脉宽调制(PWM)技术

现代电力电子及变流技术第四章第四章脉宽调制脉宽调制(PWM)(PWM)技术技术第四章脉宽调制(PWM)(PWM)(PWM)(PWM)技术引言引言4.1PWM4.1PWM4.1PWM4.1PWM4.1PWM4.1PWM4.1PWM4.1PWM的基本原理的基本原理4.2SPWM4.2SPWM4.2SPWM4.2SPWM4.2SPWM4.2SPWM4.2SPWM4.2SPWM的调制原理的调制原理4.3SPWM4.3SPWM4.3SPWM4.3SPWM4.3SPWM4.3SPWM4.3SPWM4.3SPWM的调制方法的调制方法4.4SPWM4.4SPWM4.4SPWM4.4SPWM4.4SPWM4.4SPWM4.4SPWM4.4SPWM的实现的实现4.5SVPWM4.5SVPWM4.5SVPWM4.5SVPWM4.5SVPWM4.5SVPWM4.5SVPWM4.5SVPWM的原理及实现的原理及实现本章小结本章小结第四章脉宽调制(PWM)(PWM)(PWM)(PWM)技术————————引言说明：�PWM的思想源于通信技术，全控型器件的发展促进了PWM技术的应用和完善；�PWM技术在逆变电路中的成功应用确定了它在电力电子技术中的重要地位；�PWM技术以其对波形调制的灵活性和通用型，在电力电子领域得到了广泛的应用，成为电力变换器控制的基础。PWM(PulseWidthModulation)PWM(PulseWidthModulation)PWM(PulseWidthModulation)PWM(PulseWidthModulation)指脉宽调制技术：————————通过对一系列脉冲的宽度进行调制，等效出所需要的波形（含形状和幅值))))。4.14.14.14.1PWMPWMPWMPWM的基本原理理论基础面积等效原理面积等效原理面积等效原理面积等效原理————————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图6-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f(t)δ(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)4.14.14.14.1PWMPWMPWMPWM的基本原理PWMPWMPWMPWM的调制思想如何用一系列脉冲来代替一个正弦半波？如何用一系列脉冲来代替一个正弦半波？OOOOuuuuωtSPWM波OOOOuuuuωtOOOOuuuuωt固定幅值，使波形调制方案更具可实现性4.14.14.14.1PWMPWMPWMPWM的基本原理PWMPWMPWMPWM的调制原理如何改变正弦波形幅值？如何改变正弦波形幅值？OOOOuuuuωtOOOOuuuuωtSPWM波OOOOuuuuωtOOOOuuuuωt按同一比例改变各脉冲宽度如何改变正弦波形频率？如何改变正弦波形频率？在脉冲周期不变的条件下，改变脉冲个数4.14.14.14.1PWMPWMPWMPWM的基本原理SPWMSPWMSPWMSPWM的调制单极性SPWM—对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形。OωtUd-Ud双极性SPWM—根据面积等效原理，正弦波还可等效为右图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。OωtUd-Ud4.14.14.14.1PWMPWMPWMPWM的基本原理小结PWM波可等效的各种波形�直流斩波电路直流波形�SPWM波正弦波形�等效成其他所需波形，如:�所需波形�等效的PWM波0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms-20V0V20V4.24.24.24.2SPWMSPWMSPWMSPWM的调制原理注：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。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SPWM波形。SPWMSPWMSPWMSPWM生成的基本思想4.24.24.24.2SPWMSPWMSPWMSPWM的调制原理SPWMSPWMSPWMSPWM生成的计算方法————————特定谐波消去法波形设计：�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。�为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。OωtuoUd-Ud2ππa1a2a3一种较有代表性的方法4.24.24.24.2SPWMSPWMSPWMSPWM的调制原理特定谐波消去法————————波形计算�首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期对称，即)()(πωω+−=tutu�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/2/2/2/2为轴线对称)()(tutuωπω−=�同时满足上两式的波形，用傅里叶级数表示为∑∞==⋯,5,3,1sin)(nntnatuωω∫=20dsin)(4πωωωπttntuan式中：4.24.24.24.2SPWMSPWMSPWMSPWM的调制原理特定谐波消去法————————波形计算能独立控制αααα1111、αααα2222和αααα3333共3个时刻,该波形的aaaannnn为)cos2cos2cos21(2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211αααπωωωωωωωωππααααααnnnnUttnUttnUttnUttnUadddddn−+−=⎥⎦⎤−++⎢⎣⎡−+=∫∫∫∫OωtuoUd-Ud2ππa1a2a3式中nnnn=1,3,5,=1,3,5,=1,3,5,=1,3,5,…低次谐波幅值大将两种特定频率谐波的幅值设计为0000，形成两个独立方程特定谐波消去法————————波形计算在三相对称电路中，相电压所含的3333次谐波相互抵消。可设计消去5555次和7777次谐波，则⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫=−+−==−+−=−+−=0)7cos27cos27cos21(720)5cos25cos25cos21(52)cos2cos2cos21(2321d7321d5321d1αααπαααπαααπUaUaUa1?a正弦波幅值4.24.24.24.2SPWMSPWMSPWMSPWM的调制原理α1、α2和α3待求解的量？还需要两个独立方程可得αααα1111、αααα2222和αααα3333。特定谐波消去法————————小结4.24.24.24.2SPWMSPWMSPWMSPWM的调制原理�一般在输出电压半周期内，器件通、断各kkkk次，考虑到PWMPWMPWMPWM波四分之一周期对称，kkkk个开关时刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去kkkk－1111个频率的特定谐波。�kkkk的取值越大，消去的特定谐波越多，波形越理想，但开关时刻的计算越复杂。有没有更好的产生SPWM的方法？这种方法能够取很大的k值又无需复杂的计算单极性SPWMSPWMSPWMSPWM的调制方法————————单相桥逆变4.34.34.34.3SPWMSPWMSPWMSPWM的调制方法�ur正半周，V1保持通，V2保持断——当uuuurrrruuuucccc时，使V4通，V3断，uuuuoooo====UUUUdddd；——当uuuurrrruuuucccc时，使V4断，V3通，uuuuoooo=0=0=0=0。�ur负半周，V1保持断，V2保持通————————当uuuurrrruuuucccc时，使V4通，V3断，uuuuoooo=0=0=0=0；————————当uuuurrrruuuucccc时，使V4断，V3通，uuuuoooo=-=-=-=-UUUUdddd。urucuOωtOωtuouofuoUd-Ud表示uuuuoooo的基波分量在uuuurrrr和uuuuc交点时刻控制IGBT的通断双极性SPWMSPWMSPWMSPWM的调制方法————————单相桥逆变4.34.34.34.3SPWMSPWMSPWMSPWM的调制方法urucuOωtOωtuouofuoUd-Ud在uuuurrrr和uuuucccc的交点时刻控制IGBTIGBTIGBTIGBT的通断特点：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，其幅值只有±±±±UUUUdddd两种电平。�当uuuurrrruuuucccc时，V1和V4导通，V2和V3关断——iiiioooo0000时，V1和V4工作，uuuuoooo====UUUUdddd；——iiiioooo0000时，VD1和VD4工作，uuuuoooo====UUUUdddd。�当uuuurrrruuuucccc时，V2和V3导通，V1和V4关断————————iiiioooo0000时，V2和V3工作，uuuuoooo=-=-=-=-UUUUdddd；————————iiiioooo0000时，VD2和VD3工作，uuuuoooo=-=-=-=-UUUUdddd。双极性调制和单极性调制的比较4.34.34.34.3SPWMSPWMSPWMSPWM的调制方法urucuOωtOωtuouofuoUd-UdurucuOωtOωtuouofuoUd-Ud对照两图可见，单极性调制和双极性调制都适用于单相桥式电路。由于对开关器件通断控制的规律不同，两种调制方式存在差异：1、输出波形有较大的差别；2、一个正弦周期的开关损耗不同；3、产生IGBT驱动信号的难易程度不同。4.34.34.34.3SPWMSPWMSPWMSPWM的调制方法三相SPWMSPWMSPWMSPWM的调制方法�三相的PWM控制公用三角波载波uuuucccc�三相的调制信号uuuurUrUrUrU、uuuurVrVrVrV和uuuurWrWrWrW依次相差120°UN'VN'WN'UNUN'3uuuuu++=−4.34.34.34.3SPWMSPWMSPWMSPWM的调制方法三相SPWMSPWMSPWMSPWM————————UUUU相分析urUu0t00000ttttturVucurWuUN’0.5Ud-0.5UduVN’uWN’Ud-UduUVuUN2Ud/3Ud/3相电压分析：�uuuurUrUrUrUuuuucccc时，V1通，V4断，uuuuUNUNUNUN’’’’====UUUUdddd/2/2/2/2；�uuuurUrUrUrUuuuucccc时，V4通，V1断，uuuuUNUNUNUN’’’’=-=-=-=-UUUUdddd/2/2/2/2；�uuuuUNUNUNUN’’’’、uuuuVNVNVNVN’和uuuuWNWNWNWN’’’’的波形只有±±±±UUUUdddd/2/2/2/2电平。线电压分析：�uuuuUVUVUVUV波形由uuuuUNUNUNUN’’’’----uuuuVNVNVNVN’得出————当1和6通时，uuuuUVUVUVUV====UUUUdddd；————当3和4通时，uuuuUVUVUVUV====－UUUUdddd；————当1和3或4和6通时，uuuuUVUVUVUV=0=0=0=0。�线电压PWM波由±±±±UUUUdddd和0三种电平构成。负载相电压分析：�负载相电压PWM波由((((±±±±2/3)2/3)2/3)2/3)UUUUdddd、((((±±±±1/3)1/3)1/3)1/3)UUUUdddd和0共5种电平组成。�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�死区时间会给输出的PWM波带来影响。注：同步调制和异步调制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ffffcccc固定不变2）同步调制载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步4.34.34.34.3SPWMSPWMSPWMSPWM的调制方法规则采样法为什么提出规则采用法为什么提出规则采用法？？按照SPWMSPWMSPWM