第7章無源逆變電路77ppt課件

1、電力電子技術(shù)（第二版）7.6 脈沖寬度調(diào)制PWM控制） 在感應(yīng)電機變頻調(diào)速系統(tǒng)中，需要逆變器在變頻的同時調(diào)節(jié)輸出電壓，以保持電機內(nèi)部的磁通基本不變。方波逆變器的電壓控制多采用脈沖幅值調(diào)制PAM控制方式，即電壓控制與頻率控制分開進行，通過調(diào)節(jié)直流側(cè)電源電壓來改變逆變器的輸出電壓的大小。PAM控制的主要問題：一是輸出電壓是方波，其諧波成分大；二是由于是通過改變直流側(cè)電壓或電流來改變輸出的交流電壓或電流的大小，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性差；三是由于有兩個功率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，所以系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制比較復(fù)雜，效率低。 電力電子技術(shù)（第二版）q脈沖寬度調(diào)制PWM控制完全不同于PAM，它將電壓控制與頻率控制集中在逆變器上同時

2、完成。q其特點是：通過對逆變器開關(guān)器件的通、斷控制，使逆變器輸出一系列幅值相等而寬度不同的脈沖，用它來代替正弦波；q利用一定的規(guī)則控制各脈沖的寬度，可實現(xiàn)逆變器輸出電壓與頻率的同時調(diào)節(jié)；q系統(tǒng)簡單，動態(tài)響應(yīng)好。在脈沖寬度調(diào)制技術(shù)中，正弦脈寬調(diào)制SPWM的諧波分量最少，應(yīng)用最廣。 7.6 脈沖寬度調(diào)制PWM控制） 電力電子技術(shù)（第二版）7.6.1 正弦脈寬調(diào)制SPWM的基本原理 q脈寬調(diào)制是用脈沖寬度不等但幅值相等的一系列矩形脈沖去逼近一個所需要的電壓或電流波形。q將一個正弦半波N等分，將正弦曲線每等分所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖代替，并使矩形脈沖的中心線與對應(yīng)的正弦等分的中點

3、重合，這樣得到一串脈沖高度不變但寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖列，這一過程稱為正弦脈寬調(diào)制SPWM），見圖7.26。 電力電子技術(shù)（第二版）q設(shè)矩形波的高為H，正弦半波每個等分的寬度為x/N，N為等分數(shù)且N 較大；q第i個等分正弦波的中點值或平均高為yi，該等分正弦波所圍的面積為yix；而同一等分對應(yīng)的矩形脈沖的寬度是i，面積是Hi。根據(jù)面積相等原則有constiiyNH上式表明，當?shù)确謹?shù)上式表明，當?shù)确謹?shù)N較大時，較大時，SPWM將正弦波的函數(shù)值將正弦波的函數(shù)值變換成了恒幅脈沖的寬度值。變換成了恒幅脈沖的寬度值。 7.6.1 正弦脈寬調(diào)制SPWM的基本原理 電力電子技術(shù)（第二版）理論基礎(chǔ)沖量相等而

4、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。6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理指窄脈沖的面積指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同方波窄脈沖三角波窄脈沖單位沖擊函數(shù)正弦半波窄脈沖f (t)d (t)tOa)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t)形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖為什么用面積相等的矩形脈沖可以等效原正弦波？為什么用面積相等的矩形脈沖可以等效原正弦波？電力電子技術(shù)（第二版）電路輸入：e(t)為什么用面積相等的矩形脈沖可以等效原正弦波？為什么用面積相等的矩形脈沖可以等效原正弦波？以上實例說明了“面積等效原理”電路輸出：i(t)i(t )e(t)電力電子技術(shù)（第二

5、版）7.6.2 正弦脈寬調(diào)制的實現(xiàn)q 單極性脈寬調(diào)制是用一條正弦控制波與一條在正弦波正半周的極性為正、在正弦波負半周的極性為負的等腰恒幅三角波進行比較，從而得到SPWM波的調(diào)制方式，如圖7.27所示。 當正弦波為正半周時，如果正弦信號的幅值大于三角信號的當正弦波為正半周時，如果正弦信號的幅值大于三角信號的幅值，則比較器輸出正電平；如果正弦信號小于三角信號時，幅值，則比較器輸出正電平；如果正弦信號小于三角信號時，比較器輸出比較器輸出0電平。電平。而在正弦波的負半周，當正弦信號的幅值大于三角信號的幅而在正弦波的負半周，當正弦信號的幅值大于三角信號的幅值時，比較器輸出負電平；當正弦信號的幅值小于三角

6、信號值時，比較器輸出負電平；當正弦信號的幅值小于三角信號時，比較器輸出時，比較器輸出0電平。電平。 1. 單極性調(diào)制與雙極性調(diào)制電力電子技術(shù)（第二版）q 雙極性調(diào)制利用一個控制信號通常是正弦波，也稱為調(diào)制波與一個較高頻率的等腰三角波或稱載波相比較，以產(chǎn)生開關(guān)的通斷控制信號。q 規(guī)則是：當正弦信號幅值大于三角波幅值時，比較器輸出 Ud/2，反之輸出Ud/2，這樣得到雙極性的脈沖列，脈沖寬度與控制信號的高度幅值成正比。 7.6.2 正弦脈寬調(diào)制的實現(xiàn)1. 單極性調(diào)制與雙極性調(diào)制電力電子技術(shù)（第二版）q 三角波三角波載波載波 正弦波正弦波調(diào)制波調(diào)制波q 載波頻率載波頻率 fc 調(diào)制波頻率調(diào)制波頻率

7、frq 通常三角波的頻率與幅值固定，正弦波的幅值與頻率是調(diào)通常三角波的頻率與幅值固定，正弦波的幅值與頻率是調(diào)節(jié)量。節(jié)量。q 調(diào)制度調(diào)制度正弦信號的幅值與三角波信號的幅值之比稱為正弦信號的幅值與三角波信號的幅值之比稱為幅值調(diào)制比，用幅值調(diào)制比，用ma表示表示 。q 載波比載波比三角波信號的頻率與正弦控制信號的頻率之比三角波信號的頻率與正弦控制信號的頻率之比稱為頻率調(diào)制比，用稱為頻率調(diào)制比，用mf表示。表示。 mf= fc /frq 改變正弦控制信號的幅值和頻率就可以同時改變輸出電壓改變正弦控制信號的幅值和頻率就可以同時改變輸出電壓中基波幅值和頻率。中基波幅值和頻率。 7.6.2 正弦脈寬調(diào)制的實

8、現(xiàn)電力電子技術(shù)（第二版）v 改變正弦信號的幅值時，就改變了輸出波形的基波分改變正弦信號的幅值時，就改變了輸出波形的基波分量的幅值。當量的幅值。當ma在在01之間變化時，輸出波形的基波之間變化時，輸出波形的基波分量與分量與ma成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。v 過調(diào)制：當過調(diào)制：當ma超過超過1后，脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的后，脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的性質(zhì)將被破壞，稱為過調(diào)制。性質(zhì)將被破壞，稱為過調(diào)制。v 實際上，正弦調(diào)制電壓幅值不應(yīng)超過三角波載波電壓實際上，正弦調(diào)制電壓幅值不應(yīng)超過三角波載波電壓的幅值，若正弦波幅值過份接近三角波的幅值，在三的幅值，若正弦波幅值過份接近三角波的幅值，在三角波峰值附近的脈沖

9、間隙時間太小，會導(dǎo)致開關(guān)管，角波峰值附近的脈沖間隙時間太小，會導(dǎo)致開關(guān)管，特別是開關(guān)速度較慢的晶閘管來不及關(guān)斷，而使輸出特別是開關(guān)速度較慢的晶閘管來不及關(guān)斷，而使輸出脈沖相連，在雙極性脈沖相連，在雙極性SPWM逆變中造成貫穿短路。逆變中造成貫穿短路。改變幅值調(diào)制比調(diào)制度ma ）問題：調(diào)制度與載波比發(fā)生變化，SPWM波將如何變化？電力電子技術(shù)（第二版）改變頻率調(diào)制比載波比改變頻率調(diào)制比載波比mf）q改變正弦信號的頻率時，就改變了輸出波形的改變正弦信號的頻率時，就改變了輸出波形的頻率，也就同時改變了基波分量的頻率。頻率，也就同時改變了基波分量的頻率。q顯然，載波比越大，輸出波形所含的諧波分量顯然，

10、載波比越大，輸出波形所含的諧波分量越少。載波比的下限受諧波分量的規(guī)定值的限越少。載波比的下限受諧波分量的規(guī)定值的限制，而載波比的上限受逆變器開關(guān)管的開關(guān)頻制，而載波比的上限受逆變器開關(guān)管的開關(guān)頻率的限制。率的限制。問題：調(diào)制度與載波比發(fā)生變化，SPWM波將如何變化？電力電子技術(shù)（第二版）2. 異步調(diào)制與同步調(diào)制q等腰三角波與正弦控制信號之間沒有確定的頻率調(diào)制比，兩個信號間不保持同步的調(diào)制方式，稱為異步調(diào)制。 q如果頻率調(diào)制比為常數(shù)，等腰三角波與正弦控制信號之間在變頻過程中保持嚴格的同步關(guān)系的調(diào)制方式，稱為同步調(diào)制。由于頻率調(diào)制比不變，在調(diào)頻的過程中，三角波的頻率必須與正弦控制信號的頻率同步變化

11、。 7.6.2 正弦脈寬調(diào)制的實現(xiàn)電力電子技術(shù)（第二版）7.6.2 正弦脈寬調(diào)制的實現(xiàn)q通常保持載波頻率fc固定不變，當調(diào)制波頻率fr變化時，載波比mf是變化的，可能不是整數(shù)q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q當fr較低時， mf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q當fr增高時， mf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q由于異步調(diào)制的輸出波形沒有嚴格的周期性，故其頻譜是連續(xù)的，這不會在電動機中產(chǎn)生固定的諧波力矩。在調(diào)速系統(tǒng)中的低頻段常常采用這種方法。異步調(diào)制電力電

12、子技術(shù)（第二版）同步調(diào)制同步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號保持同步的載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式，當變頻時使載波與信號波保持同步，調(diào)制方式，當變頻時使載波與信號波保持同步，即即mf等于常數(shù)。等于常數(shù)。圖6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud同步調(diào)制三相PWM波形 fr很高時，很高時，fc會過高，使會過高，使開關(guān)器件難以承受開關(guān)器件難以承受 fr很低時，很低時，fc也很低，由也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除調(diào)制帶來的諧波不易濾除為使一相的PWM波正負半周鏡對稱， mf應(yīng)取奇數(shù)三相電路中公用一個三角波載波，且取mf為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱基本同步調(diào)制方式

13、，fr變化時mf不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定電力電子技術(shù)（第二版）q分段同步調(diào)制是將逆變器的工作頻率范圍劃分為若干個頻率段，在每個頻率段都保持頻率調(diào)制比為常數(shù)。在fr高的頻段采用較低的mf，使載波頻率不致過高；在fr低的頻段采用較高的mf，使載波頻率不致過低q在不同頻率段，根據(jù)開關(guān)的頻率限制頻率調(diào)制比取不同的值。圖7.29是一個分段同步調(diào)制的例子。 為了防止頻率調(diào)制比在某為了防止頻率調(diào)制比在某個頻率點來回跳動，需要個頻率點來回跳動，需要設(shè)置頻率滯回帶。設(shè)置頻率滯回帶。7.6.2 正弦脈寬調(diào)制的實現(xiàn)電力電子技術(shù)（第二版）3. 脈寬調(diào)制波形的生成方法脈寬調(diào)制波形的生成方法 q產(chǎn)生脈寬調(diào)制波形

14、的控制電路主要有三種：模擬電路包括模擬/數(shù)字混合電路）、專用集成電路、微型計算機包括單片機、數(shù)字信號處理器等）。 1）、模擬電路）、模擬電路用模擬電路來產(chǎn)生用模擬電路來產(chǎn)生SPWM波形是按照波形是按照SPWM實現(xiàn)的原實現(xiàn)的原理，用電路來構(gòu)成三角波發(fā)生器、三相正弦波發(fā)生器，理，用電路來構(gòu)成三角波發(fā)生器、三相正弦波發(fā)生器，通過比較器來確定三角波與正弦波的交點，從而得到通過比較器來確定三角波與正弦波的交點，從而得到各個開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷的時刻。各個開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷的時刻。 電力電子技術(shù)（第二版）2）、專用集成電路）、專用集成電路用于產(chǎn)生用于產(chǎn)生SPWM信號的集成電路較多，信號的集成電路較多，單相、三相均有

15、，其專用集成電路有很好的單相、三相均有，其專用集成電路有很好的性能價格比，構(gòu)成的系統(tǒng)簡單、可靠。這些性能價格比，構(gòu)成的系統(tǒng)簡單、可靠。這些集成電路可與單片機接口，也可單獨使用，集成電路可與單片機接口，也可單獨使用，既有同步調(diào)制電路也有異步調(diào)制電路既有同步調(diào)制電路也有異步調(diào)制電路 。3. 脈寬調(diào)制波形的生成方法脈寬調(diào)制波形的生成方法 電力電子技術(shù)（第二版）用單片機產(chǎn)生用單片機產(chǎn)生SPWM波形的方法主要有表格法與實時計算法波形的方法主要有表格法與實時計算法兩種。兩種。表格法是將正弦波一個周期中的數(shù)據(jù)預(yù)先制成正弦表，存入表格法是將正弦波一個周期中的數(shù)據(jù)預(yù)先制成正弦表，存入計算機內(nèi)存。工作時再按順序輸

16、出，從而得到計算機內(nèi)存。工作時再按順序輸出，從而得到SPWM的波形。的波形。表格法的優(yōu)點是簡單。缺點是占的內(nèi)存較大，在連續(xù)高分辨表格法的優(yōu)點是簡單。缺點是占的內(nèi)存較大，在連續(xù)高分辨率調(diào)頻時，由于不可能存儲所有的模式，難以實現(xiàn)波形的優(yōu)率調(diào)頻時，由于不可能存儲所有的模式，難以實現(xiàn)波形的優(yōu)化?；?。 實時計算法是根據(jù)數(shù)學模型實時計算出開關(guān)的轉(zhuǎn)換時刻，以實時計算法是根據(jù)數(shù)學模型實時計算出開關(guān)的轉(zhuǎn)換時刻，以控制逆變電路主開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷。它分為自然采樣法和規(guī)控制逆變電路主開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷。它分為自然采樣法和規(guī)則采樣法兩類。則采樣法兩類。 3. 脈寬調(diào)制波形的生成方法脈寬調(diào)制波形的生成方法 3）、微型計算機

17、電力電子技術(shù)（第二版）q自然采樣法是按照SPWM控制的基本原理，在正弦波與三角波的自然交點控制功率開關(guān)的通斷。自然采樣法是最基本的方法，但這種方法要解很復(fù)雜的超越方程，在實時控制中難以實現(xiàn)，工程上很少使用。q規(guī)則采樣法是一種廣泛應(yīng)用的工程實用方法。在規(guī)則采樣中，采樣點與三角波的中點負峰值點重合，這樣簡化了計算。q規(guī)則采樣法中有使用鋸齒波作載波和使用等腰三角波作載波兩種方法，見圖7.30。 3. 脈寬調(diào)制波形的生成方法脈寬調(diào)制波形的生成方法 3）、微型計算機實時計算法電力電子技術(shù)（第二版）q采用等腰三角波作載波實際上采用等腰三角波作載波實際上是用正弦函數(shù)的中點值代替函是用正弦函數(shù)的中點值代替函數(shù)

18、值用直線代替曲線），圖數(shù)值用直線代替曲線），圖形是對稱的，這樣可用簡單的形是對稱的，這樣可用簡單的比例關(guān)系計算出脈沖寬度，實比例關(guān)系計算出脈沖寬度，實際系統(tǒng)中一般多采用這種方法。際系統(tǒng)中一般多采用這種方法。 q當用鋸齒波作載波時，由于鋸當用鋸齒波作載波時，由于鋸齒波的一條邊是垂直的，它與齒波的一條邊是垂直的，它與正弦波的交點固定，只需要計正弦波的交點固定，只需要計算另一個交點即可，所以計算算另一個交點即可，所以計算量??；其缺點是波形中有偶諧量??；其缺點是波形中有偶諧波，并且諧波的幅值大。由于波，并且諧波的幅值大。由于只有一個邊可調(diào)，故這種調(diào)制只有一個邊可調(diào)，故這種調(diào)制方法又稱為方法又稱為“單邊調(diào)制單邊調(diào)制”。電力電子技術(shù)（第二版）6.2.3 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 三角波兩個正峰值之間為一個三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期采樣周期T 。 自然采樣法中，脈沖中點不和自然采樣法中，脈沖中點不和三角波三角波(負峰點負峰點)重合。重合。 規(guī)則采樣法使兩者重合，使計規(guī)則采樣法使兩者重合，使