PWM脉宽调制变频电路

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1、第四章PWM脉宽调制变频电路,41 PWM控制的基本原理 42 单相PWM逆变电路 43 三相桥式PWM逆变电路 44 PWM控制变频系统中的功率接口,为负载提供可变交流电源的装置叫变频器，其功能是将电网电压提供的恒压恒频CVCF交流电变换为变压变频VVVF(通常简称3VF)交流电。变频器最典型的应用就是交流电动机的无级调速。变频电路按其电路结构特点、控制方式或输出波形的不同，可构成不同类型的变频器。,第四章PWM脉宽调制变频电路,第四章PWM脉宽调制变频电路,变 频 器 的 分 类,如图4-1所示为交交变频器与交直交变频器的结构框图。图4-1a所示的交交变频器在结构上没有明显的中间滤波环节，

2、来自电网的交流电被直接变换为电压、频率均可调的交流电，所以称为直接变频器。而图4-1b所示的交直交变频器有明显的中间滤波环节，其工作时首先把来自电网的交流电变换为直流电，经过中间滤波环节之后，再通过逆变器变换为电压、频率均可调的交流电，故又称为间接变频器。,第四章PWM脉宽调制变频电路,第四章PWM脉宽调制变频电路,图4-1 变频器结构框图 a）交交变频器 b) 交直交变频器,第四章PWM脉宽调制变频电路,图4-2 交直交电压型变频器的结构形式。 a） 可控整流器调压，逆变器调频 b）二极管整流，斩波器调压，逆变器调频。 c）二极管整流，PWM逆变器调压，调频。,图4-2a所示电路在整流环节调

3、节可控整流器的控制角进行调压，逆变器只进行调频。图4-2b所示电路的整流器是不可控的，其调压是通过斩波器进行的，逆变器仅进行调频。图4-2a、b两种电路结构的共同特点在于都有专门的调压环节调整输出电压的幅值，从最后输出波形看，它们同属于脉冲幅度调制PAM方式。图4-2c所示电路则是以不可控制整流器接入电网，整流之后不调节电压幅度就送入逆变器，在逆变器同时完成调频调压，因其电压幅值不可变，逆变器的调压靠改变电压输出脉冲的宽度来完成，从输出波形上看，该电路属于脉冲宽度调制PWM方式。,第四章PWM脉宽调制变频电路,第四章PWM脉宽调制变频电路,在图4-2b、c两种电路结构中，因采用不可控整流器，功

4、率因数高。而在图4-2a电路中，由于采用可控整流，输出电压有换相电压降产生，谐波的无功功率使得输入端功率因数降低。在图4-2a、b两种电路结构中，独立的调压调频环节使之容易分开调试，但系统的动态反应慢。图4-2c所示的电路结构则具有动态响应快，功率因数高的特点。,第四章PWM脉宽调制变频电路,图4-3 交直交电流型变频器结构图 a）可控整流器调节电压，逆变器调节频率。 b）二重化结构。,第四章PWM脉宽调制变频电路,图4-3a中可控整流器调节电压和电流的大小，逆变器调节输出电压频率，电容Cd为电流型滤波环节， Ld为限流电感。由于电流型变频器很少进行脉冲宽度调制，而图4-3a结构的电路输出电流

5、波形(方波)中谐波分量太大，影响了电动机的低速性能，因此，对电流型变频器可以采用图4-3b所示的二重化结构。该结构中，上下两套变频器的输出方波电流频率一致，但相位上错开一定角度，输出时将两套变频器的输出电流进行叠加，叠加之后输出的交流电流将成为多阶梯的波形，更接近于正弦波，有利于抑制低速运行时的转矩脉动，扩大运行范围。,综合以上分析可知，图4-2b、c和图4-3电路结构在运行中存在以下缺点： (1)调压与调频需要两套可控晶闸管变换器，开关元件多，控制线路复杂。 (2)晶闸管可控整流侧在低频低压下功率因数太低。 (3)逆变器输出的阶梯波交流电压(电流)谐波分量较大，因此变频器输出转矩的脉动率 大

6、，低速时影响电动机的稳定工作。 (4)由于储能电容的充放电时间长，变频器的动态反应慢。 (5)变压器漏抗对电网产生的影响较大。,第四章PWM脉宽调制变频电路,第四章PWM脉宽调制变频电路,PWM型变频器有以下几个优势： (1)主电路只有一个可控的功率环节，开关元件少，控制线路简单。 (2)整流侧使用了不可控整流器，电网功率因数与逆变器输出电压无关而接近于1。 (3)通过对PWM控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次谐波，实现接近正弦形的输出交流电压波形。 (4)调频调压在同一环节实现，无中间储能环节，动态响应加快。 得益于以上这些优势， PWM控制方式正逐步取代其它形式的电路结构在变频技术和产

7、品中占领主导地位。,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1 PWM控制的基本原理,图4-4 PWM交直交变频电路图,图4-4是典型PWM交直交变频器主电路图，其整流环节采用不可控二极管整流桥，其输出电压经电容滤波后形成不可调的直流电压Ud。而逆变环节则以六只功率开关器件和辅助元件构成，这些开关器件可以选用功率晶体管GTR，功率场效应晶体管MOSFET，绝缘门极晶体管IGBT等。控制逆变器中的功率开关器件按一定规律导通或断开，逆变器的输出侧即可获得一系列恒幅调宽的输出交流电压，该电压为可调频、可调压的交流电VVVF。,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1 PWM控制的基本原理,第四章PWM脉宽调制

8、变频电路,4.1.1 PWM脉宽调制原理,图4-5为GTR元件作为功率开关的PWM逆变器主电路原理图。对逆变器的变压变频控制，是通过对功率开关VT1-VT6的规律性通断控制来实现的，所以，PWM逆变器的通断控制规则即脉冲宽度调制方式决定着逆变器的输出性能。脉宽调制的方式很多：由调制脉冲的极性可分为单极性和双极性；由载波信号和参考信号 (或控制波信号)的频率关系可分为同步调制方式和异步调制方式。,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1.1 PWM脉宽调制原理,图4-5 PWM逆变器主电路原理图,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1.1 PWM脉宽调制原理,1.单极性脉宽调制 （1）参考信号为直流电

9、压的脉宽调制方式 在单极性脉宽调制中，控制信号与载波信号都是单极性的信号。对图4-5所示的电路而言，当参考信号为单极性直流电压ur，载波信号为单极性三角波ut时，对电路A相(即VT1、VT4桥臂)的调制规律如下： 输出电压正半周由VTl提供，VT4截止。 ur ut时， VTl导通； ur ut时， VT4导通； ur ut时， VT4截止。,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1.1 PWM脉宽调制原理,图4-6 参考信号为直流电压PWM电路波形图（180导电型）,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1.1 PWM脉宽调制原理,图4-7 参考信号为直流电压的PWM电路 波形图（120导电型）,改

10、变功率开关器件VT1-VT6的切换频率，即可调节交流输出频率；如保持载波信号Ut不变，改变参考信号Ur的幅度，输出脉冲的宽度就会改变，从而调节输出交流电压基波的幅度。根据这一原理，可构成输出电压幅值和频率可调的交流变频器。,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1.1 PWM脉宽调制原理,（2）参考信号为正弦波的脉宽调制方式 参考信号为正弦波的脉冲宽度调制叫做正弦波脉冲宽度调制(SPWM)。在单极性SPWM调制方式中，参考信号为三个互差120电角度的单极性正弦波ura、urb、urc，以保证被控输出电压与三相正弦交流电一致；载波信号为单极性三角波ut，调制规律则与参考信号为直流电压的脉宽调制方式相

11、同。,图4-8 单极性SPWM调制波形,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1.1 PWM脉宽调制原理,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1.1 PWM脉宽调制原理,在单极性SPWM逆变器中，输出交流基波电压大小和频率均由参考电压ur控制。由于载波信号和参考信号均为单极性，还需要一个倒向信号对输出波形的正负半波进行控制。以A 相为例，改变ura的幅值，脉冲宽度随之改变，从而改变输出电压uA0的大小；而改变ura的频率，则输出交流电压的频率随之改变。要注意的是，为满足调制规律的要求，正弦参考波的最大幅值不得大于三角波的幅值。 对于三相脉冲宽度调制，只将对称可调频、可调幅的三相正弦参考波与三角载波进

12、行迭加，并按上述调制规律进行控制，即可输出三相正弦调制波。,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1.1 PWM脉宽调制原理,2.双极性脉宽调制 双极性脉宽调制方式的特征是控制信号与载波信号均为双极性信号。在双极性SPWM方式中，参考信号为对称可调频、可调幅三相正弦波，如图4-9中的Ura、Urb、Urc，载波信号为双极性三角波Ut。由于控制信号本身具有正负半周，无需倒向信号进行正负半波控制，双极性SPWM的调制规律相对简单，且不需分正负半周。仍以A相为例，其调制规律为： ura ut时：VT1导通， VT4截止； ura ut时： VT1截止， VT4导通。,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1

13、.1 PWM脉宽调制原理,双极性SPWM调节输出交流电压幅值和频率的方式与单极性SPWM相同，都是靠调节正弦参考波的幅值和频率来实现的。 图4-9 双极性SPWM调制原理,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1.1 PWM脉宽调制原理,3.同步调制 在SPWM调制方式中，定义载波频率ft与控制波频率fr之比为载波比，用Nftfr表示。如果在调制过程中保持比值N为常数，则称为同步调制方式，如果该比值N不为常数，则称为异步调制方式。同步调制的优点是，在开关频率较低时可以保证输出波形的对称性。但是，在载波频率较高时，同步调制几乎失去了应用的价值。,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1.1 PWM脉宽调

14、制原理,4.异步调制 异步调制时，在控制波频率fr变化的同时，载波频率ft保持不变。这样，在逆变器整个变频范围内，输出电压半波内的矩形脉冲数是不固定的，很难保持三相波形的对称关系且不利于谐波的消除。正由于是异步调制，在低频输出时，一个信号周期内，载波个数成数量级增多，这对抑制谐波电流、减轻电动机的谐波损耗及转矩脉动大有好处。,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1.1 PWM脉宽调制原理,5.分段同步调制 对于BJT和GTO之类开关频率不很高的功率器件，单使用同步调制或异步调制都有失偏颇，综合两者的优点，还可以采用分段同步式调制方式，当频率fr降低较多时，分段有级地增加载波比N，即对不同的fr

15、频段取不同的N值，频率低时取N值大些，一般按等比级数安排。N的切换应注意两点： (1)不出现电压的突变。 (2)在切换的各临界点处设置一个滞环区，以免在输出频率恰落在切换点附近时造成载波频率反反复复变换不定的所谓振荡现象。 这种方式的缺点是，在N值切换时可能出现电压突变甚至振荡。,图4-10 分段同步调制,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1.1 PWM脉宽调制原理,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1.2 SPWM波形的开关点算法,在SPWM系统中，通常是利用三角载波与正弦参考波进行比较以确定逆变器功率器件的开关时刻，从而控制逆变器输出可调正弦波形。这一功能可由模拟电子电路、数字电子电路、专

16、用的大规模集成电路等装置来实现，也可由计算机编程实现。SPWM系统开关点的算法，主要分为两类：一是采样法，二是最佳法。,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1.2 SPWM波形的开关点算法,1.自然采样法 在上一节中讨论的几种调制输出波形的脉冲宽度，均是由正弦参考波与三角载波自然相交来确定的，所以称之为自然采样法。根据采样规则的不同，采样法又可分为对称规则采样和不对称规则采样两种。,图4-11 自然采样法（不对称）,第四章PWM脉宽调制变频电路,4.1.2 SPWM波形的开关点算法,2.对称规则采样法 为了解决不对称自然采样法存在的缺点，产生了所谓的对称采样法，如图4-12所示是一种较为简单的对称采样法，其脉冲发生时刻A点与自然采样