PWM控制技术(电力电子技术)

PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作2019/8/31《电力电子技术》电子教案第6章PWM控制技术第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PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作3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也介绍PWM整流电路■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作46.1PWM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■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作56.1PWM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■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作66.1PWM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而和正弦波等效的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■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作76.1PWM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■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作86.1PWM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■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作96.2PWM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本节内容构成了本章的主体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■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作106.2.1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■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作116.2.1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■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作126.2.1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控制规律uo正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于UdV4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0负载电流为负的区间，V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作136.2.1计算法和调制法V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0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和零两种电平信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc图6-4单相桥式PWM逆变电路■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作146.2.1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■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作156.2.1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■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作166.2.1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■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作176.2.1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■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作186.2.1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■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作196.2.1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■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作206.2.1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■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作216.2.1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■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作226.2.1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)■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作236.2.1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)■PENEC西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作24