电力电子课件ppt第六章讲义

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1、1,第六章 PWM控制技术 引言,PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脉宽调制技术：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)。 第3、4章已涉及到PWM控制，第3章直流斩波电路采用的就PWM技术；第4章的4.1斩控式调压电路和4.4矩阵式变频电路都涉及到了。,2,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

2、。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术，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。,3,第6章 PWM控制技术,6.1 PWM的基本原理 6.2 PWM逆变电路及其控制方法 6.3 PWM跟踪控制技术 6.4 PWM整流电路及其控制方法 本章小结,4,6.1 PWM控制的基本思想,1 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。,5,a),b),图6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形,u(t)为电压窄脉冲，为电路的输入，电流i(t)为电路的输出， i(t)的上升阶段，脉冲形状不同， i(t)得形状也略有不同，但

3、其下降段则几乎完全相同，脉冲越窄，各i(t)波形的差异也越小,如周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的 用傅里叶级数分解后，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同 上述原理为面积等效原理，是PWM控制技术的重要理论基础,6,6.1 PWM控制的基本思想,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,7,6.1 PWM控制的基本思想,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,SPWM波,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,8,对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：,根据面积等效原理，正

4、弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。,9,10,2 PWM电流波 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。,11,第6章 PWM控制技术,6.1 PWM的基本原理 6.2 PWM逆变电路及其控制方法 6.3 PWM跟踪控制技术 6.4 PWM整流电路及其控制方法 本章小结,12,6.2 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PWM技术。 逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。 本节内容构成了本章的主体。 PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。,13,6.2 PWM逆变电路及其

5、控制方法,6.2.1 计算法和调治法 6.2.2 异步调制和同步调制 6.2.3 规则采样法 6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析 6.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数 6.2.6 PWM逆变电路多重化,14,6.2.1 计算法和调制法,1）计算法,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。,15,工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。 以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断。 负载电流比电压滞后，在电压正半周，电

6、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Ud 。,2）调制法,图64 单相桥式PWM逆变电路,结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明,16,3）单极性PWM控制方式（单相桥逆变）,ur正半周，V1保持通，V2保持断。 当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud 。 当uruc时使V4断，V3通，uo=0 。 ur负半周，请同学们自己分析。,图6-5 单极性PWM控制方式波形,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,17,3）双极性PWM控制方式（单相桥逆变）,在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有Ud两种

7、电平。 同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。 ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。,当ur uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。 如io0，V1和V4通，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud 。,图6-6 双极性PWM控制方式波形,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,18,图6-7 三相桥式PWM型逆变电路,双极性PWM控制方式（三相桥逆变）,U、V和W三相的PWM控制通常公用三角波载波uc，三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120 U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同,当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，则uU

8、N=Ud/2 当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，则uUN=-Ud/2 当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通,19,4）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）,图6-7 三相桥式PWM型逆变电路,20,图6-7 三相桥式PWM型逆变电路,图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形,下面以U相为例分析控制规律：,当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN=Ud/2。 当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN=-Ud/2。 当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。 uUN

9、、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2两种电平。 uUV波形可由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。,21,输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成 负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成。 防直通的死区时间 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。 死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。 死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。,图6-7 三相桥式PWM型逆变电路,图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形,22,

10、5）特定谐波消去法 (Selected Harmonic Elimination PWMSHEPWM),这是计算法中一种较有代表性的方法。 输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和），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。,23,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/2为轴线对称 (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 (6-3) 式中，an为,24,图6-9中，能独立控制的只有a1、a 2和a 3共3个时刻。该波形的an为 式中n=1,3,5, 确定a1的值，再令两个不同的an=0

11、，就可建三个方程，联立可求得a1、a2和a3，这样可消去两种特定频率的谐波,(6-4),25,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 给定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1改变时，a1、a2和a3也相应改变,(6-5),26,6.2.1 计算法和调制法,一般在输出电压半周期内，器件通、断各k次，考虑到PWM波四分之一周期对称，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k1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。,27,6.2 PWM逆变电路及其控制方

12、法,6.2.1 计算法和调治法 6.2.2 异步调制和同步调制 6.2.3 规则采样法 6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析 6.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数 6.2.6 PWM逆变电路多重化,28,6.2.2 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,载波和信号波是否同步 及载波比的变化情况,异步调制,PWM调制方式分为,同步调制,29,1. 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，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

13、1/4周期的脉冲也不对称 当信号频率较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，PWM波形接近正弦波 当信号频率增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，使得输出PWM波和正弦波差异变大,30,2. 同步调制,载波比N等于常数，在变频时使载波与信号波保持同步的调制方式，,在基本同步调制方式中，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数是固定，脉冲相位也是固定的 三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出波形严格对称 为使一相的PWM波正负半周镜对称， N应取奇数,31,图6-10 同步调制三相PWM波形,当逆变电路输出频率很低时，fc也很低， fc过低时由调制带来的谐波不易滤除 当逆变电

14、路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高，使开关器件难以承受,32,分段同步调制,把逆变电路的输出频率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，限制功率开关器件允许的范围 在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低而对负载产生不利影响,33,图6-11 分段同步调制方式举例,为防止载波频率在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法 在不同的频率段内，载波频率的变化范围基本一致，fc大约在1.42.0KHz之间,34,Power Electronics,6.2 PWM逆变电路及其控制方法,6.2.1 计算法和调治法 6

15、.2.2 异步调制和同步调制 6.2.3 规则采样法 6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析 6.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数 6.2.6 PWM逆变电路多重化,35,6.2.3 规则采样法,自然采样法,按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关的通断，这种生成SPWM波形的方法,规则采样法,工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量比自然采样法小得多,36,图6-12 规则采样法,取三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc 使脉冲中点 和三角波一周期的中点（即负峰点）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,在三角波的负峰时刻tD对正弦

16、信号波采样得D点，过D点作一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控制功率开关器件的通断 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,37,设正弦调制信号波为 式中， a称为调制度，0a1； wr为信号波角频率，从图6-12中得以下关系式 因此可得 三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度为,(6-6),(6-7),38,三相桥逆变电路应形成三相SPWM波形，三相的三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120 设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dU、dV和dW，同一时刻三相调制波电压之和为零，由式(6-6)得 由式(6-7)得 利用以上两式可简化三相SPWM波的计算,(6-8),(6-9),39,6.2 PWM逆变电路及其控制方法,6.2.1 计算法和调治法 6.2.2 异步调制和同步调制 6.2.3 规则采样法 6.