电力电子技术第7章-PWM控制技术

1,第7章PWM控制技术,引言7.1PWM控制的基本原理7.2PWM逆变电路及其控制方法7.3PWM跟踪控制技术7.4PWM整流电路及其控制方法本章小结,2,第7章PWM控制技术引言,PWM(PulseWidthModulation)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)。第5、6章已涉及到PWM控制，第5章直流斩波电路采用的就PWM技术；第6章的6.1斩控式调压电路和6.4矩阵式变频电路都涉及到了。,3,第7章PWM控制技术引言,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，因此，本章和第5章（逆变电路）相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。,4,7.1PWM控制的基本原理,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。,5,7.1PWM控制的基本思想,b),图7-2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）,e(t)电压窄脉冲，是电路的输入。i(t)输出电流，是电路的响应。,6,7.1PWM控制的基本原理,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,7,7.1PWM控制的基本原理,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。,SPWM波,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,8,7.1PWM控制的基本原理,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：,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。,9,7.1PWM控制的基本原理,2)PWM波形,10,7.2PWM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。,11,7.2PWM逆变电路及其控制方法,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逆变电路的谐波分析7.2.5提高直流电压利用和减少开关次数7.2.6PWM逆变电路的多重化,12,7.2.1计算法和调制法,1）计算法,根据给出的正弦波频率、幅值和半周期内的脉冲数，就可以准确计算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。这种方法称为计算法本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。与计算法相对应的是调制法，把希望输出的波形作为调制波，把接收调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常以等腰三角形或锯齿波作为载波,13,7.2.1计算法和调制法,工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4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，V1和V4导通时，uo等于Ud。,2）调制法,图74单相桥式PWM逆变电路,结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明,(1)电路工作原理,14,7.2.1计算法和调制法,图74单相桥式PWM逆变电路,V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0负载电流为负的区间，V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud。V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。uo总可得到Ud和零两种电平uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断uo可得-Ud和零两种电平。,15,7.2.1计算法和调制法,(2）调制原理,ur正半周，V1保持通，V2保持断。当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud。当uruc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如io0，V1和V4通，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud。,图7-6双极性PWM控制方式波形,和单极性PWM控制方式对应，也是在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,18,19,7.2.1计算法和调制法,对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。,20,7.2.1计算法和调制法,4）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）,图6-7三相桥式PWM型逆变电路,21,7.2.1计算法和调制法,图6-7三相桥式PWM型逆变电路,图6-8三相桥式PWM逆变电路波形,下面以U相为例分析控制规律：,当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN=Ud/2。当urU0时，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分别组成两个升压斩波电路，以（V2、VD4、VD1、Ls）为例。,us0时，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分别组成两个升压斩波电路。,电压型PWM整流电路是升压整流电路，输出直流电压可从交流电源电压峰值附近向高调节，不宜向低调节。,65,6.4.1PWM整流电路的工作原理,2三相PWM整流电路,66,6.4.2PWM整流电路的控制方法,有多种控制方法，根据有没有引入电流反馈可分为两种间接电流控制、直接电流控制。,67,6.4.2PWM整流电路的控制方法,从整流运行向逆变运行转换首先负载电流反向而向C充电，ud抬高，PI调节器出现负偏差，id减小后变为负值，使交流输入电流相位和电压相位反相，实现逆变运行。稳态时，ud和仍然相等，PI调节器输入恢复到零，id为负值，并与逆变电流的大小对应。,控制原理,结合图631进行说明。,68,6.4.2PWM整流电路的控制方法,控制系统中其余部分的工作原理图中上面的乘法器是id分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，再乘以电阻R，得到各相电流在Rs上的压降uRa、uRb和uRc。图中下面的乘法器是id分别乘以比a、b、c三相相电压相位超前/2的余弦信号，再乘以电感L的感抗，得到各相电流在电感Ls上的压降uLa、uLb和uLc。各相电源相电压ua、ub、uc分别减去前面求得的输入电流在电阻R和电感L上的压降，就可得到所需要的交流输入端各相的相电压uA、uB和uC的信号，用该信号对三角波载波进行调制，得到PWM开关信号去控制整流桥，就可以得到需要的控制效果。,存在的问题在信号运算过程中用到电路参数Ls和Rs，当Ls和Rs的运算值和实际值有误差时，会影响到控制效果。是基于系统的静态模型设计的，其动态特性较差。间接电流控制的系统应用较少。,69,6.4.2PWM整流电路的控制方法,2)直接电流控制,70,6.4.2PWM整流电路的控制方法,控制系统组成双闭环控制系统，外环是直流电压控制环，内环是交流电流控制环。外环的结构、工作原理和图6-31间接电流控制系统相同。外环PI调节器的输出为id，id分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，得到三相交流电流的正弦指令信号，和。，和分别和各自的电源电压同相位，其幅值和反映负载电流大小的直流信号id成正比。指令信号和实际交流电流信号比较后，通过滞环对器件进行控制，从而使实际交流输入电流跟踪指令值。,71,6.4.2PWM整流电路的控制方法,图6-32直接电流控制系统结构图,优点控制系统结构简单，电流响应速度快，系统鲁棒性好。,获得了较多的应用,72,第六章PWM控制技术小结,PWM控制技术的地位PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。器件与PWM技术的关系IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善，给PWM控制技术提供了强大的物质基础。PWM控制技术用于直流斩波电路直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统就构成广泛应用的直流脉宽调速系统。,73,第六章PWM控制技术小结,PWM控制技术用于交流交流变流电路斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是PWM控制技术在这类电路中应用的代表。目前其应用都还不多。但矩阵式变频电路因其容易实现集成化，可望有良好的发展前景。,74,第六章PWM控制技术小结,PWM控制技术用于逆变电路PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用，才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。除功率很大的逆变装置外，不用PWM控制的逆变电路已十分少见。第5章因尚未涉及到PWM控制技术，因此对逆变电路的介绍是不完整的。学完本章才能对逆变电路有较完整的认识。,75,第六章PWM控制技术小结,PWM控制技术用于整流电路PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路。可看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸。PWM整流电路已获得了一些应用，并有良好的