PWM技术的现状、发展和技术难题

PWM技术的现状、发展和技术难题随着电压型逆变器在高性能电力电子装置，如交流传动、不间断电源和有源滤波器的应用越来越广泛，PWM控制技术作为这些系统的共用及核心技术，引起人们的高度重视，并得到深入研究。所谓PWM技术就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，来实现频率、电压控制和消除谐波的一门技术。自关断器件的发展为PWM技术铺平了道路，目前几乎所有的变频调速装置采用这一技术。PWM技术用于变频器的控制，可以明显改善变频器的输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。PWM技术除了用于逆变器的控制，还用于整流器的控制，PWM整流器现在已开发成功，利用它可以实现输入电流正弦和电网功率因数为1。人们称PWM整流器是对电网无污染的“绿色”变流器。目前已经提出并得到应用的PWM控制方案就不下数十种。尤其是微处理器应用于PWM技术数字化以后，花样更是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦，从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。目前仍有新的方案不断提出，这说明该项技术的研究方兴未艾。不少方法已趋成熟，有许多在实际中得到应用。PWM控制技术一般可分为三大类，即正弦PWM、优化PWM及随机PWM。从实现方法上来看，大致有模拟式和数字式两种实现方式。从控制特性来看主要可分为两种：开环式（电压或磁通控制型）和闭环式（电流或磁通控制型）。随着计算机技术的不断进步，数字化PWM已逐步取代模拟式PWM，成为电力电子装置共用的核心技术。交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于PWM技术的不断进步。目前广泛应用的是在规则采样PWM的基础上发展起来的准优化PWM法，即三次谐波叠加法和电压空间矢量PWM法，这两种方法具有计算简单、实时控制容易的特点。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。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。PWM在应用中存在的问题，通用变频器大都为电压型交-直-交变频器.三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电,再经电解电容滤波稳压,最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电.这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽,所以在工业中获得广泛应用.但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统,如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等.因为这种系统要求电机四象限运行,当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时,电机处于再生发电状态.由于二极管不控整流器能量传输不可逆,产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上,产生泵升电压.而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低,过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容,甚至会破坏电机的绝缘,从而威胁系统安全工作,这就限制了通用变频器的应用范围.为了解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量,德国西门子公司已经推出了电机四象限运行的电压型交-直-交变频器,日本富士公司也成功研制了电源再生装置,如RHR系列、FRENIC系列电源再生单元,它把有源逆变单元从变频器中分离出来,直接作为变频器的一个外围装置,可并联到变频器的直流侧,将再生能量回馈到电网中.同时,已见到国外有四象限电压型交-直-交变频器及电网侧脉冲整流器等的研制报道.普遍存在的问题是这些装置价格昂贵,再加上一些产品对电网的要求很高,不适合我国的国情.国内在中小容量系统中大都采用能耗制动方式,即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中,实现电机的四象限运行,该方法虽然简单,但有如下严重缺点:1.浪费能量,降低了系统的效率.2.电阻发热严重,影响系统的其他部分正常工作.3.简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压,限制了制动性能的提高(制动力矩大,调速范围宽,动态性能好).上述缺点决定了能耗制动方式只能用于几十kW以下的中小容量系统.国内关于能量回馈控制的研究正在进行,但基本上都处于实验阶段,目前已经见到有关的文献报道,但尚未见这方面产品的报道.但是我相信随着现代科学技术的发展，这些难点及问题都会一一得到解决，PWM技术将更加完善。