脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)-教案

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)NortheasternUniversity,CHINA1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(shí)現(xiàn)

3.5SVPWM的原理及實(shí)現(xiàn)本章小結(jié)NortheasternUniversity,CHINA2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(jìn)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(duì)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(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，等效出所需要的波形（含形狀和幅值)。NortheasternUniversity,CHINA33.1PWM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(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)NortheasternUniversity,CHINA43.1PWM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(gè)正弦半波？Ouωt>SPWM波Ouωt>Ouωt>

固定幅值，使波形調(diào)制方案更具可實(shí)現(xiàn)性NortheasternUniversity,CHINA53.1PWM的基本原理PWM的調(diào)制原理如何改變正弦波形幅值？Ouωt>SPWM波Ouωt>Ouωt>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(gè)數(shù)NortheasternUniversity,CHINA63.1PWM的基本原理SPWM的調(diào)制單極性SPWM—對(duì)于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形。OwtUd-Ud雙極性SPWM—根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為右圖中的PWM波，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。OwtUd-UdNortheasternUniversity,CHINA73.1PWM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NortheasternUniversity,CHINA83.2SPWM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(chǎng)合。

根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)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NortheasternUniversity,CHINA93.2SPWM的調(diào)制原理SPWM生成的計(jì)算方法——特定諧波消去法波形設(shè)計(jì)：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(jiǎn)化控制，要盡量使波形對(duì)稱。OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3一種較有代表性的方法NortheasternUniversity,CHINA103.2SPWM的調(diào)制原理特定諧波消去法——波形計(jì)算首先，為消除偶次諧波，使波形正負(fù)兩半周期對(duì)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(duì)稱同時(shí)滿足上兩式的波形，用傅里葉級(jí)數(shù)表示為式中：NortheasternUniversity,CHINA113.2SPWM的調(diào)制原理特定諧波消去法——波形計(jì)算能獨(dú)立控制a1、a

2和a

3共3個(gè)時(shí)刻,該波形的an為OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3式中n=1,3,5,…低次諧波幅值大NortheasternUniversity,CHINA12將兩種特定頻率諧波的幅值設(shè)計(jì)為0，形成兩個(gè)獨(dú)立方程特定諧波消去法——波形計(jì)算在三相對(duì)稱電路中，相電壓所含的3次諧波相互抵消。可設(shè)計(jì)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(gè)獨(dú)立方程可得a1、a2和a3。NortheasternUniversity,CHINA13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(duì)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，消去的特定諧波越多，波形越理想，但開關(guān)時(shí)刻的計(jì)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(jì)算NortheasternUniversity,CHINA14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?jǐn)唷?dāng)ur>uc時(shí)，使V4通，V3斷，uo=Ud；——當(dāng)ur<uc時(shí)，使V4斷，V3通，uo=0。ur負(fù)半周，V1保持?jǐn)?，V2保持通——當(dāng)ur>uc時(shí)，使V4通，V3斷，uo=0；——當(dāng)ur<uc時(shí)，使V4斷，V3通，uo=-Ud。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量在ur和uc交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷NortheasternUniversity,CHINA15雙極性SPWM的調(diào)制方法——單相橋逆變3.3SPWM的調(diào)制方法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷特點(diǎn)：在ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得PWM波也有正有負(fù)，其幅值只有±Ud兩種電平。當(dāng)ur>uc時(shí)，V1和V4導(dǎo)通，V2和V3關(guān)斷——io>0時(shí)，V1和V4工作，uo=Ud；——io<0時(shí)，VD1和VD4工作，uo=Ud

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

；——io>0時(shí)，VD2和VD3工作，uo=-Ud

。NortheasternUniversity,CHINA16雙極性調(diào)制和單極性調(diào)制的比較3.3SPWM的調(diào)制方法urucuOwtOwtuouofuoUd-UdurucuOwtOwtuouofuoUd-Ud

對(duì)照兩圖可見，單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制都適用于單相橋式電路。由于對(duì)開關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，兩種調(diào)制方式存在差異：1、輸出波形有較大的差別；2、一個(gè)正弦周期的開關(guān)損耗不同；3、產(chǎn)生IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的難易程度不同。NortheasternUniversity,CHINA173.3SPWM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(hào)urU、urV和urW依次相差120°NortheasternUniversity,CHINA183.3SPWM的調(diào)制方法三相SPWM——U相分析urUu0t00000ttttturVucurWuUN’0.5Ud-0.5UduVN’uWN’Ud-UduUVuUN2Ud/3Ud/3相電壓分析：urU>uc時(shí)，V1通，V4斷，uUN’=Ud/2；urU<uc時(shí)，V4通，V1斷，uUN’=-Ud/2；uUN’、uVN’和uWN’的波形只有±Ud/2電平。線電壓分析：uUV波形由uUN’-uVN’得出—當(dāng)1和6通時(shí)，uUV=Ud；—當(dāng)3和4通時(shí)，uUV=－Ud；—當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uUV=0。線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成。負(fù)載相電壓分析：負(fù)載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成。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(hào)的死區(qū)時(shí)間死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的PWM波帶來影響。注：NortheasternUniversity,CHINA19同步調(diào)制和異步調(diào)制1）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2）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3.3SPWM的調(diào)制方法NortheasternUniversity,CHINA20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(shí)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(shí)現(xiàn)NortheasternUniversity,CHINA21規(guī)則采樣法——一種工程實(shí)用方法ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d方法—脈沖中點(diǎn)D時(shí)刻的ur采樣值與三角波比較，確定A、B點(diǎn)，在tA和tB時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷。特點(diǎn)—脈沖寬度d

和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近；—計(jì)算大為減化。設(shè)三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc3.4PWM的實(shí)現(xiàn)NortheasternUniversity,CHINA223.4PWM的實(shí)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(hào)，把實(shí)際波形作為反饋信號(hào)，通過兩者的瞬時(shí)值比較來決定逆變電路各開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤指令信號(hào)變化。三角波比較方式NortheasternUniversity,CHINA232023/12/8243.5SVPWM的原理及實(shí)現(xiàn)SVPWM？

空間矢量脈寬調(diào)制最初來源：電機(jī)的控制問題新的觀點(diǎn)：正弦波逆變器的幾何方法方法：借助于坐標(biāo)變換(clark和park變換)，建立三相靜止坐標(biāo)系與同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的聯(lián)系，進(jìn)而建立圓旋轉(zhuǎn)的空間矢量與三相正弦波的聯(lián)系，通過實(shí)現(xiàn)圓旋轉(zhuǎn)的空間矢量，生成三相SPWM。MichaelJ.Ryan等，98年NortheasternUniversity,CHINA25單相逆變器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)特征：2個(gè)橋臂輸出電壓：結(jié)構(gòu)分析：每個(gè)橋臂存在2個(gè)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)兩個(gè)橋臂電壓Vag和Vbg分別獨(dú)立可控——控制存在兩個(gè)自由度；由于連接了負(fù)載，輸出電壓Vab具有唯一性——只有一個(gè)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？NortheasternUniversity,CHINA26幾何分析方法矢量空間橋臂電壓構(gòu)成兩維空間，兩個(gè)自由度分別代表兩個(gè)垂直方向——橋臂電壓空間；輸出電壓只有一個(gè)自由度，構(gòu)成一維空間

——輸出電壓空間。3.5SVPWM的原理及實(shí)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(gè)橋臂電壓——對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出電壓(0V)。這一投影具有唯一性NortheasternUniversity,CHINA27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(shí)，Vag和Vbg的驅(qū)動(dòng)波形可以設(shè)計(jì)。例：Vab*取0.5Vi，V0*取ViVag取0.75Vi，Vbg取0.25Vi3.5SVPWM的原理及實(shí)現(xiàn)V0*取其他值會(huì)怎樣？V0*有沒有一個(gè)取值原則？

NortheasternUniversity,CHINA283.5SVPWM的原理及實(shí)現(xiàn)三相逆變器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特征：3個(gè)橋臂電路特征：結(jié)構(gòu)分析：每個(gè)橋臂存在2個(gè)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(diǎn)三個(gè)橋臂電壓Vag、Vbg和Vcg分別獨(dú)立可控——控制存在三個(gè)自由度；由于連接了負(fù)載，輸出電壓Van、Vbn和Vcn存在耦合關(guān)系——只有兩個(gè)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？NortheasternUniversity,CHINA29幾何分析方法矢量空間橋臂電壓構(gòu)成三維空間，三個(gè)自由度分別代表三個(gè)垂直方向——橋臂電壓空間；輸出電壓只有兩個(gè)自由度，構(gòu)成兩維空間——輸出電壓空間。3.5SVPWM的原理及實(shí)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(gè)橋臂電壓——對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出電壓矢量點(diǎn)(Van,Vbn,Vcn)=(0,0,0)。這一投影具有唯一性NortheasternUniversity,CHINA30投影關(guān)系3.5SVPWM的原理及實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整投影比例開關(guān)狀態(tài)與輸出電壓的關(guān)系NortheasternUniversity,CHINA31解耦投影關(guān)系(Clark變換)3.5SVPWM的原理及實(shí)現(xiàn)V0是零序電壓NortheasternUniversity,CHINA32電壓變換關(guān)系逆變器控制方法V0*取03.5SVPWM的原理及實(shí)現(xiàn)Vd*和Vq*如何設(shè)計(jì)？NortheasternUniversity,CHINA333.5SVPWM的原理及實(shí)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Um–Umt02

uAuCuB電壓矢量軌跡NortheasternUniversity,CHINA343.5SVPWM的原理及實(shí)現(xiàn)SVPWM的思想：

對(duì)一個(gè)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(shí)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(gè)開關(guān)狀態(tài)矢量？—如何合成？—如何實(shí)現(xiàn)這種矢量合成？NortheasternUniversity,CHINA35三相SVPWM思想—3號(hào)扇區(qū)為例

的合成：由、、、合成。相鄰矢量零矢量合成構(gòu)思：T0為0或7矢量工作時(shí)間3.5SVPWM的原理及實(shí)現(xiàn)NortheasternUniversity,CHINA363.5SVPWM的原理及實(shí)現(xiàn)待解決問題哪一扇區(qū)各矢量工作時(shí)間開關(guān)驅(qū)動(dòng)SVPWM實(shí)現(xiàn)步驟1：扇區(qū)的確定步驟2：矢量的分解步驟3：驅(qū)動(dòng)波形的生成輸入：空間矢量的坐標(biāo)

輸出：驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的信號(hào)

NortheasternUniversity,CHINA37三相SVPWM的實(shí)現(xiàn)——扇區(qū)的確定3.5SVPWM的原理及實(shí)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(shí)碼）六個(gè)扇區(qū)由三條直線劃分

NortheasternUniversity,CHINA38三相SVPWM的實(shí)現(xiàn)——矢量的分解設(shè)：4號(hào)矢量（前矢量）作用時(shí)間為Tx；

6號(hào)矢量（后矢量）作用時(shí)間為Ty；零矢量作用時(shí)間為T0，周期T。3.5SVPWM的原理及實(shí)現(xiàn)注：不同的扇區(qū)得到不同的表達(dá)式，但這些表達(dá)式有一定規(guī)律。NortheasternUniversity,CHINA39三相SVPWM的實(shí)現(xiàn)——矢量的分解不同扇區(qū)相鄰矢量工作時(shí)間表達(dá)式不同扇區(qū)的矢量分解扇區(qū)號(hào)IIIIIIIVVVITx-ZZX-X-YYTyXY-YZ-Z-X3.5SVPWM的原理及實(shí)現(xiàn)NortheasternUniversity,CHINA40三相SVPWM的實(shí)現(xiàn)——驅(qū)動(dòng)波形的生成3.5SVPWM的原理及實(shí)現(xiàn)根據(jù)相鄰矢量工作時(shí)間Tx、Ty確定三相比較值確定各相比較值，以3號(hào)扇區(qū)為例TA為A橋臂導(dǎo)通時(shí)間；TB為B橋臂導(dǎo)通時(shí)間；TC為C橋臂導(dǎo)通時(shí)間有效矢量為0，4，6，7NortheasternUniversity,CHINA41三相SVPWM的實(shí)現(xiàn)——驅(qū)動(dòng)波形的生成3.5SVPWM的原理及實(shí)現(xiàn)矢量為0，4，6，7NortheasternU