脉宽调制PWM技术在电力电子电路的应用

1、【摘要】脉冲调制（PWM技术最早起源于通信技术的调制、解调的思想，并将这种思想推广到测量、电 力电子领域。随着全控型器件的发展与微处理器的出现，PW腺术已经变成为了电力电子领域中的重要技术，特别是在斩波电路、逆变电路。本文主要研究了 PW雌术的理论基础（面积等效原理）及其控制原理； 分析了在PW虚制下降压斩波电路的工作情况，并用 matlab建模；分析了在1800方波控制与SPW螳制 两种方法下三相桥式逆变电路的工作状态，对比两种方法的优劣，并考虑了加入死区时间对 SPWM勺影响。结合异步电机变频调速的相关原理，对SPW麒术控制下的逆变电路进行变化，通过控制输出电压的变化来实现变频调速。选择具

2、体的电路，根据理论分析计算相关的参数。使用Matlab软件进行搭建仿真电路， 将仿真得到的数据、波形与理论分析相互分析对照，总结其特点。【关键词】PWM DCHDQ DC-AG MATLA昉真AbstractABSTRACT Pulse modulation (PWM) technology originated in the communication technology modulation, demodulation of the idea, and this idea extended to the field of measurement, power electronics. W

3、ith the development of full-controlled devices with the advent of microprocessors, PWM technology has become an important technology in the field of power electronics, especially in chopping circuits, inverting circuits. This paper mainly studies the theoretical basis of the PWM technology (area equ

4、ivalent principle) and its control principle. The work of the step-down chopper circuit under PWM control is analyzed and modeled by matlab. The analysis of the 180 squar e wave control and SPWM Control the working state of the three-phase bridge inverter circuit under the two methods, compare the a

5、dvantages and disadvantages of the two methods, and consider the influence of adding dead time to SPWM. Combined with the principle of asynchronous motor frequency control, SPWM technology under the control of the inverter circuit changes, by controlling the output voltage changes to achieve frequen

6、cy control. Select the specific circuit, according to the theoretical analysis of the relevant parameters. Using Matlab software to build simulation circuit, the simulation of the data, waveform and theoretical analysis of each other analysis, summed up its characteristics.【KEYWORDS PWM ;DC QC ;DC-A

7、C ; MATLAB simulation TOC o 1-5 h z 前言4 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 课题研究背景与意义 4 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document PWM技术的研究现状 4相电压控制PWM 4线电压控制PWM 5空间电压矢量控制PWM 5电流控制PWM 5矢量控制PWM 5直接转矩控制 PWM 5非线性控制PWM 5谐振软开关PWM 5 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 本课题的主要内容 6 HYPERLINK l bookma

8、rk10 o Current Document PWM技术的原理7 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 面积等效原理7 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 控制原理8 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document PWM技术在斩波电路中的应用 10 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 斩波电路概述 10 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 三相三重降压斩波电路 10三

9、相三重降压斩波电路的工作原理及波形 10控制方法13 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 仿真及波形分析13建立降压斩波电路仿真模型 13三相三重降压斩波电路的仿真15 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document SPWM技术在逆变电路中的应用 17 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 逆变电路概述 17 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 三相桥式逆变电路 17180 方波控制 17SPWM控制20 HYPER

10、LINK l bookmark74 o Current Document 仿真及波形分析23三相桥式方波逆变电路仿真 23SPWM控制下的三相桥式逆变电路的模型仿真 24波形分析 25 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document 异步电机的变频调速 28 HYPERLINK l bookmark85 o Current Document 异步电机的机械特性 28 HYPERLINK l bookmark93 o Current Document 变频调速的控制特性与机械特性 29变频调速的控制特性 29变频调速的机械特性 30 HYPERLINK l b

11、ookmark95 o Current Document 仿真及波形分析31 HYPERLINK l bookmark97 o Current Document 总结34III1 刖言课题研究背景与意义PWM技术是通过由高电平与低电平组成的窄脉冲（一般通过微处理器得到）来改变电力电子器件的开关状态，从而改变频率、改变幅值、减少谐波次数，得到希望的波形。PWM控制的思想起源于通信技术，并被推广到电力电子领域。PWM技术对电力电子器件的开关频率有着较高的要求，但是当时的电力电子器件最大只能实现几千赫兹，因此PWM6制一直未能发挥它的优势。一直到全控型器件的出现与微处理器的突飞猛进，PWMK术才算得

12、到了用武之地。现在，电气传动和能量变换控制系统是PW配制技术的主要应用场合。在电力电子领域，PWM技术主要是通过改变输出的频率与幅值来控制电机。随着科技不断地发展与适用不同的应用场合，有十多种不同的PWM制方法出现，主要有：相电压控制PWM线电压控制PWM非线性控制PW年错吴未找到引用源。由于PW瞰术在电力电子领域中的广泛使用，在一些相关国际会议中已经设立一个单元，专门用于探讨PW瞰术。对于PWM技术的研究重点也发生着变化，从希望输出电压或电流是正弦波，到减小电路不必要 的耗能。随着人类地不断前行，不同学科领域之间的距离也在不断地缩短，PWM技术也在不断地变化，不断地开拓它的领土，充满着活力。

13、PWM技术的研究现状现在，我们可以将 PWM6制技术分为以下几种。相电压控制PWM顾名思义相电压控制 PW娓使电路输出电压为正弦波，主要应用在DC-AC变换错!未找引用源，相电压控制 PWW根据应用场合的不同，可分为以下几种。等脉宽PWMfc的每个周期中高电平的宽度是一样的。可以通过改变周期宽度来进行来改变频率，改变高电平的宽 度来改变幅值，主要于斩波电路。用一般的PW瞰术控制电机输出中含有谐波，其输出的电磁转矩会发生脉动， 而电机的定子会因此振动， 伤害电机。而随机PWM军决了这个问题， 如果随机增大或减小波形的高低电平宽度或周期，使输出中含有的谐波被转移至较高的频 率，与基频分离开来。 S

14、PW岐术是把PW瞰术的基本原理作为理论基础，并将波形与正弦 波进行等效。线电压控制PWM线电压控制PWMt要是用于三相异步电动机时，其负载是三相无中线对称负载，需要 对线电压进行控制，等效为正弦波。线电压控制PWW要由比较法产生 PW眼形。调制波形为含有三次或者三倍自身频率的谐波的梯形波，载波使用三角波。空间电压矢量控制 PWM空间电压矢量控制 PWM勺原理是用逆变器的磁场来等效理想的圆形磁场错!未找到引用源。常用于控制基频以下的交流电机，并提高电路的电压利用率。电流控制PWM电流控制PWM勺原理是反馈，通过不断比较人为给定的输出的电压或电流波与电路实 际得到的电压波或电流波，根据这两个值的大

15、小来决定当时电路中器件的开关状态，令输 出值等于给定值。矢量控制PWM由于交流电机的控制较为复杂，难以实现。矢量控制PWM勺原理是把电流当作控制对象来控制，令其近似为直流电机错!未找到引用源。但是实际的控制效果经常不能达到理论的水平，而且还需要配备速度传感器，所以实用性不好。直接转矩控制 PWM直接转矩控制PWM勺原理与矢量控制不同，是通过转矩来控制，不需要解耦错误!未找到引源,直接计算出电机的转矩的大小，再产生 PW瞰形。其特点是电路简单，动静态响应好， 但是当电机低速运行时，得到的PW瞰的频率较低，开关损耗较大。非线性控制PWM非线性控制PWM勺原理是通过改变 PW瞰的高电平宽度，与设定电

16、压保持一定的比例。 其具有调制和控制的特性。将其用于三相整流器，可以实现低电流畸变和高功率因数，也 适用于各类软开关逆变器，其优点是反应快、鲁棒性强、开关频率恒定。谐振软开关PWM由于硬开关技术受限于电力电子器件的问题（如过电流、过电压等问题），不能实现高频化，而这与当前 PW啦术发展方向相冲突。谐振软开关PWM勺原理是使用谐振网络来实现软开关，此网络可以是电子电力器件完成软开关，且时间极短且损耗为较小，可以提高 频率而不会出现问题。但是谐振网络会产生谐振损耗，限制了技术的应用。本课题的主要内容本课题主要是研究了 PW瞰术的原理以及其在斩波电路、逆变电路以及异步电机变频调速中的应用。先是从理论

17、上分析电路如何工作的以及输出波形是怎么样的，再选择具体的参数，进彳T matlab仿真搭建电路，得到波形进行分析， 与理论分析进行对照，总结其特点OPWM技术的原理面积等效原理在采样控制理论中， 有一个理论（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，其效果基本相同图2-1 4个形状不同但是冲量相等的脉冲a）电路）响应的波形图2-2电路以及各个脉冲的响应波形如图2-1所示a、b、c三个脉冲的面积（蓝色线所围的区域）都是相等的，那么这 3个脉冲的冲量都是相等的。而单位脉冲函数如果加在含有惯性的环节上时，其输出响应为此环节的脉冲过度函数。将图2-1中的四个函数作为电压的波形，

18、加在具有惯性环节的图2-2-a中电路上时，将电流的变化绘制成图，得到结果为图2-2-b的波形。我们对电流响应进行分析可得，在 0到11时刻电流上升，4个脉冲的响应上升的速率与高度都不同；而在t1时刻以后，电流下降，此时 4个脉冲下降地趋势一样，基本重合在一段曲线上。若对4个响应曲线使用傅里叶函数进行分解，可以得到在低频率时公式是相近的，在高频率时 公式不同。a）正弦半波b）等宽分割AOtc）等效的PW瞰形图2-3 将正弦半波转化为PW瞰如图2-3所示先将正弦波平均分为7份，然后用7个等幅等周期但宽度不同的矩形波来代替，令图2-3-b与c对应区域的彩色区域面积相等（冲量相等），并使矩形波与正弦波

19、 相互等效的部分的中点相对应。控制原理pwM术是以面积等效原理为基础的，控制电力电子器件的开关状态，从而使主电路 输出脉冲幅值相等但是宽度不等的脉冲序列，用此序列来等效需要得到的波形如正弦波。 按照一定的规律来改变脉冲的宽度，可以改变输出波形，从而达到改变所等效波形幅值与频率的目的。而且这与中间环节的元件件参数无关，因此动态响应快速且不需要对主电路 进行调整，只需要一个功率控制级别就可以调节。产生 PWM波形的方法主要是调制法, 可以使用比较器来比较信号波与载波的幅值来确定此时PWM的电平高低。PWM技术在斩波电路中的应用斩波电路概述在生活中，我们常常会用到需要24V直流电源输入的电器，而又没

20、有24V直流电源，那么就需要电路简单、体积小巧的斩波电路了。斩波电路就是将一个固定值的直流电源变成为你所需要的电压的电路。斩波电路一般使用全控型器件(如IGBT)来进行控制。这些全 控型器件一般工作在开关状态，大部分斩波电路调整PWM波的占空比来控制开关管的通断，从而改变输出电压值。基本的斩波电路根据电压的升降分为降压(buck)、升压(boost )、升降压(buck-boost )错谩,未找到引用源，本文选择降压斩波电路以及三相三重降压斩波电路作 为研究对象。三相三重降压斩波电路如图3-1所示，三相三重降压斩波电路可以看作是3个一样的降压斩波电路组成的错吴!未找到引用源。多相多重电路中的多

21、相指的是在一周期内,流过电源的电流的脉动次数， 多重指的是在一周期内，流过负载的电流的脉动次数。3.2.1图3-1 3个降压斩波电路组成的电路三相三重降压斩波电路的工作原理及波形先分析降压斩波电路的正常工作时的电流通路及输出的计算。iG图3-2降压斩波电路图20EOTEOEO u , oOu oiG- oO fio*iGib）电流断续时的波形a）电流连续时的波形图3-3 降压电路电压、电流波形如图3-3-a所示，当iG 0时，可控器件导通，电流通路为E-V-L-R-电动机。此时电源E向直流电动机传送能量，此时电流io上升。当iG 0时，可控器件关断，电流通路为电动机-VD-L-R o此时直流电

22、动机的反电动势 Em使二极管VD导通，消耗能量，电流i o下降直到器件下一次导通再上升。如图3-3-b所示，如果一个周期内，可控器件V导通时间过短且电感L不是足够大，那么电流i0将会出现断续，将负载电压U。抬高为直流电动机 的反电动势Em , 一般这是不希望出现的。-11可以从图3-3-a看出当电路电流i连续时，电压Uo平均值为Ut ontono 十1 E - E E （ 3-1 ）t on toffT其中t ON是可控器件开通的时间,toff是可控器件关断的时间，T为周期,t on 口 是导通占空比。而负载电流i 0的平均值为IoUoEmREEm-R3-2）对于单个降压电路有了一定了解以后，

23、将3个并联起来的情况也是类似。不过, 重降压斩波电路为了防止在同一时刻有两个或三个器件同时导通，所以每个开关器件的占 空比”值为33.3%,并且开关器件 VI、V2、V3两两之间滞后1/3个周期。其输出如图与图3-3的输出相比，电压U0的脉动次数与平均值是原来的3倍。电流i0的脉动次数是原来的3倍，并且由于相位差的关系，一个电流的上升趋势被另外一个电流的下降趋势抵消了，波形因此变得平缓了许多。uuui 1iOtO3 +Ot o图3-4 3相3重电路的输出波形3.2.2 控制方法斩波电路结构简单，使用的 PW/术也简单。不像交流电一样需要实时地改变器件的 开关时间，只需要根据公式 3-1计算出占

24、空比”的大小，并根据不同的电路进行设定就可 以了。仿真及波形分析建立降压斩波电路仿真模型选才i E=100V, Uo=25V,U0为U0的0.2%,负载电阻 R为20，开关器件为IGBT,其工作频率为 10KHz根据输出、输入电压带入公式 3-1 ,可得出 =25/100=25%。由于需要防止电流出现断器件 V导通时i0会增大，设增量为 i L ,当器件V关断时i 0会减小，设增量为i L，且 i L = i L。再结续，因此需要计算出合适的电感值L。由前文可知当电流不断续是,合i l2i0, i0U0/R可得临界电感值Lc为当L0.00075H时电流连续，仿真时需留一定的裕量,7. 5 *可

25、选为10 4H0.0009H 。3-3)根据波纹电压Uo计算出电容值CU0(1) 2CI c HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 8L Uos5. 2 *10 5F3-4)得到根据上述参数，建立Matlab仿真模型。根据图3-2搭建将降压斩波电路的模型, 图3-5 ,设置仿真时间为 0.1s。仿真算法一般根据仿真电路的类型来决定，本文的仿真都是与电力电子相关的，一般都选择ode23tb ,下文不再赘述。-13IL 17|必 iPUM 0rcrxr心TS I-图3-5仿真模型图3-6仿真波形如图3-6得到仿真波形，依次为电感两端的电压吐、负载电流i

26、0、输出电压U0o与上文的理论分析一样， 开关器件V开通时，电流变大；关断时，电流线性下降且电流连续。如果L9里靠Pu的 64n* 交Pul*Gereratorse-erase ri图3-7三相三重降压斩波电路仿真模型-15图3-8 3相3重降压斩波电路3个支路的电压波形图3-9 3相3重降压斩波电路 3个支路电流与负载电流波形从图3-8、3-9中可以看出3相3重降压斩波电路的 U0是由3个占空比为25%匾值为io的脉动次数是原先的 3倍。100V两两之间相差1/3个周期的矩形波组成的。原先一个周期内一个斩波电路的电流的脉 动被其他的抵消了，令输出电流的脉动较小，变得平缓，且4 SPWM技术在

27、逆变电路中的应用逆变电路概述逆变电路主要是在当直流电源向需要交流电的负载时用到，它的功能是将直流电源转 化为交流电源。需要逆变电路的地方有很多，在电力电子领域，逆变电路是变频器、不间 断电源的重要组成部分 错吴,未找到引用源。近些年来，随着国家新能源产业的发展，光伏发电并 网、电动汽车方面有了很大的进步，其关键部分就是逆变。逆变电路可以根据直流侧是电压源还是电流源进行分类，也可以按换流方式分类，也 可以按输出的相数进行分类 错!未找到引用源。本文主要作为研究对象的是三相桥式逆变电路， 它是电压型的。电压型逆变电路的特点是：（1）使用电压源或大电容保持稳定的电压；（2）输出电压波形为矩形，当带阻

28、性负载时电流波形也是矩形，当带阻感性负载时电流波形为 正弦波；（3）带阻感性负载时需要使用二极管续流。三相桥式逆变电路本文主要分析了在180方波控制与SPW脏制两种方法下三相桥式逆变电路的工作状 态，对比两种方法的优劣。180 方波控制180。方波控制是用占空比为 50%勺方波来控制6个开关器件，开关器件V1至V6以60。电角度为间隔轮流导通。首先驱动器件1使其开通，经过60。使器件2导通，再经过60。使器件3开通，再经过60。使器件4开通同时关断器件 1。同一相的两个器件一个周 期内各开通180。，相位之间开始导电的角度相差1/3个周期，所以叫做180导电方式。在任意时刻，电路都有三个器件开

29、通，也叫做纵向换流。-17理_|VDliaJTTt,叫a)b)c)d)e)f)g)h)图4-1逆变电路的主电路图U WN INuV图4-2方波控制下逆变电路的理论波形对于U相输出，当器件1开通时，UUN = Ud/2 ,当器件4开通时，UUN = - Ud/2 ,其中N,是电源中点，可以得到负载线电压与相电压。UuvUUN,UVN,UvwUVN,UWN,UwuUWN,UUN,(4-1 )UUNUUN,UNN,UVNUVN,UNN,UWNUWN,UNN,(4-2)将公式3与4相加后，整理后可以求得负载中点N和电源中点N间电压UNN( UUN,3UVN,UWN)( UUNUVN3uwN)(4-3)

30、当负载为三相对称负载时,uUN+uVN+uWN=0可得UNN,鼻(UUN, 3UVN,UWN)(4-4)由上述公式可以绘制出三相桥式PW陋变电路的工作波形 (图4-2),可以看出Unn,的频率为Uun的3倍，其幅值为Ud / 6。线电压uUV的幅值为Ud,线电压Uun的幅值为ud/3与2ud/3。将3个半桥的电流相加可以得到id的波形，可以看出在一个周期内i d脉动6次，而直流电压由于使用了电压源或者电容没有变化。相电压2-E (sin t1sin5 t1 7一 sin7花5713(sint1 .一 sin5 t1. 7sin7花57tUuvUUN1t sin11 t11Uun与线电压Uuv展

31、开为三角函数的形式:1 sin11 t11)(4-5)-19SPWM 控制在第一章介绍过，spwMI制法是一种较早出现比较完善的普遍应用的pwM制法。与用占空比50%勺方波控制不同，SPW瞰术是把PW瞰术的基本原理作为理论基础。将波形 与正弦波进行等效。SPWMfe的实现主要有计算法和调制法。计算法就是根据器件的开关频率以及所需等效的波形的频率、幅值，将PW瞰的输出高电平的时间计算出来。而且当器件的开关频率以及所需等效的波形的频率、幅值进行调 整以后都要重新计算。计算法的计算量非常大。调制法可以分为单极性调制是指载波在信号波的正半周的极性为正，在负半周的极性 为负；双极性调制是指载波不管信号波

32、在哪个阶段都是有正有负的，不是单极性的。本文 对于的研究对象需采用白是双极性法产生PW瞰形。调制法的输入为调制信号波和载波。其中信号波就是希望等效的波形，载波一般是使用三角波，其作用是接受调制。信号波和 载波经过调制电路以后便是SPWMt可以应用在电路中了。 一般是根据信号波与载波的相交点和具体电路来，决定 PW眼形的宽度。当调制信号波的电压值大于载波信号时，此刻 相应的开关器件开通；当小于时，则加负电压关断它。因此确定这个点，就成了重点。使 用自然交点来确定是自然采样法，但是这个方法需要大量的计算，对于通过用微处理器来 实现的PWM制技术是不现实的。所以，又提出了工程上使用的规则采样法。如图

33、 4-3就 是规则采样法的具体使用方法，得到的结果与真实的宽度相差不是很大，但少了很多需要 算的地方。载波比N在电路中，载波的频率（fc）与调制信号的频率（fr ）之比N为载波比。根据 N在调 制过程中的变化可以分为同步与异步。异步调制就是随着时间变化，N是变化的。同步调制就是N是不变的。对于有些电路也可以根据两种方法的特点结合起来应用形成分段调制。对于SPW脏制下的三相桥式逆变电路，一般使用一个锯齿波作为载波，并且一般取载波比N=3*k （k为自然数）为了输出对称 错误,未找到引用源。调制度m在电路中，调制彳t号的最大值Ur与载波的最大值 Uc之比为调制度 也 并且有这样的结论，当m 710

34、1%0 Wi 10W -5DO 200026W30003&W&00。4 5005000图4-12 加入了死区时间以后线电压谐波分析图4-11、4-12是加入了死区时间的 SPW棉制下得逆变电路的输出波形及谐波分析。此时线电压的基波幅值为439.4V,小于未加入死区时间的，而且THD&上升为73.01 % ,而且对比图4-10可以看出多了很多低次谐波。死区时间的加入使相电流出现失真，如果再带电机负载会引起转矩的脉动，造成损伤。-275异步电机的变频调速5.1异步电机的机械特性由电机学的理论可知，当忽略一些损耗时，异步电机的一相电路可以等效为图5-1。图5-1 等效电路当Lm Ll1时，可以得到I

35、s I rUs_， 2Rs凡s2sLlr(5-1 )而电磁功率为 Pm = 3Ir2 Rr /s,同步角转速为m1 =1 / np （ np是极对数），可以推导出电磁转矩的公式,TePm23npUsRrs222m12/ f1 sRsRrs 1Lls(5-2)用公式5-2 ,对静差率s进行求导，并且令dTe / ds0,可得当静差率ssm时,电磁转矩TTm。当s较大时，转矩可以与 s近似成反比。由此可以得到异步电机的固有机械特性。s图5-2 异步电机的固有机械特性变频调速的控制特性与机械特性变频调速的控制特性在电机调速时，常常需要电机中每极的磁通量m不变，保持在一个合适的值 错!未找到引用源，如

36、果磁通太弱，则不能充分地利用电机的铁心，如果磁通太大，会使铁心饱和，导致过大的励磁电流。在异步电机中，由定子和转子的磁势共同决定磁通m的大小。Eg 4.44fiNskNs m （5-3）从公式中5-3看出只要控制好Eg和f 1 ,便可以使磁通m保持在一个恒值。在基频以下时， Q是比较难检测到并保持不变的，当 Us比较高的时候我们认为 Us-Eg,所以只要保持q/f产常值就可以控制 m。而当低频时，此时定子阻抗所分到的电压占了 Us的很大一部分，那么为了满足恒压频比的条件，需要抬高Us,来作为补偿。在基频以上时，为了保护异步电机，不能无限升高Us,只能到达额定值，而频率可以继续升高，因此磁通m会

37、随着频率的升高而降低。-29图5-3变频调速的控制特性变频调速的机械特性在基频以下时，保持Us/fi为常值，带相同负载，转速降落 n保持不变，变频调速时,机械特性平行下移。临界转矩Tem随频率下降而减小。力图5-4基频以下的机械特性在基频以上时，随频率 fl上升，机械特性变软，转速降落n变大。11图5-5基频以上的机械特性仿真及波形分析选择一个异步电动机，参数为 Pn=2200VV fn=50Hz , Vn=380V, nN=1423rpm,极对数 为2,励磁电感 Lm=0.3329H,定子电阻为 Rs=3.478 Q ,定子漏感 Lls=0.01254H ,转子电阻 Rr=2.546，转子漏感 Llr=0.01226H ，转动