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1、第 6 章 PWM 控制技术6. l.试说明 PWM 控制的基本原理。答:PWM 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 )。在采样控制理论中有一条重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯蚌的 环节上时,其效果基本相同,冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理。以正弦 pWM 控制为例。把正弦半波分成 等份,就可把其看成是 N 个彼此相连的脉 冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等,都等于 /n,但幅值不等且脉冲顶部不是水平直 线而是曲线,各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述
2、脉冲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,就得到 PWM 波形。各 PWM 脉冲的幅值相等而宽度是按下弦规律变化的。根据面积等效原理,PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到 PWM 波形。可见,所得到的 PWM 波形和期望得到的正弦波等效。6.4 特定谐波消去法的基本原理是什么?设半个信号波周期内有 10 个开关时刻(不含 0 和时刻)可以控制,可以消去的谐波有几种 ?答:首先尽量使波形具有对称性 ,为消去偶次谐波,应使波形正负两个半周期对称,为消 去谐波中的
3、余弦项,使波形在正半周期前后 1/4 周期以 /2 为轴线对称。考虑到上述对称性,半周期内有 5 个开关时刻可以控制。利用其中的 l 个自由度控制 基波的大小,剩余的 4 个自由度可用于消除 4 种频率的谐波。6.5.什么是异步调制?什么是同步调制?两者各有何特点?分段同步调制有什么优点答: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。在异步调制方式中,通常保持载波频率 fc 固定不变,因而当信号波频率 ft 变化时,载波比 N 是变化的。异步调制的主要特点是: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
4、称。这样,当信号波频率较低时,载波比较大,一周期内的脉冲数较多,正负半周期脉冲不对称和半周期内前后 1/4 周期脉冲不对称产生的不利影咱都较小,PWM 波形接近正弦波。而当信号披频率增高时,载波比 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,有时信号波的微小变化还会产生 PWM 脉冲的跳动。这就使得输出 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。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。同步调制的主要特点是:在同步调制方式中,信号波频率变化时载波比 N 不变,信号波一个周期内输出的脉冲 数是固定的
5、,脉冲相位也是固定的。当逆变电路输出频率很低时,同步调制时的载波频率 fc 也很低。fc 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,同步调制时的载波频率 fc 会过高,使开关器件难以承受。此外,同步调制方式比异步调制方式复杂一些。分段同步调制是把逆变电路的输出频率划分为若干段,每个频段的载波比一定,不同 频段采用不同的载波比。其优点主要是,在高频段采用较低的载波比,使载波频率不致过 高广可限制在功率器件允许的范围内。而在低频段采用较高的载波比,以使载波频率不致 过低而对负载产生不利影响。6.6 什么是 SPWM 波形的规则化采样法
6、?和自然采样法比规则采样法有什么优点?答:规则采样法是一种在采用微机实现时实用的 PWM 波形生成方法。规则采样法是在自 然采样法的基础上得出的。规则采样法的基本思路是:取三角波载波两个正峰值之间为一 个采样周期。使每个 PWM 脉冲的中点和三角波一周期的中点(即负峰点) 重舍,在三角 波的负峰时刻对正弦信号波采样而得到正弦波的值,用幅值与该正弦波值相等的一条水平 直线近似代替正弦信号波,用该直线与三角波载波的交点代替正弦波与载波的交点,即可 得出控制功率开关器件通断的时刻。比起自然采样法,规则采样法的计算非常简单,计算量大大减少,而效果接近自然采 样法,得到的 SPWM 波形仍然很接近正弦波
7、 ,克服了自然采样法难以在实时控制中在线 计算,在工程中实际应用不多的缺点。6.7 如何提高 PWM 逆变电路的直流电压利用率?答：采用梯形波控制方式,即用梯形波作为调制信号,可以有效地提高直流电压的利用率。对于三相 PWM 逆变电路,还可以采用线电压控制方式,即在相电压调制信号中叠加 3 的倍数次谐波及直流分量等,同样可以有效地提高直流电压利用率。 6.8.什么是电流跟踪型 PWM 变流电路?采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器有何特点?答:电流跟踪型 PWM 变流电路就是对变流电路采用电流跟踪控制。也就是,不用信号波对载波进行调制,而是把希望输出的电流作为指令信号,把实际电流作为反馈信号,通
8、过二者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率器件的通断,使实际的输出跟踪电流的变化。采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器的特点:硬件电路简单;属于实时控制方式,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分量;与计算法和调制法相比,相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多;采用闭环控制。6.9.什么是 PWM 整流电路?它和相控整流电路的工作原理和性能有何不同?答:PWM 整流电路就是采用 PWM 控制的整流电路,通过对 PWM 整流电路的适当控制,可以使其输入电流十分接近正弦波且和输入电压同相位,功率因数接近 l。相控整流电路是对晶闸管的开通起始角进行控制,属于相控方式。其交流输入电流中
9、含有较大的谐波分量,且交流输入电流相位滞后于电压,总的功率因数低。 PWM 整流电路采用 SPWM 控制技术,为斩控方式。其基本工作方式为整流,此时输 入电流可以和电压同相位,功率因数近似为 l。PWM 整流电路可以实现能量正反两个方向的流动,既可以运行在整流状态,从交 流侧向直流侧输送能量;也可以运行在逆变状态 ,从直流侧向交流侧输送能量。而且这两种方式都可以在单位功率因数下运行。此外,还可以使交流电流超前电压 ,交流电源送出无功功率,成为静止无功功率发生90器。或使电流比电压超前或滞后任一角度 。6.10 在 PWM 整流电路中 ,什么是间接电流控制?什么是直接电流控制?答:在 PWM 整流电路中,间接电流控制是按照电源电压、电源阻抗电压及 PWM 整流器 输入端电压的相量关系来进行控制,使输入电流获得预期的幅值和相位,由于不需要引入交流电流反馈,因此称为间接电流控制。直接电流控制中,首先求得交流输入电流指令值,再引入交流电流反馈,经过比较进行跟踪控制,使输入电流跟踪指令值变化。因为引入了交流电流反馈而称为直接电流控制。
