电力电子技术课件 第5章

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1、1 第5章PWM控制技术 2 第5章PWM控制技术 5 1概述5 2逆变电路的SPWM控制方法5 3逆变电路的其他PWM控制方法5 4多电平逆变器的PWM控制 本章小结 3 5 1概述 采样控制理论中一个重要结论 大小 波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时 只要它们的冲量即变量对时间的积分相等 其作用效果基本相同 该原理被称为冲量 面积 等效原理 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 大小 波形不相同的两个窄脉冲电压作用于L R电路时 只要两个窄脉冲电压的面积 冲量 相等 则它们形成的电流响应就相同 4

2、 图a为方波窄脉冲 图b为三角波窄脉冲 图c为正弦半波窄脉冲 它们的面积都等于1 当它们分别加在具有惯性的同一环节上时 其输出响应基本相同当窄脉冲变为图6 1d的单位冲击函数 t 时 环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 5 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 的形状也略有不同 但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 6 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

3、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 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 7 1964年 德国A Schonung率先提出了脉宽调制变频的思想 交 直 交变压变频器的原理框图 整流器UR整流后的整流电压经电容滤波后形成稳定幅值的直流电压 加在逆变器UI上 逆变器的功率开关器件采用全控式器件 按一定规律控制其导通或关断 使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形 通过改变脉冲的不同宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值 通过改变调制周期可以控制其输出频率 从而同时实现变压和变频 8 将正弦波分成N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形 这些脉冲宽度相等 为 N 但幅值不等 各脉冲幅

4、值按正弦规律变化 a b 用PWM波代替正弦半波 9 a b 用PWM波代替正弦半波 如将脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替 使矩形脉冲的中点和相应的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相等 可得脉冲序列 即PWM波形 10 脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形 SPWM波形 SPWM波形 等幅PWM 直流电源产生 不等幅PWM 交流电源产生 11 第5章PWM控制技术 5 1概述5 2逆变电路的SPWM控制方法5 3逆变电路的其他PWM控制方法5 4多电平逆变器的PWM控制 本章小结 12 5 2逆变电路的SPWM控制方法 5 2 1计算法和调制法

5、5 2 2SPWM的基波电压5 2 3脉宽调制的制约条件5 2 4异步调制和同步调制5 2 5SPWM控制的实现方法5 2 6PWM逆变电路的谐波分析5 2 7PWM逆变电路的多重化 13 5 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 调制法 把希望输出的波形 正弦波 按比例缩小作为调制信号 把接受调制的信号作为载波 通过载波的调制得到所期望的PWM波形 14 等腰三角波或锯齿波 等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系 且左右对称 当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时 如

6、在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制 就可得到宽度正比于信号波幅值的脉冲 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 通过对载波的调制得到所期望的PWM波形 15 V1和V2通断互补 V3和V4通断也互补uo正半周时 V1导通 V2关断 V3和V4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 阻感负载 16 阻感负载 负载电流为正的区间 V1和V4导通时 uo等于UdV4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 V1和V4仍导通控制信号 io为负 实际上io从VD1和VD4流过 仍有uo Ud 17 阻感负载 V4关

7、断 V3开通后 io从V3和VD1续流 uo 0uo总可得到Ud和零两种电平uo负半周 让V2保持导通 V1保持断开 V3和V4交替通断 uo可得 Ud和零两种电平 18 调制信号ur为正弦波 载波uc在ur的正半周为正极性的三角波 在负半周为负极性的三角波在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断ur正半周 V1保持通 V2保持断当ur uc时使V4通 V3断 uo Ud当ur uc时使V4断 V3通 uo 0 表示uo的基波分量 单极性PWM控制方式 单相桥逆变 19 表示uo的基波分量 Ur负半周 V1保持断 V2保持通当uruc时 使V3断 V4通 uo 0 单极性PWM控制方式Ur半个

8、周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化 所得PWM波形也只在正极性或负极性一种极性范围内变化 20 双极性PWM控制方式 单相桥逆变 双极性PWM控制方式在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 21 双极性PWM控制方式 单相桥逆变 在ur的一个周期内 输出的PWM波只有 Ud两种电平同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断ur正负半周 对各开关器件的控制规律相同 22 双极性PWM控制方式 单相桥逆变 当ur uc时 给V1和V4导通信号 给V2和V3关断信号如io 0 则V1和V4通 如io 0 VD1和VD4通 不管哪种情况uo

9、 Ud 当ur0 VD2和VD3通 不管哪种情况uo Ud 23 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urU uc时 给V1导通信号 给V4关断信号 则uUN Ud 2当urU uc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 24 uUN uVN 和uWN 的PWM波形只有 Ud 2两种电平线电压波形uUV的波形可由uUN uVN 得出当1和6通时

10、uUV Ud当3和4通时 uUV Ud当1和3或4和6通时 uUV 0逆变器输出线电压PWM波由 Ud和0三种电平构成 25 负载向电压uUN可由下式求得负载相电压PWM波由 2 3 Ud 1 3 Ud和0共5种电平组成 26 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 在上下两臂切换时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功率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 27 5 2逆变电路的SPWM控制方法 5 2 1计算法和调制法5 2 2SPWM的基波电压5 2 3脉宽调制的制约条件5 2 4异步调制和同步调制5 2 5

11、SPWM控制的实现方法5 2 6PWM逆变电路的谐波分析5 2 7PWM逆变电路的多重化 28 5 2 2SPWM的基波电压 对于SPWM波形 为了找出它的基波电压 需将SPWM脉冲序列u t 展开成傅里叶级数 由于u t 正 负半波及其左 右均对称 因而它是一个奇次正弦周期函数 k 1 3 5 29 假设n为正弦波半个周期内的脉冲数 则脉冲序列u t 在半个周期内包括n个脉冲 将脉冲序列u t 展开成傅里叶级数 必须首先确定其分段函数表达式 幅值Ud 起始相位 终止相位 宽度不等 中心距相同令第i个矩形脉冲的宽度为 i 其中心点相位角为 i 由于在原点处的三角载波只有半个波形 第i个脉冲中心

12、点的相位为 30 单极性PWM控制方式 单相桥逆变 31 第i个脉冲的起始相位 终止相位 32 33 输出基波电压幅值U1m与各段脉宽 i有着直接关系 适当改变各个脉冲的宽度 就可以平滑地调节逆变器输出电压基波幅值 34 单极性SPWM波形 其等效正弦波为Umsin 1t 根据面积相等的等效原理 第i个脉冲宽度与其中点处正弦值近似成正比 因此 与半个周期正弦波等效的SPWM波是两侧窄 中间宽 脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形 35 当n 1时 而PWM控制 n 1 SPWM逆变器输出脉冲序列的基波电压正是调制时所要求的等效正弦波 n较大 sin 2n 2n 且sin i 2 i 2 36

13、5 2逆变电路的SPWM控制方法 5 2 1计算法和调制法5 2 2SPWM的基波电压5 2 3脉宽调制的制约条件5 2 4异步调制和同步调制5 2 5SPWM控制的实现方法5 2 6PWM逆变电路的谐波分析5 2 7PWM逆变电路的多重化 37 5 2 3脉宽调制的制约条件 根据脉宽调制的特点 逆变电路中的电力电子器件在其输出电压半周期内要开关n次 n越大 脉冲序列波的脉宽 i越小 SPWM波形的基波更接近期望的正弦波 电力电子器件本身的开关能力是有限的 因此在应用脉宽调制技术时必然要受到一定条件的制约 38 1 开关频率 电力电子器件本身固有的开关时间 开关损耗 载波比 载波频率fc与调制

14、信号频率fr之比 N fc frN 2n理想情况 39 2 最小间歇时间与幅值调制比 保证 最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间ton 而最小脉冲间歇大于器件的关断时间toff 幅值调制比调制度 M Urm UcmM 0 1 在脉宽调制时 若n为偶数 调制信号的峰值Urm与三角载波相交的地方恰好是一个脉冲的间歇 为了保证最小间歇时间大于toff 必须使Urm低于三角波的峰值Ucm 40 5 2逆变电路的SPWM控制方法 5 2 1计算法和调制法5 2 2SPWM的基波电压5 2 3脉宽调制的制约条件5 2 4异步调制和同步调制5 2 5SPWM控制的实现方法5 2 6PWM逆变电路的谐波分析5

15、2 7PWM逆变电路的多重化 41 5 2 4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 42 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 43 44 2 同

16、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 45 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 46 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 47 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 4 2 0KHz之间 48 5 2逆变电路的SPWM控制方法 5 2 1计算法和调制法5 2 2SPWM的基波电压5 2 3脉宽调制的制约条件5 2 4异步调制和同步调制5 2 5SPWM控制的实现方法5