第三章PWM技术

1、第,2,章,PWM,技术,第,2,章,交流调速的脉宽调制,PWM,技术,电压正弦,PWM,法,PWM,模式的优化,电流正弦,PWM,法,电压空间矢量,PWM,技术,PWM,控制性能指标,第,2,章,交流调速的脉宽调制,PWM,技术,脉宽调制,Pulse Width Modulation,PWM,技术是指利用全控型电力电子器件的导,通和关断把电压变成一定形状的电压脉冲，实现,变压、变频控制并且消除谐波的技术，简称,PWM,第,2,章,交流调速的脉宽调制,PWM,技术,利用微处理器实现的,PWM,技术数字化后,PWM,技术不断优化和翻新,电压波形正弦,电流波形正弦,磁通波形正弦,效率最优,转矩脉动

2、最小,消除谐波噪声,第,2,章,交流调速的脉宽调制,PWM,技术,PWM,意义,及时、准确地实现变压变频控制要求,抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量,降低或消除转矩脉动,这样给电机带来,什么好处呢,提高电机的效率,扩大调速范围,2.1,电压正弦,PWM,法,1,电压正弦波脉宽调制法,顾名思义，电压,SPWM,技术就是希望逆变器输出电压,是正弦波形，其含义是通过脉冲宽度（脉冲占空比）来调,节平均电压的方法,交直交电压型逆变器,2.1,电压正弦,PWM,法,1,电压正弦波脉宽调制的基本思想,把电压正弦半波分为,N,等分，然后把每一份的正,弦曲线与横线所包围的面积都用一个与此面积相等的,等高矩形脉

3、冲来代替,2.1,电压正弦,PWM,法,实用的方法是采用“调制”的方法,正弦参考波,三角载波,载波频率,fc,与,参考波频率,fm,之比，用,N,CM,表示，即,N,CM,f,C,f,M,调制度,m,定义为调制信号（参考电压）峰值与三角载,波信号峰值之比，即,U,Mm,m,U,Cm,2.1,电压正弦,PWM,法,2,电压正弦波脉宽调制法的工作原理,脉冲等幅，调宽，面,积与正弦波面积成正,比,改变参考信号的,幅值,改变参考信号的,频率,输出电压基波幅值,随之改变,输出电压的频率,随之改变,2.1,电压正弦,PWM,法,2,电压正弦波脉宽调制信号生成方法,1,单极性三角波调制,2,双极性三角波调制

4、,指三角载波和正弦参考信号,指参加三角载波和正弦参考信号,极性不变（如图,是具有正负极变化的信号（如图,2.1,电压正弦,PWM,法,单极性三角波调制法的脉宽计算,1,2,i,1,i,i,N,2,N,2,N,a,e,b,f,c,g,d,wt,u,iM,U,Mm,sin,i,abg,cdg,aeg,cfg,ab,fg,cd,eg,2.1,电压正弦,PWM,法,其中,ab,N,fg,U,rm,sin,i,eg,U,cm,cd,即,脉冲宽度可近似等于,U,rm,i,cd,sin,i,M,sin,i,N,U,cm,N,U,rm,M,为,调制系数（调制比,U,cm,输出电压基波幅值为,U,1,m,U,d

5、,M,N,2,i,1,sin,sin,i,2,N,i,1,N,2.1,电压正弦,PWM,法,U,1,m,U,d,M,N,2,i,1,sin,sin,i,2,N,i,1,N,由上式可知，输出电压基波幅值直接与调制系数,m,成,正比。且分析结果表明,p26,随着半周期脉冲,N,的增加,较低次谐波迅速减少,7,次以下谐波基本消除。当,N,大于等,于,9,时,13,次谐波小于基波的百分之一，但,17,次和,19,次谐波,仍可以达到,7.24,需要加以滤波。（一般三相异步电动机,无中线,3,的整数倍谐波可以不予考虑,2.1,电压正弦,PWM,法,3,SPWM,信号的调制方式,1,同步调制,正、负半波始终

6、保持对称,载波比为常数,三相输出波形间具有互差,120,度的对称关系,低频时，间距增大，谐波增加,2.1,电压正弦,PWM,法,2,异步调制,矩形脉冲数可随输出频率的降低而,增加相应,改善低频工作的特性,保持三角载,波频率不变,载波会随输出频率的降低而连续变化,时，使逆变器输出电压的波形及其相,位都发生变化,很难保持三相输出间,的对称关系,因而引起电动机工作的,不平稳,2.1,电压正弦,PWM,法,3,分段同步调制,逆变器整个变频范围划分成若干个频段，在每个频,段内都维持载波比,N,恒定，对不同频段取不同的,N,值，频,率低时取,N,值大些，一般按等比级数安排,调制波频率,载波比,N,fr,H

7、Z,32,62,16,31,8,15,4,7,5,18,36,72,144,载波频率,fc(HZ,576,1116,576,1116,576,1080,576,1080,2.1,电压正弦,PWM,法,4,正弦脉宽调制法的微机算法,要准确生成,SPWM,波形，就得尽量准确的计算功率期间,的,导通时刻和关断时刻,对于微型计算机来说，时间的,计算可由软件实现，时间的控制可通过定时器等来完,成，实现比较方便,2.1,电压正弦,PWM,法,对称规则采样,E,A,B,t,t,1,t,2,t,3,t,U,M,根据脉冲电压对三角载波,的对称性，可得,t,e,T,C,t,2,1,M,sin,1,t,e,2,1,

8、t,1,t,3,T,C,t,2,2,T,C,2.1,电压正弦,PWM,法,不对称规则采样,U,M,A,B,t,2,t,1,t,t,pu,T,C,t,off,t,off,t,T,C,t,off,1,M,sin,1,t,1,2,T,C,1,t,on,T,C,t,off,1,M,sin,1,t,1,2,2,T,t,off,C,1,M,sin,1,t,2,2,T,1,t,on,T,C,t,off,C,1,M,sin,1,t,2,2,2,T,t,pu,t,on,t,on,C,1,M,sin,1,t,1,sin,1,t,2,2,2.1,电压正弦,PWM,法,在数字控制中用计算机产生,SPWM,波形正是基于

9、上述的,采样原理和计算公式。具体计算方法可以分为以下两种,存正弦函数，与实时,M,值进行计算,实时计算法,T,C,t,2,1,M,sin,1,t,e,2,1,t,1,t,3,T,C,t,2,2,查表法,M,sin,1,t,e,再查表,存,T,C,t,2,1,M,sin,1,t,e,2,1,t,1,t,3,T,C,t,2,2,2.1,电压正弦,PWM,法,对于开环控制系统，在某一给定转速下其调制,度,M,与频率都有确定值，所以宜采用查表法。对于,闭环控制的调速系统，在系统运行中调制度,M,值须,随时被调节，用实施计算法更为适宜,2.1,电压正弦,PWM,法,按查表法或实时计算法所得的脉冲数都送入

10、定,时器，利用定时中断向接口电路送出相应的高,低电平，以实时产生,SPWM,波形的一系列脉冲,t,off,t,pu,t,off,SPWM,波可在,CPU,的支持下，由二个定时器及相应的,接口电路完成。一个定时器,T1,完成采样周期（一个三角波周,期）的定时，另一个定时器,T2,完成脉冲间隔及脉冲宽度的定,时。当,T1,定时时间到,CPU,响应该中断请求时，将向接口电,路送出低（零）电平，并把预先计算出的时间,t,off,作为定时时间,送入,T2,同时起动,T1,令,T1,定时,TC,当,T2,时间,t,off,到,CPU,响应,该中断请求时，将向接口电路送出高电平并把预先计算出的时,间,t,p

11、u,作为定时时间送入,T2,并启动定时器；当,T2,时间,t,pu,到,CPU,响应该中断请求时，将向接口电路送出低电平即可,CPU,等待,三角波的下一个周期，即,T1,定时时间到，以产生下一个脉冲,2.1,电压正弦,PWM,法,SPWM,变频器输出波形的谐波分析,SPMW,变压变频器虽然以输出波形接近正弦为目,的，但其输出电压中,仍然存在谐波分量,产生谐波的主,要原因是：主电路开关,器件为非理想开关,导致控制信,号与逆变器输出信号不完全相似。另外，在实现控制,时，为了防止逆变器同一桥臂上下两个器件的同时导通,而导致直流侧短路，设置了一个导通滞环节，不可避免,的造成逆变器输出的,SPWM,波形

12、有所失真,2.1,电压正弦,PWM,法,对于双极式,SPWM,变压变频来说，这是一组正负相间的,等幅不等宽的脉冲波，它不仅半个周期对称，而且,1/4,周期对纵轴对称。所以不存在偶次谐波与,3,的倍数次谐,波。但,SPWM,在其载波频率及其倍数的频带附近，即在,开关频率倍数附近的次数谐波较多。可表示为,n,pN,CM,M,2.2 PWM,模式的优化,1,准正弦波脉宽调制法,最大母线电压利用率为,0.866,为了提高利用率,采用以下措施，可使利用率提高,15.5,u,u,M1,u,M,u,M3,wt,叠加基波,1/6,幅值,的三次谐波分量,2.2 PWM,模式的优化,2,消除特定谐波法,在电压波形

13、特定的位置上设置缺口，通过每个周期中,逆变器的多次换向，恰当地控制逆变器的脉宽调制电压波,形，使逆变器输出的电压中不存在某些特定的谐波,一般来说，在半个周期的电压波形上，每设置一个缺,口，就可以消除一种谐波。在选择脉宽调制电压的波形,时，必须满足波形的正半周与负半周于零点对称，即每,2,对称，使,波形称为奇函数,波形中将不,半个周期对,包含余弦与偶次谐波，这样，波形中的谐波含量才最少,2,对称，故可求出他们的,n,次,由于是奇函数，且于,谐波幅值表达式,2.2 PWM,模式的优化,2,消除特定谐波法,U,d,2,双极性,SPWM,2,U,d,2,1,2,g,U,nm,2,t,N,为半个周期内的

14、脉冲数,2,0,U,d,sin,n,t,d,t,n,1,3,5,N,2,1,2,U,d,i,2,1,cos,n,i,1,n,i,1,2.2 PWM,模式的优化,把消除特定谐波求解开关角度的方程写成一般形式为,2,U,d,i,U,1m,2,1,cos,n,i,1,i,1,2,U,d,i,0,2,1,cos,n,i,1,n,i,1,由于基波幅值发生变化时，对应的一套开关角值也相,应发生变化。因此在实时控制时，采用模拟控制很难实现,可以采用数字式查表方法来实现，需要内存大,N,1,2,N,1,2,2.3,电流正弦,PWM,交流电机的控制性能主要取决于转矩或者电流的控制,质量（在磁通恒定的条件下），为

15、了满足电机控制的良,好动态响应，经常采用电流正弦,PWM,技术,电流正弦,PWM,技术,本质上是,电流闭环,实现方法很多，主要有,PI,控制、滞环控制及误差拍预测控制等集中，具有控制简,单，动态响应快和电压利用率高的特点,2.3,电流正弦,PWM,目前实现电流控制的常用方法是电流滞环,SPWM,即把正弦电流参考波形和电流的实际波形通过滞环比较,器进行比较。其结果决定逆变器桥臂上下开关器件的导,通和关断,这种方法的主要,优点,是,控制简单、响应快、瞬时电流,可以被限制,功率开关器件得到自动保护。其主要,缺点,是,相对的电流谐波较大,2.3,电流正弦,PWM,防止桥臂上下直通,U,d,U,0,2,

16、交直交电压型逆变器,电压空间矢量,PWM,技术,磁链轨迹法,电压空间矢量,PWM,技术,SPWM,磁链轨迹法,SPWM,技术是从电机的角度出发,目的在于使交流电机产生圆形磁场,通过选择逆变器的不同开关模式，使电机的实际,磁链尽可能逼近理想磁链圆，从而生成,PWM,波,具有电机转矩脉动小、噪声低、电压利用率高的,优点，因此目前无论在开环调速系统或在闭环调速,系统中都得到了广泛应用,三相电流合成磁,场,的分布情况,I,m,i,i,A,i,B,i,C,t,o,60,0,A,n,0,Y,60,Y,N,A,Z,A,Z,C,Y,N,Z,C,S,X,C,B,S,X,B,S,X,N,B,t,90,t,60,t

17、,0,合成磁场方向向下,合成磁场旋转,60,合成磁场旋转,90,磁链轨迹,PWM,的基本原理,设交流电机由理想三相对称正弦电压供电,cos,s,t,u,s,A,2,u,2,U,L,cos,t,s,B,s,3,3,u,s,C,4,cos,s,t,3,式中,U,L,为电源的线电压有效值,磁链轨迹,PWM,的基本原理,采用电压空间矢量的概念，则有,2,U,s,U,sA,U,sB,e,3,2,j,3,U,sC,e,4,j,3,与之相类似，定义磁链空间矢量为,2,s,sA,sB,e,3,2,j,3,sC,e,4,j,3,磁链轨迹,PWM,的基本原理,若忽略电机定子电阻的影响，则磁链可由空间电,压矢量对时

18、间的积分而得到，即,2,s,U,s,dt,U,sA,U,sB,e,U,sC,e,3,2,4,j,j,2,sA,sB,e,3,sC,e,3,3,2,j,3,4,j,3,dt,磁链轨迹,PWM,的基本原理,1,逆变器的输出电压模式,如图，是电压源型逆变器。对于,180,度导电型的,逆变器，他的三个桥臂的六个开关器件共可形成八个,开关模式。用,S,A,S,B,S,C,分别记三个桥臂的状态，规定,当,上桥臂器件导通时桥臂状态为,1,下桥臂器件导通,时桥臂状态为,0,这样，逆变器的八种开关模式对应八,个电压空间矢量，如表,磁链轨迹,PWM,的基本原理,异步电动机定子绕组,1,U,d,2,S,A,U,d,

19、2,3,5,A,B,S,C,C,0,S,B,4,6,2,逆变器的空间矢量,定子电压,开关状态,空间矢量,S,A,S,B,S,C,U,0,U,1,000,011,A,相,0,2,U,s,U,sA,U,sB,e,3,B,相,0,1,U,d,3,1,U,d,3,2,U,d,3,1,U,d,3,1,U,d,3,2,U,d,3,2,j,3,U,sC,e,4,j,3,C,相,0,1,U,d,3,2,U,d,3,1,U,d,3,1,U,d,3,2,U,d,3,1,U,d,3,矢量表达,式,0,2,j,U,d,e,3,4,j,2,3,U,d,e,3,5,j,2,3,U,d,e,3,2,U,d,e,j,0,3,

20、1,j,2,3,U,d,e,3,2,j,2,3,U,d,e,3,2,U,d,3,1,U,d,3,1,U,d,3,2,U,d,3,1,U,d,3,1,U,d,3,U,2,U,3,U,4,U,5,U,6,U,7,001,101,100,110,010,111,0,0,0,0,磁链轨迹,PWM,的基本原理,左图为逆变器的八个,电压空间矢量的空间分,布。在逆变器的八种开,关模式中，有六中开关,模式对应非零电压空间,2,U,d,矢量，矢量幅值为,3,称为非零电压空间矢量,有两种开关模式对应的,电压空间矢量幅值为,0,成为零矢量,U,4,U,5,U,3,U,0,U,7,U,6,U,1,U,2,磁链轨迹,P

21、WM,的基本原理,2,磁链形成的原理,设逆变器输出的三相电压为,U,A,U,B,U,C,则加到电机定子,上的相电压为,U,sA,U,A,U,n,U,sB,U,B,U,n,U,U,U,C,n,sC,其中,Un,为电机定子绕组星型接时中点,0,相对于逆变器,直流侧的电位,磁链轨迹,PWM,的基本原理,电机定子电压空间矢量为,2,U,s,U,sA,U,sB,U,sC,3,2,4,2,4,j,j,j,j,2,3,e,3,U,A,U,B,e,3,U,C,e,3,U,1,e,n,3,j,2,e,3,j,4,e,3,因此，逆变器输出电压空间矢量为,2,U,A,U,B,e,3,2,j,3,U,C,e,4,j,

22、3,磁链轨迹,PWM,的基本原理,A,U,4,B,U,5,U,3,U,0,U,7,C,依次给出电压空间矢量,U4,U3,U2,U1, U6, U5,则磁链矢端将沿,F,CB,BA,AF,FE,ED,DC,CB,边的轨,迹运动。这样，就形成了正六边,形,磁链空间矢量的运动速度,的改变可由在各边中添加,E,零矢量来实现。添加零矢,量的原则是选择使器件开,关次数最少的零矢量,U,6,U,1,D,U,2,磁链轨迹,PWM,的控制算法,现以,BC,边为例说明其控制算法,设逆变器输出频率为,f,s,则六边形磁链轨迹的每边,运动时间应为（如,BC,边,在,BC,边非零电压空间矢量,U1,的作用时间,t1,由

23、图的几何关系有,A,U,4,2,U,3,B,U,5,3,m,U,d,t,1,2,m,tan,30,F,t,1,3,U,d,U,0,U,7,1,t,0,t,t,1,t,U,2,6,f,s,E,C,U,6,U,1,D,磁链轨迹,PWM,的控制算法,小结,一般为了使磁链的运动平滑，零矢量并不在某一点加,入，而是采用零矢量分割技术将零矢量多点插入到磁链轨,迹中，其作用之和仍为,t,0,与其他,PWM,方式相比，正六边形磁链轨迹,PWM,控,制,技术的优点在于控制结构简单，便于微机实现，在同样输,出频率下，器件的开关次数最少。其缺点在于输出电压谐,波含量比较高。为了降低输出电压谐波含量，则一般采用,使电

24、机磁链轨迹形状更接近圆形的正多边形磁链轨迹,2.1 PWM,控制性能指标,以,PWM,控制方式运行所引起的主要问题有,电流畸变、变换,器的开关损耗、负载的谐波损耗以及电机的转矩脉动,这些,影响可以用以下性能指标来描述,电流谐波,载波比,最大调制度,转矩脉动,开关频率和开关损耗,2.5 PWM,控制性能指标,1,电流谐波,谐波电流主要影响电机的铜耗，它构成了电,机损耗的主要部分,谐波电流有效值为,2,2,1,dt,I,n,0,i,t,i,t,s,1,T,电流谐波畸变率,Total Harmonic Distortion,I,n,s,L,THD,I,s,1,U,s,1,U,n,1,U,s,1,n,2,n,s,L,2,U,n,n