,在,u,r,的负半周，,V,1,保持断态，,V,2,保持通态。,当,u,r,u,c,时使,V,3,关断，,V,4,导通，,u,o,=0,。,8,7.2.1,计算法和调制法,u,r,u,c,u,O,w,t,O,w,t,u,o,u,of,u,o,U,d,-,U,d,图,7-4,单相桥式,PWM,逆变电路,图,7-6,双极性,PWM,控制方式波形,双极性,PWM,控制方式,在调制信号,u,r,和载波信号,u,c,的交点时刻控制各开关器件的通断。,在,u,r,的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的,PWM,波也是有正有负，在,u,r,的一个周期内，输出的,PWM,波只有,U,d,两种电平。,在,u,r,的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。,当,u,r,u,c,时，,V,1,和,V,4,导通，,V,2,和,V,3,关断，这时如,i,o,0,，则,V,1,和,V,4,通，如,i,o,0,，则,VD,1,和,VD,4,通，不管哪种情况都是,u,o,=U,d,。,当,u,r,u,c,时，,V,2,和,V,3,导通，,V,1,和,V,4,关断，这时如,i,o,0,，则,VD,2,和,VD,3,通，不管哪种情况都是,u,o,=-U,d,。,9,7.2.1,计算法和调制法,图,7-7,三相桥式,PWM,型逆变电路,图,7-8,三相桥式,PWM,逆变电路波形,三相桥式,PWM,逆变电路（调制法）,采用双极性控制方式。,U,、,V,和,W,三相的,PWM,控制通常公用一个三角波载波,u,c,，三相的调制信号,u,rU,、,u,rV,和,u,rW,依次相差,120,。,10,7.2.1,计算法和调制法,电路工作过程（,U,相为例）,当,u,rU,u,c,时，上桥臂,V,1,导通，下桥臂,V,4,关断，则,U,相相对于直流电源假想中点,N,的输出电压,u,UN,=U,d,/2,。,当,u,rU,u,c,时，,V,4,导通，,V,1,关断，则,u,UN,=-U,d,/2,。,V,1,和,V,4,的驱动信号始终是互补的。,当给,V,1,(V,4,),加导通信号时，可能是,V,1,(V,4,),导通，也可能是二极管,VD,1,(VD,4,),续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。,u,UN,、,u,VN,和,u,WN,的,PWM,波形都只有,U,d,/2,两种电平。,图,7-7,三相桥式,PWM,型逆变电路,图,7-8,三相桥式,PWM,逆变电路波形,11,7.2.1,计算法和调制法,图,7-7,三相桥式,PWM,型逆变电路,图,7-8,三相桥式,PWM,逆变电路波形,输出线电压,PWM,波由,U,d,和,0,三种电平构成。,当臂,1,和,6,导通时，,u,UV,=U,d,。,当臂,3,和,4,导通时，,u,UV,=,U,d,。,当臂,1,和,3,或臂,4,和,6,导通时，,u,UV,=0,。,负载相电压,u,UN,可由下式求得,负载相电压的,PWM,波由,(2/3)U,d,、,(1/3)U,d,和,0,共,5,种电平组成。,为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的,死区时间,。,12,7.2.1,计算法和调制法,图,7-9,特定谐波消去法的输出,PWM,波形,特定谐波消去法,是,计算法,中一种较有代表性的方法。,如果在输出电压半个周期内开关器件开通和关断各,k,次，考虑到,PWM,波四分之一周期对称，共有,k,个开关时刻可以控制，除去用一个自由度来控制基波幅值外，可以,消去,k,1,个频率的特定谐波,。,以三相桥式,PWM,型逆变电路中的,u,UN,波形为例,在输出电压的半个周期内，器件开通和关断各,3,次（不包括,0,和,时刻），共有,6,个开关时刻可以控制。,13,7.2.1,计算法和调制法,为了消除偶次谐波，应使波形正负两半周期镜对称，即,为了消除谐波中的余弦项，简化计算过程，应使波形在正半周期内前后,1/4,周期以,/2,为轴线对称，即,同时满足式,(7-1),和式,(7-2),的波形称为,四分之一周期对称波形,，这种波形可用傅里叶级数表示为,式中，,a,n,为,(7-1),(7-2),(7-3),14,7.2.1,计算法和调制法,图,7-9,特定谐波消去法的输出,PWM,波形,因为图,7-9,的波形是四分之一周期对称的，所以在一个周期内的,12,个开关时刻（不包括,0,和,时刻）中，能够独立控制的只有,1,、,2,和,3,共,3,个时刻，该波形的,a,n,为,(7-4),15,7.2.1,计算法和调制法,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，因此通常可以考虑消去,5,次和,7,次谐波,，根据需要确定基波分量,a,1,的值，再令,a,5,和,a,7,等于,0,，就可以建立三个方程，联立可求得,1,、,2,和,3,。,这样可以消去,两种特定频率的谐波,，对于给定的基波幅值,a,1,，求解上述方程可得一组,1,、,2,和,3,，基波幅值,a,1,改变时，,1,、,2,和,3,也相应地改变。,(7-5),16,7.2.2,异步调制和同步调制,载波频率,f,c,与调制信号频率,f,r,之比,N=f,c,/f,r,称为载波比，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，,PWM,调制方式可分为,异步调制,和,同步调制,两种。,异步调制,载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。,通常保持载波频率,f,c,固定不变,，因而当信号波频率,f,r,变化,时，载波比,N,是变化的,。,在信号波的半个周期内，,PWM,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，半周期内前后,1/4,周期的脉冲也不对称。,当,f,r,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，,PWM,波形接近正弦波。,当,f,r,增高,时，,N,减小，一周期内的脉冲数减少，,PWM,脉冲不对称的影响就变大，输出,PWM,波和正弦波的差异变大，对于三相,PWM,型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。,在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。,17,7.2.2,异步调制和同步调制,u,c,u,rU,u,rV,u,rW,u,u,UN,u,VN,O,t,t,t,t,O,O,O,u,WN,2,U,d,-,2,U,d,图,7-10,同步调制三相,PWM,波形,同步调制,载波比,N,等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。,f,r,变化,时载波比,N,不变,，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。,在三相,PWM,逆变电路中，通常公用一个三角波载波，为了使三相输出波形严格对称和一相的,PWM,波正负半周镜对称，取,N,为,3,的整数倍且为奇数,。,当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的,f,c,也很低，,f,c,过低时由调制带来的谐波不易滤除，当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声；当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的,f,c,会过高，使开关器件难以承受。,18,7.2.2,异步调制和同步调制,图,7-11,分段同步调制方式举例,分段同步调制,把,f,r,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。,在,f,r,高,的频段采用,较低的载波比,，以使,f,c,不致过高，限制在功率开关器件允许的范围内。,在,f,r,低的频段采用,较高的载波比,，以使,f,c,不致过低而对负载产生不利影响。,为了防止,f,c,在切换点附近的来回跳动，在各频率切换点采用了,滞后切换,的方法。,有的装置在低频输出时采用异步调制方式，而在高频输出时切换到同步调制方式，这样可以把两者的优点结合起来，和分段同步方式的效果接近。,实线表示输出频率增高时的切换频率,虚线表示输出频率降低时的切换频率,19,7.2.3,规则采样法,u,c,u,O,t,u,r,T,c,A,D,B,O,t,u,o,t,A,t,D,t,B,d,d,d,2,d,2,d,图,7-12,规则采样法,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，这种生成,SPWM,波形的方法称为自然采样法。,规则采样法,是一种应用较广的,工程实用方法,，其效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法小得多。,方法说明,取三角波两个正峰值之间为一个采样周期,T,c,，使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点（即负峰点）为对称。,在三角波的负峰时刻,t,D,对正弦信号波采样而得到,D,点，过,D,点作一水平直线和三角波分别交于,A,点和,B,点，在,A,点时刻,t,A,和,B,点时刻,t,B,控制功率开关器件的通断。,可以看出，用这种规则采样法得到的,脉冲宽度,和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。,20,7.2.3,规则采样法,u,c,u,O,t,u,r,T,c,A,D,B,O,t,u,o,t,A,t,D,t,B,d,d,d,2,d,2,d,图,7-12,规则采样法,和,的确定,设正弦调制信号波为,式中，,a,称为调制度，,0,a,r,，是很容易滤除的。,当调制信号波不是正弦波，而是其它波形时，其谐波由两部分组成，一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。,26,7.3 PWM,跟踪控制技术,7.3.1,滞环比较方式,7.3.2,三角波比较方式,27,7.3.1,滞环比较方式,图,7-24,滞环比较方式电流跟踪控制举例,t,O,i,i,i,*,+,D,I,i,*,-,D,I,i,*,图,7-25,滞环比较方式的指令电流和输出电流,跟踪控制方法：把希望输出的电流或电压波形作为指令信号，把实际电流或电压波形作为反馈信号，通过,两者的瞬时值比较,来决定逆变电路各功率开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化,滞环比较方式,电流跟踪控制,应用最多。,PWM,电流跟踪控制单相半桥式逆变电路,把,指令电流,i*,和,实际输出电流,i,的偏差,i*-i,作为带有滞环特性的比较器的输入，通过其输出来控制功率器件,V,1,和,V,2,的通断。,电抗器,28,7.3.1,滞环比较方式,控制规律,当,V,1,（或,VD,1,）导通时，,i,增大。,当,V,2,（或,VD,2,）导通时，,i,减小。,通过环宽为,2,I,的滞环比较器的控制，,i,就在,i*+,I,和,i*-,I,的范围内，呈,锯齿状,地跟踪指令电流,i*,。,环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。,L,大时，,i,的变化率小，跟踪慢；,L,小时，,i,的变化率大，开关频率过高。,图,7-24,滞环比较方式电流跟踪控制举例,t,O,i,i,i,*,+,D,I,i,*,-,D,I,i,*,图,7-25,滞环比较方式的指令电流和输出电流,29,7.3.1,滞环比较方式,图,7-26,三相电流跟踪型,PWM,逆变电路,图,7-25,滞环比较方式的指令电流和输出电流,三相电流跟踪型,PWM,逆变电路,由三个单相半桥电路组成，三相电流指令信号,i*,U,、,i*,V,和,i*,W,依次相差,120,。,在线电压的正半周和负半周内，都有极性相反的脉冲输出，这将使,输出电压中的谐波分量,增大，也使,负载的谐波损耗,增加。,采用滞环比较方式的电流跟踪型,PWM,变流电路有如下特点,硬件电路简单。,实时控制，电流响应快。,不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。,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。,属于,闭环控制,，是各种跟踪型,PWM,变流电路的共同特点。,30,7.3.1,滞环比较方式,图,7-28,电压跟踪控制电路举例,电压跟踪控制,把,指令电压,u*,和,输出电压,u,进行比较，滤除偏差信号中的谐波，滤波器的输出送入滞环比较器，由比较器输出控制开关器件的通断，从而实现电压跟踪控制。,输出电压,PWM,波形中含大量,高次谐波,，必须用适当的滤波器滤除。,u*=0,时，输出电压,u,为频率较高的矩形波，相当于一个自励振荡电路。,u*,为直流信号,时，,u,产生直流偏移，变为正负脉冲宽度不等，正宽负窄或正窄负宽的矩形波。,u*,为交流信号,时，只要其频率远低于上述自励振荡频率，从,u,中滤除由器件通断产生的高次谐波后，所得的波形就几乎和,u*,相同，从而实现电压跟踪控制。,31,7.3.2,三角波比较方式,图,7-29,三角波比较方式电流跟踪型逆变电路,三角波比较方式,把指令电流,i*,U,、,i*,V,和,i*,W,和逆变电路实际输出的电流,i,U,、,i,V,、,i,W,进行比较，求出偏差电流，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,比例积分特性或比例特性,，其系数直接影响着逆变电路的电流跟踪特性。,特点,开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便。,为改善输出电压波形，三角波载波常用,三相三角波,载波。,和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐波少。,32,7.3.2,三角波比较方式,定时比较方式,不用滞环比较器，而是设置一个,固定的时钟,。,以,固定的采样周期,对指令信号和被控制变量进行采样，并根据二者偏差的极性来控制变流电路开关器件的通断，使被控制量跟踪指令信号。,以单相半桥逆变电路为例，在时钟信号到来的采样时刻,如,i,i*,，,V,1,关断，,V,2,导通，使,i,减小。,每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令电流的误差减小。,采用定时比较方式时，器件的最高开关频率为时钟频率的,1/2,。,和滞环比较方式相比，电流控制误差没有一定的环宽，控制的精度低一些。,33,本章小结,PWM,控制技术的地位,PWM,控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。,PWM,技术与器件的关系,IGBT,、,电力,MOSFET,等为代表的全控型器件的不断完善给,PWM,控制技术提供了强大的物质基础。,PWM,控制技术用于直流斩波电路,直流斩波电路实际上就是直流,PWM,电路，是,PWM,控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统就构成广泛应用的,直流脉宽调速系统,。,PWM,控制技术用于交流,交流变流电路,斩控式交流调压电路,和,矩阵式变频电路,是,PWM,控制技术在这类电路中应用的代表。,目前其应用都还不多，但矩阵式变频电路因其容易实现集成化，可望有良好的发展前景。,34,本章小结,PWM,控制技术用于逆变电路,PWM,控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。,由于在逆变电路中广泛而成功的应用，才奠定了,PWM,控制技术在电力电子技术中的突出地位。,除功率很大的逆变装置外，不用,PWM,控制的逆变电路已十分少见。,第,4,章尚未涉及到,PWM,控制技术，因此对逆变电路的介绍是不完整的，学完本章才能对逆变电路有较完整的认识。,35,本章小结,PWM,控制技术与相位控制技术,以第,3,章相控整流电路和第,6,章交流调压电路为代表的相位控制技术至今在电力电子电路中仍占据着重要地位。,以,PWM,控制技术为代表的斩波控制技术正在越来越占据着主导地位。,相位控制和斩波控制分别简称,相控,和,斩控,。,把两种技术对照学习，对电力电子电路的控制技术会有更明晰的认识。,36,