电力电子技术__第五章

第5章PWM控制技术•PWM（PulseWidthModulation）控制–对脉冲的宽度进行调制的技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。–优点：功率因数高、有效地进行谐波抑制、动态响应快。–缺点：高次谐波、du/dt、电磁干扰UR滤波UIM5.1概述•1964年德国人A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。•通过改变脉冲的不同宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而同时实现变压和变频。5.1概述•冲量（面积）等效原理–大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。–可推广到阻感电路中。f(t)d(t)tOa)b)c)d)tOf(t)tOf(t)tOf(t)形状不同而冲量相同的各种窄脉冲5.1概述•图a、b、c分别为方波、三角波、正弦半波窄脉冲，图d单位冲击函数δ（t），面积都等于1。•分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。tOua)b)Out5.1概述•将正弦波分成N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，可得脉冲序列，即SPWM波形。5.2.1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。•调制法–把希望输出的波形（正弦波）按比例缩小作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过载波的调制得到所期望的PWM波形。5.2.1计算法和调制法•调制波–把希望输出的波形作为调制信号，在SPWM中采用正弦波作为调制波。•载波–把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形–载波：三角波或锯齿波–原因：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。uOtOtuoUd-Ud5.2.1计算法和调制法•单极性PWM控制方式–调制信号ur为正弦波–载波uc为三角波–在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断urucuo图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud5.2.1计算法和调制法•Ur正半周–当uruc时，uo=Ud–当uruc时，uo=0•Ur负半周–当uruc时，uo=0–当uruc时，uo=-Ud•单极性PWM控制方式特点–输出电压三个电平1、0、-1–需要两个三角载波信号波载波调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc单相桥逆变桥阻感负载5.2.1计算法和调制法•单极性PWM控制方式–V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补，纵向换流–uo正半周时，V1导通，V2关断，V3和V4交替通断uo可得到Ud和零两种电平–uo负半周，让V2保持导通，V1保持断开，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud•单极性PWM控制方式–V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补，纵向换流–uo正半周时，V1导通，V2关断，V3和V4交替通断uo可得到Ud和零两种电平–uo负半周，让V2保持导通，V1保持断开，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平5.2.1计算法和调制法•双极性PWM控制方式–在ur的一个周期内，输出的PWM波只有±Ud两种电平–ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同urucuOtOtuouofuoUd-Ud单相桥逆变电路5.2.1计算法和调制法•双极性PWM控制方式•当uruc时，驱动V1、V4–如io0，则V1和V4通–如io0，VD1和VD4通–不管哪种情况uo=Ud•当uruc时，驱动V2、V3–如io0，V2和V3通–如io0，VD2和VD3通–不管哪种情况uo=-Ud信号波载波调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc三相桥逆变电路5.2.1计算法和调制法•双极性PWM控制方式–三相的PWM控制公用三角波载波uc，三相的调制信号依次相差120°。–当urAuc时，V4关断，V1或VD1导通，则uAN’=Ud/2–当urAuc时，V1关断，V4或VD4导通，则uUN’=-Ud/2调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5BACNN'C+C+urUurVurW2Ud2Ud图6-8ucurAurBurCuuAN'uBN'uCN'uANuABUd-UdOtOOOOOttttt2Ud-2Ud2Ud-2Ud2Ud3Ud32Ud5.2.1计算法和调制法•双极性PWM控制方式–uAN’、uBN’和uCN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平–线电压波形uAB的波形可由uAN’-uBN’得出–逆变器输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成•负载相电压uAN可由下式求得•负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成3''''CNBNANANANuuuuu-5.2.1计算法和调制法5.2.1计算法和调制法•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，在上下两臂切换时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功率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。5.2.2SPWM的基波电压•SPWM脉冲电压：脉冲宽度按照正弦规律变化的脉冲电压序列。•其基波电压幅值与各段脉宽有着直接关系，改变各个脉冲的宽度，就可以平滑地调节逆变器输出电压基波幅值。•脉冲数n足够大时，SPWM逆变器输出脉冲序列的基波电压正是调制时所要求的等效正弦波。5.2.3脉宽调制的制约条件1.开关频率限制–开关频率越高，SPWM波形的脉冲数越多，其基波越接近期望的正弦波。–电力电子器件的开关能力是有限的，因此在应用脉宽调制技术时必然要受到一定条件的制约–载波比：载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr5.2.3脉宽调制的制约条件2.最小间歇时间与幅值调制比–最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间ton，–而最小脉冲间歇大于器件的关断时间toff–幅值调制比•M=Urm/Ucm•M=0~15.2.4异步调制和同步调制•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fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的–缺点：•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。•当信号频率增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，使得输出PWM波和正弦波差异变大。5.2.4异步调制和同步调制•同步调制–在变频（fr变化）时，载波比N不变，载波与信号波保持同步。–信号波一周期内输出脉冲数是固定，脉冲相位也是固定的。–三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出波形严格对称。–为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。5.2.4异步调制和同步调制•同步调制缺点：–当逆变电路输出频率很低时，fc也很低，fc过低时由调制带来的谐波不易滤除。–当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高，使开关器件难以承受。5.2.4异步调制和同步调制•分段同步调制–把逆变电路的输出频率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，限制功率开关器件允许的范围。–在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。5.2.5SPWM控制的实现方法模拟实现方法数字实现方法等效面积算法自然采样法规则采样法SPWM专用集成电路芯片5.2.5SPWM控制的实现方法模拟实现方法：采用模拟电路实现参考信号发生器三角波发生器raurburcu---daudbudcucu5.2.5SPWM控制的实现方法•自然采样法–按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关的通断，这种生成SPWM波形的方法•规则采样法–工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量比自然采样法小得多ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d规则采样法5.2.5SPWM控制的实现方法•取三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc•使脉冲中点和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d规则采样法5.2.5SPWM控制的实现方法•在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A、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•规则采样法得到的脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近•设正弦调制信号波为•式中，a称为调制度，0≤a1；wr为信号波角频率，•因此可得•三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度δ’为taursinr2/22/sin1cDrTtad)sin1(2DrctaTd)sin1(421'DrcctaTTdd--5.2.5SPWM控制的实现方法•三相桥逆变电路应形成三相SPWM波形，三相的三角波载波共用，三相正弦调制波相位依次差120°•设同一三角波周期内三相的脉宽分别为δU、δV和δW，脉冲两边的间隙宽度分别为δ’U、δ’V和δ’W，同一时刻三相调制波电压之和为零，得23cWVUTddd43'''cWVUTddd5.2.5SPWM控制的实现方法1）单相双极性•谐波角频率为:n=1,3,5,…时，k=0,2,4,…；n=2,4,6,…时，k=1,3,5,…•SPWM波中不含低次谐波，只含wc及其附近的谐波以及2wc、3wc等及其附近的谐波。角频率1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=05.2逆变电路的SPWM控制方法rckn5.2逆变电路的SPWM控制方法2）三相双极性（公用载波信号时的情况）•输出线电压中的谐波角频率为n=1,3,5,…时，k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；rckn1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率谐波振幅-。,2,116,1,016mmmmkn=2,4,6,…时，•谐波分析小结–三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率wc整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是wc±2wr和2wc±wr。–SPWM波中谐波主要是角频率为wc、2wc及其附近的谐波，很容易滤除。–当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波分布情况和SPWM波的谐波分析一致。5.2逆变电路的SPWM控制方法