电力电子技术课件07

第7章PWM控制技术7.1PWM控制的基本原理7.2PWM逆变电路及其控制方法第六章PWM控制技术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，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。第5章直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术；第6章的6.1斩控式调压电路和6.4矩阵式变频电路都有涉及。引言第六章PWM控制技术PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。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。现在大量应用于逆变电路中，中小功率逆变电路几乎都是PWM型逆变电路。PWM控制技术正是依赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。本章和第4章（逆变电路）相结合讲解，进一步加深我们对逆变电路和PWM控制技术的认识。引言6-4PWM的基本原理PWM控制方式PWM在逆变电路中的应用（电压型）PWM调制方式第六章PWM控制技术掌握内容7.1PWM控制的基本原理1）重要理论基础——（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)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)返回7.1PWM控制的基本原理b)图6-2冲量相等的各种窄脉冲的响应波形具体的实例说明“面积等效原理”a）e(t)－电压窄脉冲，是电路的输入。i(t)－输出电流，是电路的响应。返回OuωtSPWM波7.1PWM控制的基本原理Ouωt如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ouωt返回7.1PWM控制的基本原理Ouωt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。OuωtSPWM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Ouωt返回面积（冲量)相等，中点重合，宽度按正弦规律变化。等幅7.1PWM控制的基本原理OwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。返回7.1PWM控制的基本原理等幅PWM波输入电源是恒定直流第5章的直流斩波电路7.2节的PWM逆变电路7.4节的PWM整流电路不等幅PWM波输入电源是交流或不是恒定的直流6.1节的斩控式交流调压电路6.4节的矩阵式变频电路OwtUd-UdUoωt返回7.1PWM控制的基本原理2）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-20V0V20V返回7.2PWM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。返回7.2PWM逆变电路及其控制方法7.2.1计算法和调制法7.2.2异步调制和同步调制返回7.2.1计算法和调制法1）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。本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。返回7.2.1计算法和调制法将信号波与载波进入调制电路调制，调制电路的输出信号作为开关器件的驱动信号。把希望输出的波形作为信号波ur,常用等腰三角波作为载波uc2）调制法图7－4单相桥式PWM逆变电路结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明返回7.2.1计算法和调制法2）调制法图7－4单相桥式PWM逆变电路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。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。返回7.2.1计算法和调制法图7-5双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图7-5单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。返回6-18※电路的实现：因为目前实际应用的PWM逆变电路几乎全为电压型逆变电路，所以这里我们以电压型逆变电路为例，结合PWM在逆变电路中的应用体现电路的实现。（单向全桥PWM逆变电路）关键在于调制电路7.2.1计算法和调制法返回6-19（1）单极性SPWM（SSPWM）※特点：①载波uc在ur正半周，都用正极性三角波，在负半周都用负极性三角波。②在正半周，ur大于uc时，相应的器件开通，U0=Ud,当ur小于uc时，相应的器件关断U0=0③在负半周，ur大于uc时，相应的器件关断U0=0,当ur小于uc时，相应的器件开通，U0=-Ud④在调制信号ur的半个周期内，三角波uc只在一个方向上变化，得到的SPWM波形也只在一个方向上变化，故称之为单极性SPWM。图7-5单极性PWM控制方式波形7.2.1计算法和调制法返回6-207.2.2分析几种调制电路电路（1）返回图7-5单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud6-21（1）当Vr大与Vc时，根据调制电路分析，器件是何工作状态？（2）当Vr小与Vc时，根据调制电路分析，器件是何工作状态？7.2.2分析几种调制电路电路（2）返回6-22（2）双极性SPWM（BSPWM）双极性PWM控制方式波形※特点：①载波Uc在调制波Ur的正负两个半周期内，都在正负两个方向变化，不再单一了。调制波Ur仍为正弦波。②在Uc与Ur的交点时刻控制各器件的通断。③输出的SPWM波形在两个方向变化，故称之为双极性SPWM。7.2.2分析几种调制电路返回6-23请同学分析。7.2.2分析几种调制电路电路（3）返回7.2.3异步调制和同步调制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。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载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr1）异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式返回7.2.3异步调制和同步调制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。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud图7-10同步调制三相PWM波形基本同步调制方式，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。返回7.2.3异步调制和同步调制3）分段同步调制——异步调制和同步调制的综合应用。把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的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。00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr/Hzfc/kHz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。图7-11分段同步调制方式举例返回6-27PWM在电力电子中的重要性以及其基本理论SPWM的基本分类，各自特性SPWM在逆变中的应用，掌握调制电路在PWM逆变电路中的关键作用。PWM的调制方式，各自优缺点。小结返回