变频调速选用课件第三章-PWM控制技术.ppt

第七章 PWM控制技术,引言 7.1 PWM控制的基本原理 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 7.3 PWM跟踪控制技术 7.4 PWM整流电路及其控制方法 本章小结,第七章 PWM控制技术 引言,PWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。 第5、6章已涉及到PWM控制，第5章直流-直流变流电路采用的就PWM技术；第6章的6.1斩控式调压电路也涉及到了。 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。近年来，PWM技术在整流电路也开始应用，并具有突出性能。,7.1 PWM控制的基本思想,1）重要理论基础面积等效原理,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。,7.1 PWM控制的基本思想,b),图7-2 冲量相等的各种窄脉冲的响应波形,具体的实例说明“面积等效原理”,a）,u (t)电压窄脉冲，是电路的输入 。 i (t)输出电流，是电路的响应。,7.1 PWM控制的基本思想,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,7.1 PWM控制的基本思想,若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。,SPWM波,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,7.1 PWM控制的基本思想,对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：,根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。,7.1 PWM控制的基本思想,7.1 PWM控制的基本思想,2）PWM电流波 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。,7.2 PWM逆变电路及其控制方法,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。 本节内容构成了本章的主体。 PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。,7.2 PWM逆变电路及其控制方法,7.2.1 计算法和调制法 7.2.2 异步调制和同步调制 7.2.3 规则采样法,7.2.1 计算法和调制法,1）计算法,根据PWM控制的基本原理，当给出了正弦波频率、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。 本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。,7.2.1 计算法和调制法,工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。 以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断。 负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。 负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud 。,2）调制法,图74 单相桥式PWM逆变电路,结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明,7.2.1 计算法和调制法,2）调制法,图74 单相桥式PWM逆变电路,V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0 负载电流为负的区间， V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud 。 V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。 uo总可得到Ud和零两种电平。 uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。,7.2.1 计算法和调制法,3）单极性PWM控制方式(单相桥逆变),ur正半周，V1保持通，V2保持断。 当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud 。 当uruc时使V4断，V3通，uo=0 。 ur负半周，请同学们自己分析。,图7-5 单极性PWM控制方式波形,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,7.2.1 计算法和调制法,3）双极性PWM控制方式（单相桥逆变）,在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有±Ud两种电平。 同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。 ur正负半周,对各开关器件的控制规律相同。,当ur uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。 如io0，V1和V4通，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud 。,图7-6 双极性PWM控制方式波形,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,7.2.1 计算法和调制法,对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。,7.2.1 计算法和调制法,4）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）,图7-7 三相桥式PWM型逆变电路,7.2.1 计算法和调制法,图7-7 三相桥式PWM型逆变电路,图7-8 三相桥式PWM逆变电路波形,下面以U相为例分析控制规律：,当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN=Ud/2。 当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN=-Ud/2。 当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。 uUN、uVN和uWN的PWM波形只有±Ud/2两种电平。 uUV波形可由uUN-uVN得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。,7.2.1 计算法和调制法,输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成 负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。 防直通的死区时间 同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，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开关器件的关断时间决定。 死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。,图7-7 三相桥式PWM型逆变电路,图7-8 三相桥式PWM逆变电路波形,7.2.2 异步调制和同步调制,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。,通常保持fc固定不变，当fr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fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小 当fr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,7.2.2 异步调制和同步调制,2） 同步调制,载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时 使载波与信号波保持同步，即N等于常数。,基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。 三相电路中公用一个三角波载波，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。 fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。 fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。,7.2.2 异步调制和同步调制,3）分段同步调制 异步调制和同步调制的综合应用。,把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。 在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。,为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。 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7-11 分段同步调制方式举例,7.2.3 规则采样法,1）自然采样法： 按照SPWM控制的基本原理,在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断来产生的PWM波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。,2）规则采样法 工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。,7.2.3 规则采样法,三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc 。 自然采样法中，脉冲中点不和三角波(负峰点)重合。 规则采样法使两者重合，使计算大为减化。 如图所示确定A、B点，在tA和tB时刻控制开关器件的通断。 脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。,规则采样法原理,7.2.3 规则采样法,规则采样法计算公式推导,正弦调制信号波,a称为调制度， (0a1),7.2.3 规则采样法,3）三相桥逆变电路的情况,7.3 PWM跟踪控制技术,PWM波形生成的第三种方法跟踪控制方法。 把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为 反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路 各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号 变化。 常用的有滞环比较方式和三角波比较方式。,7.3 PWM跟踪控制技术,7.3.1 滞环比较方式 7.3.2 三角形比较方式,7.3.1 滞环比较方式,1) 跟踪型PWM变流电路中，电流跟踪控制应用最多。,图7-24 滞环比较方式电流跟踪控制举例,基本原理 把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入。 V1（或VD1）通时，i增大 V2（或VD2）通时，i减小 通过环宽为2DI的滞环比较器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*。,7.3.1 滞环比较方式,2) 三相的情况,图7-27 三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形,图7-26 三相电流跟踪型PWM逆变电路,7.3.1 滞环比较方式,3) 采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路有如下特点。,（1）硬件电路简单。 （2）实时控制，电流响应快。 （3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。 （4）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流 中高次谐波含量多。 （5）闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。,7.3.1 滞环比较方式,4) 采用滞环比较方式实现电压跟踪控制 把指令电压u*和输出电压u进行比较，滤除偏差信号中的谐波，滤波器的输出送入滞环比较器，由比较器输出控制开关器件的通断，从而实现电压跟踪控制。,图7-28 电压跟踪控制电路举例,7.3.1 滞环比较方式,和电流跟踪控制电路相比，只是把指令和反馈信号从电流变为电压。 输出电压PWM波形中含大量高次谐波，必须用适当的滤波器滤除。 u*=0时，输出电压u为频率较高的矩形波，相当于一个自励振荡电路。 u*为直流信号时，u产生直流偏移，变为正负脉冲宽度不等，正宽负窄或正窄负宽的矩形波。 u*为交流信号时，只要其频率远低于上述自励振荡频率，从u中滤除由器件通断产生的高次谐波后，所得的波形就几乎和u* 相同，从而实现电压跟踪控制。,7.3.2 三角形比较方式,(1) 基本原理 不是把指令信号和三角波直接进行比较，而是通过闭环来进行控制。 把指令电流i*U、i*V和i*W和实际输出电流iU、iV、iW进行比较，求出偏差，通过放大器A放大后，再去和三角波进行比较，产生PWM波形。 放大器A通常具有比例积分特性或比例特性，其系数直接影响电流跟踪特性。,(2) 特点 开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便。 为改善输出电压波形，三角波载波常用三相三角波载波。 和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐波少。,图7-29 三角波比较方式电流跟踪型逆变电路,7.3.2 三角形比较方式,不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟。 以固定采样周期对指令信号和被控制变量进行采样，根据偏差的极性来控制开关器件通断。 在时钟信号到来的时刻， 如i i*，V1断，V2通，使I 减小。 每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令电流的误差减小。 采用定时比较方式时，器件的最高开关频率为时钟频率的1/2。 和滞环比较方式相比，电流控制误差没有一定的环宽，控制的精度低一些。,(3) 除上述两种比较方式外，还有定时比较方式。,7.4 PWM整流电路及其控制方法,7.4.1 PWM整流电路的工作原理 7.4.2 PWM整流电路的控制方法,7.4.1 PWM整流电路的工作原理,PWM整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前电压型的较多。,7.4.1 PWM整流电路的工作原理,(1)单相全桥PWM整流电路的工作原理,7.4.1 PWM整流电路的工作原理,7.4.1 PWM整流电路的工作原理,图7-31 PWM整流电路的运行方式向量图,7.4.1 PWM整流电路的工作原理,a： 滞后 相角d ， 和 同相，整流状态，功率因数为1。PWM整流电路最基本的工作状态。,b： 超前 相角d ， 和 反相，逆变状态，说明PWM整流电路可实现能量正反两个方向的流动，这一特点对于需再生制动的交流电动机调速系统很重要,7.4.1 PWM整流电路的工作原理,c： 滞后 相角d， 超前 90°，电路向交流电源送出无功功率，这时称为静止无功功率发生器（Static Var GeneratorSVG）。,d：通过对 幅值和相位的控制，可以使 比 超前或滞后任一角度j 。,7.4.1 PWM整流电路的工作原理,(2)对单相全桥PWM整流电路工作原理的进一步说明,7.4.1 PWM整流电路的工作原理,2三相PWM整流电路,7.4.2 PWM整流电路的控制方法,图7-33 间接电流控制系统结构,有多种控制方法，根据有没有引入电流反馈可分为两种 间接电流控制、直接电流控制。,7.4.2 PWM整流电路的控制方法,从整流运行向逆变运行转换 首先负载电流反向而向C充电，ud抬高，PI调节器出现负偏差，id减小后变为负值，使交流输入电流相位和电压相位反相，实现逆变运行。 稳态时，ud和 仍然相等，PI调节器输入恢复到零，id为负值，并与逆变电流的大小对应。,控制原理,7.4.2 PWM整流电路的控制方法,控制系统中其余部分的工作原理 图中上面的乘法器是id分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，再乘以电阻R，得到各相电流在Rs上的压降uRa、uRb和uRc。 图中下面的乘法器是id分别乘以比a、b、c三相相电压相位超前/2的余弦信号，再乘以电感L的感抗，得到各相电流在电感Ls上的压降uLa、uLb和uLc。 各相电源相电压ua、ub、uc分别减去前面求得的输入电流在电阻R和电感L上的压降，就可得到所需要的交流输入端各相的相电压uA、uB和uC的信号，用该信号对三角波载波进行调制，得到PWM开关信号去控制整流桥，就可以得到需要的控制效果。,存在的问题 在信号运算过程中用到电路参数Ls和Rs，当Ls和Rs的运算值和实际值有误差时，会影响到控制效果。 是基于系统的静态模型设计的，其动态特性较差。 间接电流控制的系统应用较少。,7.4.2 PWM整流电路的控制方法,2) 直接电流控制,7.4.2 PWM整流电路的控制方法,控制系统组成 双闭环控制系统，外环是直流电压控制环，内环是交流电流控制环。 外环的结构、工作原理和图6-31间接电流控制系统相同。 外环PI调节器的输出为id，id分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，得到三相交流电流的正弦指令信号 ， 和 。 ， 和 分别和各自的电源电压同相位，其幅值和反映负载电流大小的直流信号id成正比，这是整流器运行时所需的交流电流指令信号。 指令信号和实际交流电流信号比较后，通过滞环对器件进行控制，便可使实际交流输入电流跟踪指令值。,7.4.2 PWM整流电路的控制方法,图7-34 直接电流控制系统结构图,优点 控制系统结构简单，电流响应速度快，系统鲁棒性好。,获得了较多的应用,第8章 软开关技术,引言 8.1 软开关的基本概念 8.2 软开关电路的分类 8.3 典型的软开关电路 本章小结,第8章 软开关技术 引言,现代电力电子装置的发展趋势 小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。 电力电子装置高频化 滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。 开关损耗增加，电磁干扰增大。 软开关技术 降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。,8.1 软开关的基本概念,8.1.1 硬开关和软开关 8.1.2 零电压开关和零电流开关,1、硬开关：,2）特点： 不存在电压和电流的重叠。降低了开关损耗、开关噪声，提高了开关频率。,2）特点： 开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。产生较大的开关损耗和开关噪声。,2、软开关：,1）定义： 开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中其电流也很小，这种开关过程的功率损耗不大，称之为软开关。,1）定义： 开关器件在其端电压不为零时开通（硬开通） ，在其电流不为零时关断（硬关断），硬开通、硬关断统称为硬开关。,8.1.1 硬开关和软开关,8.1.1 硬开关和软开关,硬开关：,开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。 电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导致开关噪声。,8.1.1 硬开关和软开关,软开关：,在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。 降低开关损耗和开关噪声。,8.1.2 零电压开关和零电流开关,零电压开通 开关开通前其两端电压为零开通时不会产生损耗和噪声。 零电流关断 开关关断前其电流为零关断时不会产生损耗和噪声。 零电压关断 与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。 零电流开通 与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。,当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关和零电流开关。,8.2 软开关电路的分类,根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成零电压电路和零电流电路两大类 根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。,