chapter6优秀公开课课件

Power

ElectronicsChapter6

PWMTechniquesThemostwidelyusedcontroltechniqueinpowerelectronicsPulseWidthModulation(PWM)(Choppingcontrol)DC/DCAC/ACDC/ACAC/DCOutline6.1Basicprinciples6.2SomemajorPWMtechniquesinDC/ACinverters

6.3PWMtechniqueswithfeedbackcontrol6.4PWMrectifiers6.1BasicprinciplesofPWMSimilarresponsetodifferentshapeofimpulseinputTheequal-areatheorem:

Responsestendtobeidenticalwheninputsignalshavesameareaandtimedurationsofinputimpulsesbecomeverysmall.6.1PWM控制的基本思想1）重要理论基础——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。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图6-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)BasicprinciplesofPWMApplicationoftheequal-areatheoremThisissinusoidalPWM(SPWM)Theequal-area

theoremcanbeappliedtorealizeanyshapeofwaveformsAlistofPWMtechniquesTriangular-wavesamplingNaturalsamplingUniformsamplingCalculationCalculationbasedonequal-areacriterionSelectiveharmonicseliminationSpaceVectorModulation(SVM,orSVPWM)6.2SomemajorPWMtechniquesNaturalsamplingUniformsamplingSelectiveharmonicseliminationSomepracticalissuesSynchronousmodulationandasynchronousmodulationHarmonicsinthePWMinverteroutputvoltagesWaystoimproveDCinputvoltageutilizationandreduceswitchingfrequencyConnectionofmultiplePWMinverters6.2PWM逆变电路及其控制方法

6.2.1计算法和调制法6.2.2异步调制和同步调制6.2.3规则采样法6.2.4PWM逆变电路的谐波分析6.2.5提高直流电压利用和减少开关次数6.2.6PWM逆变电路的多重化6.2.1计算法和调制法(2）调制原理ur正半周，V1保持通，V2保持断。当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud

。当ur<uc时使V4断，V3通，uo=0。这样就在负载端得到了SPWM波形u0。ur负半周，请同学们自己分析。上述PWM波只在单个极性范围内变化称单极性PWM控制方式。图6-5单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量设调制信号ur为正弦波；载波信号uc为三角波。利用ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。Triangular-wavenaturalsamplingBi-polarPWMinsingle-phaseVSIBi-polarsamplingisusedto

realizebi-polarPWM.6.2.1计算法和调制法3）双极性PWM控制方式（单相桥逆变）在ur的半个周期内，三角波载波不再是单极性，而是有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有±Ud两种电平。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当ur

>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud

。当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud

。图6-6双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud和单极性PWM控制方式对应，也是在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。6.2.1计算法和调制法4）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）图6-7三相桥式PWM型逆变电路三相的PWM控制公用三角波载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°6.2.1计算法和调制法ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud图6-8三相桥式PWM逆变电路波形

下面以U相为例分析控制规律：当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2。当urU<uc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN’=-Ud/2。当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平。uUV波形可由uUN’-uVN’得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=－Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。图6-7三相桥式PWM型逆变电路

6.2.1计算法和调制法ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud图6-7三相桥式PWM型逆变电路

图6-8三相桥式PWM逆变电路波形

输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。6.2.3规则采样法1）自然采样法：按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的交点时刻生成的PWM波的方法，其求解复杂，工程应用不多。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d图6-12规则采样法2）规则采样法工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。6.2.3规则采样法三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc

。自然采样法中，脉冲中点不和三角波(负峰点)重合。规则采样法使两者重合，使计算大为简化。如图所示确定A、B点，在tA和tB时刻控制开关器件的通断。脉冲宽度δ

和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。

规则采样法原理ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d图6-12规则采样法6.2.3规则采样法规则采样法计算公式推导正弦调制信号波三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度(6-7)a称为调制度，0≤a<1；wr为信号波角频率从图6-12得,(6-6)ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d图6-12规则采样法首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即(6-1)其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后1/4周期以π/2为轴线对称

(6-2)同时满足式（6-1）、（6-2）的波形称为四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为

(6-3)

式中，an为特定谐波消去法图6-9特定谐波消去法的输出PWM波形OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3特定谐波消去法图6-9，能独立控制a1、a

2和a

3共3个时刻。该波形的an为

式中n=1,3,5,…OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3先确定a1的值，再令两个不同的an=0(n=3,5,7…)，就可建三个方程，联立求得a1、a2和a3。图6-9特定谐波消去法的输出PWM波形Frequencyrelationshipbetweentriangular-wavecarrierandcontrolsignalAsynchronousModulationSynchronousModulation6.2.2异步调制和同步调制根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。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fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小。当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr1）异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式6.2.2异步调制和同步调制2）

同步调制——载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud图6-10同步调制三相PWM波形基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。6.2.2异步调制和同步调制3）分段同步调制——异步调制和同步调制的综合应用。把整个fr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；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。这样fc大约在1.4～2.0kHz之间。为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。图6-11分段同步调制方式举例

另外，可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。WaystoimproveutilizationofDCinputvoltageandreduceswitchingfrequencyUsetrapezoidalwaveformasmodulatingsignalinsteadofsinusoidalucurUurVurWuuUN'OwtOwtOwtOwtuVN'uUV6.2.5提高直流电压利用率和减少开关次数图6-15梯形波为调制信号的PWM控制1）梯形波调制方法的原理及波形梯形波的形状用三角化率s=Ut/Uto描述，Ut为以横轴为底时梯形波的高，Uto为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高。s=0时梯形波变为矩形波，s=1时梯形波变为三角波。梯形波含低次谐波，PWM波含同样的低次谐波。低次谐波（不包括由载波引起的谐波）产生的波形畸变率为d。梯形波调制的缺点：输出波形中含5次、7次等低次谐波6.2.5提高直流电压利用率和减少开关次数图6-16，d和U1m/Ud随s

变化的情况。图6-17，s变化时各次谐波分量幅值Unm和基波幅值U1m之比。U,d00.20.40.60.81.0d0.20.40.60.81.01.21mUdUdU1m图6-16s

变化时的d

和直流电压利用率

ss=0.4时，谐波含量也较少，约为3.6%，直流电压利用率为1.03，是正弦波调制时的1.19倍，综合效果较好。U0.20.40.60.81.0s5wr00.10.27wr11wr13wrU1mmn图6-17s变化时的各次谐波含量

WaystoimproveutilizationofDCinputvoltageandreduceswitchingfrequencyUse3korderharmonicsbiasinthemodulatingsignal2）线电压控制方式6.2.5提高直流电压利用率和减少开关次数uucr1uOwturur1uOwtur3图6-18叠加3次谐波的调制信号直接控制手段仍是对相电压进行控制，但控制目标却是线电压相对线电压控制方式，控制目标为相电压时称为相电压控制方式。鞍形波的基波分量幅值大。除叠加3次谐波外，还可叠加其他3倍频的信号，也可叠加直流分量，都不会影响线电压。叠加三次谐波在相电压调制信号中叠加3次谐波，使之成为鞍形波，输出相电压中也含3次谐波。合成线电压时，3次谐波相互抵消，线电压为正弦波。6.3PWMtechniqueswith

feedbackcontrolCurrenthystericcontrolVoltagehystericcontrolTriangular-wavecomparison(sampling)withfeedbackcontrol6.3PWM跟踪控制技术

6.3.1滞环比较方式6.3.2三角形比较方式

CurrenthystereticcontrolInSingle-phaseVSI6.3.1滞环比较方式1)采用滞环比较方式的PWM电路跟踪控制。tOiii*+DIi*-DIi*图6-23滞环比较方式的指令电流和输出电流图6-22滞环比较方式电流跟踪控制举例基本原理把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入。V1（或VD1）通时，i增大V2（或VD2）通时，i减小通过环宽为2DI的滞环比较器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*。参数的影响环宽过宽时，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。滞环环宽电抗器L的作用6.3.1滞环比较方式3)采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路有如下特点。（1）硬件电路简单。（2）实时控制，电流响应快。（3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。（4）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。（5）属于闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。Voltagehystereticcontrol6.3.1滞环比较方式4)采用滞环比较方式实现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。图6-26电压跟踪控制电路举例Triangular-wavecomparison(sampling)withfeedbackcontrol6.3.2三角形比较方式负载+-iUi*U+-iVi*V+-iWi*WUdC+-C+-C+-三相三角波发生电路AAA(1)基本原理不是把指令信号和三角波直接进行比较，而是通过闭环来进行控制。把指令电流i*U、i*V和i*W和实际输出电流iU、iV、iW进行比较，求出偏差，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，其系数直接影响电流跟踪特性。(2)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。图6-27三角波比较方式电流跟踪型逆变电路6.4PWMrectifiersOperationPrinciplesa)Rectificationmodeb)Inversionmodec)Reactivepowercompensationmoded)Currentleadingby6.4.1PWM整流电路的工作原理(1)单相全桥PWM整流电路的工作原理按正弦信号波和三角波相比较的方法对图6-28b中的V1~V4进行SPWM控制，就可以在桥的交流输入端AB产生一个SPWM波uAB。uAB中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波