第3篇 電力電子控制技術(shù)

第3篇電力電子的控制技術(shù)

3.1電力電子的控制概述

3.2晶閘管變換電路的通斷控制

3.3PWM控制技術(shù)

3.4一個(gè)完整的控制系統(tǒng)實(shí)例分析

1調(diào)節(jié)：根據(jù)實(shí)際值與給定值之間的誤差，通過一定的調(diào)節(jié)算法，獲得控制量，控制動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。使誤差縮小以至完全消除。算法：PI調(diào)節(jié)，PID調(diào)節(jié)，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最優(yōu)控制，非線性控制…目標(biāo)：控制系統(tǒng)穩(wěn)定，性能優(yōu)動(dòng)作機(jī)構(gòu)：開關(guān)的導(dǎo)通、關(guān)斷常見的開關(guān)控制方式移相觸發(fā)方式：SCR電路，可控整流、交流調(diào)壓、交—交變頻、TCR（可控電抗器）…等特點(diǎn)：移相觸發(fā)角α，諧波大，功率因數(shù)低，過零觸發(fā)：SCR電路，調(diào)功器，TSC特點(diǎn)：工作波形為完整正弦波，無諧波，但調(diào)節(jié)周期長3.1電力電子的控制概述2PWM調(diào)制：全控型開關(guān)器件。固定周期T，調(diào)制導(dǎo)通時(shí)間ton→改變占空比優(yōu)點(diǎn)：由于T固定，f也固定，電路中電感、變壓器、濾波器等有固定的工作頻率，便于優(yōu)化設(shè)計(jì)這些磁性元件。目前應(yīng)用最廣的控制方式PFM調(diào)制：全控型開關(guān)器件。固定導(dǎo)通時(shí)間ton，改變周期T→占空比D改變。由于T在一個(gè)較大的范圍內(nèi)變化，使電路的工作頻率也相應(yīng)在較大的范圍內(nèi)變化，這給電感、變壓器等磁性元件設(shè)計(jì)帶來一定困難。主要應(yīng)用于諧振逆變及諧振軟開關(guān)中3.1電力電子的控制概述3由于晶閘管半控器件的特點(diǎn)，一般較多應(yīng)用于具有交流電源的變換電路中，利用電源電壓的自然換相方式工作，主電路結(jié)構(gòu)簡單。此時(shí)晶閘管一般采用移相觸發(fā)或過零觸發(fā)方式工作。一、移相觸發(fā)的實(shí)現(xiàn)方法同步環(huán)節(jié)：為移相延遲角α提供基準(zhǔn)移相環(huán)節(jié)：提供準(zhǔn)確的移相角度α脈沖形成環(huán)節(jié)：產(chǎn)生一定寬度的脈沖脈沖分配環(huán)節(jié)：將脈沖分配到每一只SCR脈沖功率放大及驅(qū)動(dòng)：隔離、放大1．模擬實(shí)現(xiàn)：集成芯片+少量的外圍元件，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)方案簡單，但易受參數(shù)漂移、溫漂等影響→精度不高，3～5。，三相對稱度不好，具體實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)有：3.2晶閘管變換電路的通斷控制4同步環(huán)節(jié)：同步變壓器→過零比較器→施密特觸發(fā)器，確保無振蕩脈沖移相環(huán)節(jié)：運(yùn)算放大器→控制量Uc，調(diào)節(jié)Uc大小來改變脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻脈沖形成環(huán)節(jié)：單穩(wěn)態(tài)電路脈沖分配環(huán)節(jié)：邏輯分配脈沖放大與驅(qū)動(dòng)：如下圖2．?dāng)?shù)字電路實(shí)現(xiàn)：精度高，重復(fù)性好。采用定時(shí)計(jì)數(shù)方式實(shí)現(xiàn)精確移相3.2晶閘管變換電路的通斷控制5假設(shè)：用8位二進(jìn)制數(shù)對0～180進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)器變化1，對應(yīng)電角度為180/256≈0.723．采用大規(guī)模邏輯芯片(CPLD)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模CPLD芯片完成數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的移相觸發(fā)電路4．單片機(jī)實(shí)現(xiàn)：定時(shí)計(jì)數(shù)，利用程序?qū)崿F(xiàn)二、過零觸發(fā)過零檢測環(huán)節(jié)、脈沖形成、脈沖分配、放大驅(qū)動(dòng)3.2晶閘管變換電路的通斷控制6假設(shè)：用8位二進(jìn)制數(shù)對0～180進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)器變化1，對應(yīng)電角度為180/256≈0.723．采用大規(guī)模邏輯芯片(CPLD)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模CPLD芯片完成數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的移相觸發(fā)電路4．單片機(jī)實(shí)現(xiàn)：定時(shí)計(jì)數(shù)，利用程序?qū)崿F(xiàn)二、過零觸發(fā)過零檢測環(huán)節(jié)、脈沖形成、脈沖分配、放大驅(qū)動(dòng)3.2晶閘管變換電路的通斷控制7全控型開關(guān)器件的通斷控制方式可分為PWM(PulseWidthModulation)控制和PFM(PulseFrequencyModulation)控制，其中以PWM控制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，PFM控制僅僅在某些特殊的場合才有所應(yīng)用。PWM控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。全控型器件的發(fā)展才使得PWM控制技術(shù)變得十分容易實(shí)現(xiàn)。PWM控制的思想源于通信技術(shù)，但在電力電子的控制中獲得了廣泛應(yīng)用，它使電力電子裝置的性能大大提高。3.3PWM控制技術(shù)83.3PWM控制技術(shù)PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路和直流變換電路中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。特別是現(xiàn)在各種逆變電路都采用了PWM技術(shù)。在直流變換電路中，由于輸出為直流，因此PWM技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法對輸出性能影響不大。在逆變電路中，由于輸出交流所要求的要素較多（如：頻率、大小、波形），其性能指標(biāo)依賴于PWM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。93.3.1

PWM控制的基本思想重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理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。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同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)103.3.1

PWM控制的基本思想b)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”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)。

11Ouωt>SPWM波3.3.1

PWM控制的基本思想Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波Ouωt>123.3.1

PWM控制的基本思想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。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波Ouωt>133.3.1

PWM控制的基本思想OwtUd-Ud對于正弦波的負(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。143.3.1

PWM控制的基本思想等幅PWM波輸入電源是恒定直流

直流斬波電路

PWM逆變電路

PWM整流電路不等幅PWM波輸入電源是交流或不是恒定的直流

斬控式交流調(diào)壓電路矩陣式變頻電路OwtUd-UdUoωt153.3.2

PWM的調(diào)制方法PWM調(diào)制技術(shù)：源自于通信技術(shù)，載波、調(diào)制波載波：為特定的高頻波電力電子常用的載波：鋸齒波、三角波調(diào)制波：期望被調(diào)制的波形，一般頻率遠(yuǎn)低于載波一般有：電平、正弦波、正弦波迭加部分諧波調(diào)制方法：載波與調(diào)制波分別送比較器的反相輸入端和同相輸入端，輸出則獲得PWM調(diào)制波調(diào)制示例：16鋸齒波調(diào)制：a、PWM波頻率＝鋸齒波載波頻率b、PWM寬度：受Uc控制，Uc↑→脈寬↑c(diǎn)、Uc變化時(shí)，PWM波前沿不變，后沿變化→單邊調(diào)制。傅立葉分析，含有偶次諧波，諧波含量大。直流變換電路的PWM調(diào)制可采用鋸齒波載波三角形載波（等腰三角形）：a、PWM波頻率＝三角形載波頻率b、PWM寬度：受Uc控制，Uc↑→脈寬↑c(diǎn)、Uc變化時(shí)，PWM波前后沿對稱變化→雙邊調(diào)制，傅立葉分析結(jié)果，它不含偶次諧波，諧波含量小逆變電路的PWM調(diào)制宜采用三角形載波3.3.2

PWM的調(diào)制方法173.3.2

PWM的調(diào)制方法調(diào)制波

DC電平：常用于直流開關(guān)電源

正弦波：用于逆變電路（SPWM調(diào)制）

正弦波+部分諧波(如3次諧波)：用于逆變或變頻電路

當(dāng)調(diào)制波信號(hào)中加有3次諧波分量時(shí)，所產(chǎn)生的SPWM波也含有3次諧波，如果應(yīng)用于三相三線制系統(tǒng)中，由于沒有3次諧波電流流通路徑，因此3次諧波分量不會(huì)產(chǎn)生不良影響。而它的存在以使輸出電壓升高（即：直流電壓利用率提高），也使開關(guān)頻率有所降低，從而降低開關(guān)損耗。183.3.2

PWM的調(diào)制方法PWM調(diào)制方法對逆變電路的輸出性能有較大影響評(píng)價(jià)SPWM調(diào)制方案的優(yōu)劣：諧波含量：諧波含量應(yīng)盡可能減小開關(guān)頻率：若以較低的開關(guān)頻率就能獲得較小的諧波含量，可降低開關(guān)損耗電壓利用率：輸出電壓基波有效值/直流母線電壓，越高越好!載波比載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比稱為載波比N，N=fc/fr調(diào)制比調(diào)制信號(hào)幅值Ur與載波幅值Uc之比稱為調(diào)制比M，

M=Ur/Uc193.3.2

PWM的調(diào)制方法根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。異步調(diào)制：載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的；在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱；當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小；當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大。203.3.2

PWM的調(diào)制方法同步調(diào)制

——載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時(shí)使載波與信號(hào)波保持同步，即N等于常數(shù)基本同步調(diào)制方式，fr變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱。為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)。fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。fr很高時(shí)，fc會(huì)過高，使開關(guān)器件難以承受。213.3.2

PWM的調(diào)制方法分段同步調(diào)制

——異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用。把整個(gè)fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段的N不同。在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高；在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低。為防止fc在切換點(diǎn)附近來回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)?？稍诘皖l輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來。分段同步調(diào)制方式舉例

223.3.2

PWM的調(diào)制方法雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud單極性調(diào)制

獲得的PWM波為單一極性（負(fù)半周則通過反相器變換）雙極性調(diào)制

獲得的PWM波由正反兩個(gè)極性的電平組成由于開關(guān)器件的通斷控制規(guī)律不同，相應(yīng)的輸出波形也有較大差別。233.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)模擬電路實(shí)現(xiàn)方法載波：a、鋸齒波：恒流充電、短路放電→鋸齒波發(fā)生器

b、三角波：恒流充、放電→三角波發(fā)生器調(diào)制波：a、DC電平

b、正弦波：正弦波發(fā)生器、乘法器，有局限性調(diào)制器：模擬比較器數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)方法載波：a、鋸齒波：加法計(jì)數(shù)器

b、三角波：加減計(jì)數(shù)器＋組合邏輯調(diào)制波：提供一個(gè)寄存器單元，其內(nèi)容就是離散化的調(diào)制波的二進(jìn)制數(shù)值調(diào)制器：數(shù)值比較器243.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)片內(nèi)PWM發(fā)生器載波：一般為三角波，載波周期可由CPU程序初始化設(shè)定，由硬件電路實(shí)現(xiàn)調(diào)制波：實(shí)際上為一個(gè)寄存器，用于存放調(diào)制波的大小，其調(diào)制波的實(shí)際值應(yīng)由程序計(jì)算后賦值到寄存器內(nèi)調(diào)制器：數(shù)值比較器，由硬件電路實(shí)現(xiàn)，無需CPU干預(yù)實(shí)時(shí)計(jì)算法實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確地計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制開關(guān)器件的通斷，得到所需的PWM波形。規(guī)則采樣法、直接PWM法、特定諧波消去法、空間矢量PWM法……253.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)1）規(guī)則采樣計(jì)算法自然采樣法按照SPWM控制的基本原理產(chǎn)生的PWM波的方法，其求解復(fù)雜，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，工程應(yīng)用不多。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法工程實(shí)用方法，效果接近自然采樣法，計(jì)算量小得多。不對稱規(guī)則采樣三角形載波頂點(diǎn)和底點(diǎn)均采樣對稱規(guī)則采樣僅在三角形載波底點(diǎn)采樣26不對稱規(guī)則采樣

在三角形載波頂點(diǎn)與底點(diǎn)采樣，采樣值與三角形載波的交點(diǎn)為PWM脈沖翻轉(zhuǎn)的時(shí)刻右圖所形成的PWM計(jì)算如下：其中調(diào)制比3.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)273.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc

。如圖所示確定A、B點(diǎn)，在tA和tB時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷。脈沖寬度d

和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d規(guī)則采樣法對稱規(guī)則采樣

僅在三角形載波底點(diǎn)采樣，采樣值對稱向左右延伸，分別與三角形載波的交點(diǎn)成為PWM脈沖翻轉(zhuǎn)的時(shí)刻。283.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)規(guī)則采樣法計(jì)算公式推導(dǎo)正弦調(diào)制信號(hào)波三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度調(diào)制比M，0≤M<1；wr為信號(hào)波角頻率從右圖得,

ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d對稱規(guī)則采樣法29其中任意區(qū)間正弦波面積：PWM波面積為：2）DPWM計(jì)算法（直接PWM法）基本思想：等面積或平均值等效法。具體而言：將期望獲得的正弦參考電壓在一個(gè)周期內(nèi)等分為2N個(gè)等份，使每個(gè)等份內(nèi)正弦波所圍面積與其PWM波的面積相等。3.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)30DPWM算法的特征：

脈寬正比于：若令A(yù)m/＝常數(shù)，則有：δi=KΔi→輸出具有恒壓頻比特性；若令A(yù)m＝常數(shù)，則有：δi=KΔi/

→輸出具有恒定輸出電壓特性；特別適應(yīng)的應(yīng)用對象：感應(yīng)電機(jī)的變頻調(diào)速①脈寬按δi=KΔi計(jì)算，則逆變器為恒壓頻比輸出特性，它正是感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)所要求的特征（在f<fe

時(shí)）→電機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行特性；②脈寬按δi=KΔi/

計(jì)算，則逆變器將輸出恒定的電壓，它正是感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)在f>fe

時(shí)所要求的特征→電機(jī)具有恒功率運(yùn)行特性；3.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)313.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)以右圖為例說明該方法，設(shè)：輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各3次（不包括0和π），共6個(gè)開關(guān)時(shí)刻可控。為減少諧波并簡化控制，要盡量使波形對稱。特定諧波消去法的輸出PWM波形OwtuoUd-Ud2ppa1a2a33）特定諧波消去法這是計(jì)算法中一種較有代表性的方法323.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)首先，為消除偶次諧波，使波形正負(fù)兩半周期鏡對稱，即其次，為消除諧波中余弦項(xiàng)，應(yīng)使波形在正半周期內(nèi)前后1/4周期以π/2為軸線對稱

同時(shí)滿足式上述兩式的波形稱為四分之一周期對稱波形，用傅里葉級(jí)數(shù)表示為

式中，an為333.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)能獨(dú)立控制a1、a

2和a

3共3個(gè)時(shí)刻。該波形的an為

式中n=1,3,5,…OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3確定a1的值，再令兩個(gè)不同的an=0(n=1,3,5…)，就可建三個(gè)方程，求得a1、a2和a3。特定諧波消去法的輸出PWM波形34消去兩種特定頻率的諧波3.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)在三相對稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消?？煽紤]消去5次和7次諧波，得如下聯(lián)立方程：給定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1變，a1、a2和a3也相應(yīng)改變。353.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)一般在輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各k次，考慮到PWM波四分之一周期對稱，k個(gè)開關(guān)時(shí)刻可控，除用一個(gè)自由度控制基波幅值外，可消去k－1個(gè)頻率的特定諧波。k的取值越大，開關(guān)時(shí)刻的計(jì)算越復(fù)雜。363.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)4）空間矢量PWM法基本思想：將被控對象與逆變電路作為一個(gè)整體，建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，分析出所有可行的開關(guān)組合（狀態(tài)）對被控對象的影響，然后根據(jù)被控對象的給定值與實(shí)際值的誤差大小與正負(fù)來實(shí)時(shí)選取最優(yōu)的開關(guān)矢量，達(dá)到盡快消除誤差的目的?？臻g電壓矢量的概念以3相橋式逆變電路180互補(bǔ)工作方式為例來說明，所謂180互補(bǔ)導(dǎo)通工作方式，即在同一瞬間，3相橋的每個(gè)輸出相總有一只管導(dǎo)通，因而可用一個(gè)“單刀雙擲”開關(guān)來等效。37

設(shè)：上橋臂開關(guān)導(dǎo)通其值為“1”。下橋臂開關(guān)導(dǎo)通其值為“0”。即 Si＝ i=a,b,c

因此SaSbSc的可行組合共有8種.103.3.3PWM的實(shí)現(xiàn)38SaSbSc

000001010011100101110111uaubuc

000-E/3-E/32E/3-E/32E/3-E/3-2E/3E/3E/32E/3-E/3-E/3E/3-2E/3E/3E/3E/3-2E/300000-1/2E-1/2E-E0E01/2E1/2E008種開關(guān)組合，共產(chǎn)生8個(gè)空間電壓向量，其中兩個(gè)零電壓矢量，六個(gè)非零電壓矢量，這六個(gè)非零電壓矢量在空間上互差60。對稱分布。（100）（110）（010）（011）（001）（101）(000,111)ABC3.3.3PWM的實(shí)現(xiàn)393.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)5）跟蹤控制法把希望輸出的波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際波形作為反饋信號(hào)，通過兩者的瞬時(shí)值比較來決定變換電路中各開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤指令信號(hào)變化。由此形成PWM跟蹤控制法。常用的PWM跟蹤控制方法滯環(huán)比較方式將輸出量控制在指令信號(hào)的一個(gè)允許誤差帶范圍內(nèi)上下波動(dòng)三角波比較方式將輸出量與指令信號(hào)的誤差由控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器處理后，作為調(diào)制波與三角形載波進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生PWM定時(shí)比較方式在一個(gè)固定的控制周期到來時(shí)刻，依據(jù)輸出量和指令信號(hào)的偏差來決定開關(guān)的通斷狀態(tài)403.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)滯環(huán)比較方式的電流跟蹤控制電流跟蹤控制的基本原理把指令電流i*和實(shí)際輸出電流i的偏差i*-i作為滯環(huán)比較器的輸入。V1（或VD1）通時(shí)，i增大V2（或VD2）通時(shí)，i減小通過環(huán)寬為2DI的滯環(huán)比較器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*。參數(shù)的影響環(huán)寬過寬時(shí)，開關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過窄時(shí)，跟蹤誤差小，但開關(guān)頻率過高，開關(guān)損耗增大。L大時(shí)，i的變化率小，跟蹤慢；L小時(shí)，i的變化率大，開關(guān)頻率過高。滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例tOiii*+DIi*-DIi*滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流413.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)滯環(huán)比較方式電流跟蹤PWM控制的特點(diǎn)硬件電路簡單。實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快。不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波。和計(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率時(shí)輸出電流中高次諧波含量多。閉環(huán)控制，是各種跟蹤型PWM變流電路的共同特點(diǎn)。423.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)滯環(huán)比較方式的電壓跟蹤控制把指令電壓u*和輸出電壓u進(jìn)行比較，濾除偏差信號(hào)中的諧波，濾波器的輸出送入滯環(huán)比較器，由比較器輸出控制開關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。電壓跟蹤控制電路舉例433.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)和電流跟蹤控制電路相比，只是把指令和反饋信號(hào)從電流變?yōu)殡妷?。輸出電壓PWM波形中含大量高次諧波，必須用適當(dāng)?shù)臑V波器濾除。u*=0時(shí)，輸出電壓u為頻率較高的矩形波，相當(dāng)于一個(gè)自勵(lì)振蕩電路。u*為直流信號(hào)時(shí)，u產(chǎn)生直流偏移，變?yōu)檎?fù)脈沖寬度不等，正寬負(fù)窄或正窄負(fù)寬的矩形波。u*為交流信號(hào)時(shí)，只要其頻率遠(yuǎn)低于上述自勵(lì)振蕩頻率，從u中濾除由器件通斷產(chǎn)生的高次諧波后，所得的波形就幾乎和u*

相同，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。443.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)負(fù)載+-iUi*U+-iVi*V+-iWi*WUdC+-C+-C+-三相三角波發(fā)生電路AAA三角形比較方式基本原理不是把指令信號(hào)和三角波直接進(jìn)行比較，而是通過閉環(huán)來進(jìn)行控制。把指令電流i*U、i*V和i*W和實(shí)際輸出電流iU、iV、iW進(jìn)行比較，求出偏差，通過放大器A放大后，再去和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波形。放大器A通常為比例積分特性或比例特性，其系數(shù)直接影響電流跟蹤特性。特點(diǎn)開關(guān)頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器設(shè)計(jì)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(huán)比較控制方式相比，這種控制方式輸出電流所含的諧波少。三角波比較方式電流跟蹤PWM控制453.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)鐘。以固定采樣周期對指令信號(hào)和被控制變量進(jìn)行采樣，根據(jù)偏差的極性來控制開關(guān)器件通斷。在時(shí)鐘信號(hào)到來的時(shí)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(gè)采樣時(shí)刻的控制都使實(shí)際電流與指令電流的誤差減小。用定時(shí)比較方式時(shí)，器件的最高開關(guān)頻率為時(shí)鐘頻率的1/2。和滯環(huán)比較方式相比，電流控制誤差沒有一定的環(huán)寬，控制的精度低一些。滯環(huán)比較方式和三角波比較方式常用于模擬控制系統(tǒng)，而定時(shí)比較方式常用于微機(jī)控制系統(tǒng)。定時(shí)比較方式463.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)6）PWM的特殊調(diào)制方式在SPWM調(diào)制技術(shù)中，一般情況下調(diào)制波總是被設(shè)定成純正弦信號(hào)的。如果將調(diào)制波設(shè)定成某些特定的波形或在正弦波基礎(chǔ)上迭加一定的諧波成分，可以提高直流母線電壓的利用率，減小開關(guān)器件的開關(guān)頻率。幾種特殊的PWM調(diào)制方法梯形波調(diào)制以梯形波作為調(diào)制信號(hào)，與三角形載波進(jìn)行調(diào)制，可提高直流母線電壓的利用率，但獲得的PWM波將含有低次諧波。正弦調(diào)制波迭加三次諧波或直流分量一般應(yīng)用于三相逆變電路的線電壓輸出，用以提高直流電壓利用率，并盡量減小開關(guān)頻率。而此時(shí)直流分量或三次諧波分量在線電壓輸出不出現(xiàn)（相電壓相減而抵消）。47ucurUurVurWuuUN'OwtOwtOwtOwtuVN'uUV3.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)梯形波為調(diào)制信號(hào)的PWM控制梯形波調(diào)制方法采用梯形波作為調(diào)制信號(hào)，可有效提高直流電壓利用率。梯形波的形狀用三角化率s=Ut/Uto描述，Ut為以橫軸為底時(shí)梯形波的高，Uto為以橫軸為底邊把梯形兩腰延長后相交所形成的三角形的高。s=0時(shí)梯形波變?yōu)榫匦尾?，s=1時(shí)梯形波變?yōu)槿遣?。梯形波含低次諧波，PWM波含同樣的低次諧波。低次諧波（不包括由載波引起的諧波）產(chǎn)生的波形畸變率為d。483.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)d和U1m/Ud隨s

變化的情況。s變化時(shí)各次諧波分量幅值Unm和基波幅值U1m之比。U,d00.20.40.60.81.0d0.20.40.60.81.01.21mUdUdU1ms

變化時(shí)的d

和直流電壓利用率

s0.20.40.60.81.0s5wr00.10.27wr11wr13wrU1mUmn

s變化時(shí)的各次諧波含量梯形波調(diào)制的缺點(diǎn):輸出波形中含5次、7次等低次諧波s=0.4時(shí)，諧波含量也較少，約為3.6%，直流電壓利用率為1.03，綜合效果較好。49正弦波迭加三次諧波的調(diào)制方法該方法用于線電壓控制，它適當(dāng)?shù)乩枚嘤嗟囊粋€(gè)自由度來改善控制性能。3.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)uucr1uOwturur1uOwtur3

疊加3次諧波的調(diào)制信號(hào)目標(biāo)——使輸出線電壓不含低次諧波，同時(shí)盡可能提高直流電壓利用率，并盡量減少器件開關(guān)次數(shù)。直接控制手段仍是對相電壓進(jìn)行控制，但控制目標(biāo)卻是線電壓鞍形波的基波分量幅值大。除疊加3次諧波外，還可疊加其他3倍頻的信號(hào)，也可疊加直流分量，都不會(huì)影響線電壓。疊加三次諧波在相電壓調(diào)制信號(hào)中疊加3次諧波，使之成為鞍形波，輸出相電壓中也含3次諧波，且三相的三次諧波相位相同。合成線電壓時(shí)，3次諧波相互抵消，線電壓為正弦波。503.3.3

PWM的實(shí)現(xiàn)線電壓控制方式舉例（疊加3倍次諧波和直流分量）

線電壓控制方式舉例疊加up，既包含3倍次諧波，也包含直流分量，up大小隨正弦信號(hào)的大小而變化。設(shè)三角波載波幅值為1，三相調(diào)制信號(hào)的正弦分別為urU1、urV1和urW1，令up＝－min(urU1,urV1,urW1)－1則三相的調(diào)制信號(hào)分別為：513.3.3PWM的實(shí)現(xiàn)不論urU1、urV1和urW1幅值的大小，urU、urV、urW總有1/3周期的值和三角波負(fù)峰值相等。在這1/3周期中，不對調(diào)制信號(hào)值為-1的相進(jìn)行控制，只對其他兩相進(jìn)行控制，這種控制方式稱為兩相控制方式

。

優(yōu)點(diǎn)（1）在1/3周期內(nèi)器件不動(dòng)作，開關(guān)損耗減少1/3。（2）最大輸出線電壓基波幅值為Ud，直流電壓利用率提高。（3）輸出線電壓不含低次諧波，優(yōu)于梯形波調(diào)制方式。523.4一個(gè)完整的控制系統(tǒng)實(shí)例分析控制系統(tǒng)實(shí)例分析——PWM整流電路實(shí)用的整流電路幾乎都是晶閘管整流或二極管整流。晶閘管相控整流電路：輸入電流滯后于電壓，諧波分量大，功率因數(shù)很低。二極管整流電路：雖位移因數(shù)接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)也很低。把逆變電路中的SPWM控制技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路?？刂芇WM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(shù)近似為1，也稱單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器。531．單相PWM整流電路單相PWM整流電路4.4.1PWM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。半橋電路直流側(cè)電容必須由兩個(gè)電容串聯(lián)，其中點(diǎn)和交流電源連接。單相半橋電路

交流側(cè)電感Ls包括外接電抗器的電感和交流電源內(nèi)部電感，是電路正常工作所必須的。全橋電路直流側(cè)電容只要一個(gè)就可以。單相全橋電路544.4.1PWM整流電路的工作原理(1)單相全橋PWM整流電路的工作原理正弦信號(hào)波和三角波相比較的方法對右圖中的V1~V4進(jìn)行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端AB產(chǎn)生一個(gè)SPWM波uAB。uAB中含有和正弦信號(hào)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(guān)的頻率很高的諧波，不含有低次諧波。由于Ls的濾波作用，諧波電壓只使is產(chǎn)生很小的脈動(dòng)。當(dāng)正弦信號(hào)波頻率和電源頻率相同時(shí)，is也為與電源頻率相同的正弦波。us一定時(shí)，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。554.4.1PWM整流電路的工作原理PWM整流電路的運(yùn)行方式向量圖a)整流運(yùn)行b)逆變運(yùn)行c)無功補(bǔ)償運(yùn)行d)超前角為j

dj·Us·UL·UR·UAB·Isd·Us·UR·UAB·Is·ULd·Us·UR·UAB·Is·ULd·Us·UR·UAB·Is·UL564.4.1PWM整流電路的工作原理b)逆變運(yùn)行d·Us·UR·UAB·Is·ULa)整流運(yùn)行d·Us·UL·UR·UAB·Isa：滯后相角d

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

，和反相，逆變狀態(tài)，說明PWM整流電路可實(shí)現(xiàn)能量正反兩個(gè)方向的流動(dòng)，這一特點(diǎn)對于需再生制動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)很重要574.4.1PWM整流電路的工作原理c)無功補(bǔ)償運(yùn)行d·Us·UR·UAB·Is·ULd)超前角為j

jd·Us·UR·UABIs·ULc：滯后相角d，超前90°，電路向交流電源送出無功功率，這時(shí)稱為靜止無功功率發(fā)生器（StaticVarGenerator—SVG）。d：通過對幅值和相位的控制，可以使比超前或滯后任一角度j

。584.4.1PWM整流電路的工作原理(2)對單相全橋PWM整流電路工作原理的進(jìn)一步說明整流狀態(tài)下:us>0時(shí)，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分別組成兩個(gè)升壓斬波電路，以（V2、VD4、VD1、Ls）為例。V2通時(shí)，us通過V2、VD4向Ls儲(chǔ)能。V2關(guān)斷時(shí)，Ls中的儲(chǔ)能通過VD1、VD4向C充電。us<0時(shí)，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分別組成兩個(gè)升壓斬波電路。594.4.1PWM整流電路的工作原理2．三相PWM整流電路三相橋式PWM整流電路，是最基本的PWM整流電路之一，應(yīng)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(kuò)展到三相。進(jìn)行SPWM控制，在交流輸入端A、B和C可得SPWM電壓，根據(jù)前述的相量圖控制，可使ia、ib、ic為正弦波且和電壓同相且功率因數(shù)近似為1。和單相相同，該電路也可工作在逆變運(yùn)行狀態(tài)及圖c或d的狀態(tài)。三相橋式PWM整流電路

負(fù)載604.4.2PWM整流電路的控制方法間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1)間接電流控制間接電流控制也稱為相位