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1、电力电子技术课程大作业 设计题目: PWM电路的应用 学生所在系部:电子工程系 学生所在专业:自动化 学生所在班级: 学 生 姓 名 : # 学 生 学 号 : # 任课教师姓名: 大作业成 绩: PWM 逆变电路的应用 一、摘要 随着控制技术的发展和对设备性能要求的不断提高,许多行业的用电设备不再直接接入交流电网,而是通 过电力电子功率变换得到电能,它们的幅值、频率、稳定度及变化形式因用电设备的不同而不尽相同。如通信电源、 电弧焊电源、电动机变频调速器、加热电源、绿色照明电源、不间断电源、充电器等等,它们所使用的电能都是通过 对电网能进行整流和逆变变换后所得到的。因此,高质量的逆变电路已成为
2、电源技术的重要研究对象。 采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。 PWM 控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等 而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可 改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。 PWM 控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能 实现。直到进入上世纪80 年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM 控制技术才真正得到应用。随着 电力电
3、子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论、非线性系统控制思想的 应用, PWM 控制技术获得了空前的发展。 PWM 控制技术在逆变电路中的应用最为广泛,对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中,绝 大部分都是 PWM 逆变电路。可以说PWM 控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用,才发展得比较成熟,才确定了 它在电力电子技术中的重要地位。 二、基本设计指标: 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。冲量指窄脉冲的 面积。效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近,仅在高频段略有差异。 图 1-1 形状不同而
4、冲量相同的各种窄脉冲 1. 面积等效原理 分别将如图1-1 所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节(R-L 电路)上,如图1-2a 所示。其输出 电流 i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图1-2b 所示。从波形可以看出,在i(t)的上升段, i(t)的形 状也略有不同,但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄,各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期 性地施加上述脉冲,则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出,各i(t)在低频段的 特性将非常接近,仅在高频段有所不同。 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,正弦半波N等分,看成N个相连的脉冲序列, 宽度相等,但幅值不等;用矩形脉冲代替,
5、等幅,不等宽,中点重合,面积(冲量)相等,宽度按正 弦规律变化。 上述原理可以称为面积等效原理,它是PWM 控制技术的重要理论基础。 下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。图1-3 可以看到把半波分成N等份, 就可以把正弦半波看成N个彼此相连的脉冲序列组成的波形,然后把脉冲序列利用相同数量的等幅而 不等宽的矩形脉冲代替,使它们面积相等,就可以得到脉冲序列。根据面积等效原理,PWM 波形和正 弦半波是等效的。 图 1-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 图 1-3 用 PWM 波代替正弦半波 要改变等效输出正弦波幅值,按同一比例改变各脉冲宽度即可。 2. PWM 逆变电路及其控制方
6、法 目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM 技术。逆变电路是PWM 控制技术最为重要的应用场合。 PWM 逆变电路也可分为电压型和电流型两种,目前实用的几乎都是电压型。 2.1 计算法和调制法 2.1.1 计算法 根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数,准确计算PWM 波各脉冲宽度和间隔,据此控制逆变电路 开关器件的通断,就可得到所需PWM 波形。 缺点:繁琐,当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时,结果都要变化 2.1.2 调制法 输出波形作调制信号,进行调制得到期望的PWM 波;通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波;等 腰三角波应用最多,其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称;与任一平缓变化的
7、调制信号波 相交,在交点控制器件通断,就得宽度正比于信号波幅值的脉冲,符合PWM 的要求。 调制信号波为正弦波时,得到的就是SPWM 波;调制信号不是正弦波,而是其他所需波形时,也 能得到等效的PWM 波。 结合 IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明: 设负载为阻感负载,工作时V1和 V2通断互补, V3和 V4通断也互补。 控制规律: 0 u正半周, 1 V通, 2 V断, 3 V和 4 V交替通断,负载电流比电压滞后,在电压u正半周,电流有 一段为正,一段为负,负载电流为正区间, 1 V和 4 V导通时, 0 u等于 d U, 4 V关断时,负载电流通过 1 V和 3D V续流,
8、 0 u=0,负载电流为负区间, 0 i为负,实际上从 1D V和4DV流过,仍有0u=dU,4V 断, 3 V通后, 0 i从 3 V和 1D V续流,0u=0,0u总可得到dU和零两种电平。 0 u负半周,让 2 V保持通, 1 V保持断, 3 V和 4 V交替通断, 0 u可得 - d U和零两种电平。 图 2-1 单相桥式PWM 逆变电路 单极性 PWM 控制方式(单相桥逆变):在 r u和 c u的交点时刻控制IGBT 的通断。 r u正半周, 1 V 保持通, 2 V保持断,当 r u c u时使 4 V通, 3 V断, 0 u= d U,当 r u c u时使 3 V断, 4 V
9、 通, 0 u=0,虚线 f u0 表示 0 u的基波分量。波形见图2-2 。 图 2-2 单极性 PWM 控制方式波形 防直通死区时间: 同一相上下两臂的驱动信号互补,为防止上下臂直通造成短路,留一小段上下臂都施加关断信号 的死区时间。死区时间的长短主要由器件关断时间决定。死区时间会给输出PWM 波带来影响,使其稍 稍偏离正弦波。 特定谐波消去法(Selected Harmonic Elimination PWMSHEPWM): 计算法中一种较有代表性的方法,图2-3 。输出电压半周期内,器件通、断各3 次(不包括0 和 ),共 6 个开关时刻可控。为减少谐波并简化控制,要尽量使波形对称。
10、首先,为消除偶次谐波,使波形正负两半周期镜对称,即: )()(tutu (2-1) 其次,为消除谐波中余弦项,使波形在半周期内前后1/4 周期以 /2 为轴线对称。 )()(tutu (2-2) 四分之一周期对称波形,用傅里叶级数表示为: ,.5,3,1 nsin )( n tnatu 图 2-3 特定谐波消去法的输出PWM 波形 式中, an为 2 0 n sin)( 4 ttdntua 图 2-3,能独立控制 1 a、 2 a和 3 a共 3 个时刻。该波形的 n a为 )cos2cos2cos21( 2 )sin 2 (sin 2 )sin 2 (sin 2 4 321 d 2 3 d
11、0 n 32 2 1 1 nnn n U tdtn U ttdn U tdtn U ttdn U a a d a a d a a a d 式中 n=1,3,5, 确定 1 a的值,再令两个不同的 n a=0,就可建三个方程,求得 1 a、 2 a和 3 a。 (2-4) 消去两种特定频率的谐波: 在三相对称电路的线电压中,相电压所含的3次谐波相互抵消,可考虑消去5 次和 7 次谐波,得 如下联立方程: )cos2cos2cos21( 2 321 d 1 U a(2-5 ) 0)5cos25cos25cos21( 5 2 321 d 5 U a( 2-6 ) 0)7cos27cos27cos21
12、 ( 7 2 321 d 7 U a(2-7 ) 给定 1 a,解方程可得 1 a、 2 a和 3 a。 1 a变, 1 a、 2 a和 3 a也相应改变。 一般,在输出电压半周期内器件通、断各k 次,考虑PWM 波四分之一周期对称,k 个开关时刻可 控,除用一个控制基波幅值,可消去k1 个频率的特定谐波,k 越大,开关时刻的计算越复杂。 3. 调制方式 载波比载波频率 c f与调制信号频率 r f之比, N= r c f f 。根据载波和信号波是否同步及载波 比的变化情况,PWM 调制方式分为异步调制和同步调制: 3.1 异步调制 异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。 通常保持 c
13、f固定不变,当 r f变化时,载波比N是变化的。在信号波的半周期内,PWM 波的脉冲 个数不固定,相位也不固定,正负半周期的脉冲不对称,半周期内前后1/4 周期的脉冲也不对称。当 r f较低时, N较大,一周期内脉冲数较多,脉冲不对称的不利影响都较小,当 r f增高时, N减小, 一周期内的脉冲数减少,PWM 脉冲不对称的影响就变大。因此,在采用异步调制方式时,希望采用较 高的载波频率,以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。 3.2 同步调制 同步调制N等于常数,并在变频时使载波和信号波保持同步。 基本同步调制方式, r f变化时 N不变,信号波一周期内输出脉冲数固定。三相,公用一个三角
14、 波载波,且取N为 3 的整数倍,使三相输出对称。为使一相的PWM 波正负半周镜对称,N应取奇数。 当N=9 时的同步调制三相PWM 波形如图3-1 所示。 r f很低时, c f也很低,由调制带来的谐波不易滤除, r f很高时, c f会过高,使开关器难以承 受。为了克服上述缺点,可以采用分段同步调制的方法。 把 r f范围划分成若干个频段,每个频段内保持N恒定,不同频段N不同。在 r f高的频段采用较 低的 N,使载波频率不致过高,在 r f低的频段采用较高的N,使载波频率不致过低。 图 3-2 分段同步调制一例,为防止 c f在切换点附近来回跳动,采用滞后切换的方法。同步调制比 异步调制
15、复杂,但用微机控制时容易实现。可在低频输出时采用异步调制方式,高频输出时切换到同 步调制方式,这样把两者的优点结合起来,和分段同步方式效果接近。 图 3-1同步调制三相PWM 波形 图 3-2 分段同步调制方式举例 4. PWM 逆变电路的谐波分析 使用载波对正弦信号波调制,产生了和载波有关的谐波分量。谐波频率和幅值是衡量PWM 逆变电 路性能的重要指标之一。 分析方法: 不同信号波周期的PWM 波不同,无法直接以信号波周期为基准分析,以载波周期为基础,再利用 贝塞尔函数推导出PWM 波的傅里叶级数表达式,分析过程相当复杂,结论却简单而直观。 4.1 单相的分析结果 不同调制度a 时的单相桥式
16、PWM 逆变电路在双极性调制方式下输出电压的频谱图如图4-1 。其中 所包含的谐波角频率为 rc kn 式中,n 1,3,5,时,k=0,2,4,;n=2,4,6,时,k=1,3,5,。 可以看出, PWM 波中不含低次谐波,只含有角频率为c,及其附近的谐波,以及2c、3c等及其 附近的谐波。在上述谐波中,幅值最高影响最大的是角频率为c的谐波分量。 图 4-1 单相 PWM 桥式逆变电路输出电压频谱图 4.2 三相的分析结果 三相桥式PWM 逆变电路采用公用载波信号时不同调制度a时的三相桥式PWM 逆变电路输出线电压 的频谱图如图4-2 。在输出线电压中,所包含的谐波角频率为 rc kn 式中
17、,n=1,3,5,时,k=3(2m- 1)1,m=1,2,; 6m +1,m =0,1,; n =2, 4,6,时,k = 6m -1 ,m =1,2,。 和单相比较,共同点是都不含低次谐波,一个较显著的区别是载波角频率c整数倍的谐波被消 去了,谐波中幅值较高的是c2r和 2c r。 图 4-2 三相桥式PWM 逆变电路输出线电压频谱图 当调制信号波不是正弦波时,谐波由两部分组成:一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结 果,另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。 5. 提高直流电压利用率和减少开关次数 直流电压利用率逆变电路输出交流电压基波最大幅值 m U 1 和直流电压 d U之比
18、。 提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力;减少器件的开关次数可以降低开关损耗;正弦波 调制的三相PWM 逆变电路,调制度a 为 1 时,输出相电压的基波幅值为 2 d U ,输出线电压的基波幅 值为 d U)23(,即直流电压利用率仅为0.866 。这个值是比较低的,其原因是正弦调制信号的幅值 不能超过三角波幅值,实际电路工作时,考虑到功率器件的开通和关断都需要时间,如不采取其他措 施,调制度不可能达到1。采用这种调制方法实际能得到的直流电压利用率比0.866 还要低。 5.1 梯形波调制方法的思路 当梯形波幅值和三角波幅值相等时,梯形波所含的基波分量幅值更大。 梯形波调制方法的原理及波形
19、,见图5-2 形波的形状用三角化率 0t t U U s描述, t U为以横轴 为底时梯形波的高, 0t U为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高。s =0 时梯形 波变为矩形波,s =1 时梯形波变为三角波。梯形波含低次谐波,PWM 波含同样的低次谐波,低次谐波 (不包括由载波引起的谐波)产生的波形畸变率为。 图 5-1 , 和 d m U U1 随 s 变化的情况。 图 5-3 ,s 变化时各次谐波分量幅值 nm U和基波幅值 m U1 之比。 s = 0.4时,谐波含量也较少, 约为 3.6%,直流电压利用率为1.03 ,综合效果较好。 图 5-1 变化时的各次谐波含量 图
20、 5-2 梯形波为调制信号的PWM 控制 梯形波调制的缺点:输出波形中含5 次、 7 次等低次谐波。 实际使用时,可以考虑当输出电压较低时用正弦波作为调制信号,使输出电压不含低次谐波;当 正弦波调制不能满足输出电压的要求时,改用梯形波调制,以提高直流电压利用率。 图 5-3 s变化时的d 和直流电压利用率 5.2 线电压控制方式(叠加3 次谐波) 对两个线电压进行控制,适当地利用多余的一个自由度来改善控制性能。 目标使输出线电压不含低次谐波的同时尽可能提高直流电压利用率,并尽量减少器件开关次 数。 在相电压调制信号中叠加3 次谐波,使之成为鞍形波,输出相电压中也含3 次谐波,且三相的三 次谐波
21、相位相同。合成线电压时,3 次谐波相互抵消,线电压为正弦波。如图17。鞍形波的基波分量 幅值大。 除叠加 3 次谐波外,还可叠加其他3 倍频的信号,也可叠加直流分量,都不会影响线电压。 图 5-4 加 3 次谐波的调制信号 5.2.1 线电压控制方式(叠加3 倍次谐波和直流分量) 叠加 p u,既包含3 倍次谐波,也包含直流分量, p u大小随正弦信号的大小而变化。设三角波载 波幅值为1,三相调制信号的正弦分别为 1rU u、 1rV u和 1rW u,并令: 1),min( rW1rV1rU1p uuuu(5-1) 则三相的调制信号分别为 prU1rU uuu (5-2) prVrV uuu 1 (5-3) p1rWrW uuu (5-4) 参考文献 1 王志良 . 电力电子新器件及其应用技术. 北京:科学出版社,1992 2 黄俊,王兆安. 电力电子变流技术(第3 版) .北京:机械工业出版社,1994 3 赵良炳 . 现代电力电子技术基础. 北京:清华大学出版社,1997 4 谢少军等 . 阶梯波合成逆变器的单脉宽调制调压技术研究. 中国电机工程学报,2003 5 吴保芳等一种具有高频环节的SPWPM 变换电路的研究J.电力电子技术,1997 器件 电力二极管4 个,电源电压1 个,电阻1 个,电感1个, IGBT 4 个,调制电路1 个
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