PWM控制技术电路设计

《电力电子技术》电子教案第6章PWM控制技术•引言•6.1PWM控制的基本原理•6.2PWM逆变电路及其控制方法•6.2.1计算法和调制法•6.2.2异步调制和同步调制•6.2.3规则采样法（以下自学）•6.2.4PWM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•6.2.6PWM逆变电路的多重化•6.3PWM跟踪控制技术6.3.1滞环比较方式6.3.2三角波比较方式•6.4PWM整流电路及其控制方法•6.4.1PWM整流电路的工作原理•6.4.2PWM整流电路的控制方法•本章小结■引言PWM（PulseWidthModulation）控制——脉冲宽度调制技术，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3、4章已涉及这方面内容第3章：直流斩波电路采用第4章有两处：4.1节斩控式交流调压电路，4.4节矩阵式变频电路本章内容PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术■6.1PWM控制的基本原理理论基础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低频段非常接近，仅在高频段略有差异f(t)(t)tO图6-1a)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)图6-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲■6.1PWM控制的基本原理一个实例图6-2a的电路电路输入：u(t)，窄脉冲，如图6-1a、b、c、d所示电路输出：i(t)，图6-2b面积等效原理a)Ob)图6-2tbdcai(t)i(t)e(t)图6-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形■6.1PWM控制的基本原理用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等宽度按正弦规律变化tOua)b)图6-3Out图6-3用PWM波代替正弦半波SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化并且和正弦波等效的PWM波形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■6.1PWM控制的基本原理等幅PWM波和不等幅PWM波由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波如直流斩波电路及本章主要介绍的PWM逆变电路，6.4节的PWM整流电路输入电源是交流，得到不等幅PWM波4.1节讲述的斩控式交流调压电路，4.4节的矩阵式变频电路基于面积等效原理进行控制，本质是相同的■6.1PWM控制的基本原理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PWM波形可等效的各种波形直流斩波电路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理■6.2PWM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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■6.2.1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调制法输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称■6.2.1计算法和调制法与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波■6.2.1计算法和调制法结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补■信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc6.2.1计算法和调制法控制规律uo正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断，uo总可得到Ud和零两种电平uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断uo可得-Ud和零两种电平■+-CRLtOtOtOtOtOa)b)图5-7UdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo6.2.1计算法和调制法单极性PWM控制方式（单相桥逆变）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uruc时使V4通，V3断，uo=Ud当uruc时使V4断，V3通，uo=0ur负半周，V1保持断，V2保持通当uruc时使V3通，V4断，uo=-Ud当uruc时使V3断，V4通，uo=0虚线uof表示uo的基波分量图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud图6-5单极性PWM控制方式波形■6.2.1计算法和调制法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在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件的通断ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同当uruc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，VD1和VD4通，uo=Ud■6.2.1计算法和调制法当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号如io0，V2和V3通，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud图6-6双极性PWM控制方式波形■6.2.2异步调制和同步调制6.2.1计算法和调制法双极性PWM控制方式（单相桥逆变）三相的PWM控制公用三角波载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2Ud图6-7三相桥式PWM型逆变电路■6.2.1计算法和调制法U相的控制规律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’、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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■6.2.1计算法和调制法防直通死区时间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6-8ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22Ud图6-8三相桥式PWM逆变电路波形■6.2.1计算法和调制法特定谐波消去法(SelectedHarmo-nicEliminationPWM—SHEPWM)这是计算法中一种较有代表性的方法，如图6-9输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和π），共6个开关时刻可控图6-9OtuoUd-Ud2a1a2a3图6-9特定谐波消去法的输出PWM波形为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即(6-1))()(tutu■6.2.1计算法和调制法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π/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)()(tutu,5,3,1sin)(nntnatu20dsin)(4ttntuan■6.2.1计算法和调制法图6-9，能独立控制a1、a2和a3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，就可建三个方程，求得a1、a2和a3)cos2cos2cos21(2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211aaaaaaaaannnnUttnUttnUttnUttnUadddddn(6-4)■6.2.1计算法和调制法消去两种特定频率的谐波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变，a1、a2和a3也相应改变0)7cos27cos27cos21(720)5cos25cos25cos21(52)cos2cos2cos21(2321d7321d5321d1aaaaaaaaaUaUaUa(6-5)■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PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个控制基波幅值，可消去k－1个频率的特定谐波k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■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根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制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fr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当fr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■6.2.2异步调制和同步调制2.同步调制——N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受图6-10ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud2Ud图6-10同步调制三相PWM波形■6.2.2异步调制和同步调制分段同步调制(图6-11）把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近■本章小结6.2.3规则采样法按SPWM基本原理，自然采样法要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多规则采样法特点工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多图6-12ucuOturTcADBOtuotA