第6章PWM技術(shù)

1、1第6章 PWM控制技術(shù)開關(guān)量逼近模擬量技術(shù)開關(guān)量逼近模擬量技術(shù)電氣、自動控制重要技術(shù)電氣、自動控制重要技術(shù)2第6章 PWM控制技術(shù) 引言vPWM (Pulse Width Modulation) 脈寬調(diào)制技術(shù)：脈寬調(diào)制技術(shù)：用用定定幅調(diào)寬幅調(diào)寬高頻脈沖波高頻脈沖波 （按周期平均）（按周期平均）等效等效, ,模擬模擬 期望的期望的低頻調(diào)幅波低頻調(diào)幅波例：直流斬波電路、例：直流斬波電路、 交流斬控式調(diào)壓電路、交流斬控式調(diào)壓電路、 矩陣式變頻電路矩陣式變頻電路 晶閘管整流、交流調(diào)壓也是晶閘管整流、交流調(diào)壓也是 廣義的廣義的PWM3第6章 PWM控制技術(shù) 引言思想來源：通信技術(shù)思想來源：通信技術(shù)硬件

2、支撐：全控型器件硬件支撐：全控型器件特點：特點：能模擬任意波形能模擬任意波形。作用：提高電力電子裝置性能，開拓廣闊領(lǐng)域。作用：提高電力電子裝置性能，開拓廣闊領(lǐng)域。應(yīng)用：整流，斬波，交交變流，逆變，組合變流應(yīng)用：整流，斬波，交交變流，逆變，組合變流 無功補償，諧波吸收無功補償，諧波吸收.地位地位: :現(xiàn)代電力電子的重要技術(shù)。現(xiàn)代電力電子的重要技術(shù)。46.1 PWM6.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想1）理論基礎(chǔ)）理論基礎(chǔ)沖量面積沖量面積u*T等效等效原理原理沖量沖量( (即周期即周期T T平均值平均值u u* *T)T)相同的輸入在大慣性環(huán)相同的輸入在大慣性環(huán)節(jié)節(jié)(T)(T)上產(chǎn)生的響應(yīng)上

3、產(chǎn)生的響應(yīng)基本相同基本相同。 5SPWM-模擬正弦波的模擬正弦波的PWMOwtUd-Ud 單極性單極性O(shè)w wtUd- -Ud 雙極性雙極性6SPWMSPWM電壓波的分解與感性負載的電流電壓波的分解與感性負載的電流76.1 PWM控制的基本思想vPWM波大部分是電壓波，也有電流波。波大部分是電壓波，也有電流波。 電流型逆變電路進行電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就控制，得到的就是是 PWM電流波。電流波。86.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法逆變電路是目前逆變電路是目前PWMPWM控制技術(shù)最為重要控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用的應(yīng)用中小功率的逆變電路幾乎都是電壓型中小功率的逆變電

4、路幾乎都是電壓型PWMPWM96.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法1 1）計算法）計算法 根據(jù)期望正弦波頻率、幅值和半周期內(nèi)的根據(jù)期望正弦波頻率、幅值和半周期內(nèi)的脈沖數(shù)，準確計算脈沖數(shù)，準確計算PWMPWM波各脈沖寬度和間隔，波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需得到所需PWMPWM波形。波形。 可消去特定諧波可消去特定諧波 較繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相較繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化。位變化時，結(jié)果都要變化。10調(diào)制法調(diào)制法v三角載波調(diào)制法（自然采樣法）三角載波調(diào)制法（自然采樣法）: :參考信

5、號參考信號urur作調(diào)制波與作調(diào)制波與三角載波三角載波ucuc比較比較結(jié)果結(jié)果 “ “ “ : “ :輸出最大幅值輸出最大幅值u uomom; ; “ “ : “ iI I時時: : 輸出輸出uo=+Uduo=+Udi i (2 )i (2 )i過大過大,i-I,i-I時時: : 輸出輸出uo=-Uduo=-Udi i (3)| (3)|i |i |I,II時時: : 觸發(fā)觸發(fā)V1,uV1,uU Ui iU U41滯環(huán)控制滯環(huán)控制PWM電壓跟蹤型電壓跟蹤型結(jié)構(gòu)如圖結(jié)構(gòu)如圖注注:濾波器作用濾波器作用: 濾除濾除u中中PWM的大幅值高頻分量的大幅值高頻分量,防開關(guān)過快防開關(guān)過快. 工作原理自行分析

6、工作原理自行分析42滯環(huán)控制滯環(huán)控制PWM跟蹤跟蹤滯環(huán)控制跟蹤型滯環(huán)控制跟蹤型PWMPWM特點。特點。（1）電路最簡單（）電路最簡單（滯環(huán)兼作調(diào)節(jié)器和滯環(huán)兼作調(diào)節(jié)器和PWM控制器）控制器）（2）閉環(huán)閉環(huán)實時控制，響應(yīng)快。實時控制，響應(yīng)快。（3）開關(guān)頻率不易控制。）開關(guān)頻率不易控制。（4）無調(diào)制載波，輸出電壓電流頻譜分布寬，）無調(diào)制載波，輸出電壓電流頻譜分布寬， 復(fù)雜。復(fù)雜。43(1)(1)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)v每相電流調(diào)節(jié)器每相電流調(diào)節(jié)器A A輸輸出該相的出該相的電壓給定電壓給定ur,ur,v ur調(diào)制三角載波產(chǎn)調(diào)制三角載波產(chǎn) 生相的生相的PWMPWM電壓波電壓波調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器A:P,PIA:P,PI?？烧{(diào)

7、?？烧{(diào)參數(shù)優(yōu)化特性。參數(shù)優(yōu)化特性。三角載波調(diào)制三角載波調(diào)制PWMPWM電流跟蹤電流跟蹤(3)(3) 特點：特點：電路較復(fù)雜；可控制開關(guān)頻率（電路較復(fù)雜；可控制開關(guān)頻率（fcfc）；）； 電流諧波集中在電流諧波集中在kfckfc，易濾波。，易濾波。（2）工作原理：）工作原理：iUiUurUuU iU446.3.2 定時控制方式v以固定周期采樣以固定周期采樣如如i i i i* *，輸出負脈沖，使，輸出負脈沖，使i i 減小。減小。器件的最高開關(guān)頻率為時鐘頻率的器件的最高開關(guān)頻率為時鐘頻率的1/21/2。和滯環(huán)方式相比，電流控制誤差沒有一定和滯環(huán)方式相比，電流控制誤差沒有一定的環(huán)寬，控制的精度低一

8、些。的環(huán)寬，控制的精度低一些。456.4 PWM整流電路 晶閘管晶閘管/二極管整流問題二極管整流問題: 諧波分量大，功率因數(shù)低。諧波分量大，功率因數(shù)低。 PWM整流整流 可控制可控制交流側(cè)電流交流側(cè)電流: (1)接近正弦波，接近正弦波， (2)與交流電壓同相位、超前。與交流電壓同相位、超前。 -高功率因數(shù)整流器、無功補償器高功率因數(shù)整流器、無功補償器46單相單相PWM整流電路整流電路6.4.1 PWM整流原理半橋半橋Ls=外接電感外接電感+交流電源電感交流電源電感 -交流側(cè)功率緩沖轉(zhuǎn)換交流側(cè)功率緩沖轉(zhuǎn)換全橋全橋 C(C1,C2) -直流側(cè)功率緩沖轉(zhuǎn)換直流側(cè)功率緩沖轉(zhuǎn)換V控制控制 : V1 (V

9、4) -V2(V3) - 但根據(jù)但根據(jù)us或或is的控制進行的控制進行47PWMPWM整流升壓特性整流升壓特性由由D1-D4:UdD1-D4:Ud上正下負上正下負 us0us0期間期間: : 2,3 2,3通時通時, , u uABAB=-Ud0=-Udus Udus幅值幅值48PWMPWM整流原理整流原理ShhSSSShSShABiujUEjUIiuiiiuuuSPWMUd產(chǎn)生高頻小幅脈動的而高頻的幅、相：調(diào)節(jié)高頻諧波基波電源電流相應(yīng)為：高頻諧波工頻基波使：作為電源，以)/()()/(V11111141ww49可整流可整流 負載消耗功率負載消耗功率功率因數(shù)功率因數(shù)1 略略R,=90R,=90

10、 U U1 1=Es/cos=Es/cos或逆變或逆變 -負載提供功率負載提供功率或純無功補償或純無功補償 -靜止無功補償器靜止無功補償器, 無直流負載無直流負載 或整流或整流,逆變逆變 同時補償部分無功同時補償部分無功PWMPWM整流性能整流性能50PWM整流原理is,usis,us同相時同相時: : 略略Rs, URs, UAB1AB1= = EsEs/ / cos,cos, 由由SPWM:SPWM: UdUd 峰值峰值2U2UAB1 AB1 = 2Es/cos= 2Es/cos 峰值峰值UsmUsm 51PWM整流原理問題：問題： 怎樣控制輸出電壓怎樣控制輸出電壓Ud ?Ud ?功率功率

11、 EsEs* *Is =Is = 直流功率直流功率PdPd =Ud =Ud* *Id(Id(恒恒IdId負載）負載） 或或=Ud=Ud2 2/R(/R(恒阻負載恒阻負載) - - 可通過可通過IsIs調(diào)調(diào)UdUd Is PdIs Pd UdUd 問題問題: : Is Is Ud Ud U U1 1 Is ? Is ? 三者關(guān)系復(fù)雜三者關(guān)系復(fù)雜,Ud,Ud開環(huán)控制困難開環(huán)控制困難 解決方案解決方案: : 先直接控制先直接控制Is,Is, 再通過再通過IsIs控制控制UdUd52電流給定電流給定is* : 相位與電源相位與電源us相同相同, 幅值可調(diào)幅值可調(diào) 可用可用i滯環(huán)控制滯環(huán)控制:電流閉環(huán)控

12、制單相電流閉環(huán)控制單相PWM整流整流isisis i u uAB AB = -Ud = -Ud is isisisisis* * i iUd交流電壓峰值交流電壓峰值需低壓輸出時需低壓輸出時, ,再加降壓斬波器再加降壓斬波器控制目標控制目標: :交流側(cè)電流正弦交流側(cè)電流正弦, ,與電壓同相與電壓同相 -D-D整流輸出電壓電流同相整流輸出電壓電流同相60單相單相APFC-APFC-有源功率因數(shù)校正有源功率因數(shù)校正電流控制閉環(huán)電流控制閉環(huán): :調(diào)調(diào)i=ii=i* * 交流交流isis正弦正弦i i過大過大: : V ?off/on V ?off/onUv=0/Ud ?Uv=0/Ud ?i i過小過小

13、: : V ?off/on V ?off/onUv=0/Ud ?Uv=0/Ud ?61單相單相APFC-APFC-有源功率因數(shù)校正有源功率因數(shù)校正電壓電流雙閉環(huán)電壓電流雙閉環(huán)電流調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié) i i過小過小,i,i過大過大V V通通 i i過大過大,i,i過小過小V V斷斷電壓調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)62單相單相APFC-APFC-*半周控制半周控制目的目的:i=u/Re, :i=u/Re, 線性阻性線性阻性 交流電流正弦交流電流正弦 則則: i: i* *Rs=uRs=u* *Rs/ReRs/Re又升壓斬波又升壓斬波:Ud=u/(1-):Ud=u/(1-)i i* *Rs=(1-)UdRs=(1-)Ud

14、* *Rs/ReRs/Re =(1-)um =(1-)um( um=Ud( um=Ud* *Rs/Re Ud )Rs/Re Ud ) umum* *=um-i=um-i* *RsRs 控制方程控制方程 ii間接開環(huán)控制間接開環(huán)控制63單相單相APFCAPFC-*半周控制半周控制由控制方程由控制方程 umum* *=um-i=um-i* *RsRs對應(yīng)電路如圖對應(yīng)電路如圖設(shè)設(shè)0tton0tton期間期間V V導(dǎo)通導(dǎo)通則則umum* *t/Tum-it/Tum-i* *RsRst=ton:umt=ton:um* *=um-i=um-i* *RsRs滿足控制方程滿足控制方程特點特點:不需乘法器不需乘

15、法器,簡單簡單 交流電流開環(huán)控制交流電流開環(huán)控制,近正弦近正弦,有工頻諧波有工頻諧波64vPWMPWM最重要特點最重要特點v 可模擬調(diào)幅波可模擬調(diào)幅波v地位地位主導(dǎo)方向主導(dǎo)方向, ,領(lǐng)域廣闊，影響深遠。領(lǐng)域廣闊，影響深遠。v器件支持器件支持 IGBTIGBT、電力、電力MOSFETMOSFET等等PWM控制技術(shù) 小結(jié)65PWM控制技術(shù) 小結(jié)應(yīng)用應(yīng)用: : 直流斬波直流斬波-較早較早, ,直流電動機脈寬調(diào)速直流電動機脈寬調(diào)速 逆變變頻電路逆變變頻電路 00幾百幾百KW-KW-最廣泛成功最廣泛成功 交交交變流交變流: : 斬控式交流調(diào)壓電路斬控式交流調(diào)壓電路-應(yīng)用尚少應(yīng)用尚少 矩陣式變頻電路矩陣式

16、變頻電路-易集成化前景良好易集成化前景良好整流整流: APFC: APFC應(yīng)用較多應(yīng)用較多66作業(yè)9.X9.1 PWM9.1 PWM含義是含義是: : , ,基本原理是基本原理是_。 它可模擬它可模擬低低/ /高高頻調(diào)幅波頻調(diào)幅波, ,同時伴有同時伴有低低/ /高高頻諧波頻諧波. .9.2 9.2 簡畫載波調(diào)制的電壓簡畫載波調(diào)制的電壓SPWMSPWM頻譜頻譜. .9.3 SPWM9.3 SPWM的高頻諧波可在的高頻諧波可在負載負載/ /電源電源側(cè)濾波側(cè)濾波. .9.4 9.4 滯環(huán)控制電流滯環(huán)控制電流PWMPWM跟蹤電路跟蹤電路復(fù)雜復(fù)雜/ /簡單簡單；響應(yīng)；響應(yīng)快快/ /慢慢； 諧波分布諧波分布寬寬