电力电子技术第五版课件_____第7章_PWM控制技术

第7章PWM控制技术7.1PWM控制的基本原理7.2PWM逆变器电路及其控制方法7.3PWM跟踪控制技术7.4PWM整流电路及其控制方法，2引言PWM(PulseWidthModulation )控制是调制脉冲宽度的技术，通过调制一系列脉冲宽度等第5章的直流斩波电路实际上采用了PWM技术，第6章有2处与PWM控制技术相关的地方，1处是6.1节的斩波式交流调压电路，另1处是6.4节的矩阵式逆变器电路。 PWM控制技术在逆变器电路中的应用最广泛，对逆变器电路的影响最深，目前应用最多的逆变器电路多为PWM型逆变器电路。 3，3，7.1 PWM控制的基本原理，面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础。 原理内容：脉冲量相等、形状不同的窄脉冲加在惯性环节上，其效果基本相同。 脉冲是指狭窄脉冲的面积。 效果基本相同，意味着链路的输出响应波形基本相同。 用傅立叶变换分析各输出波形时，其低频非常接近，高频稍有不同。 例如以图7-1a、b、c、d所示的脉冲为输入，将图7-2a所示的R-L电路加上该电流i(t )作为电路的输出，图7-2b示出不同的窄脉冲时的i(t )的响应波形。 另外，将图7-1形状不同、脉冲相同的各种窄脉冲、图7-2的脉冲相同的各种窄脉冲的响应波形、4、4、4,7.1PWM控制的基本原理、代替正弦半波而将PWM波正弦半波看作n个连续的脉冲宽度为/n，但振幅的最上方是曲线将上述脉冲序列以相同数量的等宽度变换为不等宽度的矩形脉冲，使矩形脉冲的中点与对应的正弦波部分的中点重合，使矩形脉冲与对应的正弦波部分的面积(脉冲量)相等的是PWM波形。 关于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。 等效于脉冲宽度根据正弦定律变化的正弦波的PWM波形也称为SPWM(SinusoidalPWM )波形。 PWM波形有等宽PWM波和不均匀PWM波两种，直流电源产生的PWM波通常为等宽PWM波。 PWM波形基于等效面积的原理，等效所需的非正弦交流波形等与其他所需的波形等效。 图7-3使用PWM波代替正弦半波，5， 7.2pwm逆变器电路及其控制方法、7.2.1计算法和调制法7.2.2异步调制和同步调制7.2.3规则采样法7.2.4PWM逆变器电路的谐波分析提高7.2.5直流电压利用率和开关次数减少7.2.6空间矢量SVPWM控制7.2.7PWM逆变器电路的复用6根据6 7.2.1计算法和调制法，计算法根据逆变器电路的正弦波输出频率、振幅和半周期内的脉冲数，正确计算PWM波形中的各脉冲的宽度和间隔，根据计算结果控制逆变器电路中的各开关元件的接通断开，由此得到所需的PWM波形的方法。 算法很复杂，输出的正弦波的频率、振幅、相位发生变化时结果会发生变化。 将要输出的波形设为调制信号，将接受调制的信号设为载波，通过信号波的调制获得所希望的PWM波形。 作为载波，通常采用等腰三角形波和锯齿波，其中等腰三角形波被利用最多。 7、7、7,7.2.1计算法和调制法，图7-4单相桥PWM逆变器电路、单相桥PWM逆变器电路(调制法)电路动作时V1和V2的导通截止互补，V3和V4的导通截止也互补，例如在uo正半周期V1导通、V2截止、V3和V4交替导通截止负载电流比电压延迟，在电压的正半周，某个区间为正，某个区间为负。 负载电流为正区间V1和V4导通时，uo=Ud。 V4截止时，负载电流以V1和VD3回流，uo=0。 当在负载电流为负的区间中V1与V4导通时，由于io为负，因此实际上从VD1与VD4流过io，使uo=Ud。V4关断、V3导通后，io从V3和VD1回流，uo=0。 uo总是能够得到Ud和零这两个等级。 在uo的负半周使V2导通、V1截止、V3和V4交替截止，负载电压uo得到-Ud和零这两个电平。 阻抗负载、8、8、8,7.2.1计算法和调制方法、图7-4单相桥PWM逆变器电路、图7-5单极性PWM控制方式波形、单极性PWM控制方式调制信号ur为正弦波、载波uc为ur的正半周为正极性的三角波、ur的负半周为负极性的三角波。 在ur的正半部分，V1开启，V2关闭。 uruc时打开V4，关闭V3，uo=Ud。 uruc时关闭V3，打开V4，uo=0。9、9、7、2.1计算法和调制法，图7-4单相桥PWM逆变器电路，图7-6双极PWM控制方式波形，双极PWM控制方式在调制信号ur和载波信号uc的交点控制各开关元件的接通断开。 在ur的半周期中，三角波载波为正负，得到的PWM波也为正负，在ur的一个周期中输出的PWM波只有Ud的2个电平。 在ur的正负半周期中，各开关设备的控制规则相同。 在uruc情况下，V1和V4导通，V2和V3截止的情况下，在io0的情况下，V1和V4导通，在io0的情况下，VD2和VD3导通，在任一情况下都成为uo=-Ud。 采用10、7.2.1计算法和调制法、图7-7三相桥PWM型逆变器电路、图7-8三相桥PWM逆变器电路波形、三相桥PWM逆变器电路(调制法)双极性控制方式。 U、v和w三相的PWM控制通常共享一个三角波载波uc，三相的调制信号urU、urV和urW依次不同120。11、7.2.1计算法和调制法、电路动作过程(u相的例子) urUuc时，上臂V1接通，下臂V4断开，u相相对于直流电源的虚拟中点n的输出电压uun=ud/2。 成为urUr后，可以轻松地去除。 在调制信号波不是正弦波而是其它波形的情况下，谐波包括两个部分，一部分是通过对信号波本身进行谐波分析而获得的谐波，另一部分是通过利用信号波对载波进行调制而获得的谐波。 27、7.2.5直流电压利用率的提高和开关次数的减少，直流电压利用率的提高和开关次数的减少在PWM型逆变电路中是重要的。 直流电压利用率是逆变器电路能够输出的交流电压基波的最大值U1m与直流电压Ud之比。 通过提高直流电压利用率，可以提高变频器的输出能力。 通过减少功率器件的开关次数，可以降低开关损失。 正弦波调制的三相PWM逆变器电路的直流电压利用率低。 调制度a为最大值1时，输出相电压的基带宽度为Ud/2，输出线电压的基带宽度的直流电压利用率仅为0.866。 考虑到功率器件的开/关在实际电路操作时花费时间，调制因子不可能为1，除非采取其它措施，实际获得的直流电压利用低于0.866。 28、7.2.5直流电压利用率的提高和开关次数的减少，图7-15梯形波采用调制信号的PWM控制，采用梯形波作为调制信号在梯形波的振幅值和三角波的振幅值相等的情况下，梯形波所包含的基波成分的振幅值超过三角波的振幅值，能够有效地提高直流电压利用率。 确定功率开关设备的开启-关断的方法与使用正弦波作为调制信号波的情况完全相同。 用三角化率=Ut/Uto记述梯形波的形状。 在此，Ut是以横轴为底时的梯形波的高度，Uto是以横轴为底边延长梯形两腰而相交的三角形的高度。 0时梯形波为矩形波，=1时梯形波为三角波。 另外，29、7.2.5直流电压利用率的提高和开关次数的减少，图7-16变化时的和直流电压利用率，图7-17变化时的各高次谐波含量，梯形波中包含低次谐波，因此调制后的PWM波中包含相同的低次谐波，但这些低次谐波(不包含载波引起的高次谐波) 当=0.4时，高次谐波的含量也很少，约为3.6%，直流电压利用率为1.03，综合效果好。用梯形波调制时，输出波形中包含5次、7次等低次谐波是梯形波调制的缺点，实际上可以考虑将正弦波和梯形波组合使用。30、7.2.5直流电压利用率的提高和开关次数的减少，在图7-18中叠加3次谐波的调制信号，线电压控制方式输出的线电压波形中不包含低次谐波，并且尽量提高直流电压利用率，尽量减少功率器件的开关次数如果在相电压正弦波调制信号上叠加适当大小的3次谐波而形成鞍形波，则PWM调制后的逆变器电路输出的相电压中也一定包含3次