脈寬調(diào)制PWM技術(shù)

脈寬調(diào)制PWM技術(shù)第1頁/共46頁現(xiàn)代電力電子及變流技術(shù)第三章

脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)第2頁/共46頁第三章脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)

引言

3.1PWM的基本原理

3.2SPWM的調(diào)制原理

3.3SPWM的調(diào)制方法

3.4SPWM的實現(xiàn)

3.5SVPWM的原理及實現(xiàn)本章小結(jié)第3頁/共46頁引言說明：PWM的思想源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展促進了PWM技術(shù)的應(yīng)用和完善；PWM技術(shù)在逆變電路中的成功應(yīng)用確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位；PWM技術(shù)以其對波形調(diào)制的靈活性和通用型，在電力電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為電力變換器控制的基礎(chǔ)。PWM(PulseWidthModulation)指脈寬調(diào)制技術(shù)：——通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，等效出所需要的波形（含形狀和幅值)。第4頁/共46頁3.1PWM的基本原理理論基礎(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，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)第5頁/共46頁3.1PWM的基本原理PWM的調(diào)制思想如何用一系列脈沖來代替一個正弦半波？Ouωt>第6頁/共46頁3.1PWM的基本原理PWM的調(diào)制原理如何改變正弦波形幅值？SPWM波按同一比例改變各脈沖寬度如何改變正弦波形頻率？在脈沖周期不變的條件下，改變脈沖個數(shù)第7頁/共46頁3.1PWM的基本原理SPWM的調(diào)制單極性SPWM—對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形。第8頁/共46頁3.1PWM的基本原理小結(jié)PWM波可等效的各種波形直流斬波電路直流波形

SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:

所需波形

等效的PWM波第9頁/共46頁3.2SPWM的調(diào)制原理注：

目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術(shù)。逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場合。

根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計算PWM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，就可得到所需SPWM波形。SPWM生成的基本思想第10頁/共46頁3.2SPWM的調(diào)制原理SPWM生成的計算方法——特定諧波消去法波形設(shè)計：輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各3次（不包括0和π），共6個開關(guān)時刻可控。為減少諧波并簡化控制，要盡量使波形對稱。OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3一種較有代表性的方法第11頁/共46頁3.2SPWM的調(diào)制原理特定諧波消去法——波形計算首先，為消除偶次諧波，使波形正負兩半周期對稱，即其次，為消除諧波中余弦項，應(yīng)使波形在正半周期內(nèi)前后1/4周期以π/2為軸線對稱同時滿足上兩式的波形，用傅里葉級數(shù)表示為式中：第12頁/共46頁3.2SPWM的調(diào)制原理特定諧波消去法——波形計算能獨立控制a1、a

2和a

3共3個時刻,該波形的an為OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3式中n=1,3,5,…低次諧波幅值大第13頁/共46頁將兩種特定頻率諧波的幅值設(shè)計為0，形成兩個獨立方程特定諧波消去法——波形計算在三相對稱電路中，相電壓所含的3次諧波相互抵消?？稍O(shè)計消去5次和7次諧波，則正弦波幅值3.2SPWM的調(diào)制原理a1、a2和a3待求解的量？還需要兩個獨立方程可得a1、a2和a3。第14頁/共46頁特定諧波消去法——小結(jié)3.2SPWM的調(diào)制原理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個開關(guān)時刻可控，除用一個自由度控制基波幅值外，可消去k－1個頻率的特定諧波。k的取值越大，消去的特定諧波越多，波形越理想，但開關(guān)時刻的計算越復(fù)雜。

有沒有更好的產(chǎn)生SPWM的方法？這種方法能夠取很大的k值又無需復(fù)雜的計算第15頁/共46頁單極性SPWM的調(diào)制方法——單相橋逆變3.3SPWM的調(diào)制方法ur正半周，V1保持通，V2保持斷——當(dāng)ur>uc時，使V4通，V3斷，uo=Ud；——當(dāng)ur<uc時，使V4斷，V3通，uo=0。ur負半周，V1保持斷，V2保持通——當(dāng)ur>uc時，使V4通，V3斷，uo=0；——當(dāng)ur<uc時，使V4斷，V3通，uo=-Ud。在ur和uc交點時刻控制IGBT的通斷第16頁/共46頁雙極性SPWM的調(diào)制方法——單相橋逆變3.3SPWM的調(diào)制方法當(dāng)ur>uc時，V1和V4導(dǎo)通，V2和V3關(guān)斷——io>0時，V1和V4工作，uo=Ud；——io<0時，VD1和VD4工作，uo=Ud

。當(dāng)ur>uc時，V2和V3導(dǎo)通，V1和V4關(guān)斷——io<0時，V2和V3工作，uo=-Ud

；——io>0時，VD2和VD3工作，uo=-Ud

。第17頁/共46頁雙極性調(diào)制和單極性調(diào)制的比較3.3SPWM的調(diào)制方法第18頁/共46頁3.3SPWM的調(diào)制方法三相SPWM的調(diào)制方法三相的PWM控制公用三角波載波uc三相的調(diào)制信號urU、urV和urW依次相差120°第19頁/共46頁3.3SPWM的調(diào)制方法三相SPWM——U相分析為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死區(qū)時間死區(qū)時間會給輸出的PWM波帶來影響。注：第20頁/共46頁同步調(diào)制和異步調(diào)制1）異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式通常保持fc固定不變2）同步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時使載波與信號波保持同步3.3SPWM的調(diào)制方法第21頁/共46頁規(guī)則采樣法為什么提出規(guī)則采用法？按照SPWM的基本原理，SPWM波的生成方法被稱為自然采樣法。這種方法最大的問題是：用軟件算法不易實現(xiàn)在工程應(yīng)用中很少采用自然采樣法工程應(yīng)用中，采用軟件生成SPWM是主流方向3.4PWM的實現(xiàn)第22頁/共46頁規(guī)則采樣法——一種工程實用方法設(shè)三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc3.4PWM的實現(xiàn)第23頁/共46頁3.4PWM的實現(xiàn)閉環(huán)方法滯環(huán)比較方式跟蹤控制方法—把希望輸出的波形作為指令信號，把實際波形作為反饋信號，通過兩者的瞬時值比較來決定逆變電路各開關(guān)器件的通斷，使實際的輸出跟蹤指令信號變化。三角波比較方式第24頁/共46頁3.5SVPWM的原理及實現(xiàn)SVPWM？

空間矢量脈寬調(diào)制第25頁/共46頁單相逆變器結(jié)構(gòu)特點電路結(jié)構(gòu)特征：2個橋臂輸出電壓：結(jié)構(gòu)分析：每個橋臂存在2個開關(guān)狀態(tài)—橋臂上開關(guān)通(用Sa=1描述)；—橋臂下開關(guān)通(用Sa=0描述)。逆變器共有4種開關(guān)狀態(tài)—SaSb：00，01，10，11。開關(guān)狀態(tài)與電壓的關(guān)系3.5SVPWM的原理及實現(xiàn)結(jié)構(gòu)特點兩個橋臂電壓Vag和Vbg分別獨立可控——控制存在兩個自由度；由于連接了負載，輸出電壓Vab具有唯一性——只有一個自由度。如何分析兩維的橋臂電壓和一維的輸出電壓之間的聯(lián)系？第26頁/共46頁幾何分析方法矢量空間橋臂電壓構(gòu)成兩維空間，兩個自由度分別代表兩個垂直方向——橋臂電壓空間；輸出電壓只有一個自由度，構(gòu)成一維空間

——輸出電壓空間。3.5SVPWM的原理及實現(xiàn)橋臂電壓和輸出電壓的聯(lián)系采用投影方式建立聯(lián)系；開關(guān)狀態(tài)(00)，(11)形成的兩個橋臂電壓——對應(yīng)一個輸出電壓(0V)。這一投影具有唯一性第27頁/共46頁投影關(guān)系V0是零序電壓逆變器控制方法V0*為一定范圍的任意數(shù)注：

V0*取常數(shù)（如Vi）時，Vag和Vbg的驅(qū)動波形可以設(shè)計。例：Vab*取0.5Vi，V0*取ViVag取0.75Vi，Vbg取0.25Vi3.5SVPWM的原理及實現(xiàn)V0*取其他值會怎樣？V0*有沒有一個取值原則？

第28頁/共46頁3.5SVPWM的原理及實現(xiàn)三相逆變器結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特征：3個橋臂電路特征：結(jié)構(gòu)分析：每個橋臂存在2個開關(guān)狀態(tài)—橋臂上開關(guān)通(用Sa=1描述)；—橋臂下開關(guān)通(用Sa=0描述)。逆變器共有8種開關(guān)狀態(tài)，—SaSb：000，001，010，

011，100，101，110，111。結(jié)構(gòu)特點三個橋臂電壓Vag、Vbg和Vcg分別獨立可控——控制存在三個自由度；由于連接了負載，輸出電壓Van、Vbn和Vcn存在耦合關(guān)系——只有兩個自由度。開關(guān)狀態(tài)與橋臂電壓的關(guān)系如何分析三維橋臂電壓和兩維輸出電壓之間的聯(lián)系？第29頁/共46頁幾何分析方法矢量空間橋臂電壓構(gòu)成三維空間，三個自由度分別代表三個垂直方向——橋臂電壓空間；輸出電壓只有兩個自由度，構(gòu)成兩維空間——輸出電壓空間。3.5SVPWM的原理及實現(xiàn)橋臂電壓和輸出電壓的聯(lián)系采用投影方式建立聯(lián)系；開關(guān)狀態(tài)(000)，(111)形成的兩個橋臂電壓——對應(yīng)一個輸出電壓矢量點(Van,Vbn,Vcn)=(0,0,0)。這一投影具有唯一性第30頁/共46頁投影關(guān)系3.5SVPWM的原理及實現(xiàn)根據(jù)實際情況自動調(diào)整投影比例開關(guān)狀態(tài)與輸出電壓的關(guān)系第31頁/共46頁解耦投影關(guān)系(Clark變換)3.5SVPWM的原理及實現(xiàn)V0是零序電壓第32頁/共46頁電壓變換關(guān)系逆變器控制方法第33頁/共46頁3.5SVPWM的原理及實現(xiàn)—SVPWM思想開關(guān)狀態(tài)與電壓矢量的關(guān)系電壓矢量的空間位置電壓矢量軌跡第34頁/共46頁3.5SVPWM的原理及實現(xiàn)SVPWM的思想：

對一個給定理想?yún)⒖茧妷菏噶浚眠@8種開關(guān)狀態(tài)逼近它。電壓矢量如何實現(xiàn)？待解決問題：參考矢量由開關(guān)狀態(tài)矢量合成—哪幾個開關(guān)狀態(tài)矢量？—如何合成？—如何實現(xiàn)這種矢量合成？第35頁/共46頁三相SVPWM思想—3號扇區(qū)為例

的合成：由、、、合成。相鄰矢量零矢量合成構(gòu)思：第36頁/共46頁3.5SVPWM的原理及實現(xiàn)待解決問題第37頁/共46頁三相SVPWM的實現(xiàn)——扇區(qū)的確定3.5SVPWM的原理及實現(xiàn)沒有111V（6）011III（5）101IV（4）001I（3）110VI（2）010II（1）100沒有000扇區(qū)（標(biāo)識碼）六個扇區(qū)由三條直線劃分

第38頁/共46頁三相SVPWM的實現(xiàn)——矢量的分解設(shè)：4號矢量（前矢量）作用時間為Tx；

6號矢量（后矢量）作用時間為Ty；零矢量作用時間為T0，周期T。3.5SVPWM的原理及實現(xiàn)注：不同的扇區(qū)得到不同的表達式，但這些表達式有一定規(guī)律。第39頁/共46頁三相SVPWM的實現(xiàn)——矢量的分解不同扇區(qū)相鄰矢量工作時間表達式不同扇區(qū)的矢量分解扇區(qū)號IIIIIIIVVVITx-ZZX-X-YYTyXY-YZ-Z-X3.5SVPWM的原理及實現(xiàn)第40頁/共46頁三相SVPWM的實現(xiàn)——驅(qū)動波形的生成3.5SVPWM的原理及實現(xiàn)根據(jù)相鄰矢量工作時間Tx、Ty確定三相比較值確定各相比較值，以3號扇區(qū)為例TA為A橋臂導(dǎo)通時間；TB為B橋臂導(dǎo)通時