第十一章直流脈寬調(diào)制(PWM)變換器-改

1、3-1直流斬波電路（DC Chopper）將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter）。一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡话ㄖ绷鹘涣髦绷鳌?電路種類基本斬波電路：降壓斬波電路降壓斬波電路、升壓斬波電路升壓斬波電路、 。3-2 電路結(jié)構(gòu) 全控型器件 若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。續(xù)流二極管負(fù)載 一、理想斬波器（降壓斬波電路）一、理想斬波器（降壓斬波電路）3-3工作原理工作原理b)電流連續(xù)時(shí)的波形降壓斬波電路得原理圖及波形t=0時(shí)刻開關(guān)S閉合，電源US向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=US，負(fù)載電流id按指數(shù)曲線上升。t=t1時(shí)開關(guān)S斷開 ，二極

2、管VD續(xù)流，負(fù)載電壓ud近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。 一、理想斬波器（降壓斬波電路）一、理想斬波器（降壓斬波電路）ttOOTUStontoffidi1i2IdminIdmaxt1ud3-4數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系電流連續(xù)負(fù)載電壓平均值：sssdUUTtUtttUonoffononton斬波開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間斬波開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間 toff斬波開關(guān)關(guān)斷的時(shí)間斬波開關(guān)關(guān)斷的時(shí)間 工作率（或稱工作率（或稱占空比）占空比）T斬波周期斬波周期 T=ton+toffttOOTUStontoffidi1i2IdminIdmaxt1ud3-5斬波電路三種控制方式T不變，變ton

3、 脈沖寬度調(diào)制（PWM）。ton不變，變T 頻率調(diào)制。ton和T都可調(diào)，改變占空比混合型。此種方式應(yīng)用最多前面介紹過：電力電子電路的實(shí)質(zhì)上是分時(shí)段線性電路的思想?；凇胺侄尉€性”的思想，對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析。分V處于通態(tài)和處于斷態(tài)3-6保持輸保持輸出電壓出電壓儲(chǔ)存電能儲(chǔ)存電能 電路結(jié)構(gòu)1) 升壓斬波電路的基本原理3-7工作原理假設(shè)L值很大。開關(guān)S閉合時(shí)，電源US向電感L充電，電流恒定i。開關(guān)S斷開時(shí)，電源US和電感L同時(shí)向負(fù)載提供能量。0id圖 升壓斬波電路及工組波形b) 波形tontoff0is3-8數(shù)量關(guān)系設(shè)開關(guān)S閉合時(shí)間為ton，此階段L上積蓄的能量為設(shè)開關(guān)S斷開時(shí)間為toff，則此期

4、間電感L釋放能量為穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：offItUsdUonItSUSSdUUoffoffoffontTtttU化簡(jiǎn)得： T/toff1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓升壓斬波電路。升壓比；升壓比的倒數(shù)記作b ，即。 b和的關(guān)系：因此，off/tT1bssdU11U1bUTtoffboffItUItonsdSUU3-9電壓升高得原因：電感L儲(chǔ)能使電壓泵升的作用 如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量?jī)H由負(fù)載R消耗，即 ： 。 與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。dIUIdsU5-10換流換流電流按要求的時(shí)刻和次序從一個(gè)晶閘管元件轉(zhuǎn)移到另一個(gè)晶閘管元件的

5、過程，也稱為換相或換向換相或換向。開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使器件開通。關(guān)斷：全控型器件可通過門極關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷。一般在晶閘管電流過零后施加一定時(shí)間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。5-111) 電源換流（Line Commutation）電源提供換流電壓的換流方式。將負(fù)的電源電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。2)負(fù)載換流（Load Commutation）3)強(qiáng)迫換流（Forced Commutation）5-12由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。負(fù)載電流的相位超前于

6、負(fù)載電壓的場(chǎng)合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。直流側(cè)串電感，工作過程可認(rèn)為id 基本沒有脈動(dòng)。負(fù)載對(duì)基波的阻抗大而對(duì)諧波的阻抗小。所以u(píng)d接近正弦波接近正弦波。5-13設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流強(qiáng)迫換流。 通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流電容換流。IRRUISRC充電充電5-14換流時(shí)換流時(shí) VT1和VT2都導(dǎo)通。IR使VT1承受反向電壓而關(guān)斷只有VT2導(dǎo)通。6-15PWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脈寬調(diào)制技術(shù)脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制

7、，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。直流斬波電路直流斬波電路采用的就PWM技術(shù)6-16PWM控制的思想源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展使得實(shí)現(xiàn)PWM控制變得十分容易。PWM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路逆變電路中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位?，F(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術(shù)。6-171）重要理論基礎(chǔ)面積等效原理面積等效原理沖量沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同效果基本相同。沖量沖量窄脈沖的面積效果基本相同效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出

8、響應(yīng)波形基本相同圖6-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數(shù)f (t)d (t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf (t)f (t)f (t)6-18b)圖6-2 沖量相等的各種窄脈沖的響應(yīng)波形具體的實(shí)例說明“面積等效原理面積等效原理”a）u (t)電壓窄脈沖，是電路的輸入 。 i (t)輸出電流，是電路的響應(yīng)。 6-19OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波Out6-20Ou t若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖等幅不等寬的脈沖來代替一

9、個(gè)正弦半波Out6-21OwtUd-Ud對(duì)于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個(gè)完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。6-22等等幅幅PWM波波輸入電源是恒定直流 第3章的直流斬波電路 6.2節(jié)的PWM逆變電路 6.4節(jié)的PWM整流電路不等幅不等幅PWM波波輸入電源是交流或不是恒定的直流 4.1節(jié)的斬控式交流調(diào)壓電路 4.4節(jié)的矩陣式變頻電路OwtUd-UdUot6-232）PWM電流波 電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波。PWM波可等效的各種波形直流斬波電路

10、直流波形SPWM波 正弦波形等效成其他所需波形，如:l 所需波形 l 等效的PWM波0s5m s10m s15m s20m s25m s30m s-20V0V20V圖1-10簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)VDUs+UgCVTM+_E（a）電路原理圖 M直流電源電壓濾波電容器功率開關(guān)器件續(xù)流二極管這樣的電路又稱直流降壓斬波器。1t0UgtonT在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，n當(dāng)0 t ton時(shí)，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端，id上升U, iidUsttonT0圖11.3-1簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電-動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)VDUs+UgCVTM+_EVDUs+

11、UgCVTidM+_EM20UgtonT在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，n當(dāng)ton t T 時(shí)， Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流， id下降。idU, iidUsttonT0ssondUUTtU U, iUdEidUsttonT0圖1-10b 電壓和電流波形0UgtonTUs+UgCVTidM+_EM2VD1電機(jī)兩端得到的平均電壓為ssondUUTtU輸出電壓方程 改變 （ 0 1 ）即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，若令 = Ud / Us為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆 PWM 變換器 = 式中 = ton / T 為 PWM 波形的占空比， 電機(jī)兩端得到的平均電壓為M+-VD2VT2VT1VD1ECUs+

12、MVT2Ug2VT1Ug1圖1-11a 有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器id_ 在簡(jiǎn)單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動(dòng)能力，只能作單象限運(yùn)行。需要制動(dòng)時(shí)，必須為反向電流提供通路，如圖所示的雙管交替開關(guān)電路。有制動(dòng)電流通路的不可逆 PWM-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) n一般電動(dòng)狀態(tài) 在一般電動(dòng)狀態(tài)中，id始終為正值。設(shè)ton為VT1的導(dǎo)通時(shí)間，則一個(gè)工作周期有兩個(gè)工作階段：0 t ton期間ton t T 期間M+-VD2VT2VT1VD1E1CUs+MVT2Ug2VT1Ug10Ug1tonT0Ug2tonTn在0 t ton期間， Ug1為正，VT1導(dǎo)通， Ug2為負(fù)，VT2關(guān)斷。此時(shí)，電源電壓

13、Us加到電樞兩端，電流 id 沿圖中的回路1流通。id_M+_VD2VT2VT1VD1E2CUs+MVT2Ug2VT1Ug1實(shí)際上是由VT1和VD2交替導(dǎo)通，雖然電路中多了一個(gè)功率開關(guān)器件，但并沒有被用上。0Ug1tonT0Ug2tonTn在 ton t T 期間， Ug1和Ug2都改變極性，VT1關(guān)斷，但VT2卻不能立即導(dǎo)通，因?yàn)閕d沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。id_b）一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形U, iUdEidUsttonT0圖1-10b 電壓和電流波形n輸出波形： 一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形與簡(jiǎn)單的不可逆電路波形（圖1-1

14、1b）完全一樣。n制動(dòng)狀態(tài) 在制動(dòng)狀態(tài)中， id為負(fù)值，VT2就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動(dòng)運(yùn)行過程中需要降速的時(shí)候。這時(shí)，先減小控制電壓，使 Ug1 的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使平均電樞電壓Ud降低。但是，由于機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)E還來不及變化，因而造成 E Ud 的局面，很快使電流id反向，VD2截止， VT2開始導(dǎo)通。M+_VD2VT2VT1VD1E4CUs+MVT2Ug2VT1Ug10Ug1tonT0Ug2tonT 制動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)周期分為兩個(gè)工作階段：n在 0 t ton 期間，VT2 關(guān)斷，id 沿回路 4 經(jīng) VD1 續(xù)流，向電源回饋制動(dòng)，與此同時(shí)， VD1 兩端壓降鉗住

15、 VT1 使它不能導(dǎo)通。 _idM+_VD2VT2VT1VD1E3CUs+MVT2Ug2VT1Ug10Ug1tonT0Ug2tonTn在 ton t T期間， Ug2 變正，于是VT2導(dǎo)通，反向電流 id 沿回路 3 流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)作用。 id_U, iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOc）制動(dòng)狀態(tài)的電壓電流波形M+_VD2VT2VT1VD1E3CMVT2Ug2VT1Ug1id_4在制動(dòng)狀態(tài)中， VT2和VD1輪流導(dǎo)通，而VT1始終是關(guān)斷的，此時(shí)的電壓和電流波形示于圖c。n輕載電動(dòng)狀態(tài) 有一種特殊情況，即輕載電動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)平均電流較小

16、，以致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時(shí)，還沒有到達(dá)周期 T ，電流已經(jīng)衰減到零，此時(shí)，因而兩端電壓也降為零，便提前導(dǎo)通了，使電流方向變動(dòng)，產(chǎn)生局部時(shí)間的制動(dòng)作用。 在 0 t ton 期間:第1階段，VD1續(xù)流，電流 id 沿回路4流通；第2階段，VT1導(dǎo)通，電流 id 沿回路1流通；M+_VD2VD1ECMVT2Ug2VT1Ug13id_4210Ug1tonT0Ug2tonT在 ton t T 期間: 第3階段，VD2續(xù)流，電流 id 沿回路2流通； 第4階段，VT2導(dǎo)通，電流 id 沿回路3流通。輕載電動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段： 在1、4階段，電動(dòng)機(jī)流過負(fù)方向電流，電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)； 在2、3階段，

17、電動(dòng)機(jī)流過正方向電流，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。 因此，在輕載時(shí)，電流可在正負(fù)方向之間脈動(dòng)，平均電流等于負(fù)載電流，其輸出波形見圖1-11d。d）輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形4123Tton0U, iUdEidUsttonT041 23O電路之所以為不可逆是因?yàn)槠骄妷弘娐分詾椴豢赡媸且驗(yàn)槠骄妷?Ud始終大于零，始終大于零，電流能夠反向，而電壓和轉(zhuǎn)速不可反向。電流能夠反向，而電壓和轉(zhuǎn)速不可反向。表1-3 二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài) 可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖1-12所示。 這時(shí)，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓極性的變化而改變，其控制

18、方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆PWM變換器。兩個(gè)不可逆PWM電路組合起來，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓。+UsUg4M+-VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT3ABMUg3VT4圖1-12 橋式可逆PWM變換器 使VT4保持通時(shí)，電路向電動(dòng)機(jī)提供正電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第1、2象限。 使VT2保持通時(shí)，VT3、VD3和VT4、VD4等效為又一組不可逆斬波電路，向電動(dòng)機(jī)提供負(fù)電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第3、4象限 。1+_M+UsUg4Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT

19、3Ug3VT4Ug4（1）正向運(yùn)行：n第1階段，在 0 t ton 期間， Ug1 、 Ug4為正， VT1 、 VT4導(dǎo)通， Ug2 、 Ug3為負(fù)，VT2 、 VT3截止，電流 id 沿回路1流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = +Us ；0Ug1tonT0Ug2tonT0Ug4tonT0Ug3tonTidid+_M+UsUg4Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug40Ug1tonT0Ug2tonT0Ug4tonT0Ug3tonT2（1）正向運(yùn)行：n第2階段，在ton t T期間， Ug1 、 Ug4為負(fù)， VT1

20、 、 VT4截止， VD2 、 VD3續(xù)流， 并鉗位使VT2 、 VT3保持截止，電流 id 沿回路2流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = Us ；-id+_M+UsUg4Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug40Ug1tonT0Ug2tonT0Ug4tonT0Ug3tonT（2）反向運(yùn)行：n第1階段，在 0 t ton 期間， Ug2 、 Ug3為負(fù)，VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 續(xù)流，并鉗位使 VT1 、 VT4截止，電流 id 沿回路4流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = +Us ；4+_M+UsUg

21、4Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug40Ug1tonT0Ug2tonT0Ug4tonT0Ug3tonT（2）反向運(yùn)行：n第2階段，在ton t T 期間， Ug2 、 Ug3 為正， VT2 、 VT3導(dǎo)通， Ug1 、 Ug4為負(fù)，使VT1 、 VT4保持截止，電流 id 沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = Us ；3-idU, iUdEid+UsttonT0-UsOb) 正向電動(dòng)運(yùn)行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOc) 反向電動(dòng)運(yùn)行波形sonsonsond) 12(UTtUTtTUTt

22、U 雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為（1-19） 如果占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中 = 2 1 （1-20）注意：這里 的計(jì)算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。 調(diào)速時(shí)， 的可調(diào)范圍為01， 1 0.5時(shí)， 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；n當(dāng) 0.5時(shí)， 為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；n當(dāng) = 0.5時(shí)， = 0 ，電機(jī)停止。 = 2 1 這個(gè)交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用。U, iUd+UsttonT0-UsO

23、Ud=0,電機(jī)停止.但U0，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的ton=T/2 雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:20000左右；（5）低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 6-5511. 變更斬波器工作率的最常用一種方法是( B ) A. 既改變斬波周期，又改變開關(guān)關(guān)斷時(shí)間 B. 保持?jǐn)夭ㄖ芷诓蛔儯淖冮_關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 C. 保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變，改變斬波周期 D. 保持開關(guān)斷開時(shí)間不變，改變斬波周期6-5629（4分）如圖所示斬波電路，直流電源電壓E=100V，斬波頻率f=1kHz。若要求輸出電壓ud的平均值=25V75V可調(diào)，試計(jì)算斬波器V的工作率的變化范圍以及相應(yīng)的斬波器V的導(dǎo)通時(shí)間ton的變化范圍。6-5715直流脈寬調(diào)制變換器，變更工作率的方法是（ ）A. f不變，ton不變B. f不變，ton變 C. f變，ton不變 D. f變，ton變6-5836題3