第七章PWM控制技术电力电子技术

1、1 PWMPWM控制技术控制技术 前面介绍的两种逆变电路均采用前面介绍的两种逆变电路均采用g=的单脉冲控制，虽然控的单脉冲控制，虽然控制电路简单，但从傅立叶级数分析可看出，输出电压中谐波分量制电路简单，但从傅立叶级数分析可看出，输出电压中谐波分量很大，尤其很大，尤其3、5、7次谐波，这些谐波分量的存在将严重影响逆次谐波，这些谐波分量的存在将严重影响逆变器的效率和负载的可靠性，因此，消除谐波是逆变控制电路的变器的效率和负载的可靠性，因此，消除谐波是逆变控制电路的主要任务之一。目前消除谐波的主要办法采用主要任务之一。目前消除谐波的主要办法采用PWM控制。控制。第第7 7章章 7.1 PWM控制电压

2、型逆变电路 2矩形波PWM（或称等宽多脉冲PWM）正弦波PWM（SPWM）按谐波抑制原理的PWM（电力有源滤波器）自适应电流控制PWM 后三种逆变电路具有调压及显著改善输出电压质量的功能。根据形成根据形成PWM波原理的不同，波原理的不同，PWM可分为：可分为：3 结合结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明图7-4 单相桥式PWM逆变电路工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补u控制规律：控制规律：以uo正半周输出为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断负载电流为正时： V1和V4导通时，uo等于Ud V4关断时，负载电流通过V1和VD3续

3、流，uo=0负载电流为负时：负载电流为负时： VD1和和VD4续流通过续流通过,此时此时uo等于Ud V4关断后关断后,通过通过V3和和VD1续流续流,此时此时uo=0uo总可得到Ud和零两种电平采用矩形波调制的单相逆变电路采用矩形波调制的单相逆变电路7.1.14uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断u uo o同样可得-Ud和零两种电平56由图可见门极脉冲的状态分布：由图可见门极脉冲的状态分布： 输出电压正半波（0t）,ug1=const,ug4=0,ug2和ug3按载频fc交替出现，即(V1T3)和(T1V2)交替出现。 输出电压负半波（tUC：T1,T3导通,T2,T4

4、截止,UAB=Ud UrUC：T2,T4导通,T1,T3截止, UAB =Ud 可以证明:用SPWM控制后,只要三角波载波频率相对正弦波调制频率足够高,在一个三角波周期中输出电压的平均值正比于正弦波控制电压的平均值(即正比于ma)，所以,输出电压在一个三角波周期中输出电压的平均值按正弦波规律变化.13由图可看到：（1）、基波分量的幅度UAB1m=maUd,故UAB1m随ma线性变化。（0ma1）.即逆变器的输出电压随ma可调。（2）、逆变器输出电压中的谐波分量更集中在开关频率fc及其倍频数2fc，3fc等中心的周围，形成边带谐波频率： 14(3)、谐波电压的幅度随开关次数的增加而迅速减少(4)

5、、当mf为奇数时，输出波形奇函数对称，故仅有奇次谐波。 输出电压的傅立叶级数表达式可参考输出电压的傅立叶级数表达式可参考电力电力电子技术基础电子技术基础机械工业出版社机械工业出版社 林谓勋林谓勋15电压型逆变电路一览表项目名称单相半桥逆变电路单相全桥逆变电路中心抽头逆变电路三相全桥逆变电路单相SPWM逆变电路调频性能能能能能能调压性能不能能能能能输出电压基波幅值（相电压）0.637Ud1.274Ud1.274Ud0.637Ud1.274Ud开关管承受正向压降UdUd2UdUdUd谐波成份高高高中低开关管数量24264控制电路简单复杂最简单复杂最复杂电路成本低中低中高167.3 7.3 不间断电

6、源（不间断电源（UPSUPS）不间断电源又称UPS（Uninterrupted Power Supply), 目前主要应用于IT领域, 为IT设备提供不间断的供电电源。1、UPS分类 A、按输入电源分：直流UPS和交流UPS B、按输出波形分：方波UPS和正弦波UPS C、按电源相数分：单进单出 三进单出 三进三出 D、按电路组成原理分： 在线式和后备式 E、按电池供电时间分：标准机（15min),长延时（30min)172. UPS结构及主要技术指标 对于在线式UPS其结构，它主要由整流斩波电路，蓄电池，逆变器，转换开关、控制与保护电路等组成。整流滤波电路整流滤波电路 整流斩波电路主要完成交

7、直转换。由于目前主要采用全桥不控整流电路，故对于单相整流电路来说，其输出直流电压高达310V，故在市电正常供电时，需要对蓄电池充电的直流电压需要降压。因此实际的UPS中，在整流后，往往接有DC/DC变换器。另外，为了消除DC/DC变换器和高频逆变器对电网的影响，整流器输入端还装有LC滤波电路。整流电路斩波电路逆变电路蓄电池组控制和保护电路市电220VUPS输出电子开关18蓄电池蓄电池 UPS电源系统中的蓄电池一般采用密封式铅酸蓄电池，其使用寿命一般可在5年以上。目前所用蓄电池一般为12V电池。其常用容量一般为3.8Ah,65Ah,100Ah等。蓄电池组电压为12V的整数倍。逆变器逆变器 目前，

8、UPS中采用的逆变器往往是SPWM逆变器；它既能调频，又能稳压，同时由于采用了SPWM技术，其输出电压中谐波成分较小。另外从负载使用安全角度考虑，往往用高频变压器进行输出隔离，并在输出回路装有低通滤波器。逆变器的性能主要决定了UPS的性能。交流转换开关交流转换开关 该开关由电子控制，当UPS整流器及逆变器等内部器件正常工作时，电子开关合在逆变状态，从而使UPS输出稳压稳频，不随电网电压或频率波动。而当UPS内部发生故障或需检修保养时，可自动或手动合到市电直通状态。从而提高了电源系统的可靠性。19UPS主要技术指标：标称输出功率（标称输出功率（KVA）输入电压：输入电压：220V. 110V.

9、380V允许输入电压范围允许输入电压范围;170Vac260Vac输入频率：输入频率：45Hz55Hz输入功率因数：输入功率因数：PF效率：输出效率：输出/输入功率。输入功率。9395输出电压：输出电压：220V,380V,1%输出频率输出频率: 50/60Hz0.5Hz电压失真度（电压失真度（THD）：）：2% 线性负载线性负载 5% 非线性负载非线性负载过载能力：过载能力：12510分钟分钟 15030秒秒电池后备时间：标准机电池后备时间：标准机 715分钟分钟 长延时根据电池容量和节数确定后备时间长延时根据电池容量和节数确定后备时间20蓄电池主要技术指标蓄电池主要技术指标：额定电压：2V

10、,6V,12V之分电池容量Ah:有7Ah 18Ah 38Ah 65Ah 100Ah ，500Ah,2000Ah 等循环次数：300400次使用寿命：58年蓄电池内阻：几个m放电率： 0.1C 0.5C 1.0C之分 100Ah*0.1c=以10A放电共可放10小时 21PWMPWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析 使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量 谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一 分析以双极性SPWM波形为准 同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制方式 分析方法分析方法 以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWM波的傅里叶级数表达式 尽

11、管分析过程复杂，但结论简单而直观7.2.47.2.422l 单相的分析结果单相的分析结果图6-13，不同a时单相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图图7-13 单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图谐波角频率为:rcknPWM波中不含低次谐波，只含c及其附近的谐波以及 2c、3c等及其附近的谐波式中，n=1,3,5,时，k=0,2,4, ； n=2,4,6,时，k=1,3,5, (6-10)PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析7.2.47.2.41002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅角频率 (nc +kr )0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a

12、=0.8a=0.5a=023PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析l图6-14，不同a时三相桥式PWM 逆变电路输出电压频谱图图6-14 三相桥式PWM逆变电路输出线电压频谱图l三相的分析结果三相的分析结果公用载波信号时的情况输出线电压中的谐波角频率为rckn(6-11)式中，n=1,3,5,时，k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,时，。,2,116,1 ,016mmmmk7.2.41002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅图6-140.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率 (nc +kr )24 三相和单相

13、比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率别是载波角频率 c整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是 c2 r和和2 c r SPWM波中谐波主要是角频率为波中谐波主要是角频率为 c、2 c及其附近的谐波，很及其附近的谐波，很容易滤除容易滤除 当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：一部分是对当调制信号波不是正弦波时，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。后者的谐

14、波分布情况和对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波分布情况和SPWM波波的谐波分析一致的谐波分析一致PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析7.2.47.2.425 小结小结 PWM控制技术的地位控制技术的地位 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产生了十分深远影响的一项技术 器件与器件与PWM技术的关系技术的关系 IGBT、电力、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制控制技术提供了强大的物质基础技术提供了强大的物质基础 PWM控制技

15、术用于直流斩波电路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直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，是电路，是PWM控制技术应用较早也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流脉宽调速系统第第7 7章章26 PWM控制技术用于交流控制技术用于交流交流变流电路交流变流电路 斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是PWM控制控制 技术在这类电路中应用的代表技术在这类电路中应用的代表 目前其应用都还不多目前其应用都还不多 但矩阵式变频电路因其容易

16、实现集成化，可望有良好的但矩阵式变频电路因其容易实现集成化，可望有良好的 发展前景发展前景 小结小结第第7 7章章27 PWM控制技术用于逆变电路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，不用除功率很大的逆变装置外，不用PWM控制的逆变电路已控制的逆变电路已十分少见十分少见 第第5章未涉及到章未涉及到PWM控制技术，对逆变电路的介绍不完控制技术，

17、对逆变电路的介绍不完整。学完本章才能对逆变电路有较完整的认识整。学完本章才能对逆变电路有较完整的认识 小结小结第7章28 PWM控制技术用于整流电路控制技术用于整流电路 PWM控制技术用于整流电路即构成控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路整流电路 可看成逆变电路中的可看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸技术向整流电路的延伸 PWM整流电路已获得了一些应用，并有良好的应用前景整流电路已获得了一些应用，并有良好的应用前景 PWM整流电路作为对第整流电路作为对第2章的补充，可使我们对整流电路有章的补充，可使我们对整流电路有更全面的认识更全面的认识 小结小结第第7 7章章29 PWM控制技术与相位控制技术控制技术与