第十一章直流脉宽调制(PWM)变换器-改

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,6-,*,3-,1,第一节 直流,斩波电路,引言,直流斩波电路（,DC Chopper,）,将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。,也称为,直流,-,直流,变换器（,DC/DC Converter,）。,一般指,直接,将直流电变为另一直流电，不包括直流,交流,直流。,电路种类,基本斩波电路：,降压斩波电路,、,升压斩波电路,、 。,第十一章,PWM,变换器,3-,2,第一节 直流斩波器的工作原理,电路结构,全控型器件,若为晶闸管，须有辅助关断电路。,续流二极管,负载,一、理想斩波器（降压斩波电路）,3-,3,工作原理,b),电流连续时的波形,降压斩波电路得原理图及波形,t,=0,时刻开关,S,闭合，电源,U,S,向负载供电，负载电压,u,o,=U,S,，负载电流,i,d,按指数曲线上升。,t,=,t,1,时开关,S,断开 ，二极管,VD,续流，负载电压,u,d,近似为零，负载电流呈指数曲线下降。,通常串接较大电感,L,使负载电流连续且脉动小。,一、理想斩波器（降压斩波电路）,t,t,O,O,T,U,S,t,on,t,off,i,d,i,1,i,2,I,dmin,I,dmax,t,1,u,d,3-,4,一、理想斩波器（降压斩波电路）,数量关系,电流连续,负载电压平均值：,t,on,斩波开关导通的时间,t,off,斩波开关关断的时间,工作率（或称,占空比）,T,斩波周期,T=,t,on,+,t,off,t,t,O,O,T,U,S,t,on,t,off,i,d,i,1,i,2,I,dmin,I,dmax,t,1,u,d,3-,5,一、理想斩波器（降压斩波电路）,斩波电路三种控制方式,T,不变，变,t,on,脉冲宽度调制,（,PWM,）。,t,on,不变，变,T,频率调制。,t,on,和,T,都可调，改变占空比,混合型。,此种方式应用最多,前面介绍过：,电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想,。,基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。,分,V,处于,通态,和处于,断态,3-,6,二、,升压,斩波电路,保持输出电压,储存电能,电路结构,1),升压斩波电路的基本原理,3-,7,二、,升压斩波电路,工作原理,假设,L,值很大。,开关,S,闭合,时，电源,U,S,向电感,L,充电，电流恒定,i,。,开关,S,断开,时，电源,U,S,和电感,L,同时向负载提供能量。,0,i,d,图,升压斩波电路及工组波形,b),波形,t,on,t,off,0,i,s,3-,8,二、,升压斩波电路,数量关系,设,开关,S,闭合,时间为,t,on,，此阶段,L,上积蓄的能量为,设,开关,S,断开,时间为,t,off,，则此期间电感,L,释放能量为,稳态时，一个周期,T,中,L,积蓄能量与释放能量相等：,化简得：,T/t,off,1,，输出电压高于电源电压，故为,升压,斩波电路,。,升压比；升压比的倒数记作,b,，即,。,b,和,a,的关系：,因此，,3-,9,二、,升压斩波电路,电压升高得原因：,电感,L,储能使,电压泵升,的作用,如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载,R,消耗，即 ： 。,与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作,直流变压器,。,5-,10,一、晶闸管的换流,换流,电流按要求的时刻和次序从一个晶闸管元件转移到另一个晶闸管元件的过程，也称为,换相或换向,。,开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。,关断：,全控型器件可通过门极关断。,半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。,一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。,研究换流方式主要是研究如何使器件关断。,第二节 晶闸管直流斩波器,5-,11,一、晶闸管的换流,1),电源换流,（,Line Commutation,）,电源提供换流电压的换流方式。,将负的电源电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。,2),负载换流,（,Load Commutation,）,3),强迫换流,（,Forced Commutation,）,5-,12,（二）负载换流,由负载提供换流电压的换流方式。,负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。,整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。,直流侧串电感，工作过程可认为,i,d,基本没有脉动。,负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以,u,d,接近正弦波,。,5-,13,(,三,),强迫换流,设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为,强迫换流,。,通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为,电容换流,。,I,R,C,充电,5-,14,(,三,),强迫换流,换流时,VT1,和,VT2,都导通。,I,R,使,VT1,承受反向电压而关断,只有,VT2,导通。,6-,15,第三节 不可逆输出,PWM,变换器,PWM,(Pulse Width Modulation),控制就是,脉宽调制技术,：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值,),。,直流斩波电路,采用的就,PWM,技术,引言,6-,16,引言,PWM,控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现,PWM,控制变得十分容易。,PWM,技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。,PWM,控制技术正是有赖于在,逆变电路,中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了,PWM,技术。,6-,17,1,PWM,控制的基本思想,1,）,重要理论基础,面积等效原理,冲量,相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其,效果基本相同,。,冲量,窄脉冲的面积,效果基本相同,环节的输出响应波形基本相同,图,6-1,形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,d),单位脉冲函数,f,(,t,),d,(,t,),t,O,a),矩形脉冲,b),三角形脉冲,c),正弦半波脉冲,t,O,t,O,t,O,f,(,t,),f,(,t,),f,(,t,),6-,18,1,PWM,控制的基本思想,b),图,6-2,冲量相等的各种窄脉冲的响应波形,具体的实例说明“,面积等效原理,”,a,）,u,(t),电压窄脉冲，是电路的输入 。,i,(t),输出电流，是电路的响应。,6-,19,O,u,t,SPWM,波,1,PWM,控制的基本思想,O,u,t,如何用一系列,等幅不等宽的脉冲,来代替一个正弦半波,O,u,t,6-,20,1,PWM,控制的基本思想,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,O,u,t,SPWM,波,O,u,t,如何用一系列,等幅不等宽的脉冲,来代替一个正弦半波,O,u,t,6-,21,1,PWM,控制的基本思想,O,w,t,U,d,-U,d,对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到,PWM,波形，因此正弦波一个完整周期的等效,PWM,波为：,O,w,t,U,d,-,U,d,根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的,PWM,波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。,6-,22,1,PWM,控制的基本思想,等,幅,PWM,波,输入电源是恒定直流,第,3,章的直流斩波电路,6.2,节的,PWM,逆变电路,6.4,节的,PWM,整流电路,不等幅,PWM,波,输入电源是交流或不是恒定的直流,4.1,节的斩控式交流调压电路,4.4,节的矩阵式变频电路,O,w,t,U,d,-,U,d,U,o,t,6-,23,1,PWM,控制的基本思想,2,）,PWM,电流波,电流型逆变电路进行,PWM,控制，得到的就是,PWM,电流波。,PWM,波可等效的各种波形,直流斩波电路 直流波形,SPWM,波 正弦波形,等效成其他所需波形，如,:,所需波形,等效的,PWM,波,一、无制动作用的不可逆输出,PWM,变换器,直流电源电压,滤波电容器,功率开关器件,续流二极管,这样的电路又称直流降压斩波器。,第三节 不可逆输出,PWM,变换器,1,工作原理,t,0,U,g,t,on,T,在一个开关周期内，,当,0,t,t,on,时，,U,g,为正，,VT,导通，电源电压通过,VT,加到电动机电枢两端，,i,d,上升,U,i,i,d,U,s,t,t,on,T,0,VD,U,s,+,U,g,C,VT,i,d,M,+,_,_,E,M,2,工作原理,0,U,g,t,on,T,在一个开关周期内，,当,t,on,t,T,时，,U,g,为负，,VT,关断，电枢失去电源，经,VD,续流,，,i,d,下降,。,i,d,U,i,i,d,U,s,t,t,on,T,0,工作波形,U,i,U,d,E,i,d,U,s,t,t,on,T,0,图,1-10b,电压和电流波形,0,U,g,t,on,T,U,s,+,U,g,C,VT,i,d,M,+,_,_,E,M,2,VD,1,电机两端得到的平均电压为,输出电压方程,改变,（,0,1,）即可调节电机的转速，若令,=,U,d,/,U,s,为,PWM,电压系数，则在不可逆,PWM,变换器,=,式中,=,t,on,/,T,为,PWM,波形的占空比，,电机两端得到的平均电压为,M,+,-,VD,2,VT,2,VT,1,VD,1,E,C,U,s,+,M,VT,2,U,g2,VT,1,U,g1,图,1-11a,有制动电流通路的不可逆,PWM,变换器,i,d,_,在简单的不可逆电路中,电流不能反向,，因而没有制动能力，只能作单象限运行。需要制动时，必须为反向电流提供通路，,如图,所示的双管交替开关电路。,有制动电流通路的不可逆,PWM-,直流电动机系统,工作原理与波形,一般电动状态,在一般电动状态中，,i,d,始终为正值。设,t,on,为,VT1,的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：,0,t,t,on,期间,t,on,t,T,期间,一般电动状态,M,+,-,VD,2,VT,2,VT,1,VD,1,E,1,C,U,s,+,M,VT,2,U,g2,VT,1,U,g1,0,U,g1,t,on,T,0,U,g2,t,on,T,在,0,t,t,on,期间，,U,g1,为正，,VT,1,导通，,U,g2,为负，,VT,2,关断。此时，电源电压,U,s,加到电枢两端，电流,i,d,沿图中的回路,1,流通。,i,d,_,一般电动状态,M,+,_,VD,2,VT,2,VT,1,VD,1,E,2,C,U,s,+,M,VT,2,U,g2,VT,1,U,g1,实际上是由,VT,1,和,VD,2,交替导通，虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没有被用上。,0,U,g1,t,on,T,0,U,g2,t,on,T,在,t,on,t,T,期间，,U,g1,和,U,g2,都改变极性，,VT,1,关断，但,VT,2,却不能立即导通，因为,i,d,沿回路,2,经二极管,VD,2,续流,，在,VD,2,两端产生的压降给,VT,2,施加反压,，使它失去导通的可能。,i,d,_,b,）一般电动状态的电压、电流波形,U,i,U,d,E,i,d,U,s,t,t,on,T,0,图,1-10b,电压和电流波形,输出波形：,一般电动状态的电压、电流波形与简单的不可逆电路波形（图,1-11b,）完全一样。,工作原理与波形,制动状态,在制动状态中，,i,d,为负值，,VT,2,就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时，先减小控制电压，使,U,g1,的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压,U,d,降低。但是，由于机电惯性，转速和反电动势,E,还来不及变化，因而造成,E,U,d,的局面，很快使电流,i,d,反向，,VD,2,截止，,VT,2,开始导通。,M,+,_,VD,2,VT,2,VT,1,VD,1,E,4,C,U,s,+,M,VT,2,U,g2,VT,1,U,g1,0,U,g1,t,on,T,0,U,g2,t,on,T,制动状态的一个周期分为,两个,工作阶段：,在,0,t,t,on,期间，,VT,2,关断，,i,d,沿回路,4,经,VD,1,续流，向电源回馈制动，与此同时，,VD,1,两端压降钳住,VT,1,使它不能导通。,_,i,d,M,+,_,VD,2,VT,2,VT,1,VD,1,E,3,C,U,s,+,M,VT,2,U,g2,VT,1,U,g1,0,U,g1,t,on,T,0,U,g2,t,on,T,在,t,on,t,T,期间，,U,g2,变正，于是,VT,2,导通，反向电流,i,d,沿回路,3,流通，产生能耗制动作用。,i,d,_,U,i,U,d,E,i,d,U,s,t,t,on,T,0,4,4,4,4,3,3,3,VT2,VT2,VT2,VD1,VD1,VD1,VD1,t,U,g,O,输出波形,c,）制动状态的电压,电流波形,M,+,_,VD,2,VT,2,VT,1,VD,1,E,3,C,M,VT,2,U,g2,VT,1,U,g1,i,d,_,4,在制动状态中，,VT2,和,VD1,轮流导通，而,VT1,始终是关断的，此时的电压和电流波形示于图,c,。,工作原理与波形,轻载电动状态,有一种,特殊情况,，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有到达周期,T,，电流已经衰减到零，此时,，,因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。,在,0,t,t,on,期间,:,第,1,阶段，,VD,1,续流，电流,i,d,沿回路,4,流通；,第,2,阶段，,VT,1,导通，电流,i,d,沿回路,1,流通；,M,+,_,VD,2,VD,1,E,C,M,VT,2,U,g2,VT,1,U,g1,3,i,d,_,4,2,1,0,U,g1,t,on,T,0,U,g2,t,on,T,在,t,on,t,T,期间,:,第,3,阶段，,VD,2,续流，电流,i,d,沿回路,2,流通；,第,4,阶段，,VT,2,导通，电流,i,d,沿回路,3,流通。,轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：,在,1,、,4,阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态；,在,2,、,3,阶段，电动机流过正方向电流，电机工作在电动状态。,因此，在,轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流，其输出波形见,图,1-11d,。,输出波形,d,）轻载电动状态的电流波形,4,1,2,3,T,t,on,0,U,i,U,d,E,i,d,U,s,t,t,on,T,0,4,1,2,3,O,有制动电流通路的不可逆,PWM-,直流电动机系统,电路之所以为不可逆是因为平均电压,U,d,始终大于零，,电流能够反向，而电压和转速不可反向。,小 结,表,1-3,二象限不可逆,PWM,变换器的不同工作状态,2.,桥式可逆,PWM,变换器,可逆,PWM,变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称,H,形）电路，如,图,1-12,所示。,这时，电动机,M,两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的,双极式控制的可逆,PWM,变换器,。,两个不可逆,PWM,电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压。,+,U,s,U,g4,M,+,-,VD,1,VD,2,VD,3,VD,4,U,g1,U,g2,VT,1,VT,2,VT,3,A,B,M,U,g3,VT,4,H,形主电路结构,图,1-12,桥式可逆,PWM,变换器,使,VT,4,保持通时，电路向电动机提供,正电压,，可使电动机工作于,第,1,、,2,象限,。,使,VT,2,保持通时，,VT,3,、,VD,3,和,VT,4,、,VD,4,等效为又一组不可逆斩波电路，向电动机提供,负电压,，可使电动机工作于,第,3,、,4,象限,。,双极式控制方式,1,+,_,M,+,U,s,U,g4,U,g3,VD,1,VD,2,VD,3,VD,4,U,g1,U,g2,VT,1,VT,2,VT,4,VT,3,A,B,M,VT,1,U,g1,VT,2,U,g2,VT,3,U,g3,VT,4,U,g4,（,1,）正向运行：,第,1,阶段，在,0,t,t,on,期间，,U,g1,、,U,g4,为正，,VT,1,、,VT,4,导通，,U,g2,、,U,g3,为负，,VT,2,、,VT,3,截止，电流,i,d,沿回路,1,流通，电动机,M,两端电压,U,AB,= +,U,s,；,0,U,g1,t,on,T,0,U,g2,t,on,T,0,U,g4,t,on,T,0,U,g3,t,on,T,i,d,i,d,双极式控制方式,+,_,M,+,U,s,U,g4,U,g3,VD,1,VD,2,VD,3,VD,4,U,g1,U,g2,VT,1,VT,2,VT,4,VT,3,A,B,M,VT,1,U,g1,VT,2,U,g2,VT,3,U,g3,VT,4,U,g4,0,U,g1,t,on,T,0,U,g2,t,on,T,0,U,g4,t,on,T,0,U,g3,t,on,T,2,（,1,）正向运行：,第,2,阶段，在,t,on,t,T,期间，,U,g1,、,U,g4,为负，,VT,1,、,VT,4,截止，,VD,2,、,VD,3,续流， 并钳位使,VT,2,、,VT,3,保持截止，电流,i,d,沿回路,2,流通，电动机,M,两端电压,U,AB,=,U,s,；,-i,d,双极式控制方式,+,_,M,+,U,s,U,g4,U,g3,VD,1,VD,2,VD,3,VD,4,U,g1,U,g2,VT,1,VT,2,VT,4,VT,3,A,B,M,VT,1,U,g1,VT,2,U,g2,VT,3,U,g3,VT,4,U,g4,0,U,g1,t,on,T,0,U,g2,t,on,T,0,U,g4,t,on,T,0,U,g3,t,on,T,（,2,）反向运行：,第,1,阶段，在,0,t,t,on,期间，,U,g2,、,U,g3,为负，,VT,2,、,VT,3,截止，,VD,1,、,VD,4,续流，并钳位使,VT,1,、,VT,4,截止，电流,i,d,沿回路,4,流通，电动机,M,两端电压,U,AB,= +,U,s,；,4,双极式控制方式,+,_,M,+,U,s,U,g4,U,g3,VD,1,VD,2,VD,3,VD,4,U,g1,U,g2,VT,1,VT,2,VT,4,VT,3,A,B,M,VT,1,U,g1,VT,2,U,g2,VT,3,U,g3,VT,4,U,g4,0,U,g1,t,on,T,0,U,g2,t,on,T,0,U,g4,t,on,T,0,U,g3,t,on,T,（,2,）反向运行：,第,2,阶段，在,t,on,t,T,期间，,U,g2,、,U,g3,为正，,VT,2,、,VT,3,导通，,U,g1,、,U,g4,为负，使,VT,1,、,VT,4,保持截止，电流,i,d,沿回路,3,流通，电动机,M,两端电压,U,AB,= ,U,s,；,3,-i,d,输出波形,输出平均电压,双极式控制可逆,PWM,变换器的输出平均电压为,（,1-19,）,如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中,= 2,1,（,1-20,）,注意：这里,的计算公式与,不可逆变换器中的公式就不一样了。,调速范围,调速时，,的可调范围为,01,，,1,0.5,时，,为正，电机正转；,当,0.5,时，,为负，电机反转；,当,= 0.5,时，,= 0,，电机停止。,= 2,1,注 意：,这个交变电流的,平均值为零,，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓,“,动力润滑,”,的作用。,U,d,=0,电机停止,.,但,U,0,，,而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而,电流也是交变,的,t,on,=T/2,性能评价,双极式控制的桥式可逆,PWM,变换器有下列优点：,（,1,）电流一定,连续,；,（,2,）可使电机在,四象限,运行；,（,3,）电机停止时有,微振电流,，能消除静摩擦死区；,（,4,）低速平稳性好，系统的调速范围可达,1,:,20000,左右；,（,5,）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。,6-,55,11.,变更斩波器工作率,的最常用一种方法是,( B ),A.,既改变斩波周期，又改变开关关断时间,B.,保持斩波周期不变，改变开关导通时间,C.,保持开关导通时间不变，改变斩波周期,D.,保持开关断开时间不变，改变斩波周期,2002,6-,56,29,（,4,分）如图所示斩波电路，直流电源电压,E=100V,，斩波频率,f=1kHz,。若要求输出电压,u,d,的平均值,=25V75V,可调，试计算斩波器,V,的工作率,的变化范围以及相应的斩波器,V,的导通时间,t,on,的变化范围。,2002,6-,57,15,直流脉宽调制变换器，变更工作率的方法是（,）,f,不变，,t,on,不变,B. f,不变，,t,on,变,C. f,变，,t,on,不变,D. f,变，,t,on,变,2003,6-,58,2003,36,题,36,图所示电路为一斩波器，采用脉宽调制方式，,V,T,为开关元件，,f=1.25KHz,，,U,S,=300V,，要求,U,d,=120240V,可调。,求：（,1,）斩波器工作率变化范围及相应的导通时间；,（,2,）绘出相应的,u,d,波形。,6-,59,23.,斩波器所产生的输出电压低于输入电压，称为,斩波器。,2004,6-,60,24.,对各类晶闸管变换器，常采用的换流方式有电源换流、强迫换流及,换流。,25.,直流斩波器的负载电压有两种调制方式，即脉冲宽度调制及,调制。,2005,6-,61,27.,将固定电压的直流电源变换成大小可调的直流电源的变换器称为,。,29.,晶闸管直流斩波器的换流方式有负载换流及,。,2006,6-,62,15.,将固定的直流电压变成可调的直流电压为,【 】,整流,B.,斩波,C.,变频,D.,逆变,24.,对各类晶闸管变换器，常采用的换流方式有电源换流、负载换流及,换流,2007,6-,63,15.,直流频率调制变换器，变更工作率的方法是,【 】,A. ,不变，,t,on,不变,B. ,不变，,t,on,变,C. ,变，,t,on,不变,D. ,变，,t,on,变,2008,6-,64,2008,33.,题,33,图所示电路为一斩波器，采用脉宽调制方式，,VT,为开关元件。已知,U,S,=120V,，导通时间,t,on,=0.32ms,，关断时间,t,off,=0.64ms,。,（,1,）试求斩波周期,T,、工作率,和负载电压,U,d,；,（,2,）定性画出,u,d,的波形。,题,33,图,（,1,）,T = t,on,+ t,off,= 0.32+ 0.64 = 0.96ms,（,1,分）, = t,on,/ T = 0.32 / 0.96 = 1 / 3 = 0.33,（,1,分）,U,o,= U,s,= 1 / 3,120 = 40 V,（,1,分）,（,2,）见答,33,图。（,2,分）,6-,65,2009,32.,题,32,图是一种基本斩波器的原理电路图，开关,S,在一个周期中闭合,60,s,，断开,20,s,。已知,U,S,=80V,。求,（,1,）工作率,；,（,2,）电路稳定工作时，输出直流电压平均值,U,d,。,