第章脉宽调制技术PPT课件.ppt

1 变频技术课件 4 电气工程系 2 随堂小测验 3 什么是电压型和电流型逆变器 各有何特点 什么是PAM 3 随堂测验讲评 什么是电压型和电流型逆变器 各有何特点 电压型逆变器 这种变频器由整流器和逆变器两部分组成 在逆变器的直流侧并联有大电容 用来缓冲无功功率 由于大电容存在 使直流输出电压具有电压源的特性 内阻很小 这样使逆变器的交流输出电压被钳位为矩形波 与负载性质无关 电流型逆变器 这种变频器在直流电源上串联了大电感来进行滤波 由于大电感的限流作用 为逆变器提供的直流电流波形平直 脉动很小 具有电流源特性 能有效地抑制故障电流的上升率 实现较理想的保护功能 使逆变器输出的交流电流为矩形波 与负载性质无关 而输出的交流电压波形及相位随负载的变化而变化 对于变频调速系统而言 这个大电感同时又是缓冲负载无功能量的储能元件 4 随堂测验讲评 2 什么是PAM 答 PAM是一种利用改变电压源的电压或改变电流源的幅值来进行输出控制的一种方式 它在逆变器部分只控制频率 在交流器部分控制输出的电压或电流 5 第4章脉宽调制技术 脉宽调制 PWM 概述PWM控制的基本原理PWM型逆变电路的控制方式SPWM逆变器的控制技术电流跟踪型PWM逆变器控制技术 本章要点 6 脉宽调制技术简称PWM PulseWidthModulation PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制 使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲 用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形 也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲 使各脉冲的等值电压为正弦波状 所获得的输出平滑且低次高次谐波少 按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制 既可改变逆变电路输出电压的大小 也可以改变输出频率 7 这种PWM型变频电路的主要特点为 可以得到相当接近正弦波的输出电压 整流电路采用二极管 提高了变频电源对交流电网的功率因数 可获得接近1的功率因数 电路结构简单 使装置的体积变小 重量减轻 造价下降 可靠性提高 改善了系统的动态性能和电机运行性能 通过对输出脉冲宽度的控制 可改变输出电压 加快了变频过程的动态响应 提高了调节速度 使调节过程中电压与频率的配合好 基于上述原因 在自关断器件出现并成熟后 PWM控制技术就获得了很快的发展 已成为电力电子技术中一个重要的组成部分 8 4 1PWM调制方法与控制技术 4 1 1PWM控制的基本原理 即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上 其效果基本相同 冲量即指窄脉冲的面积 9 用一系列等幅而不等宽的脉冲代替正弦半波 在给出了正弦波频率 幅值和半个周期内的脉冲数后 PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来 按照计算结果控制电路中各开关器件的通断 就可以得到所需要的PWM波形 10 采用电力晶体管作为开关器件的电压型单相桥式逆变电路 11 12 13 14 异步调制 载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式 在异步调制方式中 调制信号频率fr变化时 通常保持载波频率fc固定不变 因而载波比N是变化的 在采用异步调制方式时 希望尽量提高载波频率 以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比 改善输出特性 4 1 2PWM型逆变电路的控制方式 15 2 同步调制 载波比N等于常数 并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同步调制 在基本同步调制方式中 调制信号频率变化时载波比N不变 调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的 脉冲相位也是固定的 16 17 18 4 2SPWM逆变器的控制技术 4 2 1SPWM逆变器及其控制模式 为了减小谐波影响 提高电机的运行性能 要求采用对称的三相正弦波电源为三相交流电动机供电 因此 PWM逆变器采用正弦波作为参考信号 这种正弦波脉宽调制型逆变器称为SPWM逆变器 实现SPWM的控制方式有三种 采用模拟电路 采用数字电路 采用模拟与数字电路相结合的控制方式 19 1 采用模拟电路 20 2 采用数字电路 1 自然取样法 此方法与采用模拟电路由硬件自然确定SPWM脉冲宽度的方法很相似 故称为自然取样法 然而微机是采用计算的办法 寻找三角载波u 与参考正弦波uR的交点 从而确定SPWM脉冲宽度的 采用数字电路的SPWM逆变器 可使用以软件为基础的控制模式 它的优点是 所用硬件较少 灵活性好 智能性强 它的缺点是 需要通过计算来确定SPWM的脉冲宽度 有一定的延时和响应时间 21 规则取样法就是用UR和U 近似交点A和B代替实际的交点A 和B 用以确定SPWM脉冲信号的 这种方法虽然有一定的误差 但却大大减小了计算工作量 由下图可很容易地求出规则取样法的计算公式 二 规则取样法 22 设三角波和正弦波的幅值分别为u m和usm 周期分别为T 和Ts 脉宽t2和间隙时间t1及t3可由下式计算 23 4 2 2具有消除谐波功能的SPWM控制模式的优化 1 两电平PWM逆变器消除谐波的一般方法 在不提高载波频率的前提下 消除所不希望的各谐波分量 24 25 2 三电平PWM逆变器消除谐波的方法 图4 14所示PWM逆变器 当S1 S2采用10 00 01开关模式时 则逆变器输出电压具有三种电平 其输出PWM波形如下图所示 图4 17三电平PWM逆变器的输出电压波形 26 4 2 3用于SPWM控制的专用芯片与微处理器 1 新型SPWM专用微处理器的主要性能 1 基本指令数 执行时间 内存容量及处理器的可读 写内存容量 2 中断功能及中断通道数 为了提高运算速度 几乎所有的新型微处理器的命令都采用 管线 PipeLine 方式 为了完成复杂的运算 这类微处理器皆具有乘 除法指令或带符号的乘 除法指令 此外 有的微处理器还备有便于进行矩阵运算的求积 和的指令 为了对变频器及电动机的运行参数 如电压 电流 温度等 进行适时检测与故障保护 需要微处理器具有很强的中断功能与足够的中断通道数 27 4 A D接口 5 通讯接口 芯片应备有输入模拟信号 可用于电动机的电压 电流信号 各种传感器的二次电信号以及外部的模拟量控制信号 的A D转换接口 A D转换器的字长一般为8位或10位 芯片应备有用于外围通信的同步 异步串行接口的硬件或软件单元 3 PWM波形生成硬件及调制范围 波形生成硬件单元可设定各种PWM调制方式 调制频率及死区时间 可实现的调制频率范围应能满足低噪音变频器和高输出频率的变频器的要求 28 2 几种新型单片微处理器简介 8xCl96MC系列 8xCl96MC是一个16位微处理器 其内部有一个三相互补SPWM波形发生器 可直接输出6路SPWM信号 驱动电流达20mA 29 4 3电流跟踪型PWM逆变器控制技术 4 3 1 电流跟踪型PWM逆变器的运行原理 电流跟踪型PWM又称电流控制型电压源PWM逆变器 CRPWM 它兼有电压型和电流型逆变器的优点 结构简单 工作可靠 响应快 谐波小 采用电流控制 可实现对电机定子相电流的在线自适应控制 特别适用于高性能的矢量控制系统 30 滞环电流跟踪型SPWM逆变器的单相结构 31 滞环电流跟踪型逆变器通过反馈电流if与给定电流ir相比较产生输出PWM电压信号的波形图 32 1 fT与滞环宽 成反比 滞环越宽 fT越低 2 逆变器电源电压E越大 负载电流上升 或下降 的速度越快 if到达滞环上限或下限的时间越短 因而fT随E值增大而增大 3 负载电感L值越大 电流的变化率越小 if到达滞环上限或下限的时间越长 因而fT越小 4 fT与参考电流ir的变化率有关 dir dt越大 fT越小 越接近ir的峰值 dir dt越小 而PWM脉宽越小 即fT越大 33 4 3 2 开关频率恒定的电流跟踪型PWM控制技术 1 随dir dt变化调整滞环宽度使fT不变 参考电流经微分电路B求得dir dt 然后根据电路参数由C计算相应的滞宽 max和 min 再由两选一电路D将 max或 min与ir if一起送入滞环比较器E 两选一电路的控制可由滞环比较器输出电平自动选取 通过适当的选取电路参数 可实现滞环比较器输出PWM脉冲的频率基本不变 34 2 在电流闭环中增设频率闭环使fT保持恒定 在常用的电流滞环中增加频率闭环使fT恒定的原理图 根据功率器件的类型 特性和逆变器的性能指标 可以确定最佳开关频率给定信号fT 由电流滞环输出测量的PWM脉冲信号频率经U f转换器变为电压信号fT 将fT fT送入非线性开关调节器 调节器实时给出电流滞环宽度 当fT fT时 给出滞环宽 min 使fT提高 反之 给出环宽 max 使fT下降 35 4 4PWM变频技术在调速控制系统中的应用 电流跟踪型PWM变频调速系统框图 36 1 模拟控制方式 PWM控制信号产生电路的主要功能是根据给定的指令和对调速特性的要求 通过对调速系统数学模型的分析 产生控制逆变器功率元件通断的PWM信号 由于所采用的数学模型与控制机理不同 采用的控制方式也不同 如矢量控制 直接转矩控制 变结构控制 模糊控制 神经元自适应控制等 4 4 1 PWM控制信号的产生 37 2 数字控制方式 电机的电压和电流信号经霍尔电压和电流传感器送至采样 保持器和快速12位A D转换器 由MC68332软件控制 对各电压 电流信号进行准同时采样 速度反馈信号与PG送入MC68332 控制指令由键盘控制器输入 通过求解调速系统数学模型 产生的PWM控制信号经脉冲放大器送至PWM逆变器 逆变器直流侧电压控制则由MC68332向斩波器输出的PWM控制信号实现 38 4 4 2 反馈信号的测取 1 电压和电流反馈信号的测取 电压和电流反馈信号的检测一般有三种方法 电阻法 采用电阻分压 可将电压信号衰减至所需要的电平 将被测电流通过已知电阻 测量其压降后可知被测电流 电阻法的优点是电路简单 交直流信号皆适用 缺点是 如反馈控制电路与主电路没有隔离 而两者的电压相差极大 几十倍至上百倍 万一主电路的高电压通过反馈电路进入控制电路 将危及到控制系统的安全 而电阻法要求分压器和分流器的电阻值稳定不变 这也是很难做到的 39 4 4 2 反馈信号的测取 1 电压和电流反馈信号的测取 互感器法 由于互感器内部铁心磁性材料的非线性影响 它对于正弦波电压和电流 具有足够的工程精度 对于非正弦波或含有谐波较多的电压和电流 测量将产生较大的误差 因此 用一般的互感器检测PWM逆变器这种含有丰富谐波分量的输出电压和电流 难以准确测量电压和电流的瞬时值 40 霍尔 Hall 传感器法 对于直流及非正弦的交流电压和电流信号的隔离传送 最好的方法是采用霍尔电压和电流传感器 霍尔传感器不仅可实现被测电路与反馈电路的有效隔离 还具有以下一些优点 可以测量