06 第6章 PWM控制技术

第6章PWM控制技术6.1PWM控制的基本原理6.2PWM逆变电路及其控制方法6.3PWM跟踪控制技术6.4PWM整流电路及其控制方法本章小结abv电力电子技术22020/6/17Themostwidelyusedcontroltechniqueinpowerelectronics电力电子技术32020/6/17引言■PWM（PulseWidthModulation）控制就是脉宽调制技术，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）。2020/6/17电力电子技术42020/6/17引言■PWM（PulseWidthModulation）控制就是脉宽调制技术，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）。2020/6/17直流斩波中使用PWM控制电力电子技术52020/6/17引言■PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。2020/6/17■PWM（PulseWidthModulation）控制就是脉宽调制技术，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）。电力电子技术62020/6/17图5-8桥式可逆斩波电路■桥式可逆斩波电路◆将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，使电动机可以4象限运行。◆工作过程☞V4导通时，等效为一组电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。☞V2导通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。回顾：电流可逆斩波电路电力电子技术72020/6/17图5-8桥式可逆斩波电路■桥式可逆斩波电路◆将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，使电动机可以4象限运行。◆工作过程☞V4导通时，等效为图5-7a所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。☞V2导通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。亦可由此电路进行DC-AC双向变换交流负载或电网回顾：4.2.1电流可逆斩波电路第6章PWM控制技术6.1PWM控制的基本原理6.2PWM逆变电路及其控制方法6.3PWM跟踪控制技术6.4PWM整流电路及其控制方法本章小结abv电力电子技术92020/6/17重要理论基础——面积等效原理Theequal-areatheorem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d)单位脉冲函数f(t)d(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)6.1PWM控制的基本原理电力电子技术102020/6/176.1PWM控制的基本原理■面积等效原理☞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。◆实例☞将冲量相同的脉冲作为输入，加在如图所示的R-L电路上，设其电流i(t)为电路的输出，可以获得不同窄脉冲时i(t)的响应波形。形状不同而冲量相同的各种窄脉冲冲量相同的各种窄脉冲的响应波形电力电子技术112020/6/17OuωtSPWM波Ouωt如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ouωt6.1PWM控制的基本原理电力电子技术122020/6/17若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。SPWM波Ouωt如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OuωtOuωt6.1PWM控制的基本原理电力电子技术132020/6/17OwtUd-Ud负半周可采取同样方法，得到PWM波形：6.1PWM控制的基本原理单极性PWM控制方式电力电子技术142020/6/17OwtUd-Ud另外一种等效方式6.1PWM控制的基本原理双极性PWM控制方式电力电子技术152020/6/17直流斩波电路直流波形SPWM波正弦波形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波可等效的各种波形所需波形等效的PWM波0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms-20V0V20V等效成其他所需波形，如:6.1PWM控制的基本原理第6章PWM控制技术6.1PWM控制的基本原理6.2PWM逆变电路及其控制方法6.3PWM跟踪控制技术6.4PWM整流电路及其控制方法本章小结abv电力电子技术172020/6/17PWM逆变电路普通逆变电路的缺点：1）输出波形中含有较多的谐波，对负载不利；2）输入电流谐波含量大，功率因数低；3）电压调节困难，响应较慢。tOtOuUNuUVUdUd32Ud3电力电子技术182020/6/17PWM逆变电路实际的逆变电路基本都采用PWM控制方式。PWM控制方式也正是由于在逆变电路中的成功应用，才在电力电子装置中得到了广泛应用。电力电子技术192020/6/176.2PWM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规则采样法电力电子技术202020/6/176.2.1计算法和调制法■计算法◆根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，将PWM波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算出来，据此控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。■特点◆繁琐，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。电力电子技术212020/6/17计算法的实用方法：特定谐波消去法规则采样法6.2.1计算法电力电子技术222020/6/17特定谐波消去法(SelectedHarmonicEliminationPWM—SHEPWM)计算法中一种较有代表性的方法。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。OwtuoUd-Ud2ppa1a2a36.2.1计算法电力电子技术232020/6/17为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即)()(wwtutu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)()(tutuww同时满足上两个条件的波形称为四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为式中，an为,5,3,1sin)(nntnatuww20dsin)(4ttntuan6.2.1计算法——特定谐波消去法电力电子技术242020/6/17能独立控制1、2和3共3个时刻。该波形的an为式中n=1,3,5,…)cos2cos2cos21(2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211nnnnUttnUttnUttnUttnUadddddn确定a1的值，再令两个不同的an=0(n=1,3,5…)，就可建三个方程，求得1、2和3，即可消除两种特定频率的谐波。OwtuoUd-Ud2ppa1a2a36.2.1计算法——特定谐波消去法电力电子技术252020/6/17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1、2和3。a1变，1、2和3也相应改变。0)7cos27cos27cos21(720)5cos25cos25cos21(52)cos2cos2cos21(2321d7321d5321d1UaUaUa6.2.1计算法——特定谐波消去法电力电子技术262020/6/17如果在输出电压半周期内，器件通、断各k次，考虑到PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去k－1个频率的特定谐波。k的取值越大，开关时刻的计算越复杂。6.2.1计算法——特定谐波消去法电力电子技术272020/6/17ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d图7-12规则采样法■在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法。■规则采样法◆是一种应用较广的工程实用方法，其效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法小得多。6.2.1计算法——规则采样法电力电子技术282020/6/17ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d图7-12规则采样法◆方法说明☞取三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc，使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点（即负峰点）为对称。☞在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样而得到D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制功率开关器件的通断。☞可以看出，用这种规则采样法得到的脉冲宽度d和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。6.2.1计算法——规则采样法电力电子技术292020/6/176.2.1调制法■调制法◆把希望输出的波形作为调制波，把接受调制的信号作为载波，通过载波对调制波的调制得到所期望的PWM波形。◆通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud各种DC-DC,DC-AC,AC-DC均适用适用于DC-DC变换电路电力电子技术302020/6/176.2.1调制法■调制法◆把希望输出的波形（如正弦波）作为调制波，把接受调制的信号作为载波，通过调制波对载波的调制得到所期望的PWM波形。◆载波通常采用等腰三角波或锯齿波。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud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波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于调制波幅值的脉冲，正好符合PWM控制的要求。电力电子技术312020/6/176.2.1调制法■思考：如何产生三角载波和正弦调制波？可用模拟电路构成三角载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器件进行控制，从而得到SPWM波形。当输出正弦波的频率、幅值和相位发生变化，调制时刻随之改变，控制方便，无需进行大量数学运算。可用数控芯片生成SPWM波形，如单片机、DSP(数字信号处理器)等。电力电子技术322020/6/17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。载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr。1）异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。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，即N等于常数。异步调制和同步调制电力电子技术332020/6/17异步调制和同步调制■异步调制◆通常保持载波频率fc固定不变，因而当信号波频率fr变化时，载波比N是变化的。◆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，PWM波形接近正弦波。◆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，输出PWM波和正弦波的差异变大。◆在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。电力电子技术342020/6/172）同步调制基本同步调制方式，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。异步调制和同步调制电力电