PWM控制技术电力电子技术课件

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,第十四讲 PWM控制技术,14.0 引言,14.1 PWM控制的基本原理,14.2 PWM逆变电路及其控制方法,14.3 PWM跟踪控制技术,14.4 PWM整流电路及其控制方法,第十四讲 PWM控制技术14.0 引言,14.0 引 言,PWM（Pulse Width Modulation）控制,脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）,直流斩波电路采用,斩控式交流调压电路，矩阵式变频电路,本章内容,PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位,本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术,也介绍PWM整流电路,14.0 引 言PWM（Pulse Width M,14.1 PWM控制的基本原理,理论基础,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,指窄脉冲的面积,效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同,低频段非常接近，仅在高频段略有差异,图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,14.1 PWM控制的基本原理理论基础图6-1 形状不同,14.1 PWM控制的基本原理,一个实例,图6-2a的电路,电路输入：,u,(,t,),，窄脉冲，如图6-1a、b、c、d所示,电路输出：,i,(,t,),，图6-2b,面积等效原理,图6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形,14.1 PWM控制的基本原理一个实例图6-2 冲量相同,14.1 PWM控制的基本原理,用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,正弦半波,N,等分,，可看成,N,个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等,用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等,宽度按正弦规律变化,SPWM波形,脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,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,图6-3 用PWM波代替正弦半波,14.1 PWM控制的基本原理用一系列等幅不等宽的脉冲来代,14.1 PWM控制的基本原理,等幅PWM波和不等幅PWM波,由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波,如直流斩波电路及本章主要介绍的PWM逆变电路和PWM整流电路,输入电源是交流，得到不等幅PWM波,如斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路,基于面积等效原理进行控制，本质是相同的,14.1 PWM控制的基本原理等幅PWM波和不等幅PWM波,14.1 PWM控制的基本原理,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波形可等效的各种波形,直流斩波电路：等效直流波形,SPWM波：等效正弦波形,还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，也基于等效面积原理,14.1 PWM控制的基本原理PWM电流波,14.2 PWM逆变电路及其控制方法,目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术,逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合,本节内容构成了本章的主体,PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路,14.2 PWM逆变电路及其控制方法目前中小功率的逆变电,14.2 PWM逆变电路及其控制方法,14.2.1 计算法和调制法,14.2.2 异步调制和同步调制,14.2.3 规则采样法,14.2.4 PWM逆变电路的多重化,14.2 PWM逆变电路及其控制方法14.2.1 计算,14.2.1 计算法和调制法,计算法,根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形,繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化,调制法,输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波,通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波,等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称,14.2.1 计算法和调制法计算法,14.2.1 计算法和调制法,与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求,调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波,调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波,14.2.1 计算法和调制法与任一平缓变化的调制信号波相交,14.2.1 计算法和调制法,结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明:,工作时V,1,和V,2,通断互补，V,3,和V,4,通断也互补,控制规律,u,o,正半周,，,V,1,通，V,2,断，V,3,和V,4,交替通断,负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负,负载电流为正的区间，V,1,和V,4,导通时，,u,o,等于,U,d,V,4,关断时，负载电流通过V,1,和VD,3,续流，,u,o,=0,负载电流为负的区间，V,1,和V,4,仍导通，,i,o,为负，实际上,i,o,从VD,1,和VD,4,流过，仍有,u,o,=,U,d,14.2.1 计算法和调制法 结合IGBT单相桥式电压,14.2.1 计算法和调制法,V,4关,断V,3,开通后，,i,o,从V,3,和VD,1,续流，,u,o,=0,u,o,总可得到,U,d,和零两种电平,u,o,负半周,，让V,2,保持通，V,1,保持断，V,3,和V,4,交替通断，,u,o,可得,-,U,d,和零两种电平,图6-4 单相桥式PWM逆变电路,14.2.1 计算法和调制法V4关断V3开通后，io从V3,14.2.1 计算法和调制法,单极性PWM控制方式（单相桥逆变）,在,u,r,和,u,c,的交点时刻控制IGBT的通断,u,r,正半周,，,V,1,保持通，V,2,保持断,当,u,r,u,c,时使V,4,通，V,3,断，,u,o,=,U,d,当,u,r,u,c,时使V,4,断，V,3,通，,u,o,=0,u,r,负半周,，,V,1,保持断，V,2,保持通,当,u,r,u,c,时使V,3,断，V,4,通，,u,o,=0,虚线,u,of,表示,u,o,的基波分量,图6-5 单极性PWM控制方式波形,14.2.1 计算法和调制法单极性PWM控制方式（单相桥逆,14.2.1 计算法和调制法,双极性PWM控制方式（单相桥逆变,）,在,u,r,的,半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负,在,u,r,一周期内，输出PWM波只有,U,d,两种电平,仍在调制信号,u,r,和载波信号,u,c,的交点控制器件的通断,u,r,正负半周，对各开关器件的控制规律相同,当,u,r,u,c,时,，给V,1,和V,4,导通信号，给V,2,和V,3,关断信号,如,i,o,0,，V,1,和V,4,通，如,i,o,0,，VD,1,和VD,4,通，,u,o,=,U,d,14.2.1 计算法和调制法双极性PWM控制方式（单相桥逆,14.2.1 计算法和调制法,当,u,r,u,c,时,，给V,2,和V,3,导通信号，给V,1,和V,4,关断信号,如,i,o,0,，VD,2,和VD,3,通，,u,o,=-,U,d,单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制,图6-6 双极性PWM控制方式波形,14.2.1 计算法和调制法当ur,u,c,时，给V,1,导通信号，给V,4,关断信号，,u,UN,=,U,d,/2,当,u,rU,u,c,时，给V,4,导通信号，给V,1,关断信号，,u,UN,=-,U,d,/2,当给V,1,(V,4,)加导通信号时，可能是V,1,(V,4,)导通，也可能是VD,1,(VD,4,)导通,u,UN,、,u,VN,和,u,WN,的PWM波形只有,U,d,/2,两种电平,u,UV,波形可由,u,UN,-,u,VN,得出，当1和6通时，,u,UV,=,U,d,，当3和4通时，,u,UV,=,U,d,，当1和3或4和6通时，,u,UV,=0,输出线电压PWM波由,U,d,和0三种电平构成,负载相电压PWM波由,(2/3),U,d,、,(1/3),U,d,和0共5种电平组成,14.2.1 计算法和调制法U相的控制规律,14.2.1 计算法和调制法,防直通死区时间,同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间,死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定,死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波,图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形,14.2.1 计算法和调制法防直通死区时间图6-8 三相,14.2.2 异步调制和同步调制,载波比,载波频率,f,c,与调制信号频率,f,r,之比，,N,=,f,c,/,f,r,根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为,异步调制,和,同步调制,1.异步调制,异步调制,载波信号和调制信号不同步的调制方式,通常保持,f,c,固定不变，当,f,r,变化时，载波比,N,是变化的,在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称,当,f,r,较低时，,N,较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小,当,f,r,增高时，,N,减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大,14.2.2 异步调制和同步调制载波比载波频率fc与调,14.2.2 异步调制和同步调制,2.同步调制,同步调制,N,等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步,基本同步调制方式，,f,r,变化时,N,不变，信号波一周期内输出脉冲数固定,三相电路中公用一个三角波载波，且取,N,为3的整数倍，使三相输出对称,为使一相的PWM波正负半周镜对称，,N,应取奇数,f,r,很低时，,f,c,也很低，由调制带来的谐波不易滤除,f,r,很高时，,f,c,会过高，使开关器件难以承受,图6-10 同步调制三相PWM波形,14.2.2 异步调制和同步调制2.同步调制图6-10,14.2.2 异步调制和同步调制,分段同步调制(,图6-11,）,把,f,r,范围划分成若干个频段，每个频段内保持,N,恒定，不同频段,N,不同,在,f,r,高的频段采用较低的,N,，使载波频率不致过高,在,f,r,低的频段采用较高的,N,，使载波频率不致过低,为防止,f,c,在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法,同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现,可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近,14.2.2 异步调制和同步调制分段同步调制(图6-11）,14.2.3 规则采样法,按SPWM基本原理，,自然采样法,要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多,规则采样法特点,工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多,图6-12 规则采样法,14.2.3 规则采样法按SPWM基本原理，自然采样法图6,14.2.3 规则采样法,规则采样法原理,图6-12,，三角波两个正峰值之间为一个采样周期,T,c,自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合,规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化,在三角波的负峰时刻,t,D,对正弦信号波采样得D点，过D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻,t,A,和B点时刻,t,B,控制开关器件的通断,脉冲宽度,d,和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近,14.2.3 规则采样法规则采样法原理,14.2.3 规则采样法,规则采样法计算公式推导,正弦调制信号波,式中，,a,称为,调制度,，0,a,1；,w,r,为信号波角频率。从图6-12得,因此可得,三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度,(6-6),(6-7),14.2.3 规则采样法规则采样法计算公式推导(6-6)(