PWM控制技术课件1

PWM控制技術

14.3PWM跟蹤控制技術PWM波形生成的第三種方法——跟蹤控制方法把希望輸出的波形作為指令信號，把實際波形作為回饋信號，通過兩者的暫態值比較來決定逆變電路各開關器件的通斷，使實際的輸出跟蹤指令信號變化常用的有滯環比較方式和三角波比較方式14.3PWM跟蹤控制技術14.3.1滯環比較方式14.3.2三角波比較方式14.3.1滯環比較方式電流跟蹤控制應用最多基本原理把指令電流i*和實際輸出電流i的偏差i*-i作為滯環比較器的輸入通過比較器的輸出控制器件V1和V2的通斷V1（或VD1）通時，i增大V2（或VD2）通時，i減小通過環寬為2DI的滯環比較器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的範圍內，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*14.3.1滯環比較方式參數的影響滯環環寬對跟蹤性能的影響：環寬過寬時，開關頻率低，跟蹤誤差大；環寬過窄時，跟蹤誤差小，但開關頻率過高，開關損耗增大電抗器L的作用：L大時，i的變化率小，跟蹤慢

L小時，i的變化率大，開關頻率過高圖6-22滯環比較方式電流跟蹤控制舉例圖6-23滯環比較方式的指令電流和輸出電流14.3.1滯環比較方式三相的情況圖6-25三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形圖6-24三相電流跟蹤型PWM逆變電路14.3.1滯環比較方式採用滯環比較方式的電流跟蹤型PWM變流電路有如下特點

（1）硬體電路簡單（2）即時控制，電流回應快（3）不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波（4）和計算法及調製法相比，相同開關頻率時輸出電流中高次諧波含量多（5）閉環控制，是各種跟蹤型PWM變流電路的共同特點14.3.1滯環比較方式採用滯環比較方式實現電壓跟蹤控制把指令電壓u*和輸出電壓u進行比較，濾除偏差信號中的諧波，濾波器的輸出送入滯環比較器，由比較器輸出控制開關器件的通斷，從而實現電壓跟蹤控制圖6-26電壓跟蹤控制電路舉例14.3.1滯環比較方式和電流跟蹤控制電路相比，只是把指令和回饋信號從電流變為電壓輸出電壓PWM波形中含大量高次諧波，必須用適當的濾波器濾除u*=0時，輸出電壓u為頻率較高的矩形波，相當於一個自勵振盪電路u*為直流信號時，u產生直流偏移，變為正負脈衝寬度不等，正寬負窄或正窄負寬的矩形波u*為交流信號時，只要其頻率遠低於上述自勵振盪頻率，從u中濾除由器件通斷產生的高次諧波後，所得的波形就幾乎和u*

相同，從而實現電壓跟蹤控制14.3.2三角波比較方式基本原理不是把指令信號和三角波直接進行比較，而是通過閉環來進行控制把指令電流i*U、i*V和i*W和實際輸出電流iU、iV、iW進行比較，求出偏差，通過放大器A放大後，再去和三角波進行比較，產生PWM波形放大器A通常具有比例積分特性或比例特性，其係數直接影響電流跟蹤特性14.3.2三角波比較方式特點開關頻率固定，等於載波頻率，高頻濾波器設計方便為改善輸出電壓波形，三角波載波常用三相三角波載波和滯環比較控制方式相比，這種控制方式輸出電流所含的諧波少圖6-27

三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路14.3.2三角波比較方式定時比較方式不用滯環比較器，而是設置一個固定的時鐘以固定採樣週期對指令信號和被控制變數進行採樣，根據偏差的極性來控制開關器件通斷在時鐘信號到來的時刻，如i<i*，V1通，V2斷，使i增大如i>i*，V1斷，V2通，使i減小每個採樣時刻的控制作用都使實際電流與指令電流的誤差減小採用定時比較方式時，器件的最高開關頻率為時鐘頻率的1/2和滯環比較方式相比，電流控制誤差沒有一定的環寬，控制的精度低一些14.4PWM整流電路及其控制方法實用的整流電路幾乎都是晶閘管整流或二極體整流晶閘管相控整流電路：輸入電流滯後於電壓，且其中諧波分量大，因此功率因數很低二極體整流電路：雖位移因數接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數也很低把逆變電路中的SPWM控制技術用於整流電路，就形成了PWM整流電路控制PWM整流電路，使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數近似為1，也稱單位功率因數變流器，或高功率因數整流器14.4PWM整流電路及其控制方法14.4.1PWM整流電路的工作原理14.4.2PWM整流電路的控制方法14.4.1PWM整流電路的工作原理PWM整流電路也可分為電壓型和電流型兩大類，目前電壓型的較多1．單相PWM整流電路圖6-28a和b分別為單相半橋和全橋PWM整流電路半橋電路直流側電容必須由兩個電容串聯，其中點和交流電源連接全橋電路直流側電容只要一個就可以交流側電感Ls包括外接電抗器的電感和交流電源內部電感，是電路正常工作所必須的圖6-28單相PWM整流電路a)單相半橋電路b)單相全橋電路14.4.1PWM整流電路的工作原理單相全橋PWM整流電路的工作原理正弦信號波和三角波相比較的方法對圖6-28b中的V1~V4進行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端AB產生一個SPWM波uABuAB中含有和正弦信號波同頻率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波載波有關的頻率很高的諧波，不含有低次諧波由於Ls的濾波作用，諧波電壓只使is產生很小的脈動當正弦信號波頻率和電源頻率相同時，is也為與電源頻率相同的正弦波us一定時，is幅值和相位僅由uAB中基波uABf的幅值及其與us的相位差決定改變uABf的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90°，或使is與us相位差為所需角度14.4.1PWM整流電路的工作原理相量圖（圖6-29）a：滯後相角d

，和同相，整流狀態，功率因數為1。PWM整流電路最基本的工作狀態b：超前相角d

，和反相，逆變狀態，說明PWM整流電路可實現能量正反兩個方向的流動，這一特點對於需再生制動的交流電動機調速系統很重要c：滯後相角d，超前90°，電路向交流電源送出無功功率，這時稱為靜止無功功率發生器（StaticVarGenerator—SVG）d：通過對幅值和相位的控制，可以使比超前或滯後任一角度j

14.4.1PWM整流電路的工作原理對單相全橋PWM整流電路工作原理的進一步說明

整流狀態下us>0時，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分別組成兩個升壓斬波電路，以（V2、VD4、VD1、Ls）為例V2通時，us通過V2、VD4向Ls儲能V2關斷時，Ls中的儲能通過VD1、VD4向C充電14.4.1PWM整流電路的工作原理us<0時，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分別組成兩個升壓斬波電路由於是按升壓斬波電路工作，如控制不當，直流側電容電壓可能比交流電壓峰值高出許多倍，對器件形成威脅另一方面，如直流側電壓過低，例如低於us的峰值，則uAB中就得不到圖6-29a中所需的足夠高的基波電壓幅值，或uAB中含有較大的低次諧波，這樣就不能按需要控制is，is波形會畸變可見，電壓型PWM整流電路是升壓型整流電路，其輸出直流電壓可從交流電源電壓峰值附近向高調節，如要向低調節就會使性能惡化，以至不能工作14.4.1PWM整流電路的工作原理2．三相PWM整流電路圖6-30，三相橋式PWM整流電路，最基本的PWM整流電路之一，應用最廣工作原理和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴展到三相進行SPWM控制，在交流輸入端A、B和C可得SPWM電壓，按圖6-29a的相量圖控制，可使ia、ib、ic為正弦波且和電壓同相且功率因數近似為1和單相相同，該電路也可工作在逆變運行狀態及圖c或d的狀態圖6-30三相橋式PWM整流電路14.4.2PWM整流電路的控制方法有多種控制方法，根據有沒有引入電流回饋可分為兩種沒有引入交流電流回饋的——間接電流控制引入交流電流回饋的——直接電流控制1．間接電流控制間接電流控制也稱為相位和幅值控制按圖6-29a（逆變時為圖6-29b）的相量關係來控制整流橋交流輸入端電壓，使得輸入電流和電壓同相位，從而得到功率因數為1的控制效果圖6-31，間接電流控制的系統結構圖圖中的PWM整流電路為圖6-30的三相橋式電路控制系統的閉環是整流器直流側電壓控制環14.4.2PWM整流電路的控制方法控制原理

和實際直流電壓ud比較後送入PI調節器，PI調節器的輸出為一直流電流信號id，id的大小和整流器交流輸入電流幅值成正比穩態時，ud=，PI調節器輸入為零，PI調節器的輸出id和負載電流大小對應，也和交流輸入電流幅值相對應負載電流增大時，C放電而使ud下降，PI的輸入端出現正偏差，使其輸出id增大，進而使交流輸入電流增大，也使ud回升。達到新的穩態時，ud和相等，PI調節器輸入仍恢復到零，而id則穩定為為新的較大的值，與較大的負載電流和較大的交流輸入電流對應負載電流減小時，調節過程和上述過程相反14.4.2PWM整流電路的控制方法從整流運行向逆變運行轉換首先負載電流反向而向C充電，ud抬高，PI調節器出現負偏差，id減小後變為負值，使交流輸入電流相位和電壓相位反相，實現逆變運行穩態時，ud和ud*仍然相等，PI調節器輸入恢復到零，id為負值，並與逆變電流的大小對應圖6-31間接電流控制系統結構14.4.2PWM整流電路的控制方法控制系統中其餘部分的工作原理圖中上面的乘法器是id分別乘以和a、b、c三相相電壓同相位的正弦信號，再乘以電阻R，得到各相電流在Rs上的壓降uRa、uRb和uRc圖中下面的乘法器是id分別乘以比a、b、c三相相電壓相位超前π/2的余弦信號，再乘以電感L的感抗，得到各相電流在電感Ls上的壓降uLa、uLb和uLc各相電源相電壓ua、ub、uc分別減去前面求得的輸入電流在電阻R和電感L上的壓降，就可得到所需要的交流輸入端各相的相電壓uA、uB和uC的信號，用該信號對三角波載波進行調製，得到PWM開關信號去控制整流橋，就可以得到需要的控制效果。14.4.2PWM整流電路的控制方法存在的問題在信號運算過程中用到電路參數Ls和Rs，當Ls和Rs的運算值和實際值有誤差時，會影響到控制效果是基於系統的靜態模型設計的，其動態特性較差間接電流控制的系統應用較少2直接電流控制通過運算求出交流輸入電流指令值，再引入交流電流回饋，通過對交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值，因此稱為直接電流控制有不同的電流跟蹤控制方法，圖6-32給出一種最常用的採用電流滯環比較方式的控制系統結構圖14.4.2PWM整流電路的控制方法控制系統組成雙閉環控制系統，外環是直流電壓控制環，內環是交流電流控制環外環的結構、工作原理和圖6-31間接電流控制系統相同外環PI調節器的輸出為id，id分別乘以和a、b