PWM技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展和技術(shù)難題.doc

PWM技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展和技術(shù)難題 隨著電壓型逆變器在高性能電力電子裝置，如交流傳動(dòng)、不間斷電源和有源濾波器的應(yīng)用越來越廣泛，PWM控制技術(shù)作為這些系統(tǒng)的共用及核心技術(shù)，引起人們的高度重視，并得到深入研究。所謂PWM技術(shù)就是利用半導(dǎo)體器件的開通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，來實(shí)現(xiàn)頻率、電壓控制和消除諧波的一門技術(shù)。自關(guān)斷器件的發(fā)展為PWM技術(shù)鋪平了道路，目前幾乎所有的變頻調(diào)速裝置采用這一技術(shù)。PWM技術(shù)用于變頻器的控制，可以明顯改善變頻器的輸出波形，降低電動(dòng)機(jī)的諧波損耗，并減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)還簡化了逆變器的結(jié)構(gòu)，加快了調(diào)節(jié)速度，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。 PWM技術(shù)除了用于逆變器的控制，還用于整流器的控制，PWM整流器現(xiàn)在已開發(fā)成功，利用它可以實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦和電網(wǎng)功率因數(shù)為1。人們稱PWM整流器是對(duì)電網(wǎng)無污染的“綠色”變流器。 目前已經(jīng)提出并得到應(yīng)用的PWM控制方案就不下數(shù)十種。尤其是微處理器應(yīng)用于PWM技術(shù)數(shù)字化以后，花樣更是不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦，從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最少，再到消除噪音等，PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。目前仍有新的方案不斷提出，這說明該項(xiàng)技術(shù)的研究方興未艾。不少方法已趨成熟，有許多在實(shí)際中得到應(yīng)用。 PWM控制技術(shù)一般可分為三大類，即正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM。從實(shí)現(xiàn)方法上來看，大致有模擬式和數(shù)字式兩種實(shí)現(xiàn)方式。從控制特性來看主要可分為兩種：開環(huán)式（電壓或磁通控制型）和閉環(huán)式（電流或磁通控制型）。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字化PWM已逐步取代模擬式PWM，成為電力電子裝置共用的核心技術(shù)。交流電機(jī)調(diào)速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM技術(shù)的不斷進(jìn)步。目前廣泛應(yīng)用的是在規(guī)則采樣PWM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的準(zhǔn)優(yōu)化PWM法，即三次諧波疊加法和電壓空間矢量PWM法，這兩種方法具有計(jì)算簡單、實(shí)時(shí)控制容易的特點(diǎn)。PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。 脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點(diǎn).由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限,結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。模擬信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬器件，因?yàn)樗妮敵鲭妷翰⒉痪_地等于9V，而是隨時(shí)間發(fā)生變化，并可取任何實(shí)數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在0V,5V這一集合中取值。模擬電壓和電流可直接用來進(jìn)行控制，如對(duì)汽車收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變大或變??；流經(jīng)這個(gè)電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機(jī)一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設(shè)備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對(duì)于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對(duì)噪聲很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)改變電流值的大小。通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了。 PWM在應(yīng)用中存在的問題，通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器.三相交流電首先通過二極管不控整流橋得到脈動(dòng)直流電,再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓,最后經(jīng)無源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動(dòng)機(jī)供電.這類變頻器功率因數(shù)高、效率高、精度高、調(diào)速范圍寬,所以在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用.但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動(dòng)和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng),如高速電梯、礦用提升機(jī)、軋鋼機(jī)、大型龍門刨床、卷繞機(jī)構(gòu)張力系統(tǒng)及機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等.因?yàn)檫@種系統(tǒng)要求電機(jī)四象限運(yùn)行,當(dāng)電機(jī)減速、制動(dòng)或者帶位能性負(fù)載重物下放時(shí),電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài).由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆,產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上,產(chǎn)生泵升電壓.而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低,過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容,甚至?xí)茐碾姍C(jī)的絕緣,從而威脅系統(tǒng)安全工作,這就限制了通用變頻器的應(yīng)用范圍. 為了解決電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量,德國西門子公司已經(jīng)推出了電機(jī)四象限運(yùn)行的電壓型交-直-交變頻器,日本富士公司也成功研制了電源再生裝置,如RHR系列、FRENIC系列電源再生單元,它把有源逆變單元從變頻器中分離出來,直接作為變頻器的一個(gè)外圍裝置,可并聯(lián)到變頻器的直流側(cè),將再生能量回饋到電網(wǎng)中.同時(shí),已見到國外有四象限電壓型交-直-交變頻器及電網(wǎng)側(cè)脈沖整流器等的研制報(bào)道.普遍存在的問題是這些裝置價(jià)格昂貴,再加上一些產(chǎn)品對(duì)電網(wǎng)的要求很高,不適合我國的國情.國內(nèi)在中小容量系統(tǒng)中大都采用能耗制動(dòng)方式,即通過內(nèi)置或外加制動(dòng)電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行,該方法雖然簡單,但有如下嚴(yán)重缺點(diǎn):1. 浪費(fèi)能量,降低了系統(tǒng)的效率.2.電阻發(fā)熱嚴(yán)重,影響系統(tǒng)的其他部分正常工作.3.簡單的能耗制動(dòng)有時(shí)不能及時(shí)抑制快速制動(dòng)產(chǎn)生的泵升電壓,限制了制動(dòng)性能的提高(制動(dòng)力矩大,調(diào)速范圍寬,