原理與控制技術(shù)

關(guān)于原理與控制技術(shù)第1頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三變流技術(shù)

相位控制：在一個(gè)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。第2頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三脈沖寬度調(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。第3頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三各自特點(diǎn)：PAM：需調(diào)節(jié)直流電壓的值，諧波含量大PFM：實(shí)現(xiàn)相對(duì)較難PWM：分析、控制、實(shí)現(xiàn)容易，諧波小第4頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三7.1PWM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(shí)，其作用效果基本相同，也稱面積等效原理。（a）

（b）

（c）

（d）

第5頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三作用對(duì)象：慣性環(huán)節(jié)作用量：窄脈沖（電壓、電流）第6頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三用等幅不等寬的矩形脈沖來(lái)等效正弦波

把正弦半波看成N個(gè)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。第7頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三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(jì)算，易于實(shí)現(xiàn)。不等幅計(jì)算復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難，但必須滿足面積等效原理。第8頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三7.2SPWM波形生成方法7.2.1等面積法——計(jì)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?hào)附著在另一個(gè)信號(hào)（載體電波）上，以利于傳輸。解調(diào)：把已調(diào)制的信號(hào)還原為原來(lái)的信號(hào)。第9頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三

載波：載體電波，用于搭載信號(hào)波的波。信號(hào)波：要傳輸?shù)男畔⒉?。調(diào)制波：用信號(hào)波與載波合成的過程叫調(diào)制過程，實(shí)際是用信號(hào)波調(diào)制載波，故把信號(hào)波也稱為調(diào)制波。第10頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三調(diào)制法產(chǎn)生SPWM波形

第11頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三1、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(diǎn)時(shí)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。第12頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三2、規(guī)則采樣法

第13頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三3、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(shí)，會(huì)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。第14頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三解決辦法：①采用梯形波作為調(diào)制波第15頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三②采用鞍形波作為調(diào)制波第16頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三7.2.3低次諧波消去法

低次諧波消去法的核心，是通過對(duì)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。第17頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三

第18頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三7.3.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(hào)的頻率fc與調(diào)制信號(hào)的頻率fr之比。調(diào)制深度：正弦調(diào)制信號(hào)的幅值與三角載波信號(hào)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(hào)和調(diào)制信號(hào)始終保持同步。第19頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三2、異步調(diào)制在調(diào)制信號(hào)頻率變化時(shí)保持載波信號(hào)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(gè)頻段，在每個(gè)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。第20頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三7.3.3單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制單極性調(diào)制：調(diào)制信號(hào)ur和載波信號(hào)uc始終保持相同的極性。第21頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三雙極性調(diào)制：指在調(diào)制波的每半周期內(nèi)載波信號(hào)uc為雙極性，每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸出電壓波形都會(huì)出現(xiàn)正負(fù)兩種極性的電平。第22頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三7.4PWM逆變電路

7.4.1單相橋式PWM逆變電路第23頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三第24頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三雙極性控制模式時(shí)單相橋式逆變電路波形圖

第25頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三7.4.2三相橋式PWM逆變電路

第26頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三

第27頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三7.5PWM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。第28頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三7.5.1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(hào)，把實(shí)際的電流波形作為反饋信號(hào)，通過兩者瞬時(shí)值的比較來(lái)決定逆變電路各開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際輸出電流隨指令信號(hào)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。第29頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三采用滯環(huán)比較方式的PWM電流跟蹤控制單相半橋逆變電路

第30頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三三相滯環(huán)比較電流跟蹤型PWM逆變電路

第31頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三7.5.2電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技

術(shù)

三相交流電動(dòng)機(jī)在定子繞組上施加三相對(duì)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(chǎng)。時(shí)空變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)由三相平衡正弦電壓產(chǎn)生，為了描述三相電壓與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的關(guān)系，提出了電壓空間矢量的概念。第32頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三7.6PWM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(shí)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(diǎn)：電能雙向傳輸、動(dòng)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。——也稱為高頻整流器或四象限變流器第33頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三7.6.1PWM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

第34頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三電壓型單相全橋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(dòng)，在交流側(cè)串電感可抑制交流電流的脈動(dòng)。但因電感的存在，當(dāng)全控型器件關(guān)斷時(shí)，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。第35頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三

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(shí)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(duì)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(shí)，二極管不會(huì)自然導(dǎo)通，全控型器件組成的橋式電路才可以正常工作。第36頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三

實(shí)際上，PWM整流電路是按升壓斬波電路工作的。當(dāng)us﹥0時(shí)，由兩個(gè)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(shí)，由另外兩個(gè)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。第37頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三當(dāng)us﹥0時(shí)，兩個(gè)升壓斬波電路：

VD1、VT3、VD4、LS和VT2、VD4、VD1、LS

第38頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三當(dāng)us﹤0時(shí)，兩個(gè)升壓斬波電路：

VT4、VD2、VD3、LS和VT1、VD3、VD2、LS

第39頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三PWM整流電路的運(yùn)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)。第40頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三（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。第41頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三（3）uAB滯后us相角為δ，is超前us90°,電路向交流電源輸送無(wú)功功率，這時(shí)的電路成為靜止無(wú)功功率發(fā)生器（StaticVarGenerator--SVG）。第42頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三（4）通過對(duì)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。第43頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三三相PWM整流電路

第44頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三7.7矩陣式變頻電路

矩陣式變頻電路直接把脈動(dòng)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(duì)恒定的直流電進(jìn)行變換，原理仍為分時(shí)切片再進(jìn)行組合。第45頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三

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。第46頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三7.8PWM變流電路在電氣傳動(dòng)方面的應(yīng)用例—交直交變頻器

第47頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三7.9PWM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

第48頁(yè)，講稿共54頁(yè)，2023年5月2日，星期三7.10PWM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)一潮流控制器

7.10.2PWM變流電路在交流配電系統(tǒng)中的應(yīng)用例并聯(lián)型有源電力濾波器串聯(lián)型有源電力濾波器