第七章PWM原理與控制技術(shù)

電力電子應(yīng)用技術(shù)第七章PWM原理與控制技術(shù)變流技術(shù)

相位控制：在一個周期內(nèi)把原波形切為幾塊進(jìn)行重新組合——如可控整流、相控交流調(diào)壓、交交變頻、180°和120°導(dǎo)通型逆變。周波比控制：把一定數(shù)量周期的波形按比例進(jìn)行通斷控制——交流調(diào)功電路。斬波控制：把要變換的波形切碎（切割為許多脈沖）進(jìn)行重新組合——比如直流斬波。脈沖寬度調(diào)制（PWM）：把所變換的波形切割為寬度按要求變化的一系列脈沖——脈沖寬度調(diào)制。脈沖幅度調(diào)制（PAM)：把所變換的波形切割為寬度恒定、高度按要求變化的一系列脈沖——輸出脈沖等寬不等高（如斬控式交流調(diào)壓）。脈沖頻率調(diào)制（PFM）：把所變換的波形切割為脈沖寬度恒定、頻率變化的一系列脈沖——定寬調(diào)頻控制。各自特點：PAM：需調(diào)節(jié)直流電壓的值，諧波含量大PFM：實現(xiàn)相對較難PWM：分析、控制、實現(xiàn)容易，諧波小7.1PWM控制的基本原理理論依據(jù)：面積等效原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖作用在慣性環(huán)節(jié)上時，其作用效果基本相同，也稱面積等效原理。（a）

（b）

（c）

（d）

作用對象：慣性環(huán)節(jié)作用量：窄脈沖（電壓、電流）用等幅不等寬的矩形脈沖來等效正弦波

把正弦半波看成N個彼此相連的等寬脈沖，都等于π/N，脈沖頂部是正弦波的一部分。用相同數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，且使二者面積相等，就是PWM波形。SPWM：脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的一系列脈沖，用以等效正弦波。PWM波形可以等幅，可以不等幅。等幅便于計算，易于實現(xiàn)。不等幅計算復(fù)雜，實現(xiàn)困難，但必須滿足面積等效原理。7.2SPWM波形生成方法7.2.1等面積法——計算法7.2.2調(diào)制法調(diào)制解調(diào)的概念：調(diào)制：源于通信系統(tǒng)，把要傳輸?shù)男盘柛街诹硪粋€信號（載體電波）上，以利于傳輸。解調(diào)：把已調(diào)制的信號還原為原來的信號。載波：載體電波，用于搭載信號波的波。信號波：要傳輸?shù)男畔⒉?。調(diào)制波：用信號波與載波合成的過程叫調(diào)制過程，實際是用信號波調(diào)制載波，故把信號波也稱為調(diào)制波。調(diào)制法產(chǎn)生SPWM波形

1、自然采樣法直接使用調(diào)制波與三角載波相比較，二者的交點時刻就是脈沖的邊沿，這種產(chǎn)生SPWM脈沖的方法稱為自然采樣法。2、規(guī)則采樣法

3、準(zhǔn)正弦波脈沖寬度調(diào)制法——提高直流電壓利用率當(dāng)SPWM控制的正弦調(diào)制波峰值大于三角波的峰值時，會出現(xiàn)過調(diào)制。脈沖寬度不再遵循正弦調(diào)制波的規(guī)律。因而三角載波的幅值必須大于正弦波幅值。解決辦法：①采用梯形波作為調(diào)制波②采用鞍形波作為調(diào)制波7.2.3低次諧波消去法低次諧波消去法的核心，是通過對SPWM脈沖位置的合理安排，達(dá)到既能控制輸出電壓基波的大小，又能有選擇地消除逆變器輸出電壓中某些低次諧波。需聯(lián)立求解的方程。

7.3.PWM控制技術(shù)中的基本概念7.3.1載波比和調(diào)制深度載波比N：載波信號的頻率fc與調(diào)制信號的頻率fr之比。調(diào)制深度：正弦調(diào)制信號的幅值與三角載波信號的幅值之比。

7.3.2同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段同步調(diào)制1、同步調(diào)制使載波信號和調(diào)制信號始終保持同步。2、異步調(diào)制在調(diào)制信號頻率變化時保持載波信號頻率不變。3、分段同步調(diào)制分段同步調(diào)制是將調(diào)制波頻率分為若干個頻段，在每個頻段內(nèi)都保持載波比N恒定不變，不同頻段則載波比N不同。7.3.3單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制單極性調(diào)制：調(diào)制信號ur和載波信號uc始終保持相同的極性。雙極性調(diào)制：指在調(diào)制波的每半周期內(nèi)載波信號uc為雙極性，每個開關(guān)周期內(nèi)輸出電壓波形都會出現(xiàn)正負(fù)兩種極性的電平。7.4PWM逆變電路

7.4.1單相橋式PWM逆變電路雙極性控制模式時單相橋式逆變電路波形圖

7.4.2三相橋式PWM逆變電路

7.5PWM逆變電路的其他控制方法電流跟蹤型PWM控制技術(shù)、空間電壓矢量PWM控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩PWM控制技術(shù)等。7.5.1電流跟蹤型PWM控制技術(shù)基本思想：把希望輸出的電流波形作為指令信號，把實際的電流波形作為反饋信號，通過兩者瞬時值的比較來決定逆變電路各開關(guān)器件的通斷，使實際輸出電流隨指令信號的改變而改變。方法：以逆變電路的輸出電流為控制量，采用閉環(huán)控制的方法生成PWM波形。采用滯環(huán)比較方式的PWM電流跟蹤控制單相半橋逆變電路

三相滯環(huán)比較電流跟蹤型PWM逆變電路

7.5.2電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技

術(shù)三相交流電動機(jī)在定子繞組上施加三相對稱交流電壓，在定子繞組中即產(chǎn)生定子電流和磁通。在三相繞組共同作用下，在電機(jī)的氣隙中產(chǎn)生了合成的旋轉(zhuǎn)磁場。時空變化的旋轉(zhuǎn)磁場由三相平衡正弦電壓產(chǎn)生，為了描述三相電壓與電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的關(guān)系，提出了電壓空間矢量的概念。7.6PWM整流電路用全控型開關(guān)器件取代晶閘管或二極管，采用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)交流到直流的變換?！狿WM整流電路。PWM整流電路的優(yōu)點：電能雙向傳輸、動態(tài)響應(yīng)快、輸入電流的波形正弦、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可達(dá)到1等優(yōu)良性能?！卜Q為高頻整流器或四象限變流器7.6.1PWM整流電路的結(jié)構(gòu)和工作原理只有全控器件組成的單相全橋整流電路

電壓型單相全橋PWM整流電路直流側(cè)負(fù)載兩端并聯(lián)電容可減小直流電壓的脈動，在交流側(cè)串電感可抑制交流電流的脈動。但因電感的存在，當(dāng)全控型器件關(guān)斷時，因電流突變產(chǎn)生的di/dt很大，嚴(yán)重威脅器件的安全，需反并聯(lián)二極管為其提供釋放能量的通道。反并聯(lián)二極管后，只要負(fù)載兩端電壓低于A、B兩端電壓值，則二極管導(dǎo)通（正半周期VD1、VD4導(dǎo)通，負(fù)半周期VD2、VD3導(dǎo)通），同時全控型器件被旁路，整流工作狀態(tài)與二極管整流電路完全相同，對全控型器件進(jìn)行PWM控制失去作用。只有在直流側(cè)電壓Ud大于A、B兩端電壓時，二極管不會自然導(dǎo)通，全控型器件組成的橋式電路才可以正常工作。實際上，PWM整流電路是按升壓斬波電路工作的。當(dāng)us﹥0時，由兩個升壓斬波電路交替工作完成能量從交流側(cè)向直流側(cè)的傳遞。

當(dāng)us﹤0時，由另外兩個升壓斬波電路交替工作完成能量從交流側(cè)向直流側(cè)的傳遞。當(dāng)us﹥0時，兩個升壓斬波電路：

VD1、VT3、VD4、LS和VT2、VD4、VD1、LS

當(dāng)us﹤0時，兩個升壓斬波電路：

VT4、VD2、VD3、LS和VT1、VD3、VD2、LS

PWM整流電路的運行狀態(tài)

（1）uAB滯后us的相角為δ，is與us同相位，電路工作于整流狀態(tài)，且功率因數(shù)為1，能量從交流側(cè)向直流側(cè)傳輸，這是PWM變流電路的最基本的工作狀態(tài)。（2）uAB超前us的相角為δ，is與us的相位正好相反，電路工作于有源逆變狀態(tài)，能量從直流側(cè)向交流側(cè)傳輸。（3）uAB滯后us相角為δ，is超前us90°,電路向交流電源輸送無功功率，這時的電路成為靜止無功功率發(fā)生器（StaticVarGenerator--SVG）。（4）通過對uAB幅值和相位的控制，可以使is與us之間為任意角度φ，可以是超前的，也可以是滯后的。三相PWM整流電路

7.7矩陣式變頻電路矩陣式變頻電路直接把脈動的交流電通過斬波控制變換為所需頻率的交流電，而不再對恒定的直流電進(jìn)行變換，原理仍為分時切片再進(jìn)行組合。矩陣式變頻電路通過開關(guān)控制截取三相交流電源的片段并且重新組合，從而得到所希望的輸出電壓波形。7.8PWM變流電路在電氣傳動方面的應(yīng)用例—交直交變頻器

7.9PWM變流電路在電源技術(shù)方面的應(yīng)用例

—不間斷電源和應(yīng)急電源

7.9.1UPS電源7.9.2EPS電源

7.10PWM變流電路在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用例

7.10.1PWM變流電路在交流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用例

靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器統(tǒng)一潮流