电力电子技术课件 第5章.ppt

1,第5章PWM控制技术,2,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,本章小结,3,5.1概述,采样控制理论中一个重要结论,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。该原理被称为冲量（面积）等效原理。,冲量窄脉冲的面积效果基本相同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,大小、波形不相同的两个窄脉冲电压作用于L、R电路时，只要两个窄脉冲电压的面积（冲量）相等，则它们形成的电流响应就相同。,4,图a为方波窄脉冲、图b为三角波窄脉冲、图c为正弦半波窄脉冲，它们的面积都等于1，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同当窄脉冲变为图6-1d的单位冲击函数（t）时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数,形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,5,冲量相同的各种窄脉冲的响应波形,u(t)为电压窄脉冲，为电路的输入，电流i(t)为电路的输出，i(t)的上升阶段，脉冲形状不同，i(t)的形状也略有不同，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,6,如周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的用傅里叶级数分解后，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同上述原理为面积等效原理，是PWM控制技术的重要理论基础,冲量相同的各种窄脉冲的响应波形,7,1964年，德国A.Schonung率先提出了脉宽调制变频的思想。交直交变压变频器的原理框图，整流器UR整流后的整流电压经电容滤波后形成稳定幅值的直流电压，加在逆变器UI上，逆变器的功率开关器件采用全控式器件，按一定规律控制其导通或关断，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。通过改变脉冲的不同宽度可以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，从而同时实现变压和变频。,8,将正弦波分成N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，这些脉冲宽度相等，为/N，但幅值不等，各脉冲幅值按正弦规律变化,a,b,用PWM波代替正弦半波,9,a,b,用PWM波代替正弦半波,如将脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应的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相等，可得脉冲序列，即PWM波形,10,脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,SPWM波形,SPWM波形,等幅PWM（直流电源产生）不等幅PWM（交流电源产生）,11,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,本章小结,12,5.2逆变电路的SPWM控制方法,5.2.1计算法和调制法5.2.2SPWM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5.2.5SPWM控制的实现方法5.2.6PWM逆变电路的谐波分析5.2.7PWM逆变电路的多重化,13,5.2.1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,14,等腰三角波或锯齿波,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，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可得到宽度正比于信号波幅值的脉冲,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，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形,15,V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补uo正半周时，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,阻感负载,16,阻感负载,负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于UdV4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仍导通控制信号，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud,17,阻感负载,V4关断，V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0uo总可得到Ud和零两种电平uo负半周，让V2保持导通，V1保持断开，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平,18,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，在负半周为负极性的三角波在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断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，则V1和V4通，如iouc时，给V1导通信号，给V4关断信号，则uUN=Ud/2当urU1,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。n较大，sin/2n/2n，且sini/2i/2,36,5.2逆变电路的SPWM控制方法,5.2.1计算法和调制法5.2.2SPWM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5.2.5SPWM控制的实现方法5.2.6PWM逆变电路的谐波分析5.2.7PWM逆变电路的多重化,37,5.2.3脉宽调制的制约条件,根据脉宽调制的特点，逆变电路中的电力电子器件在其输出电压半周期内要开关n次，n越大，脉冲序列波的脉宽i越小，SPWM波形的基波更接近期望的正弦波。电力电子器件本身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,38,1.开关频率,电力电子器件本身固有的开关时间、开关损耗,载波比,载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/frN=2n理想情况,39,2.最小间歇时间与幅值调制比,保证：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,幅值调制比调制度,M=Urm/UcmM=01,在脉宽调制时，若n为偶数，调制信号的峰值Urm与三角载波相交的地方恰好是一个脉冲的间歇。为了保证最小间歇时间大于toff，必须使Urm低于三角波的峰值Ucm,40,5.2逆变电路的SPWM控制方法,5.2.1计算法和调制法5.2.2SPWM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5.2.5SPWM控制的实现方法5.2.6PWM逆变电路的谐波分析5.2.7PWM逆变电路的多重化,41,5.2.4异步调制和同步调制,载波比,载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr,载波和信号波是否同步及载波比的变化情况,异步调制,PWM调制方式分为,同步调制,42,1.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较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，PWM波形接近正弦波当信号频率增高时，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,43,44,2.同步调制,载波比N等于常数，在变频时使载波与信号波保持同步的调制方式，,在基本同步调制方式中，fr变化时N不变，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,45,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,46,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,47,为防止载波频率在切换点附近来回跳动，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,48,5.2逆变电路的SPWM控制方法,5.2.1计算法和调制法5.2.2SPWM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5.2.5SPWM控制的实现方法5.2.6PWM逆变电路的谐波分析5.2.7PWM逆变电路的多重化,49,5.2.5SPWM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,50,5.2.5SPWM控制的实现方法,模拟实现方法采用模拟电路实现,51,5.2.5SPWM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面积等效原理计算法自然采样法规则采样法SPWM专用集成电路芯片,调制法,52,5.2.5SPWM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，这种生成SPWM波形的方法,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,53,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,54,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这种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,55,设正弦调制信号波为式中，a称为调制度，0a0时，V12和VD1导通。iU0时，V41和VD4导通。,三相三电平逆变电路原理图,75,2)三电平逆变器的输出波形,图为三相三电平逆变器按PWM控制时相电压ua0的波形和相应的门极驱动电压波形。中性点电压的波动能确保每个IGBT器件承受的电压为0.5Ud，当二极管VD10或VD10导通时，主管的电压被钳位在0.5Ud。,相电压Uao的波形和相应的门极驱动电压波形,76,三电平逆变器空间矢量图,每个半桥逆变器都有下面三种开关状态。状态A：上管导通。状态B：下管导通。状态C：辅管导通。,开关矢量分为四类第一类幅值最大，为Ud，包括AAB、ABB、ABA、BBA、BAA、BAB，统称大开关矢量第二类幅值为Ud/，包括A0B、AB0、0BA、B0A、BA0、0AB，统称中开关矢量第三类幅值为Ud/，包括AA0、A00、A0A、00A、0AA、0A0和00B、0BB、0B0、BB0、B00、B0B，它们均匀分布在6个扇区的边界线上，统称小开关矢量第四类幅值为零的零开关矢量，包括000、AAA、BBB。,77,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,本章小结,78,介绍PWM控制的基本原理、实现方法、谐波特点等，并着重阐述PWM控制技术在逆变电路中的应用。,本章小结,79,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。PW