电力电子技术第5章.ppt

第5章 PWM控制技术,PWM（Pulse Width Modulation）控制对脉冲的宽度进行调制的技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。通过改变脉冲宽度控制逆变器输出交流基波电压的幅值；通过改变调制周期可以控制其输出频率。优点：功率因数高、有效地进行谐波抑制、动态响应快。缺点：高次谐波、du/dt、电磁干扰,5.1 概述,变频器发展1964年德国人A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中。70年代，主电路采用GTO和GTR、控制策略采用V/F控制。80年代之后，主电路采用IGBT，控制策略采用矢量控制和直接转矩控制。90年代，变频器在工业领域应用已非常普及。,第5章 PWM控制技术,5.1 概述5.2 逆变电路的SPWM控制方法5.3 逆变电路的其他PWM控制方法5.4 多电平逆变器的PWM控制,5.1 概述,冲量（面积）等效原理大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。图a-d四种激励分别加在具有惯性的阻感负载时，其输出响应基本相同。,图a、b、c、d分别为方波、三角波、正弦半波窄脉冲、单位冲击函数（t），面积都等于1。,冲量相同的各种窄脉冲的响应波形,5.1 概述,u(t)为电压窄脉冲，输出i(t)的上升阶段随脉冲形状不同略有不同，但其下降段则几乎完全相同；脉冲越窄，各i(t)波形的差异也越小；输出波形的傅里叶变换分析：低频段非常接近，仅在高频段略有差异。,5.1 概述,SPWM（正弦脉冲宽度调制）：将正弦波分成N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，可得SPWM脉冲序列。,第5章 PWM控制技术,5.1 概述5.2 逆变电路的SPWM控制方法5.3 逆变电路的其他PWM控制方法5.4 多电平逆变器的PWM控制,5.2 逆变电路的SPWM控制方法,5.2.1 计算法和调制法5.2.2 SPWM的基波电压5.2.3 脉宽调制的制约条件5.2.4 异步调制和同步调制5.2.5 SPWM控制的实现方法5.2.6 PWM逆变电路的谐波分析5.2.7 PWM逆变电路的多重化,5.2.1 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。调制法把希望输出的波形（正弦波）按比例缩小作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过载波的调制得到所期望的PWM波形。,5.2.1 计算法和调制法,调制波把希望输出的波形作为调制信号在SPWM中采用正弦波作为调制波。载波把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形载波：三角波或锯齿波原因：等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系，且左右对称。,5.2.1 计算法和调制法,调制法：单极性调制和双极性调制。单极性PWM控制方式调制信号ur为正弦波载波uc为三角波在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断,5.2.1 计算法和调制法,单极性PWM控制规律Ur正半周当uruc时，uo=Ud当 uruc时，uo=0当 uruc时，uo=-Ud单极性PWM控制方式特点输出电压三个电平ud、0、-ud需要两个三角载波,单相桥逆变桥阻感负载,5.2.1 计算法和调制法,单极性PWM控制方式V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补，纵向换流。uo正半周：V1保持导通，V2关断，V3和V4交替通断uo可得到Ud和0两种电平uo负半周：V2保持导通，V1断开，V3和V4交替通断；uo可得-Ud和0两种电平,5.2.1 计算法和调制法,双极性PWM控制方式在ur的一个周期内，输出的PWM波只有Ud两种电平ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同,单相桥逆变电路,5.2.1 计算法和调制法,双极性PWM控制方式当ur uc时，驱动V1、V4如io0，则V1和V4通如io0，VD2和VD3通 不管哪种情况uo=-Ud,三相桥逆变电路,5.2.1 计算法和调制法,双极性PWM控制方式三相的PWM控制公用三角波载波uc，三相的调制信号依次相差120。当urAuc时，V4关断，V1或VD1导通，则uAN=Ud/2当urAuc时，V1关断，V4或VD4导通，则uUN=-Ud/2,5.2.1 计算法和调制法,双极性PWM控制方式uAN、uBN和uCN的PWM波形只有Ud/2两种电平线电压波形uAB的波形可由uAN-uBN得出逆变器输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成,负载相电压uAN可由下式求得负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成,5.2.1 计算法和调制法,5.2.1 计算法和调制法,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，在上下两臂切换时留一小段上下臂都关断的死区时间。即先关断，后导通。死区时间的长短主要由功率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。,5.2 逆变电路的SPWM控制方法,5.2.1 计算法和调制法5.2.2 SPWM的基波电压5.2.3 脉宽调制的制约条件5.2.4 异步调制和同步调制5.2.5 SPWM控制的实现方法5.2.6 PWM逆变电路的谐波分析5.2.7 PWM逆变电路的多重化,5.2.2 SPWM的基波电压,SPWM脉冲电压：脉冲宽度按照正弦规律变化的脉冲电压序列。其基波电压幅值与各段脉宽有着直接关系，改变各个脉冲的宽度，就可以平滑地调节逆变器输出电压基波幅值。脉冲数n足够大时，SPWM逆变器输出脉冲序列的基波电压正是调制时所要求的等效正弦波。,5.2 逆变电路的SPWM控制方法,5.2.1 计算法和调制法5.2.2 SPWM的基波电压5.2.3 脉宽调制的制约条件5.2.4 异步调制和同步调制5.2.5 SPWM控制的实现方法5.2.6 PWM逆变电路的谐波分析5.2.7 PWM逆变电路的多重化,5.2.3 脉宽调制的制约条件,1.开关频率限制开关频率越高，SPWM波形的脉冲数越多，其基波越接近期望的正弦波。电力电子器件的开关能力是有限的，因此在应用脉宽调制技术时必然要受到一定条件的制约。载波比：载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr,5.2.3 脉宽调制的制约条件,2.最小间歇时间与幅值调制比最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间ton，而最小脉冲间歇大于器件的关断时间toff 幅值调制比M=Urm/UcmM=01,5.2 逆变电路的SPWM控制方法,5.2.1 计算法和调制法5.2.2 SPWM的基波电压5.2.3 脉宽调制的制约条件5.2.4 异步调制和同步调制5.2.5 SPWM控制的实现方法5.2.6 PWM逆变电路的谐波分析5.2.7 PWM逆变电路的多重化,5.2.4 异步调制和同步调制,载波和信号波是否同步即载波比的变化情况,异步调制,PWM调制方式分为,同步调制,5.2.4 异步调制和同步调制,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fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的缺点：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。当信号频率增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，使得输出PWM波和正弦波差异变大。,5.2.4 异步调制和同步调制,同步调制在变频（fr变化）时，载波比N不变，载波与信号波保持同步。信号波一周期内输出脉冲数是固定，脉冲相位也是固定的。三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出波形严格对称。为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。,5.2.4 异步调制和同步调制,同步调制缺点：当逆变电路输出频率很低时，fc也很低，fc过低时由调制带来的谐波不易滤除。当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高，使开关器件难以承受。,5.2.4 异步调制和同步调制,分段同步调制把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高，限制功率开关器件允许的范围。在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。,5.2.4 异步调制和同步调制,为防止载波频率在切换点附近跳动，采用滞后切换的方法。在不同的频率段内，载波频率的变化范围基本一致，fc大约在1.42.0kHz之间。,5.2 逆变电路的SPWM控制方法,5.2.1 计算法和调制法5.2.2 SPWM的基波电压5.2.3 脉宽调制的制约条件5.2.4 异步调制和同步调制5.2.5 SPWM控制的实现方法5.2.6 PWM逆变电路的谐波分析5.2.7 PWM逆变电路的多重化,5.2.5 SPWM控制的实现方法,模拟实现方法数字实现方法等效面积算法自然采样法规则采样法SPWM专用集成电路芯片,5.2.5 SPWM控制的实现方法,模拟实现方法：采用模拟电路实现,5.2.5 SPWM控制的实现方法,自然采样法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关的通断。规则采样法工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量比自然采样法小得多。,5.2.5 SPWM控制的实现方法,取三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc使脉冲中点 和三角波一周期的中点（即负峰值点）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。,5.2.5 SPWM控制的实现方法,在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制功率开关器件的通断。规则采样法得到的脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近,设正弦调制信号波为式中，M称为调制比，0M1；r为载波角频率，因此可得三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度为,5.2.5 SPWM控制的实现方法,三相桥逆变电路应形成三相SPWM波形，三相的三角波载 波共用，三相正弦调制波相位依次差120。设同一三角波周期内三相的脉宽分别为U、V和W，脉冲两边的间隙宽度分别为U、V和W，同一时刻三相调制波电压之和为零，得,5.2.5 SPWM控制的实现方法,5.2 逆变电路的SPWM控制方法,5.2.1 计算法和调制法5.2.2 SPWM的基波电压5.2.3 脉宽调制的制约条件5.2.4 异步调制和同步调制5.2.5 SPWM控制的实现方法5.2.6 PWM逆变电路的谐波分析5.2.7 PWM逆变电路的多重化,1）单相双极性谐波角频率为:n=1,3,5,时，k=0,2,4,；n=2,4,6,时，k=1,3,5,SPWM波中不含低次谐波，只含c及其附近的谐波以及2 c、c等及其附近的谐波。,角频率,1,0,0,2,+,-,1,2,3,4,+,-,0,2,+,-,4,+,-,0,1,+,-,3,+,-,5,+,-,谐波振幅,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,k,n,a,=,1.0,a,=,0.8,a,=,0.5,a,=,0,5.2 逆变电路的SPWM控制方法,2）三相双极性（公用载波信号时的情况）输出线电压中的谐波角频率为n=1,3,5,时，k=3(2m1)1，m=1,2,；,1,0,0,2,+,-,1,2,3,4,+,-,0,2,+,-,4,+,-,0,1,+,-,3,+,-,5,+,-,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,k,n,a,=,1.0,a,=,0.8,a,=,0.5,a,=,0,角频率,谐波振幅,n=2,4,6,时，,5.2 逆变电路的SPWM控制方法,5.2 逆变电路的SPWM控制方法,谐波分析小结三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率c整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是c2 r和2cr。SPWM波中谐波主要是角频率为 c、2 c及其附近的谐波，很容易滤除。当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波分布情况和SPWM波的谐波分析一致。,5.2 逆变电路的SPWM控制方法,5.2.1 计算法和调制法5.2.2 SPWM的基波电压5.2.3 脉宽调制的制约条件5.2.4 异步调制和同步调制5.2.5 SPWM控制的实现方法5.2.6 PWM逆变电路的谐波分析5.2.7 PWM逆变电路的多重化,5.2.7 PWM逆变电路的多重化,PWM多重化逆变电路,提高电压、功率等级提高等效开关频率减少谐波分量,5.2.7 PWM逆变电路的多重化,二重PWM逆变电路,第5章 PWM控制技术,5.1 概述5.2 逆变电路的SPWM控制方法5.3 逆变电路的其他PWM控制方法5.4 多电平逆变器的PWM控制,5.3 逆变电路的其他PWM控制方法,PWM跟踪控制通常为电流跟踪控制把希望输出的电流作为指令信号，把实际电流作为反馈信号，通过两者的瞬时值来比较决定器件的通断，使输出电流跟踪给定值。电流跟踪控制的主要方法滞环比较方式三角波比较方式,5.3 逆变电路的其他PWM控制方法,滞环比较方式基本原理把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入。V1导通时，i增大V2导通时，i减小滞环控制采用环宽为2DI的滞环比较器，i在i*+DI和i*-DI的范围内呈锯齿状地跟踪指令电流i*。,5.3 逆变电路的其他PWM控制方法,滞环比较方式参数的影响 滞环环宽：环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。电感L：L大时，i的变化率小，跟踪慢；L小时，i的变化率大，开关频率过高。,5.3 逆变电路的其他PWM控制方法,滞环比较方式滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路特点：硬件电路简单；实时控制，电流响应快；不用载波；开关频率不固定，谐波含量不固定；闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。,5.3 逆变电路的其他PWM控制方法,三角波比较方式基本原理把指令电流i*U、i*V和i*W和实际输出电流iU、iV、iW进行比较，求出偏差，通过放大器A放大后，再去和三角波进行比较，产生PWM波形。放大器A系数直接影响电流跟踪特性。,5.3 逆变电路的其他PWM控制方法,三角波比较方式特点：开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便。和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐波少。,第5章 PWM控制技术,5.1 概述5.2 逆变电路的SPWM控制方法5.3 逆变电路的其他PWM控制方法5.4 多电平逆变器的PWM控制,多电平：输出电压中含有多级电平，如五电平为2、1、0五种电平。电平数指的是相电压的电平数量，除了两电平（1），电平数一般为奇数。意义：减小高次谐波及du/dt、提高电压和功率等级缺点：电路和控制复杂，需要更多的电容和开关器件，如三电平电路需要2个电容和每相4个主开关器件。,5.4 多电平逆变电路,5.4 多电平逆变电路,中性点钳位型三电平逆变电路,采用12只IGBT器件及6只钳位二级管组成,相电压的波形和相应的门极驱动电压波形,5.4 多电平逆变电路,5.4 多电平逆变电路,每相半桥可以输出三种电平1、0、-1，线电压可以输出五种电平2、1、0由于二极管钳位作用，没有导通的器件承受最大电压是Ud/2三相三电平逆变器有33=27种开关状态，可用空间矢量图来表示。,三电平逆变器空间矢量图,5.4 多电平逆变电路,