第七章 變頻電路第二部分：PWM控制技術(shù)

第七章變頻電路

PWM控制技術(shù)《電力電子技術(shù)》電子教案PowerElectronicsTechnologyPWM控制的基本原理PWM逆變電路及其控制方法計算法和調(diào)制法異步調(diào)制和同步調(diào)制

規(guī)則采樣法PWM逆變電路的諧波分析提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)PWM逆變電路的多重化PWM跟蹤控制技術(shù)滯環(huán)比較方式三角波比較方式PWM整流電路及其控制方法

PWM整流電路的工作原理

PWM整流電路的控制方法一、PWM控制的基本原理理論基礎(chǔ)沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同沖量指窄脈沖的面積效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖一個實例

沖量相同的各種窄脈沖的響應波形用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波正弦半波N等分，可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等寬度按正弦規(guī)律變化用PWM波代替正弦半波SPWM波形——脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可面積等效原理等幅PWM波和不等幅PWM波由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波輸入電源是交流，得到不等幅PWM波基于面積等效原理進行控制，本質(zhì)是相同的PWM電流波電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波PWM波形可等效的各種波形直流斬波電路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形還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，也基于等效面積原理二、PWM逆變電路及其控制方法目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術(shù)逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應用場合本節(jié)內(nèi)容構(gòu)成了本章的主體PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種

目前實用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路三、計算法和調(diào)制法計算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化調(diào)制法輸出波形作調(diào)制信號，進行調(diào)制得到期望的PWM波通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波等腰三角波應用最多，其任一點水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱與任一平緩變化的調(diào)制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求調(diào)制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波調(diào)制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波控制規(guī)律輸出電壓uo正半周，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷負載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負負載電流為正的區(qū)間，V1和V4導通時，uo等于UdV4關(guān)斷時，負載電流通過V1和VD3續(xù)流，uo=0負載電流為負的區(qū)間，V1和V4仍導通，io為負，實際上io從VD1和VD4流過，仍有uo=UdIGBT單相橋式電壓型逆變電路結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調(diào)制法進行說明工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補負載電流為負的區(qū)間，V1和V4仍導通，io為負，實際上io從VD1和VD4流過，仍有uo=Ud

V4關(guān)斷V3開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0uo總可得到Ud和零兩種電平uo負半周，讓V2保持通，V1保持斷，V3和V4交替通斷uo可得-Ud和零兩種電平在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷ur正半周，V1保持通，V2保持斷當ur>uc時使V4通，V3斷，uo=Ud當ur<uc時使V4斷，V3通，uo=0ur負半周，V1保持斷，V2保持通當ur<uc時使V3通，V4斷，uo=-Ud當ur>uc時使V3斷，V4通，uo=0虛線uof表示uo的基波分量單極性PWM控制方式波形單極性PWM控制方式（單相橋逆變）雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負，所得PWM波也有正有負在ur一周期內(nèi)，輸出PWM波只有±Ud兩種電平仍在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點控制器件的通斷ur正負半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同當ur

>uc時，給V1和V4導通信號，給V2和V3關(guān)斷信號如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud當ur<uc時，給V2和V3導通信號，給V1和V4關(guān)斷信號如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制,也可采用雙極性調(diào)制雙極性PWM控制方式波形采用雙極性PWM控制方式三相的PWM控制公用三角波載波uc三相的調(diào)制信號urU、urV和urW依次相差120°三相橋式PWM型逆變電路

三相橋式逆變電路U相的控制規(guī)律當urU>uc時，給V1導通信號，給V4關(guān)斷信號，uUN’=Ud/2當urU<uc時，給V4導通信號，給V1關(guān)斷信號，uUN’=-Ud/2當給V1(V4)加導通信號時，可能是V1(V4)導通，也可能是VD1(VD4)導通uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平uUV波形可由uUN’-uVN’得出，當1和6通時，uUV=Ud，當3和4通時，uUV=－Ud，當1和3或4和6通時，uUV=0輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成負載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成防直通死區(qū)時間同一相上下兩臂的驅(qū)動信號互補，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死區(qū)時間死區(qū)時間的長短主要由開關(guān)器件的關(guān)斷時間決定死區(qū)時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波四、異步調(diào)制和同步調(diào)制載波比——載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比，N=fc

/fr根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制1.異步調(diào)制異步調(diào)制——載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式通常保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱當fr較低時，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小當fr增高時，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大2.同步調(diào)制同步調(diào)制——N等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步基本同步調(diào)制方式，fr變化時N不變,信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應取奇數(shù)fr很低時，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除fr很高時，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受同步調(diào)制三相PWM波形可在低頻輸出時采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點結(jié)合起來，和分段同步方式效果接近分段同步調(diào)制把fr范圍劃成若干個頻段,每個頻段內(nèi)保持N恒定,不同頻段N不同在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低為防止fc在切換點附近來回跳動，采用滯后切換的方法同步調(diào)制比異步調(diào)制復雜，但用微機控制時容易實現(xiàn)五、規(guī)則采樣法按SPWM基本原理，在正弦波和三角波交點控制功率開關(guān)期間的通斷,這種生成PWM波形的方法---自然采樣法要求解復雜的超越方程，難以在實時控制中在線計算，工程應用不多規(guī)則采樣法特點工程實用方法，效果接近自然采樣法，計算量小得多三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc自然采樣法--脈沖中點不和三角波一周期的中點(即負峰點)重合規(guī)則采樣法使兩者重合，每個脈沖的中點都以相應的三角波中點為對稱，使計算大為簡化規(guī)則采樣法原理在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波采樣得D點，過D作水平直線和三角波分別交于A、B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制開關(guān)器件的通斷脈沖寬度d

和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近規(guī)則采樣法計算公式推導

正弦調(diào)制信號波式中，a稱為調(diào)制度，0≤a<1；wr為信號波角頻率。從圖得因此可得三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波相位依次差120°同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為dU、dV和dW，脈沖兩邊的間隙寬度分別為d’U、d’V和d’W，同一時刻三相調(diào)制波電壓之和為零，得

三相橋逆變電路的情況利用以上兩式可簡化三相SPWM波的計算六、PWM逆變電路的多重化PWM多重化逆變電路，一般目的：提高等效開關(guān)頻率、減少開關(guān)損耗、減少和載波有關(guān)的諧波分量PWM逆變電路多重化聯(lián)結(jié)方式有變壓器方式和電抗器方式利用電抗器聯(lián)接的二重PWM逆變電路兩個單元的載波信號錯開180°輸出端相對于直流電源中點N’的電壓uUN’=(uU1N’+uU2N’)/2，已變?yōu)閱螛O性PWM波圖二重PWM型逆變電路

輸出線電壓共有0、(±1/2)Ud、±Ud五個電平，比非多重化時諧波有所減少電抗器上所加電壓頻率為載波頻率，比輸出頻率高得多，只要很小的電抗器就可以了輸出電壓所含諧波角頻率仍可表示為nwc+kwr，但其中n為奇數(shù)時的諧波已全被除去，諧波最低頻率在2wc附近，相當于電路的等效載波頻率提高一倍二重PWM型逆變電路輸出波形

七、三角波比較方式基本原理不是把指令信號和三角波直接進行比較，而是通過閉環(huán)來進行控制把指令電流i*U、i*V和i*W和實際輸出電流iU、iV、iW進行比較，求出偏差，通過放大器A放大后，再去和三角波進行比較，產(chǎn)生PWM波形放大器A通常具有比例積分特性或比例特性，其系數(shù)直接影響電流跟蹤特性特點開關(guān)頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器設(shè)計方便為改善輸出電壓波形，三角波載波常用三相三角波載波和滯環(huán)比較控制方式相比，這種控制方式輸出電流所含的諧波少不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個固定的時鐘以固定采樣周期對指令信號和被控制變量進行采樣，根據(jù)偏差的極性來控制開關(guān)器件通斷在時鐘信號到來的時刻，如i<i*，V1通，V2斷，使i增大如i>i*，V1斷，V2通，使i減小定時比較方式每個采樣時刻的控制作用都使實際電流與指令電流的誤差減小采用定時比較方式時，器件的最高開關(guān)頻率為時鐘頻率的1/2和滯環(huán)比較方式相比，電流控制誤差沒有一定的環(huán)寬，控制的精度低一些八、PWM整流電路及其控制方法實用的整流電路幾乎都是晶閘管整流或二極管整流晶閘管相控整流電路：輸入電流滯后于電壓，且其中諧波分量大，因此功率因數(shù)很低二極管整流電路：雖位移因數(shù)接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)也很低把逆變電路中的SPWM控制技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路控制PWM整流電路，使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為1，也稱單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器PWM整流電路的工作原理PWM整流電路也可分為電壓型和電流型兩大類，目前電壓型的較多1．單相PWM整流電路圖6-28a和b分別為單相半橋和全橋PWM整流電路半橋電路直流側(cè)電容必須由兩個電容串聯(lián),其中點和交流電源連接全橋電路直流側(cè)電容只要一個就可以交流側(cè)電感Ls包括外接電抗器的電感和交流電源內(nèi)部電感，是電路正常工作所必須的單相PWM整流電路a)單相半橋電路

b)單相全橋電路單相全橋PWM整流電路的工作原理正弦信號波和三角波相比較的方法對圖6-28b中的V1~V4進行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端AB產(chǎn)生一個SPWM波uABuAB中含有和正弦信號波同頻率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波載波有關(guān)的頻率很高的諧波，不含有低次諧波由于Ls的濾波作用，諧波電壓只使is產(chǎn)生很小的脈動當正弦信號波頻率和電源頻率相同時，is也為與電源頻率相同的正弦波us一定時，is幅值和相位僅由uAB中基波uABf的幅值及其與us的相位差決定改變uABf的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90°，或使is與us相位差為所需角度相量圖a：滯后相角d

，和同相，整流狀態(tài)，功率因數(shù)為1。PWM整流電路最基本的工作狀態(tài)b：超前相角d

，和反相，逆變狀態(tài)，說明PWM整流電路可實現(xiàn)能量正反兩個方向的流動，這一特點對于需再生制動的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)很重要c：滯后相角d，超前90°，電路向交流電源送出無功功率，這時稱為靜止無功功率發(fā)生器（StaticVarGenerator—SVG）d：通過對幅值和相位的控制，可以使比超前或滯后任一角度j

對單相全橋PWM整流電路工作原理的進一步說明

整流狀態(tài)下us>0時，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分別組成兩個升壓斬波電路，以（V2、VD4、VD1、Ls）為例V2通時，us通過V2、VD4向Ls儲能V2關(guān)斷時，Ls中的儲能通過VD1、VD4向C充電us<0時，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分別組成兩個升壓斬波電路由于是按升壓斬波電路工作，如控制不當，直流側(cè)電容電壓可能比交流電壓峰值高出許多倍，對器件形成威脅另一方面，如直流側(cè)電壓過低，例如低于us的峰值，則uAB中就得不到圖6-29a中所需的足夠高的基波電壓幅值，或uAB中含有較大的低次諧波，這樣就不能按需要控制is，is波形會畸變可見，電壓型PWM整流電路是升壓型整流電路，其輸出直流電壓可從交流電源電壓峰值附近向高調(diào)節(jié)，如要向低調(diào)節(jié)就會使性能惡化，以至不能工作2．三相PWM整流電路圖6-30，三相橋式PWM整流電路，最基本的PWM整流電路之一，應用最廣工作原理和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴展到三相進行SPWM控制，在交流輸入端A、B和C可得SPWM電壓，按圖6-29a的相量圖控制，可使ia、ib、ic為正弦波且和電壓同相且功率因數(shù)近似為1和單相相同，該電路也可工作在逆變運行狀態(tài)及圖c或d的狀態(tài)三相橋式PWM整流電路PWM整流電路的控制方法有多種控制方法，根據(jù)有沒有引入電流反饋可分為兩種沒有引入交流電流反饋的——間接電流控制引入交流電流反饋的——直接電流控制1．間接電流控制間接電流控制也稱為相位和幅值控制按圖6-29a（逆變時為圖6-29b）的相量關(guān)系來控制整流橋交流輸入端電壓，使得輸入電流和電壓同相位，從而得到功率因數(shù)為1的控制效果圖6-31，間接電流控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中的PWM整流電路為圖6-30的三相橋式電路控制系統(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側(cè)電壓控制環(huán)控制原理和實際直流電壓ud比較后送入PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出為一直流電流信號id，id的大小和整流器交流輸入電流幅值成正比穩(wěn)態(tài)時，ud=，PI調(diào)節(jié)器輸入為零，PI調(diào)節(jié)器的輸出id和負載電流大小對應，也和交流輸入電流幅值相對應負載電流增大時，C放電而使ud下降，PI的輸入端出現(xiàn)正偏差，使其輸出id增大，進而使交流輸入電流增大，也使ud回升。達到新的穩(wěn)態(tài)時，ud和相等，PI調(diào)節(jié)器輸入仍恢復到零，而id則穩(wěn)定為為新的較大的值，與較大的負載電流和較大的交流輸入電流對應負載電流減小時，調(diào)節(jié)過程和上述過程相反從整流運行向逆變運行轉(zhuǎn)換首先負載電流反向而向C充電，ud抬高，PI調(diào)節(jié)器出現(xiàn)負偏差，id減小后變?yōu)樨撝?，使交流輸入電流相位和電壓相位反相，實現(xiàn)逆變運行穩(wěn)態(tài)時，ud和仍然相等，PI調(diào)節(jié)器輸入恢復到零，id為負值，并與逆變電流的大小對應圖6-31間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中其余部分的工作原理圖中上面的乘法器是id分別乘以和a、b、c三相相電壓同相位的正弦信號，再乘以電阻R，得到各相電流在Rs上的壓降uRa、uRb和uRc圖中下面的乘法器是id分別乘以比a、b、c三相相電壓相位超前π/2的余弦信號，再乘以電感L的感抗，得到各相電流在電感Ls上的壓降uLa、uLb和uLc各相電源相電壓ua、ub、uc分別減去前面求得的輸入電流在電阻R和電感L上的壓降，就可得到所需要的交流輸入端各相的相電壓uA、uB和uC的信號，用該信號對三角波載波進行調(diào)制，得到PWM開關(guān)信號去控制整流橋，就可以得到需要的控制效果。存在的問題在信號運算過程中用到電路參數(shù)Ls和Rs，當Ls和Rs的運算值和實際值有誤差時，會影響到控制效果是基于系統(tǒng)的靜態(tài)模型設(shè)計的，其動態(tài)特性較差間接電流控制的系統(tǒng)應用較少2直接電流控制通過運算求出交流輸入電流指令值，再引入交流電流反饋，通過對交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值，因此稱為直接電流控制有不同的電流跟蹤控制方法，圖6-32給出一種最常用的采用電流滯環(huán)比較方式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)組成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)是直流電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)是交流電流控制環(huán)外環(huán)的結(jié)構(gòu)、工作原理和圖6-31間接電流控制系統(tǒng)相同外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出為id，id分別乘以和a、b、c三相相電壓同相位的正弦信號，得到三相交流電流的正弦指令信號，和。