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文档简介
.,1,第7章PWM控制技术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,.,2,引言,PWM(PulseWidthModulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术,即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)。第5章的直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术,第6章中涉及到PWM控制技术的地方有两处,一处是第6.1节中的斩控式交流调压电路,另一处是第6.4节矩阵式变频电路。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛,对逆变电路的影响也最为深刻,现在大量应用的逆变电路中,绝大部分都是PWM型逆变电路。,.,3,7.1PWM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: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。冲量即指窄脉冲的面积。效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析,则其低频段非常接近,仅在高频段略有差异。实例将图7-1a、b、c、d所示的脉冲作为输入,加在图7-2a所示的R-L电路上,设其电流i(t)为电路的输出,图7-2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。,图7-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,图7-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形,.,4,7.1PWM控制的基本原理,用PWM波代替正弦半波将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为/N,但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量)相等,这就是PWM波形。对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称SPWM(SinusoidalPWM)波形。PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种,由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。基于等效面积原理,PWM波形还可以等效成其他所需要的波形,如等效所需要的非正弦交流波形等。,图7-3用PWM波代替正弦半波,.,5,7.2PWM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,.,6,7.2.1计算法和调制法,计算法根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数,将PWM波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算出来,按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断,就可以得到所需要的PWM波形,这种方法称之为计算法。计算法是很繁琐的,当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时,结果都要变化。调制法把希望输出的波形作为调制信号,把接受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。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波,其中等腰三角波应用最多。,.,7,7.2.1计算法和调制法,图7-4单相桥式PWM逆变电路,单相桥式PWM逆变电路(调制法)电路工作过程工作时V1和V2通断互补,V3和V4通断也互补,比如在uo正半周,V1导通,V2关断,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。在负载电流为正的区间,V1和V4导通时,uo=Ud。V4关断时,负载电流通过V1和VD3续流,uo=0。在负载电流为负的区间,仍为V1和V4导通时,因io为负,故io实际上从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总可以得到Ud和零两种电平。在uo的负半周,让V2保持通态,V1保持断态,V3和V4交替通断,负载电压uo可以得到-Ud和零两种电平。,阻感负载,.,8,7.2.1计算法和调制法,图7-4单相桥式PWM逆变电路,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在ur的正半周为正极性的三角波,在ur的负半周为负极性的三角波。在ur的正半周,V1保持通态,V2保持断态。当uruc时使V4导通,V3关断,uo=Ud。当uruc时使V3关断,V4导通,uo=0。,.,9,7.2.1计算法和调制法,图7-4单相桥式PWM逆变电路,图7-6双极性PWM控制方式波形,双极性PWM控制方式在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。在ur的半个周期内,三角波载波有正有负,所得的PWM波也是有正有负,在ur的一个周期内,输出的PWM波只有Ud两种电平。在ur的正负半周,对各开关器件的控制规律相同。当uruc时,V1和V4导通,V2和V3关断,这时如io0,则V1和V4通,如io0,则VD2和VD3通,不管哪种情况都是uo=-Ud。,.,10,7.2.1计算法和调制法,图7-7三相桥式PWM型逆变电路,图7-8三相桥式PWM逆变电路波形,三相桥式PWM逆变电路(调制法)采用双极性控制方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波uc,三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120。,.,11,7.2.1计算法和调制法,电路工作过程(U相为例)当urUuc时,上桥臂V1导通,下桥臂V4关断,则U相相对于直流电源假想中点N的输出电压uUN=Ud/2。当urUr,是很容易滤除的。当调制信号波不是正弦波,而是其它波形时,其谐波由两部分组成,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。,.,27,7.3PWM跟踪控制技术,7.3.1滞环比较方式7.3.2三角波比较方式,.,28,7.3.1滞环比较方式,图7-24滞环比较方式电流跟踪控制举例,图7-25滞环比较方式的指令电流和输出电流,跟踪控制方法:把希望输出的电流或电压波形作为指令信号,把实际电流或电压波形作为反馈信号,通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率开关器件的通断,使实际的输出跟踪指令信号变化滞环比较方式电流跟踪控制应用最多。PWM电流跟踪控制单相半桥式逆变电路把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为带有滞环特性的比较器的输入,通过其输出来控制功率器件V1和V2的通断。,电抗器,.,29,7.3.1滞环比较方式,控制规律当V1(或VD1)导通时,i增大。当V2(或VD2)导通时,i减小。通过环宽为2I的滞环比较器的控制,i就在i*+I和i*-I的范围内,呈锯齿状地跟踪指令电流i*。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。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。,图7-24滞环比较方式电流跟踪控制举例,图7-25滞环比较方式的指令电流和输出电流,.,30,7.3.1滞环比较方式,图7-26三相电流跟踪型PWM逆变电路,图7-25滞环比较方式的指令电流和输出电流,三相电流跟踪型PWM逆变电路由三个单相半桥电路组成,三相电流指令信号i*U、i*V和i*W依次相差120。在线电压的正半周和负半周内,都有极性相反的脉冲输出,这将使输出电压中的谐波分量增大,也使负载的谐波损耗增加。采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路有如下特点硬件电路简单。实时控制,电流响应快。不用载波,输出电压波形中不含特定频率的谐波。和计算法及调制法相比,相同开关频率时输出电流中高次谐波含量多。属于闭环控制,是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。,.,31,7.3.1滞环比较方式,图7-28电压跟踪控制电路举例,电压跟踪控制把指令电压u*和输出电压u进行比较,滤除偏差信号中的谐波,滤波器的输出送入滞环比较器,由比较器输出控制开关器件的通断,从而实现电压跟踪控制。输出电压PWM波形中含大量高次谐波,必须用适当的滤波器滤除。u*=0时,输出电压u为频率较高的矩形波,相当于一个自励振荡电路。u*为直流信号时,u产生直流偏移,变为正负脉冲宽度不等,正宽负窄或正窄负宽的矩形波。u*为交流信号时,只要其频率远低于上述自励振荡频率,从u中滤除由器件通断产生的高次谐波后,所得的波形就几乎和u*相同,从而实现电压跟踪控制。,.,32,7.3.2三角波比较方式,图7-29三角波比较方式电流跟踪型逆变电路,三角波比较方式把指令电流i*U、i*V和i*W和逆变电路实际输出的电流iU、iV、iW进行比较,求出偏差电流,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通常具有比例积分特性或比例特性,其系数直接影响着逆变电路的电流跟踪特性。特点开关频率固定,等于载波频率,高频滤波器设计方便。为改善输出电压波形,三角波载波常用三相三角波载波。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。,.,33,7.3.2三角波比较方式,定时比较方式不用滞环比较器,而是设置一个固定的时钟。以固定的采样周期对指令信号和被控制变量进行采样,并根据二者偏差的极性来控制变流电路开关器件的通断,使被控制量跟踪指令信号。以单相半桥逆变电路为例,在时钟信号到来的采样时刻如ii*,V1关断,V2导通,使i减小。每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令电流的误差减小。采用定时比较方式时,器件的最高开关频率为时钟频率的1/2。和滞环比较方式相比,电流控制误差没有一定的环宽,控制的精度低一些。,.,34,本章小结,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。PWM技术与器件的关系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。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。,.,35,本章小结,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。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
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