第七章PWM控制技術(shù)電力電子技術(shù)

1、1 PWMPWM控制技術(shù)控制技術(shù) 前面介紹的兩種逆變電路均采用前面介紹的兩種逆變電路均采用g=的單脈沖控制，雖然控的單脈沖控制，雖然控制電路簡單，但從傅立葉級數(shù)分析可看出，輸出電壓中諧波分量制電路簡單，但從傅立葉級數(shù)分析可看出，輸出電壓中諧波分量很大，尤其很大，尤其3、5、7次諧波，這些諧波分量的存在將嚴(yán)重影響逆次諧波，這些諧波分量的存在將嚴(yán)重影響逆變器的效率和負(fù)載的可靠性，因此，消除諧波是逆變控制電路的變器的效率和負(fù)載的可靠性，因此，消除諧波是逆變控制電路的主要任務(wù)之一。目前消除諧波的主要辦法采用主要任務(wù)之一。目前消除諧波的主要辦法采用PWM控制?？刂啤５诘? 7章章 7.1 PWM控制電壓

2、型逆變電路 2矩形波PWM（或稱等寬多脈沖PWM）正弦波PWM（SPWM）按諧波抑制原理的PWM（電力有源濾波器）自適應(yīng)電流控制PWM 后三種逆變電路具有調(diào)壓及顯著改善輸出電壓質(zhì)量的功能。根據(jù)形成根據(jù)形成PWM波原理的不同，波原理的不同，PWM可分為：可分為：3 結(jié)合結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調(diào)制法進(jìn)行說明單相橋式電壓型逆變電路對調(diào)制法進(jìn)行說明圖7-4 單相橋式PWM逆變電路工作時V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)u控制規(guī)律：控制規(guī)律：以uo正半周輸出為例，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷負(fù)載電流為正時： V1和V4導(dǎo)通時，uo等于Ud V4關(guān)斷時，負(fù)載電流通過V1和VD3續(xù)

3、流，uo=0負(fù)載電流為負(fù)時：負(fù)載電流為負(fù)時： VD1和和VD4續(xù)流通過續(xù)流通過,此時此時uo等于Ud V4關(guān)斷后關(guān)斷后,通過通過V3和和VD1續(xù)流續(xù)流,此時此時uo=0uo總可得到Ud和零兩種電平采用矩形波調(diào)制的單相逆變電路采用矩形波調(diào)制的單相逆變電路7.1.14uo負(fù)半周，讓V2保持通，V1保持?jǐn)?，V3和V4交替通斷u uo o同樣可得-Ud和零兩種電平56由圖可見門極脈沖的狀態(tài)分布：由圖可見門極脈沖的狀態(tài)分布： 輸出電壓正半波（0t）,ug1=const,ug4=0,ug2和ug3按載頻fc交替出現(xiàn)，即(V1T3)和(T1V2)交替出現(xiàn)。 輸出電壓負(fù)半波（tUC：T1,T3導(dǎo)通,T2,T4

4、截止,UAB=Ud UrUC：T2,T4導(dǎo)通,T1,T3截止, UAB =Ud 可以證明:用SPWM控制后,只要三角波載波頻率相對正弦波調(diào)制頻率足夠高,在一個三角波周期中輸出電壓的平均值正比于正弦波控制電壓的平均值(即正比于ma)，所以,輸出電壓在一個三角波周期中輸出電壓的平均值按正弦波規(guī)律變化.13由圖可看到：（1）、基波分量的幅度UAB1m=maUd,故UAB1m隨ma線性變化。（0ma1）.即逆變器的輸出電壓隨ma可調(diào)。（2）、逆變器輸出電壓中的諧波分量更集中在開關(guān)頻率fc及其倍頻數(shù)2fc，3fc等中心的周圍，形成邊帶諧波頻率： 14(3)、諧波電壓的幅度隨開關(guān)次數(shù)的增加而迅速減少(4)

5、、當(dāng)mf為奇數(shù)時，輸出波形奇函數(shù)對稱，故僅有奇次諧波。 輸出電壓的傅立葉級數(shù)表達(dá)式可參考輸出電壓的傅立葉級數(shù)表達(dá)式可參考電力電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電子技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 林謂勛林謂勛15電壓型逆變電路一覽表項(xiàng)目名稱單相半橋逆變電路單相全橋逆變電路中心抽頭逆變電路三相全橋逆變電路單相SPWM逆變電路調(diào)頻性能能能能能能調(diào)壓性能不能能能能能輸出電壓基波幅值（相電壓）0.637Ud1.274Ud1.274Ud0.637Ud1.274Ud開關(guān)管承受正向壓降UdUd2UdUdUd諧波成份高高高中低開關(guān)管數(shù)量24264控制電路簡單復(fù)雜最簡單復(fù)雜最復(fù)雜電路成本低中低中高167.3 7.3 不間斷電

6、源（不間斷電源（UPSUPS）不間斷電源又稱UPS（Uninterrupted Power Supply), 目前主要應(yīng)用于IT領(lǐng)域, 為IT設(shè)備提供不間斷的供電電源。1、UPS分類 A、按輸入電源分：直流UPS和交流UPS B、按輸出波形分：方波UPS和正弦波UPS C、按電源相數(shù)分：單進(jìn)單出 三進(jìn)單出 三進(jìn)三出 D、按電路組成原理分： 在線式和后備式 E、按電池供電時間分：標(biāo)準(zhǔn)機(jī)（15min),長延時（30min)172. UPS結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)指標(biāo) 對于在線式UPS其結(jié)構(gòu)，它主要由整流斬波電路，蓄電池，逆變器，轉(zhuǎn)換開關(guān)、控制與保護(hù)電路等組成。整流濾波電路整流濾波電路 整流斬波電路主要完成交

7、直轉(zhuǎn)換。由于目前主要采用全橋不控整流電路，故對于單相整流電路來說，其輸出直流電壓高達(dá)310V，故在市電正常供電時，需要對蓄電池充電的直流電壓需要降壓。因此實(shí)際的UPS中，在整流后，往往接有DC/DC變換器。另外，為了消除DC/DC變換器和高頻逆變器對電網(wǎng)的影響，整流器輸入端還裝有LC濾波電路。整流電路斬波電路逆變電路蓄電池組控制和保護(hù)電路市電220VUPS輸出電子開關(guān)18蓄電池蓄電池 UPS電源系統(tǒng)中的蓄電池一般采用密封式鉛酸蓄電池，其使用壽命一般可在5年以上。目前所用蓄電池一般為12V電池。其常用容量一般為3.8Ah,65Ah,100Ah等。蓄電池組電壓為12V的整數(shù)倍。逆變器逆變器 目前，

8、UPS中采用的逆變器往往是SPWM逆變器；它既能調(diào)頻，又能穩(wěn)壓，同時由于采用了SPWM技術(shù)，其輸出電壓中諧波成分較小。另外從負(fù)載使用安全角度考慮，往往用高頻變壓器進(jìn)行輸出隔離，并在輸出回路裝有低通濾波器。逆變器的性能主要決定了UPS的性能。交流轉(zhuǎn)換開關(guān)交流轉(zhuǎn)換開關(guān) 該開關(guān)由電子控制，當(dāng)UPS整流器及逆變器等內(nèi)部器件正常工作時，電子開關(guān)合在逆變狀態(tài)，從而使UPS輸出穩(wěn)壓穩(wěn)頻，不隨電網(wǎng)電壓或頻率波動。而當(dāng)UPS內(nèi)部發(fā)生故障或需檢修保養(yǎng)時，可自動或手動合到市電直通狀態(tài)。從而提高了電源系統(tǒng)的可靠性。19UPS主要技術(shù)指標(biāo)：標(biāo)稱輸出功率（標(biāo)稱輸出功率（KVA）輸入電壓：輸入電壓：220V. 110V.

9、380V允許輸入電壓范圍允許輸入電壓范圍;170Vac260Vac輸入頻率：輸入頻率：45Hz55Hz輸入功率因數(shù)：輸入功率因數(shù)：PF效率：輸出效率：輸出/輸入功率。輸入功率。9395輸出電壓：輸出電壓：220V,380V,1%輸出頻率輸出頻率: 50/60Hz0.5Hz電壓失真度（電壓失真度（THD）：）：2% 線性負(fù)載線性負(fù)載 5% 非線性負(fù)載非線性負(fù)載過載能力：過載能力：12510分鐘分鐘 15030秒秒電池后備時間：標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電池后備時間：標(biāo)準(zhǔn)機(jī) 715分鐘分鐘 長延時根據(jù)電池容量和節(jié)數(shù)確定后備時間長延時根據(jù)電池容量和節(jié)數(shù)確定后備時間20蓄電池主要技術(shù)指標(biāo)蓄電池主要技術(shù)指標(biāo)：額定電壓：2V

10、,6V,12V之分電池容量Ah:有7Ah 18Ah 38Ah 65Ah 100Ah ，500Ah,2000Ah 等循環(huán)次數(shù)：300400次使用壽命：58年蓄電池內(nèi)阻：幾個m放電率： 0.1C 0.5C 1.0C之分 100Ah*0.1c=以10A放電共可放10小時 21PWMPWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 使用載波對正弦信號波調(diào)制，會產(chǎn)生和載波有關(guān)的諧波分量 諧波頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標(biāo)之一 分析以雙極性SPWM波形為準(zhǔn) 同步調(diào)制可看成異步調(diào)制的特殊情況，只分析異步調(diào)制方式 分析方法分析方法 以載波周期為基礎(chǔ)，再利用貝塞爾函數(shù)推導(dǎo)出PWM波的傅里葉級數(shù)表達(dá)式 盡

11、管分析過程復(fù)雜，但結(jié)論簡單而直觀7.2.47.2.422l 單相的分析結(jié)果單相的分析結(jié)果圖6-13，不同a時單相橋式PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖圖7-13 單相PWM橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖諧波角頻率為:rcknPWM波中不含低次諧波，只含c及其附近的諧波以及 2c、3c等及其附近的諧波式中，n=1,3,5,時，k=0,2,4, ； n=2,4,6,時，k=1,3,5, (6-10)PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析7.2.47.2.41002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅角頻率 (nc +kr )0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a

12、=0.8a=0.5a=023PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析l圖6-14，不同a時三相橋式PWM 逆變電路輸出電壓頻譜圖圖6-14 三相橋式PWM逆變電路輸出線電壓頻譜圖l三相的分析結(jié)果三相的分析結(jié)果公用載波信號時的情況輸出線電壓中的諧波角頻率為rckn(6-11)式中，n=1,3,5,時，k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,時，。,2,116,1 ,016mmmmk7.2.41002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅圖6-140.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角頻率 (nc +kr )24 三相和單相

13、比較，共同點(diǎn)是都不含低次諧波，一個較顯著的區(qū)三相和單相比較，共同點(diǎn)是都不含低次諧波，一個較顯著的區(qū)別是載波角頻率別是載波角頻率 c整數(shù)倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是整數(shù)倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是 c2 r和和2 c r SPWM波中諧波主要是角頻率為波中諧波主要是角頻率為 c、2 c及其附近的諧波，很及其附近的諧波，很容易濾除容易濾除 當(dāng)調(diào)制信號波不是正弦波時，諧波由兩部分組成：一部分是對當(dāng)調(diào)制信號波不是正弦波時，諧波由兩部分組成：一部分是對信號波本身進(jìn)行諧波分析所得的結(jié)果，另一部分是由于信號波信號波本身進(jìn)行諧波分析所得的結(jié)果，另一部分是由于信號波對載波的調(diào)制而產(chǎn)生的諧波。后者的諧

14、波分布情況和對載波的調(diào)制而產(chǎn)生的諧波。后者的諧波分布情況和SPWM波波的諧波分析一致的諧波分析一致PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析7.2.47.2.425 小結(jié)小結(jié) PWM控制技術(shù)的地位控制技術(shù)的地位 PWM控制技術(shù)是在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并對電力電子技術(shù)控制技術(shù)是在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并對電力電子技術(shù)產(chǎn)生了十分深遠(yuǎn)影響的一項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生了十分深遠(yuǎn)影響的一項(xiàng)技術(shù) 器件與器件與PWM技術(shù)的關(guān)系技術(shù)的關(guān)系 IGBT、電力、電力MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善給等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM控制控制技術(shù)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)技術(shù)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ) PWM控制技

15、術(shù)用于直流斬波電路控制技術(shù)用于直流斬波電路 直流斬波電路實(shí)際上就是直流直流斬波電路實(shí)際上就是直流PWM電路，是電路，是PWM控制技術(shù)應(yīng)用較早也控制技術(shù)應(yīng)用較早也成熟較早的一類電路，應(yīng)用于直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)就構(gòu)成廣泛應(yīng)用的直成熟較早的一類電路，應(yīng)用于直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)就構(gòu)成廣泛應(yīng)用的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)流脈寬調(diào)速系統(tǒng)第第7 7章章26 PWM控制技術(shù)用于交流控制技術(shù)用于交流交流變流電路交流變流電路 斬控式交流調(diào)壓電路和矩陣式變頻電路是斬控式交流調(diào)壓電路和矩陣式變頻電路是PWM控制控制 技術(shù)在這類電路中應(yīng)用的代表技術(shù)在這類電路中應(yīng)用的代表 目前其應(yīng)用都還不多目前其應(yīng)用都還不多 但矩陣式變頻電路因其容易

16、實(shí)現(xiàn)集成化，可望有良好的但矩陣式變頻電路因其容易實(shí)現(xiàn)集成化，可望有良好的 發(fā)展前景發(fā)展前景 小結(jié)小結(jié)第第7 7章章27 PWM控制技術(shù)用于逆變電路控制技術(shù)用于逆變電路 PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最具代表性控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最具代表性 正是由于在逆變電路中廣泛而成功的應(yīng)用，才奠定了正是由于在逆變電路中廣泛而成功的應(yīng)用，才奠定了PWM控制技術(shù)在電力電子技術(shù)中的突出地位控制技術(shù)在電力電子技術(shù)中的突出地位 除功率很大的逆變裝置外，不用除功率很大的逆變裝置外，不用PWM控制的逆變電路已控制的逆變電路已十分少見十分少見 第第5章未涉及到章未涉及到PWM控制技術(shù)，對逆變電路的介紹不完控制技術(shù)，

17、對逆變電路的介紹不完整。學(xué)完本章才能對逆變電路有較完整的認(rèn)識整。學(xué)完本章才能對逆變電路有較完整的認(rèn)識 小結(jié)小結(jié)第7章28 PWM控制技術(shù)用于整流電路控制技術(shù)用于整流電路 PWM控制技術(shù)用于整流電路即構(gòu)成控制技術(shù)用于整流電路即構(gòu)成PWM整流電路整流電路 可看成逆變電路中的可看成逆變電路中的PWM技術(shù)向整流電路的延伸技術(shù)向整流電路的延伸 PWM整流電路已獲得了一些應(yīng)用，并有良好的應(yīng)用前景整流電路已獲得了一些應(yīng)用，并有良好的應(yīng)用前景 PWM整流電路作為對第整流電路作為對第2章的補(bǔ)充，可使我們對整流電路有章的補(bǔ)充，可使我們對整流電路有更全面的認(rèn)識更全面的認(rèn)識 小結(jié)小結(jié)第第7 7章章29 PWM控制技術(shù)與相位控制技術(shù)控制技術(shù)與