電力電子技術(shù)——第七章.ppt

1、電力電子技術(shù),1,2020/10/10,第七章 PWM控制技術(shù),7.1 PWM控制的基本原理 7.2 PWM逆變電路及其控制方法 7.3 PWM跟蹤控制技術(shù) 7.4 PWM整流電路及其控制方法,電力電子技術(shù),2,2020/10/10,引 言,PWM（Pulse Width Modulation）控制 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通 過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和 幅值） 第5章：直流斬波電路采用 本章主要內(nèi)容 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； 本章主

2、要以逆變電路為控制對(duì)象來(lái)介紹PWM控制技術(shù)。,電力電子技術(shù),3,2020/10/10,7.1 PWM控制的基本原理,采樣控制理論基礎(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(shí)，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(yīng)波形基本相同； 將輸出波形進(jìn)行付氏分解，低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 典型慣性環(huán)節(jié)就是電感負(fù)載。,圖7-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖,電力電子技術(shù),4,2020/10/10,一個(gè)實(shí)例 圖7-2a的電路 電路輸入：u(t)，窄脈沖，如圖7-1a、b、c、d所示 電路輸出：i(t)，圖7-2b 面積等效原理,圖7-2 沖量相同的各種

3、窄脈沖的響應(yīng)波形,電力電子技術(shù),5,2020/10/10,用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波 正弦半波N等分，可看成N個(gè)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(diǎn)重合，面積（沖量）相等； 寬度按正弦規(guī)律變化。 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。,圖7-3 用PWM波代替正弦半波,電力電子技術(shù),6,2020/10/10,PWM電流波： 電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波形。 PWM波形可等效成各種波形： 直流斬波電路：等效直流波形； SPWM波：等效

4、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。 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(yīng)用場(chǎng)合； PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)用的PWM逆變 電路幾乎都是電壓型電路。,電力電子技術(shù),7,2020/10/10,7.2 PWM逆變電路及其控制方法,7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法得到PWM波,計(jì)算法 根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形； 缺點(diǎn)是計(jì)算繁瑣，工作量大，當(dāng)輸出正弦波的頻率、

5、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。 調(diào)制法 輸出波形作調(diào)制信號(hào)，進(jìn)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(yīng)用最多，其任一點(diǎn)水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱。 與任一平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交，在交點(diǎn)控制器件通斷，就得寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，符合PWM的要求； 調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，得到的就是SPWM波； 調(diào)制信號(hào)不是正弦波，而是其他所需波形時(shí)，也能得到等效的PWM波。,電力電子技術(shù),8,2020/10/10,結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對(duì)調(diào)制法進(jìn)行說(shuō)明 工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)。 控制規(guī)律 uo正半周，V1通，V2斷，V3和V

6、4交替通斷； 負(fù)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(fù)； 負(fù)載電流為正的區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時(shí)，uo等于Ud； V4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)V1和VD3續(xù)流，uo= 0； 負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間， V1和V4仍導(dǎo)通，io為負(fù)，實(shí)際上io從VD1和VD4流過(guò)，仍有uo=Ud； V4關(guān)斷V3開(kāi)通后， io從V3和VD1續(xù)流，uo= 0； uo總可得到Ud和零兩種電平； uo負(fù)半周，讓V2保持通，V1保持?jǐn)?，V3和V4交替通斷，uo可得 Ud和零兩種電平。,電力電子技術(shù),9,2020/10/10,圖7-4 單相橋式PWM逆變電路,V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷互補(bǔ)。 uo正半周

7、，對(duì)應(yīng)于V1一直通，V2 一直斷，V3和V4交替通斷； 當(dāng)V4導(dǎo)通時(shí)，R,L兩端電壓為 Ud，即uo等于Ud。當(dāng)V3導(dǎo)通時(shí)，實(shí)際上此時(shí)電流從VD3進(jìn)行續(xù)流，注意V3中并沒(méi)有流過(guò)電流，R，L兩端電壓uo= 0； uo負(fù)半周，讓V2一直通，V1一直斷，V3和V4交替通斷。導(dǎo)通規(guī)律和上面類似，注意續(xù)流的通道是V2和VD4。 同學(xué)們還需要注意一點(diǎn)，就是當(dāng)uo剛剛由正半周進(jìn)入負(fù)半周時(shí)，電流方向和電壓方向相反，此時(shí)有一段向電源反向充電的續(xù)流過(guò)程。通過(guò)VD2和VD3進(jìn)行續(xù)流。,電力電子技術(shù),10,2020/10/10,調(diào)制法得到PWM波有兩種方法：?jiǎn)螛O性和雙極性。兩者區(qū)別在于三角載波的不同。 單極性PWM控

8、制方式： 在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷 ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)啵?當(dāng)ur uc 時(shí)使V4通，V3斷，uo= Ud； 當(dāng)ur uc時(shí)使V3斷，V4通，uo= 0； 虛線uof表示uo的基波分量。,圖7-5 單極性PWM控制方式波形,電力電子技術(shù),11,2020/10/10,雙極性PWM控制方式（單相橋逆變） 在ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角 波載波有正有負(fù)，所得 PWM波也有正有負(fù)； 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(hào)ur和載波信號(hào) uc的交點(diǎn)控制器件的通斷； ur正負(fù)半周，對(duì)各開(kāi)關(guān)器件 的控制規(guī)律相同； 當(dāng)ur uc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通 信號(hào)，給V2

9、和V3關(guān)斷信號(hào)； 如io0，V1和V4通，如io0， 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。,圖7-6 雙極性PWM控制方式波形,電力電子技術(shù),12,2020/10/10,三相橋式PWM型逆變電路： 采用雙極性控制方法； 三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角波載波uc； 三相的調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW依次相差120。,圖7-7 三相橋式PWM型逆變電路,電力電子技術(shù),13,2020/10/10,U相的控制規(guī)律 當(dāng)urU uc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，uUN= Ud/2； 當(dāng)urU uc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，uUN= Ud/

10、2； 當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4) 導(dǎo)通； uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2兩種電平； uUV波形可由uUNuVN得出，當(dāng)1和6通時(shí)，uUV= Ud，當(dāng)3和4通 時(shí)，uUV= Ud，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uUV= 0； 輸出線電壓PWM波由Ud和0三種電平構(gòu)成； 負(fù)載相電壓PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5種電平組成。,電力電子技術(shù),14,2020/10/10,防直通死區(qū)時(shí)間 同一相上下兩臂的驅(qū) 動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，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(hào)的死 區(qū)時(shí)間； 死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要 由開(kāi)關(guān)器件的

11、關(guān)斷時(shí) 間決定； 死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的 PWM波帶來(lái)影響，使 其稍稍偏離正弦波。,圖7-8 三相橋式PWM逆變電路波形,電力電子技術(shù),15,2020/10/10,特定諧波消去法 (Selected Harmo-nic Elimination PWMSHEPWM) 這是計(jì)算法中一種較有代 表性的方法，如圖7-9； 輸出電壓半周期內(nèi)，器件 通、斷各3次（不包括0和 ），共6個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻可 控； 為減少諧波并簡(jiǎn)化控制， 要盡量使波形對(duì)稱； 首先，為消除偶次諧波， 使波形正負(fù)兩半周期鏡對(duì) 稱，即：,圖7-9 特定諧波消去法的輸出PWM波形,（6-1）,電力電子技術(shù),16,2020/10/10,其次，為消除

12、諧波中余弦項(xiàng)，應(yīng)使波形在正半周期內(nèi)前后1/4周期以 /2為軸線對(duì)稱： 同時(shí)滿足式（7-1）、（7-2）的波形稱為四分之一周期對(duì)稱波形， 用傅里葉級(jí)數(shù)表示為： 式中，an為：,（7-2）,（7-3）,電力電子技術(shù),17,2020/10/10,圖7-9，能獨(dú)立控制1、2和3共3個(gè)時(shí)刻。該波形的an為： 式中n=1,3,5, 確定a1的值，再令兩個(gè)不同的an= 0，就可建三個(gè)方程，求得1、 2和3。,（7-4）,電力電子技術(shù),18,2020/10/10,消去兩種特定頻率的諧波 在三相對(duì)稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消， 可考慮消去5次和7次諧波，得如下聯(lián)立方程： 給定a1，解方程可得1

13、、2和3。a1變，1、2和3也相應(yīng)改變。,（7-5）,一般，在輸出電壓半周期內(nèi)器件通、斷各k次，考慮PWM波四分之一周 期對(duì)稱，k個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻可控，除用一個(gè)控制基波幅值，可消去k1個(gè)頻率的特定諧波； k越大，開(kāi)關(guān)時(shí)刻的計(jì)算越復(fù)雜； 除計(jì)算法和調(diào)制法外，還有跟蹤控制方法，在7.3節(jié)介紹。,電力電子技術(shù),19,2020/10/10,7.2.2 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(hào)頻率fr之比，N= fc / fr 根據(jù)載波和信號(hào)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(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式； 通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變

14、化時(shí)，載波比N是變化的； 在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固 定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也 不對(duì)稱； 當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的 不利影響都較小； 當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對(duì)稱 的影響就變大。,電力電子技術(shù),20,2020/10/10,2、同步調(diào)制 同步調(diào)制N等于常數(shù)，并在 變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同 步 基本同步調(diào)制方式，fr變化 時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi) 輸出脈沖數(shù)固定； 三相電路中公用一個(gè)三角波 載波，且取N為3的整數(shù)倍， 使三相輸出對(duì)稱； 為使一相的PWM波正負(fù)半周 鏡對(duì)

15、稱，N應(yīng)取奇數(shù)； fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制 帶來(lái)的諧波不易濾除； fr很高時(shí)，fc會(huì)過(guò)高，使開(kāi)關(guān) 器件難以承受。,圖7-10 同步調(diào)制三相PWM波形,電力電子技術(shù),21,2020/10/10,分段同步調(diào)制 (圖7-11） 把fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)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(guò)高； 在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過(guò)低； 為防止fc在切換點(diǎn)附近來(lái)回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法； 同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)； 可在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到 同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，和分段同

16、 步方式效果接近。,電力電子技術(shù),22,2020/10/10,7.2.3 規(guī)則采樣法,按SPWM基本原理，自然采樣法； 要求解復(fù)雜的超越方程，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，工程應(yīng)用不多。 規(guī)則采樣法特點(diǎn) 工程實(shí)用方法，效果接近自然采樣法，計(jì)算量小得多。 規(guī)則采樣法原理 圖7-12，三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc； 自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波一周期的中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合； 規(guī)則采樣法使兩者重合，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對(duì)稱，使計(jì)算大為簡(jiǎn)化； 在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對(duì)正弦信號(hào)波采樣得D點(diǎn)，過(guò)D作水平直線和三角波分別交于A、B點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制開(kāi)關(guān)器件的通斷；

17、 脈沖寬度 和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近 。,電力電子技術(shù),23,2020/10/10,圖7-12 規(guī)則采樣法,電力電子技術(shù),24,2020/10/10,規(guī)則采樣法計(jì)算公式推導(dǎo) 正弦調(diào)制信號(hào)波 ： 式中，a稱為調(diào)制度，0a1；r為信號(hào)波角頻率。從圖7-12得： 因此可得： 三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度：,（7-6）,（7-7）,電力電子技術(shù),25,2020/10/10,三相橋逆變電路的情況 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U、V和W，脈沖兩邊的 間隙寬度分別為U、V 和W ，同一時(shí)刻三相調(diào)制波電壓之和 為零，由式(6-6)得： 由式

18、(6-7)得： 利用以上兩式可簡(jiǎn)化三相SPWM波的計(jì)算。,電力電子技術(shù),26,2020/10/10,7.2.4 PWM逆變電路的諧波分析,使用載波對(duì)正弦信號(hào)波調(diào)制，產(chǎn)生了和載波有關(guān)的諧波分量； 諧波頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標(biāo)之一； 分析雙極性SPWM波形； 同步調(diào)制可看成異步調(diào)制的特殊情況，只分析異步調(diào)制方式； 分析方法 不同信號(hào)波周期的PWM波不同，無(wú)法直接以信號(hào)波周期為基準(zhǔn)分析； 以載波周期為基礎(chǔ)，再利用貝塞爾函數(shù)推導(dǎo)出PWM波的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式； 分析過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，結(jié)論卻簡(jiǎn)單而直觀。,電力電子技術(shù),27,2020/10/10,單相的分析結(jié)果 圖7-13，不同a時(shí)單相橋式

19、 PWM逆變電路輸出電壓頻譜 圖； 諧波角頻率為 ： 式中，n=1,3,5,時(shí)，k=0,2,4, ； n=2,4,6,時(shí)，k=1,3,5, 。 PWM波中不含低次諧波，只含c及其附近的諧波以及2c、3c等及其附近的諧波。,圖7-13 單相PWM橋式逆變電路輸出電壓 頻譜圖,（7-10）,電力電子技術(shù),28,2020/10/10,三相的分析結(jié)果 公用載波信號(hào)時(shí)的情況 輸出線電壓中的諧波角頻 率為： 式中，n=1,3,5,時(shí)， k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,時(shí)， 圖7-14，輸出線電壓頻譜圖,圖7-14 三相橋式PWM逆變電路輸出線電壓頻譜圖,電力電子技術(shù),29,2020/1

20、0/10,和單相比較(圖7-13)，共同點(diǎn)是都不含低次諧波，一個(gè)較顯著的區(qū)別是載波角頻率c整數(shù)倍的諧波沒(méi)有了，諧波中幅值較高的是c2r和2cr； SPWM波中諧波主要是角頻率為c、2c及其附近的諧波，很容易濾除； 當(dāng)調(diào)制信號(hào)波不是正弦波時(shí)，諧波由兩部分組成：一部分是對(duì)信號(hào)波本身進(jìn)行諧波分析所得的結(jié)果，另一部分是由于信號(hào)波對(duì)載波的調(diào)制而產(chǎn)生的諧波。后者的諧波分布情況和SPWM波的諧波分析一致。,電力電子技術(shù),30,2020/10/10,7.2.5 提高直流電壓利用率和減少開(kāi)關(guān)次數(shù),直流電壓利用率逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值U1m和直流電壓Ud之比； 提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸出能力；

21、 減少器件的開(kāi)關(guān)次數(shù)可以降低開(kāi)關(guān)損耗； 正弦波調(diào)制的三相PWM逆變電路，調(diào)制度a為1時(shí)，輸出線電壓 的基波幅值為 ，直流電壓利用率為0.866，實(shí)際還更 低； 梯形波調(diào)制方法的思路 采用梯形波作為調(diào)制信號(hào)，可有效提高直流電壓利用率； 當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí)，梯形波所含的基波分量幅值更大。,電力電子技術(shù),31,2020/10/10,梯形波調(diào)制方法的原理及波形 梯形波的形狀用三角化率 = Ut / Uto 描述，Ut為以橫軸為底時(shí)梯形波的高，Uto為以橫軸為底邊把梯形兩腰延長(zhǎng)后相交所形成的三角形的高； = 0時(shí)梯形波變?yōu)榫匦尾ǎ?= 1時(shí)梯形波變?yōu)槿遣ǎ?梯形波含低次諧波，PWM波含同樣

22、的低次諧波； 低次諧波（不包括由載波引起的諧波）產(chǎn)生的波形畸變率為 。,圖7-15 梯形波為調(diào)制信號(hào)的PWM控制,電力電子技術(shù),32,2020/10/10,圖7-16， 和U1m /Ud隨 變化的情況； 圖7-17， 變化時(shí)各次諧波分量幅值Unm和基波幅值U1m之比； = 0.4時(shí)，諧波含量也較少， 約為3.6%，直流電壓利用率為1.03，綜合效果較好； 梯形波調(diào)制的缺點(diǎn)：輸出波形中含5次、7次等低次諧波。,圖7-16 變化時(shí)的 和直流電壓利用率,圖7-17 變化時(shí)的各次諧波含量,電力電子技術(shù),33,2020/10/10,線電壓控制方式（疊加3次諧波） 對(duì)兩個(gè)線電壓進(jìn)行控制，適當(dāng)?shù)乩枚嘤嗟囊?/p>

23、個(gè)自由度來(lái)改善控制性能； 目標(biāo)使輸出線電壓不含低次諧波的同時(shí)盡可能提高直流電壓利用率，并盡量減少器件開(kāi)關(guān)次數(shù)。,圖7-18 疊加3次諧波的調(diào)制信號(hào),電力電子技術(shù),34,2020/10/10,直接控制手段仍是對(duì)相電壓進(jìn)行控制，但控制目標(biāo)卻是線電壓； 相對(duì)線電壓控制方式，控制目標(biāo)為相電壓時(shí)稱為相電壓控制方式； 在相電壓調(diào)制信號(hào)中疊加3次諧波，使之成為鞍形波，輸出相電壓中也含3次諧波，且三相的三次諧波相位相同。合成線電壓時(shí)，3次諧波相互抵消，線電壓為正弦波； 鞍形波的基波分量幅值大； 除疊加3次諧波外，還可疊加其他3倍頻的信號(hào)，也可疊加直流分量，都不會(huì)影響線電壓。,電力電子技術(shù),35,2020/10

24、/10,線電壓控制方式（疊加3倍次諧波和直流分量）（圖7-19） 疊加up，既包含3倍次諧波，也包含直流分量，up大小隨正弦信號(hào)的大 小而變化 設(shè)三角波載波幅值為1，三相調(diào)制信號(hào)的正弦分別為urU1、urV1和urW1， 并令： 則三相的調(diào)制信號(hào)分別為：,（7-12）,（7-13）,電力電子技術(shù),36,2020/10/10,不論urU1、urV1和urW1幅值的大小，urU、urV、urW總有1/3周期的值和三角波負(fù)峰值相等。在這1/3周期中，不對(duì)調(diào)制信號(hào)值為1的相進(jìn)行控制，只對(duì)其他兩相進(jìn)行控制，這種控制方式稱為兩相控制方式； 優(yōu)點(diǎn)： （1）在1/3周期內(nèi)器件不動(dòng)作，開(kāi)關(guān)損耗減少1/3； （2

25、）最大輸出線電壓基波幅值為Ud，直流電壓利用 率提高； （3）輸出線電壓不含低次諧波，優(yōu)于梯形波調(diào)制方 式。,電力電子技術(shù),37,2020/10/10,7.2.6 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(kāi)關(guān)頻率、減少開(kāi)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(圖7-20，圖 7-21) 兩個(gè)單元的載波信號(hào)錯(cuò)開(kāi)180； 輸出端相對(duì)于直流電源中點(diǎn)N的電壓： uUN= (uU1N+uU2N) / 2 已變?yōu)閱螛O性PWM波。,圖7-20 二重PWM型逆變電路,電力電子技術(shù),38,2020/1

26、0/10,輸出線電壓共有0、(1/2)Ud、Ud五個(gè)電平，比非多重化時(shí)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nc+kr，但其中n為奇數(shù)時(shí)的諧波已全被除去，諧波最低頻率在2c附近，相當(dāng)于電路的等效載波頻率提高一倍。,圖7-21 二重PWM型逆變電路輸出波形,電力電子技術(shù),39,2020/10/10,7.3 PWM跟蹤控制技術(shù),PWM波形生成的第三種方法跟蹤控制方法； 把希望輸出的波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際波形作為反饋信號(hào)，通過(guò)兩者的瞬時(shí)值比較來(lái)決定逆變電路各開(kāi)關(guān)器件的通斷，使實(shí)際的 輸出跟蹤指令信號(hào)變化； 常用

27、的有滯環(huán)比較方式和三角波比較方式。,電力電子技術(shù),40,2020/10/10,7.3.1 滯環(huán)比較方式,電流跟蹤控制應(yīng)用最多 基本原理 把指令電流 i* 和實(shí)際輸出電流i的偏差 i* i作為滯環(huán)比較器的輸入； 通過(guò)比較器的輸出控制器件V1和V2的通斷； V1（或VD1）通時(shí)，i增大; V2（或VD2）通時(shí)，i減小; 通過(guò)環(huán)寬為2I的滯環(huán)比較器的控制，i就在 i* + I 和 i* I的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流 i*。,圖7-22 滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例,圖7-23 滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流,電力電子技術(shù),41,2020/10/10,參數(shù)的影響 滯環(huán)環(huán)寬對(duì)跟蹤性能的影響：環(huán)寬

28、過(guò)寬時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過(guò)窄時(shí)，跟蹤誤差小，但開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，開(kāi)關(guān)損耗增大； 電抗器L的作用：L大時(shí)，i的變化率小，跟蹤慢； L小時(shí)，i的變化率大，開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高。 三相的情況,圖7-25 三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形,圖7-24 三相電流跟蹤型PWM逆變電路,電力電子技術(shù),42,2020/10/10,采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM變流電路有如下特點(diǎn)： （1）硬件電路簡(jiǎn)單； （2）實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快； （3）不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波； （4）和計(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開(kāi)關(guān)頻率時(shí)輸出電 流中高次諧波含量多（致命缺點(diǎn)）； （5）閉環(huán)控制，是各種跟蹤型PWM變

29、流電路的共同特 點(diǎn)。,電力電子技術(shù),43,2020/10/10,采用滯環(huán)比較方式實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制 把指令電壓u*和輸出電壓u進(jìn)行 比較，濾除偏差信號(hào)中的諧波， 濾波器的輸出送入滯環(huán)比較器， 由比較器輸出控制開(kāi)關(guān)器件的 通斷，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制； 和電流跟蹤控制電路相比，只 是把指令和反饋信號(hào)從電流變 為電壓； 輸出電壓PWM波形中含大量高 次諧波，必須用適當(dāng)?shù)臑V波器濾 除； u* =0時(shí)，輸出電壓u為頻率較高的矩形波，相當(dāng)于一個(gè)自勵(lì)振蕩電路； u*為直流信號(hào)時(shí)，u產(chǎn)生直流偏移，變?yōu)檎?fù)脈沖寬度不等，正寬負(fù)窄或 正窄負(fù)寬的矩形波； u*為交流信號(hào)時(shí)，只要其頻率遠(yuǎn)低于上述自勵(lì)振蕩頻率，從u中濾除

30、由器 件通斷產(chǎn)生的高次諧波后，所得的波形就幾乎和u*相同，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟 蹤控制。,圖7-26 電壓跟蹤控制電路舉例,電力電子技術(shù),44,2020/10/10,7.3.2 三角波比較方式,基本原理 不是把指令信號(hào)和三角波直接進(jìn)行比較，而是通過(guò)閉環(huán)來(lái)進(jìn)行控制； 把指令電流i*U、i*V和i*W和實(shí)際輸出電流iU、iV、iW進(jìn)行比較，求出偏差，通過(guò)放大器A放大后，再去和三角波進(jìn)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(diǎn) 開(kāi)關(guān)頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器設(shè)計(jì)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

31、比，這種控制方式輸出電流所含的諧波少。,電力電子技術(shù),45,2020/10/10,圖7-27 三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路,電力電子技術(shù),46,2020/10/10,定時(shí)比較方式 不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)鐘； 以固定采樣周期對(duì)指令信號(hào)和被控制變量進(jìn)行采樣，根據(jù)偏差的極性來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件通斷； 在時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)的時(shí)刻： 如i i*，V1斷，V2通，使i減小。 每個(gè)采樣時(shí)刻的控制作用都使實(shí)際電流與指令電流的誤差減??； 采用定時(shí)比較方式時(shí)，器件的最高開(kāi)關(guān)頻率為時(shí)鐘頻率的1/2； 和滯環(huán)比較方式相比，電流控制誤差沒(méi)有一定的環(huán)寬，控制的精度低一些。,電力電子技術(shù),47,2020/10/10,

32、7.4 PWM整流電路及其控制方法,實(shí)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。,電力電子技術(shù),48,2020/10/10,7.4.1 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

33、相PWM整流電路 圖7-28a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(gè)電容串聯(lián)，其中點(diǎn)和交流電源連接； 全橋電路直流側(cè)電容只要一個(gè)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。,圖7-28 單相PWM整流電路 a) 單相半橋電路 b) 單相全橋電路,電力電子技術(shù),49,2020/10/10,單相全橋PWM整流電路的工作原理 正弦信號(hào)波和三角波相比較的方法對(duì)圖6-28b中的V1V4進(jìn)行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端AB產(chǎn)生一個(gè)SPWM波uAB； uAB中含有和正弦信號(hào)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)

34、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(dòng)； 當(dāng)正弦信號(hào)波頻率和電源頻率相同時(shí)，is也為與電源頻率相同的正弦波； us一定時(shí)，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。,電力電子技術(shù),50,2020/10/10,相量圖（圖7-29） a： 滯后 相角 ， 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 ， 和 反相，逆變狀態(tài)，說(shuō)明PWM整流電路可實(shí)現(xiàn)能量正反兩個(gè)方向的流動(dòng)，這一特點(diǎn)對(duì)

35、于需再生制動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)很重要； c： 滯后 相角 ， 超前 90，電路向交流電源送出無(wú)功功率，這時(shí)稱為靜止無(wú)功功率發(fā)生器（Static Var GeneratorSVG）。 d：通過(guò)對(duì) 幅值和相位的控制，可以使 比 超前或滯后任一角度。,電力電子技術(shù),51,2020/10/10,對(duì)單相全橋PWM整流電路工作原理的進(jìn)一步說(shuō)明整流狀態(tài)下： us 0時(shí)，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分別組成兩個(gè)升壓斬波電路，以（V2、VD4、VD1、Ls）為例； V2通時(shí)，us通過(guò)V2、VD4向Ls儲(chǔ)能； V2關(guān)斷時(shí)，Ls中的儲(chǔ)能通過(guò)VD1、VD4向C充電； us 0時(shí)，（

36、V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分別組成兩個(gè)升壓斬波電路； 由于是按升壓斬波電路工作，如控制不當(dāng)，直流側(cè)電容電壓可能比交流電壓峰值高出許多倍，對(duì)器件形成威脅； 另一方面，如直流側(cè)電壓過(guò)低，例如低于us的峰值，則uAB中就得不到圖7-29a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(huì)畸變； 可見(jiàn)，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(huì)使性能惡化，以至不能工作。,電力電子技術(shù),52,2020/10/10,2、三相PWM整流電路 圖7-30，三相橋式PWM整

37、流電路，最基本的PWM整流電路之一，應(yīng)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(kuò)展到三相； 進(jìn)行SPWM控制，在交流輸入端A、B和C可得SPWM電壓，按圖7-29a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(yùn)行狀態(tài)及圖c或d的狀態(tài)。,圖7-30 三相橋式PWM整流電路,電力電子技術(shù),53,2020/10/10,7.4.2 PWM整流電路的控制方法,有多種控制方法，根據(jù)有沒(méi)有引入電流反饋可分為兩種： 沒(méi)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

38、； 按圖7-29a（逆變時(shí)為圖7-29b）的相量關(guān)系來(lái)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7-31，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7-30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)。,電力電子技術(shù),54,2020/10/10,控制原理 和實(shí)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(hào)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(shí)，ud = ，PI調(diào)節(jié)器輸入為零，PI調(diào)節(jié)器的輸出id和負(fù)載電流大小對(duì)應(yīng)，也和交流輸入電流幅值相對(duì)應(yīng)； 負(fù)載電流增大時(shí)，C放電而使ud下降，PI的輸

39、入端出現(xiàn)正偏差，使其輸出id增大，進(jìn)而使交流輸入電流增大，也使ud回升。達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud和 相等，PI調(diào)節(jié)器輸入仍恢復(fù)到零，而id則穩(wěn)定為為新的較大的值，與較大的負(fù)載電流和較大的交流輸入電流對(duì)應(yīng)； 負(fù)載電流減小時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程和上述過(guò)程相反。,電力電子技術(shù),55,2020/10/10,從整流運(yùn)行向逆變運(yùn)行轉(zhuǎn)換 首先負(fù)載電流反向而向C充電，ud抬高，PI調(diào)節(jié)器出現(xiàn)負(fù)偏差，id減小后變?yōu)樨?fù)值，使交流輸入電流相位和電壓相位反相，實(shí)現(xiàn)逆變運(yùn)行； 穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud和 仍然相等，PI調(diào)節(jié)器輸入恢復(fù)到零，id為負(fù)值，并與逆變電流的大小對(duì)應(yīng)。,圖7-31 間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),電力電子技術(shù),56,2020/10/

40、10,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(hào)，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/2的余弦信號(hào)，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(hào)，用該信號(hào)對(duì)三角波載波進(jìn)行調(diào)制，得到PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)去控制整流橋，就可以得到需要的控制效果。 存在的問(wèn)題 在信號(hào)運(yùn)算過(guò)程中用到電路參數(shù)L

41、s和Rs，當(dāng)Ls和Rs的運(yùn)算值和實(shí)際值有誤差時(shí)，會(huì)影響到控制效果； 是基于系統(tǒng)的靜態(tài)模型設(shè)計(jì)的，其動(dòng)態(tài)特性較差； 間接電流控制的系統(tǒng)應(yīng)用較少。,電力電子技術(shù),57,2020/10/10,2、直接電流控制 通過(guò)運(yùn)算求出交流輸入電流指令值，再引入交流電流反饋，通過(guò)對(duì)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7-32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7-31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、

42、c三相相電壓同相位的正弦信號(hào)，得到三相交流電流的正弦指令信號(hào) ， 和 ； ， 和 分別和各自的電源電壓同相位，其幅值和反映負(fù)載電流大小的直流信號(hào)id成正比，這是整流器運(yùn)行時(shí)所需的交流電流指令信號(hào)； 指令信號(hào)和實(shí)際交流電流信號(hào)比較后，通過(guò)滯環(huán)對(duì)器件進(jìn)行控制，便可使實(shí)際交流輸入電流跟蹤指令值。,電力電子技術(shù),58,2020/10/10,優(yōu)點(diǎn) 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電流響應(yīng)速度快，系統(tǒng)魯棒性好； 獲得了較多的應(yīng)用。,圖7-32 直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,電力電子技術(shù),59,2020/10/10,本 章 小 結(jié),PWM控制技術(shù)的地位 PWM控制技術(shù)是在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并對(duì)電力電子技術(shù)產(chǎn)生了十分深

43、遠(yuǎn)影響的一項(xiàng)技術(shù)。 器件與PWM技術(shù)的關(guān)系 IGBT、電力MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM控制技術(shù)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)。 PWM控制技術(shù)用于直流斬波電路 直流斬波電路實(shí)際上就是直流PWM電路，是PWM控制技術(shù)應(yīng)用較早也成熟較早的一類電路，應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)就構(gòu)成廣泛應(yīng)用的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。 PWM控制技術(shù)用于交流交流變流電路 斬控式交流調(diào)壓電路和矩陣式變頻電路是PWM控制技術(shù)在這類電路中應(yīng)用的代表； 目前其應(yīng)用都還不多； 但矩陣式變頻電路因其容易實(shí)現(xiàn)集成化，可望有良好的發(fā)展前景。,電力電子技術(shù),60,2020/10/10,PWM控制技術(shù)用于逆變電路 PWM控制技術(shù)在逆變

44、電路中的應(yīng)用最具代表性； 正是由于在逆變電路中廣泛而成功的應(yīng)用，才奠定了PWM控制技術(shù)在電力電子技術(shù)中的突出地位； 除功率很大的逆變裝置外，不用PWM控制的逆變電路已十分少見(jiàn)； 第4章因尚未涉及到PWM控制技術(shù)，因此對(duì)逆變電路的介紹是不完整的。學(xué)完本章才能對(duì)逆變電路有較完整的認(rèn)識(shí)。 PWM控制技術(shù)用于整流電路 PWM控制技術(shù)用于整流電路即構(gòu)成PWM整流電路； 可看成逆變電路中的PWM技術(shù)向整流電路的延伸； PWM整流電路已獲得了一些應(yīng)用，并有良好的應(yīng)用前景； PWM整流電路作為對(duì)第2章的補(bǔ)充，可使我們對(duì)整流電路有更全面的認(rèn)識(shí)。 PWM控制技術(shù)與相位控制技術(shù) 以第3章相控整流電路和第4章交流調(diào)壓電路為代表的