控制技術ppt課件

1、PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作電子教案電子教案第第6章章 PWM控制技術控制技術第第6章章 PWM控制技術控制技術 引言引言6.1 PWM控制的根本原理控制的根本原理6.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法 6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 6.2.2 異步伐制和同步伐制異步伐制和同步伐制 6.2.3 規(guī)那么采樣法規(guī)那么采樣法 6.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 6.2.5 提高直流電壓利用率和減少開關次數提高直流電壓利用率和減少開關次數 6.2.6 PWM逆變電路的多重化逆變電路的多重化6.3 PWM跟蹤控

2、制技術跟蹤控制技術 6.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式 6.3.2 三角波比較方式三角波比較方式6.4 PWM整流電路及其控制方法整流電路及其控制方法 6.4.1 PWM整流電路的任務原理整流電路的任務原理 6.4.2 PWM整流電路的控制方法整流電路的控制方法 本章小結本章小結PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作引言引言 PWMPulse Width Modulation控制控制脈沖寬度調制脈沖寬度調制技術，經過對一系列脈沖的寬度進展調制，來等效地獲得技術，經過對一系列脈沖的寬度進展調制，來等效地獲得所需求波形含外形和幅值所需求波形含外形和幅值 第第3

3、、4章已涉及這方面內容章已涉及這方面內容 第第3章：直流斬波電路采用章：直流斬波電路采用 第第4章有兩處：章有兩處： 4.1節(jié)斬控式交流調壓電路，節(jié)斬控式交流調壓電路，4.4節(jié)矩陣式變節(jié)矩陣式變頻電路頻電路 本章內容本章內容 PWM控制技術在逆變電路中運用最廣，運用的逆變電路絕控制技術在逆變電路中運用最廣，運用的逆變電路絕大部分是大部分是PWM型，型，PWM控制技術正是有賴于在逆變電路控制技術正是有賴于在逆變電路中的運用，才確定了它在電力電子技術中的重要位置中的運用，才確定了它在電力電子技術中的重要位置 本章主要以逆變電路為控制對象來引見本章主要以逆變電路為控制對象來引見PWM控制技術控制技術

4、 也引見也引見PWM整流電路整流電路PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.1 PWM控制的根本原理控制的根本原理 實際根底實際根底 沖量相等而外形不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上沖量相等而外形不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果根本一樣時，其效果根本一樣 沖量指窄脈沖的面積沖量指窄脈沖的面積 效果根本一樣，是指環(huán)節(jié)的輸出呼應波形根本一樣效果根本一樣，是指環(huán)節(jié)的輸出呼應波形根本一樣 低頻段非常接近，僅在高頻段略有差別低頻段非常接近，僅在高頻段略有差別f (t)(t)tO圖6-1a)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t)圖6-1 外形不

5、同而沖量一樣的各種窄脈沖PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.1 PWM控制的根本原理控制的根本原理 一個實例一個實例 圖圖6-2a的電路的電路 電路輸入：電路輸入：u(t)，窄脈沖，如圖，窄脈沖，如圖6-1a、b、c、d所示所示 電路輸出：電路輸出：i(t)，圖，圖6-2b 面積等效原理面積等效原理a)Ob)圖6-2tbdcai(t)i(t)e(t)圖6-2 沖量一樣的各種窄脈沖的呼應波形PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.1 PWM控制的根本原理控制的根本原理 用一系列等幅不等寬的脈沖來替代一個用一系列等幅不

6、等寬的脈沖來替代一個正弦半波正弦半波 正弦半波正弦半波N等分，可看成等分，可看成N個彼此相連個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等 用矩形脈沖替代，等幅，不等寬，中點用矩形脈沖替代，等幅，不等寬，中點重合，面積沖量相等重合，面積沖量相等 寬度按正弦規(guī)律變化寬度按正弦規(guī)律變化tOua)b)圖6-3Out圖6-3 用PWM波替代正弦半波SPWM波形波形脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的等效的PWM波形波形要改動等效輸出正弦波幅值，按同一比例改動各脈沖要改動等效輸出正弦波幅值，按同一比例改動各脈沖寬度即可寬度即可PE N E C

7、西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.1 PWM控制的根本原理控制的根本原理 等幅等幅PWM波和不等幅波和不等幅PWM波波 由直流電源產生的由直流電源產生的PWM波通常是等幅波通常是等幅PWM波波 如直流斬波電路及本章主要引見的如直流斬波電路及本章主要引見的PWM逆變電路，逆變電路，6.4節(jié)的節(jié)的PWM整流電路整流電路 輸入電源是交流，得到不等幅輸入電源是交流，得到不等幅PWM波波 4.1節(jié)講述的斬控式交流調壓電路，節(jié)講述的斬控式交流調壓電路，4.4節(jié)的矩陣式變頻節(jié)的矩陣式變頻電路電路 基于面積等效原理進展控制，本質是一樣的基于面積等效原理進展控制，本質是一樣的PE N

8、 E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.1 PWM控制的根本原理控制的根本原理PWM電流波電流波電流型逆變電路進展電流型逆變電路進展PWM控制，得控制，得到的就是到的就是PWM電流波電流波PWM波形可等效的各種波形波形可等效的各種波形直流斬波電路：等效直流波形直流斬波電路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形波：等效正弦波形還可以等效成其他所需波形，如等效還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其根本原理所需非正弦交流波形等，其根本原理和和SPWM控制一樣，也基于等效面積控制一樣，也基于等效面積原理原理PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術

9、研究中心(PENEC)制作6.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術逆變電路是PWM控制技術最為重要的運用場所本節(jié)內容構成了本章的主體PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前適用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 計算法計算法 根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計算根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據此控制逆變電路開關器波各脈沖寬度和間隔，據此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所

10、需件的通斷，就可得到所需PWM波形波形 繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化都要變化 調制法調制法 輸出波形作調制信號，進展調制得到期望的輸出波形作調制信號，進展調制得到期望的PWM波波 通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波 等腰三角波運用最多，其任一點程度寬度和高度成線性等腰三角波運用最多，其任一點程度寬度和高度成線性關系且左右對稱關系且左右對稱PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 與任一平緩變化的調制信號波相交，在

11、交點控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求 調制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波 調制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 結合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調制法進展闡明 任務時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補 控制規(guī)律 uo正半周，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷 負載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負 負載電流為正的區(qū)間，V1和V4導通時，uo等于Ud V4關斷時，負載電流經過V1和V

12、D3續(xù)流，uo=0 負載電流為負的區(qū)間， V1和V4仍導通，io為負，實踐上io從VD1和VD4流過，仍有uo=UdPE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 V4關斷V3開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0 uo總可得到Ud和零兩種電平 uo負半周，讓V2堅持通，V1堅持斷，V3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平信號波載波圖6-4調制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc圖6-4 單相橋式PWM逆變電路PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2

13、.1 計算法和調制法計算法和調制法 單極性單極性PWM控制方式單相橋逆變控制方式單相橋逆變在在ur和和uc的交點時辰控制的交點時辰控制IGBT的通的通斷斷 ur正半周，正半周，V1堅持通，堅持通，V2堅持斷堅持斷 當當uruc時使時使V4通，通，V3斷，斷，uo=Ud 當當uruc時使時使V4斷，斷，V3通，通，uo=0 ur負半周，負半周，V1堅持斷，堅持斷，V2堅持通堅持通 當當uruc時使時使V3斷，斷，V4通，通，uo=0 虛線虛線uof表示表示uo的基波分量的基波分量圖6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud圖6-5 單極性PWM控制方式波形PE N E C西安交通大學電力電

14、子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法雙極性雙極性PWM控制方式單相橋逆變控制方式單相橋逆變在在ur的半個周期內，三角波載波有正有負，所的半個周期內，三角波載波有正有負，所得得PWM波也有正有負波也有正有負在在ur一周期內，輸出一周期內，輸出PWM波只需波只需Ud兩種電平兩種電平仍在調制信號仍在調制信號ur和載波信號和載波信號uc的交點控制器件的交點控制器件的通斷的通斷ur正負半周，對各開關器件的控制規(guī)律一樣正負半周，對各開關器件的控制規(guī)律一樣當當ur uc時，給時，給V1和和V4導通訊號，給導通訊號，給V2和和V3關斷信號關斷信號如如io0，V1和和

15、V4通，如通，如io0，VD1和和VD4通，通， uo=UdPE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 當當uruc時，給時，給V2和和V3導通訊號，給導通訊號，給V1和和V4關斷關斷信號信號 如如io0，VD2和和VD3通，通，uo=-Ud 單相橋式電路既可采取單極性調制，也可采用雙極單相橋式電路既可采取單極性調制，也可采用雙極性調制性調制圖6-6urucuOtOtuouofuoUd- Ud圖6-6 雙極性PWM控制方式波形 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.1 計算法和調

16、制法計算法和調制法雙極性雙極性PWM控制方式單相橋逆變控制方式單相橋逆變三相的三相的PWM控制公用三角波載波控制公用三角波載波uc三相的調制信號三相的調制信號urU、urV和和urW依次相差依次相差120圖6-7調制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud圖6-7 三相橋式PWM型逆變電路 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法U相的控制規(guī)律相的控制規(guī)律當當urUuc時，給時，給V1導通訊號，給導通訊號，給V4關斷信號，關斷信號，uUN=Ud/

17、2當當urUuc時，給時，給V4導通訊號，給導通訊號，給V1關斷信號，關斷信號，uUN=-Ud/2當給當給V1(V4)加導通訊號時，能夠是加導通訊號時，能夠是V1(V4)導通，導通，也能夠是也能夠是VD1(VD4)導通導通uUN、uVN和和uWN的的PWM波形只需波形只需Ud/2兩種兩種電平電平uUV波形可由波形可由uUN-uVN得出，當得出，當1和和6通時，通時，uUV=Ud，當，當3和和4通時，通時，uUV=Ud，當，當1和和3或或4和和6通時，通時，uUV=0輸出線電壓輸出線電壓PWM波由波由Ud和和0三種電平構成三種電平構成負載相電壓負載相電壓PWM波由波由(2/3)Ud、(1/3)U

18、d和和0共共5種電平組成種電平組成PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.1 6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法防直通死區(qū)時間防直通死區(qū)時間同一相上下兩臂的驅動同一相上下兩臂的驅動信號互補，為防止上下信號互補，為防止上下臂直通而呵斥短路，留臂直通而呵斥短路，留一小段上下臂都施加關一小段上下臂都施加關斷信號的死區(qū)時間斷信號的死區(qū)時間死區(qū)時間的長短主要由死區(qū)時間的長短主要由開關器件的關斷時間決開關器件的關斷時間決議議死區(qū)時間會給輸出的死區(qū)時間會給輸出的PWM波帶來影響，使波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波其稍稍偏離正弦波圖6-8ucurUurVurWuu

19、UNuVNuWNuUNuUVUd- UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22 Ud圖6-8 三相橋式PWM逆變電路波形 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 特定諧波消去法特定諧波消去法(Selected Harmo-nic Elimination PWMSHEPWM) 這是計算法中一種較有代表性的方這是計算法中一種較有代表性的方法，如圖法，如圖6-9 輸出電壓半周期內，器件通、斷各輸出電壓半周期內，器件通、斷各3次不包括次不包括0和和，共，共6個開關時個開關時辰可控辰可控圖6-9Otuo

20、Ud-Ud2a1a2a3圖6-9 特定諧波消去法的輸出PWM波形為減少諧波并簡化控制，要盡量使波形對稱首先，為消除偶次諧波，使波形正負兩半周期鏡對稱，即 (6-1)()(tutuPE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法其次，為消除諧波中余弦項，應使波形在正半周期內前后1/4周期以/2為軸線對稱 (6-2)同時滿足式6-1、6-2的波形稱為四分之一周期對稱波形，用傅里葉級數表示為 (6-3) 式中，an為)()(tutu, 5 , 3 , 1sin)(nntnatu20dsin)(4ttntuanPE N E C西安交通大

21、學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.1 6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 圖6-9，能獨立控制a1、a 2和a 3共3個時辰。該波形的 an為 式中n=1,3,5, 確定a1的值，再令兩個不同的an=0，就可建三個方程，求得a1、a2和a3)cos2cos2cos21 (2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211nnnnUttnUttnUttnUttnUadddddn(6-4)PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.1 6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 消去兩種特定頻率的諧波消去兩種特

22、定頻率的諧波 在三相對稱電路的線電壓中，相電壓所含的在三相對稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧次諧波相互抵消，可思索消去波相互抵消，可思索消去5次和次和7次諧波，得如下聯(lián)立次諧波，得如下聯(lián)立方程：方程： 給定給定a1，解方程可得，解方程可得a1、a2和和a3。a1變，變，a1、a2和和a3也相應改動也相應改動0)7cos27cos27cos21 (720)5cos25cos25cos21 (52)cos2cos2cos21 (2321d7321d5321d1UaUaUa(6-5)PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.1 6.2.1 計算法和調制法計

23、算法和調制法普通，在輸出電壓半周期內器件通、斷各k次，思索PWM波四分之一周期對稱，k個開關時辰可控，除用一個控制基波幅值，可消去k1個頻率的特定諧波k越大，開關時辰的計算越復雜除計算法和調制法外，還有跟蹤控制方法，在6.3節(jié)引見PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.2 異步伐制和同步伐制異步伐制和同步伐制v 載波比載波比載波頻率載波頻率fc與調制信號頻率與調制信號頻率fr之比，之比，N= fc / frv 根據載波和信號波能否同步及載波比的變化情況，根據載波和信號波能否同步及載波比的變化情況，PWM調制方式分為異步伐制和同步伐制調制方式分為異步伐制

24、和同步伐制v 1. 異步伐制異步伐制v 異步伐制異步伐制載波信號和調制信號不同步的調制方式載波信號和調制信號不同步的調制方式v 通常堅持通常堅持fc固定不變，當固定不變，當fr變化時，載波比變化時，載波比N是變化的是變化的v 在信號波的半周期內，在信號波的半周期內，PWM波的脈沖個數不固定，相波的脈沖個數不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱周期的脈沖也不對稱v 當當fr較低時，較低時，N較大，一周期內脈沖數較多，脈沖不對較大，一周期內脈沖數較多，脈沖不對稱產生的不利影響都較小稱產生的不利影響都較小v

25、當當fr增高時，增高時，N減小，一周期內的脈沖數減少，減小，一周期內的脈沖數減少，PWM脈脈沖不對稱的影響就變大沖不對稱的影響就變大PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.2 異步伐制和同步伐制異步伐制和同步伐制2. 同步伐制同步伐制同步伐制同步伐制N等于常數，并在變頻時等于常數，并在變頻時使載波和信號波堅持同步使載波和信號波堅持同步根本同步伐制方式，根本同步伐制方式，fr變化時變化時N不變，信不變，信號波一周期內輸出脈沖數固定號波一周期內輸出脈沖數固定三相電路中公用一個三角波載波，且取三相電路中公用一個三角波載波，且取N為為3的整數倍，使三相輸出對稱

26、的整數倍，使三相輸出對稱為使一相的為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，波正負半周鏡對稱，N應取奇數應取奇數fr很低時，很低時，fc也很低，由調制帶來的諧波也很低，由調制帶來的諧波不易濾除不易濾除fr很高時，很高時，fc會過高，使開關器件難以接會過高，使開關器件難以接受受圖6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud圖6-10 同步伐制三相PWM波形PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.2 異步伐制和同步伐制異步伐制和同步伐制 分段同步伐制分段同步伐制(圖圖6-11 把把fr范圍劃分成假設干個頻段，每個頻段內堅持范圍劃分

27、成假設干個頻段，每個頻段內堅持N恒定，恒定，不同頻段不同頻段N不同不同 在在fr高的頻段采用較低的高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高，使載波頻率不致過高 在在fr低的頻段采用較高的低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低，使載波頻率不致過低 為防止為防止fc在切換點附近來回跳動，采用滯后切換的方法在切換點附近來回跳動，采用滯后切換的方法 同步伐制比異步伐制復雜，但用微機控制時容易實現(xiàn)同步伐制比異步伐制復雜，但用微機控制時容易實現(xiàn) 可在低頻輸出時采用異步伐制方式，高頻輸出時切換到可在低頻輸出時采用異步伐制方式，高頻輸出時切換到同步伐制方式，這樣把兩者的優(yōu)點結合起來，和分段同同步伐制方式，這

28、樣把兩者的優(yōu)點結合起來，和分段同步方式效果接近步方式效果接近PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.3 規(guī)那么采樣法規(guī)那么采樣法v 按SPWM根本原理，自然采樣法v 要求解復雜的超越方程，難以在實時控制中在線計算，工程運用不多v 規(guī)那么采樣法特點v 工程適用方法，效果接近自然采樣法，計算量小得多圖6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB22圖6-12 規(guī)那么采樣法 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.3 規(guī)那么采樣法規(guī)那么采樣法 規(guī)那么采樣法原理規(guī)那么采樣法原理 圖圖6-12，三角波兩個正峰值之

29、間為一個采樣周期，三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc 自然采樣法中，脈沖中點不和三角波一周期的中點即自然采樣法中，脈沖中點不和三角波一周期的中點即負峰點重合負峰點重合 規(guī)那么采樣法使兩者重合，每個脈沖的中點都以相應的規(guī)那么采樣法使兩者重合，每個脈沖的中點都以相應的三角波中點為對稱，使計算大為簡化三角波中點為對稱，使計算大為簡化 在三角波的負峰時辰在三角波的負峰時辰tD對正弦信號波采樣得對正弦信號波采樣得D點，過點，過D作作程度直線和三角波分別交于程度直線和三角波分別交于A、B點，在點，在A點時辰點時辰tA和和B點點時辰時辰tB控制開關器件的通斷控制開關器件的通斷 脈沖寬度脈沖寬度d 和用自

30、然采樣法得到的脈沖寬度非常接近和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.3 規(guī)那么采樣法規(guī)那么采樣法 規(guī)那么采樣法計算公式推導規(guī)那么采樣法計算公式推導 正弦調制信號波正弦調制信號波 式中，式中，a稱為調制度，稱為調制度，0a1；wr為信號波角頻率。為信號波角頻率。從圖從圖6-12得得 因此可得因此可得 三角波一周期內，脈沖兩邊間隙寬度三角波一周期內，脈沖兩邊間隙寬度taursinr2/22/sin1cDrTta)sin1 (2DrctaT)sin1 (421DrcctaTT(6-6)(6-7)PE N E C西安交通

31、大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.3 規(guī)那么采樣法規(guī)那么采樣法 三相橋逆變電路的情況三相橋逆變電路的情況 三角波載波公用，三相正弦調制波相位依次差三角波載波公用，三相正弦調制波相位依次差120 同一三角波周期內三相的脈寬分別為同一三角波周期內三相的脈寬分別為dU、dV和和dW，脈沖兩邊的間隙寬度分別為脈沖兩邊的間隙寬度分別為dU、dV和和dW，同一時，同一時辰三相調制波電壓之和為零，由式辰三相調制波電壓之和為零，由式(6-6)得得 (6-8) 由式由式(6-7)得得 (6-9) 利用以上兩式可簡化三相利用以上兩式可簡化三相SPWM波的計算波的計算23cWVUT43c W

32、 V UTPE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析v 運用載波對正弦信號波調制，產生了和載波有關的諧波分量v 諧波頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要目的之一v 分析雙極性SPWM波形v 同步伐制可看成異步伐制的特殊情況，只分析異步伐制方式v 分析方法v 不同信號波周期的PWM波不同，無法直接以信號波周期為基準分析v 以載波周期為根底，再利用貝塞爾函數推導出PWM波的傅里葉級數表達式v 分析過程相當復雜，結論卻簡單而直觀PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.4

33、 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 單相的分析結果單相的分析結果 圖圖6-13，不同，不同a時單相橋式時單相橋式PWM逆變電路輸出電壓逆變電路輸出電壓頻譜圖頻譜圖 諧波角頻率為諧波角頻率為 ( 6 -10) 式中，式中，n=1,3,5,時，時，k=0,2,4, ；n=2,4,6,時，時，k=1,3,5, rckn1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅圖6-13角頻率 (nc +kr)0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0PWM波中不含低次諧波，只含wc及其附近的諧波以及 2wc、3wc等及其附近的諧波圖6-13

34、單相PWM橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 三相的分析結果三相的分析結果 公用載波信號時的情況公用載波信號時的情況 輸出線電壓中的諧波角頻率輸出線電壓中的諧波角頻率為為 式中，式中，n=1,3,5,時，時， k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,時，時， 圖圖6-14，輸出線電壓頻譜圖，輸出線電壓頻譜圖。, 2 , 116, 1 , 016mmmmk1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅圖6-140.20.40.60.81.01.2

35、kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角頻率(nc +kr)圖6-14 三相橋式PWM逆變電路輸出線電壓頻譜圖(6-11)rcknPE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 和單相比較(圖6-13)，共同點是都不含低次諧波，一個較顯著的區(qū)別是載波角頻率wc整數倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是wc2wr和2wcwr SPWM波中諧波主要是角頻率為wc、2wc及其附近的諧波，很容易濾除 當調制信號波不是正弦波時，諧波由兩部分組成：一部分是對信號波本身進展諧波分析所得的結果，另一部分是由于信號波對載波的調制而產

36、生的諧波。后者的諧波分布情況和SPWM波的諧波分析一致PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.5 提高直流電壓利用率和減少提高直流電壓利用率和減少開關次數開關次數v 直流電壓利用率直流電壓利用率逆變電路輸出交流電壓基波最大逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值幅值U1m和直流電壓和直流電壓Ud之比之比v 提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸出才干提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸出才干v 減少器件的開關次數可以降低開關損耗減少器件的開關次數可以降低開關損耗v 正弦波調制的三相正弦波調制的三相PWM逆變電路，調制度逆變電路，調制度a為為1時，輸時，輸出線電壓的基

37、波幅值為出線電壓的基波幅值為 ，直流電壓利用率為，直流電壓利用率為0.866，實踐還更低，實踐還更低v 梯形波調制方法的思緒梯形波調制方法的思緒v 采用梯形波作為調制信號，可有效提高直流電壓利用采用梯形波作為調制信號，可有效提高直流電壓利用率率v 當梯形波幅值和三角波幅值相等時，梯形波所含的基當梯形波幅值和三角波幅值相等時，梯形波所含的基波分量幅值更大波分量幅值更大dU)2/3(PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.5 提高直流電壓利用率和減少提高直流電壓利用率和減少開關次數開關次數 梯形波調制方法的原理及波形梯形波調制方法的原理及波形 梯形波的外形

38、用三角化率梯形波的外形用三角化率s =Ut/Uto描畫，描畫，Ut為以橫軸為底時梯形波的為以橫軸為底時梯形波的高，高，Uto為以橫軸為底邊把梯形兩為以橫軸為底邊把梯形兩腰延伸后相交所構成的三角形的高腰延伸后相交所構成的三角形的高 s =0時梯形波變?yōu)榫匦尾?，時梯形波變?yōu)榫匦尾?，s =1時梯時梯形波變?yōu)槿遣ㄐ尾ㄗ優(yōu)槿遣?梯形波含低次諧波，梯形波含低次諧波，PWM波含同波含同樣的低次諧波樣的低次諧波 低次諧波不包括由載波引起的諧低次諧波不包括由載波引起的諧波產生的波形畸變率為波產生的波形畸變率為d 圖6-15ucurUurVurWuuUNOtOtOtOtuVNuUV圖6-15 梯形波為調制信號

39、的PWM控制 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.5 提高直流電壓利用率和減少提高直流電壓利用率和減少開關次數開關次數 圖6-16，d 和U1m /Ud隨s 變化的情況 圖6-17，s 變化時各次諧波分量幅值Unm和基波幅值U1m之比 s = 0.4時，諧波含量也較少，d 約為3.6%，直流電壓利用率為1.03，綜合效果較好 梯形波調制的缺陷：輸出波形中含5次、7次等低次諧波00.20.40.60.81.0圖6-160.20.40.60.81.01.2U1mUd,UdU1m圖6-16 s 變化時的d 和直流電壓利用率 0.20.40.60.81.0

40、圖6-175r00.10.27r11r13rU1mUnm圖6-17 s 變化時的各次諧波含量 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.5 提高直流電壓利用率和提高直流電壓利用率和減少開關次數減少開關次數 線電壓控制方式疊加線電壓控制方式疊加3次諧波次諧波 對兩個線電壓進展控制，適當地利用多余的一個自在對兩個線電壓進展控制，適當地利用多余的一個自在度來改善控制性能度來改善控制性能 目的目的使輸出線電壓不含低次諧波的同時盡能夠提使輸出線電壓不含低次諧波的同時盡能夠提高直流電壓利用率，并盡量減少器件開關次數高直流電壓利用率，并盡量減少器件開關次數圖6-18u

41、cur1uOturur1uOtur3圖6-18 疊加3次諧波的調制信號PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.5 提高直流電壓利用率和提高直流電壓利用率和減少開關次數減少開關次數 直接控制手段仍是對相電壓進展控制，但控制目的卻是線電壓 相對線電壓控制方式，控制目的為相電壓時稱為相電壓控制方式 在相電壓調制信號中疊加3次諧波，使之成為鞍形波，輸出相電壓中也含3次諧波，且三相的三次諧波相位一樣。合成線電壓時，3次諧波相互抵消，線電壓為正弦波 鞍形波的基波分量幅值大 除疊加3次諧波外，還可疊加其他3倍頻的信號，也可疊加直流分量，都不會影響線電壓PE N E

42、C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.5 提高直流電壓利用率和提高直流電壓利用率和減少開關次數減少開關次數 線電壓控制方式疊加線電壓控制方式疊加3倍次諧波和直流分量圖倍次諧波和直流分量圖6-19 疊加疊加up，既包含，既包含3倍次諧波，也包含直流分量，倍次諧波，也包含直流分量，up大小隨大小隨正弦信號的大小而變化正弦信號的大小而變化 設三角波載波幅值為設三角波載波幅值為1，三相調制信號的正弦分別為，三相調制信號的正弦分別為urU1、urV1和和urW1，并令，并令 (6-12) 那么三相的調制信號分別為那么三相的調制信號分別為1),min(rW1rV1rU1puu

43、uuprW1rWprV1rVprU1rUuuuuuuuuu(6-13)PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.5 提高直流電壓利用率和提高直流電壓利用率和減少開關次數減少開關次數 不論urU1、urV1和urW1幅值的大小，urU、urV、urW總有1/3周期的值和三角波負峰值相等。在這1/3周期中，不對調制信號值為-1的相進展控制，只對其他兩相進展控制，這種控制方式稱為兩相控制方式 優(yōu)點 1在1/3周期內器件不動作，開關損耗減少1/3 2最大輸出線電壓基波幅值為Ud，直流電壓利用率 提高 3輸出線電壓不含低次諧波，優(yōu)于梯形波調制方式PE N E C西

44、安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.6 PWM逆變電路的多重化逆變電路的多重化v PWM多重化逆變電路，普通目的：提高等效開關頻率、減少開關損耗、減少和載波有關的諧波分量v PWM逆變電路多重化結合方式有變壓器方式和電抗器方式v 利用電抗器聯(lián)接的二重PWM逆變電路圖6-20，圖 6-21)v 兩個單元的載波信號錯開180v 輸 出 端 相 對 于 直 流 電 源 中 點 N 的 電 壓uUN=(uU1N+uU2N)/2，已變?yōu)閱螛O性PWM波圖6-20NU1V1W1U2V2W2uUuVuWUVW2Ud2Ud圖6-20 二重PWM型逆變電路 PE N E C西安交通大學

45、電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.2.6 PWM逆變電路的多重化逆變電路的多重化 輸出線電壓共有0、(1/2)Ud、Ud五個電平，比非多重化時諧波有所減少 電抗器上所加電壓頻率為載波頻率，比輸出頻率高得多，只需很小的電抗器就可以了 輸出電壓所含諧波角頻率仍可表示為nwc+kwr，但其中n為奇數時的諧波已全被除去，諧波最低頻率在2wc附近，相當于電路的等效載波頻率提高一倍圖6-21Ud- UdOurUurVuc2uc1tuUVuOtOtOtOtOtuU1NuU2NuUNuVN2Ud2Ud圖6-21 二重PWM型逆變電路輸出波形 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究

46、中心(PENEC)制作6.3 PWM跟蹤控制技術跟蹤控制技術vPWM波形生成的第三種方法跟蹤控制v 方法v把希望輸出的波形作為指令信號，把實踐波v 形作為反響信號，經過兩者的瞬時值比較來v 決議逆變電路各開關器件的通斷，使實踐的v 輸出跟蹤指令信號變化v常用的有滯環(huán)比較方式和三角波比較方式PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式v電流跟蹤控制運用最多v根本原理v把指令電流i*和實踐輸出電流i的偏向i*-i作為滯環(huán)比較 器的輸入v經過比較器的輸出控制器件V1和V2的通斷vV1或VD1通時，i增大vV2或VD2通時，i減小v經過

47、環(huán)寬為2DI的滯環(huán)比較器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范圍內，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式v 參數的影響v 滯環(huán)環(huán)寬對跟蹤性能的影響：環(huán)寬過寬時，開關頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過窄時，跟蹤誤差小，但開關頻率過高，開關損耗增大v 電抗器L的作用：L大時，i的變化率小，跟蹤慢v L小時，i的變化率大，開關頻率過高負載L+圖6-22-iii*VD1VD2V1V22Ud2UdO圖6-23tiii*+ Ii*- Ii*圖6-22 滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例圖6-23 滯環(huán)比較方式的指令電流

48、和輸出電流PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式v三相的情況三相的情況圖6-24+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVW圖6-25Oti*UOtuABiUi圖6-25 三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形圖6-24 三相電流跟蹤型PWM逆變電路PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式v采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM變流電路變流電路有如下特點有如下特點v 1硬件電路簡單硬件電路簡單v 2實

49、時控制，電流呼應快實時控制，電流呼應快v 3不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波的諧波v 4和計算法及調制法相比，一樣開關頻率時和計算法及調制法相比，一樣開關頻率時輸出電輸出電v 流中高次諧波含量多流中高次諧波含量多v 5閉環(huán)控制，是各種跟蹤型閉環(huán)控制，是各種跟蹤型PWM變流電路變流電路的共同特點的共同特點PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式v采用滯環(huán)比較方式實現(xiàn)電壓跟蹤控制采用滯環(huán)比較方式實現(xiàn)電壓跟蹤控制v把指令電壓把指令電壓u*和輸出電壓和輸出電壓u進展比較，濾除偏進展比較，

50、濾除偏向信號中的諧波，濾波器的輸出送入滯環(huán)比較向信號中的諧波，濾波器的輸出送入滯環(huán)比較器，由比較器輸出控制開關器件的通斷，從而器，由比較器輸出控制開關器件的通斷，從而實現(xiàn)電壓跟蹤控制實現(xiàn)電壓跟蹤控制圖6-26濾波器+-uu*u2Ud2Ud圖6-26 電壓跟蹤控制電路舉例PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式 和電流跟蹤控制電路相比，只是把指令和反響信號從電流變?yōu)殡妷?輸出電壓PWM波形中含大量高次諧波，必需用適當的濾波器濾除 u*=0時，輸出電壓u為頻率較高的矩形波，相當于一個自勵振蕩電路 u*為直流信號時，u產生直流偏移

51、，變?yōu)檎撁}沖寬度不等，正寬負窄或正窄負寬的矩形波 u*為交流信號時，只需其頻率遠低于上述自勵振蕩頻率，從u中濾除由器件通斷產生的高次諧波后，所得的波形就幾乎和u* 一樣，從而實現(xiàn)電壓跟蹤控制PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.3.2 三角波比較方式三角波比較方式v根本原理根本原理v不是把指令信號和三角波直接進展比較，而是不是把指令信號和三角波直接進展比較，而是經過閉環(huán)來進展控制經過閉環(huán)來進展控制v把指令電流把指令電流i*U、i*V和和i*W和實踐輸出電流和實踐輸出電流iU、iV、iW進展比較，求出偏向，經過放大器進展比較，求出偏向，經過放大器A放放大

52、后，再去和三角波進展比較，產生大后，再去和三角波進展比較，產生PWM波形波形v放大器放大器A通常具有比例積分特性或比例特性，其通常具有比例積分特性或比例特性，其系數直接影響電流跟蹤特性系數直接影響電流跟蹤特性PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.3.2 6.3.2 三角波比較方式三角波比較方式v特點特點v開關頻率固定，等開關頻率固定，等于載波頻率，高頻于載波頻率，高頻濾波器設計方便濾波器設計方便v為改善輸出電壓波為改善輸出電壓波形，三角波載波常形，三角波載波常用三相三角波載波用三相三角波載波v和滯環(huán)比較控制方和滯環(huán)比較控制方式相比，這種控制式相比，這種控

53、制方式輸出電流所含方式輸出電流所含的諧波少的諧波少圖6-27負載+-iUi*U+-iVi*V+-iWi*WUdC+-C+-C+-三相三角波發(fā)生電路AAA圖6-27 三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.3.2 三角波比較方式三角波比較方式v 定時比較方式定時比較方式v 不用滯環(huán)比較器，而是設置一個固定的時鐘不用滯環(huán)比較器，而是設置一個固定的時鐘v 以固定采樣周期對指令信號和被控制變量進展采樣，根以固定采樣周期對指令信號和被控制變量進展采樣，根據偏向的極性來控制開關器件通斷據偏向的極性來控制開關器件通斷v 在時鐘信號到來的時

54、辰，如在時鐘信號到來的時辰，如i i*，V1斷，斷，V2通，使通，使i減小減小v 每個采樣時辰的控制造用都使實踐電流與指令電流的誤每個采樣時辰的控制造用都使實踐電流與指令電流的誤差減小差減小v 采用定時比較方式時，器件的最高開關頻率為時鐘頻率采用定時比較方式時，器件的最高開關頻率為時鐘頻率的的1/2v 和滯環(huán)比較方式相比，電流控制誤差沒有一定的環(huán)寬，和滯環(huán)比較方式相比，電流控制誤差沒有一定的環(huán)寬，控制的精度低一些控制的精度低一些PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.4 PWM整流電路及其控制方法整流電路及其控制方法 適用的整流電路幾乎都是晶閘管整流或二極

55、管整流 晶閘管相控整流電路：輸入電流滯后于電壓，且其中諧波分量大，因此功率因數很低 二極管整流電路：雖位移因數接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數也很低 把逆變電路中的SPWM控制技術用于整流電路，就構成了PWM整流電路 控制PWM整流電路，使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數近似為1，也稱單位功率因數變流器，或高功率因數整流器PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.4.1 PWM整流電路的任務原理整流電路的任務原理v PWM整流電路也可分為電壓型和電流型兩大類，目前電壓型的較多v 1單相PWM整流電路v 圖6-28a和b分別

56、為單相半橋和全橋PWM整流電路v 半橋電路直流側電容必需由兩個電容串聯(lián)，其中點和交流電源銜接v 全橋電路直流側電容只需一個就可以v 交流側電感Ls包括外接電抗器的電感和交流電源內部電感，是電路正常任務所必需的a)負載b)圖6-28usLsisRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+udusLsRsV1V2VD1VD2ud負載C1C2圖6-28 單相PWM整流電路a) 單相半橋電路 b) 單相全橋電路PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.4.1 PWM整流電路的任務原理整流電路的任務原理 單相全橋單相全橋PWM整流電路的任務原理整流電路的任務原理

57、 正弦信號波和三角波相比較的方法對圖正弦信號波和三角波相比較的方法對圖6-28b中的中的V1V4進展進展SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端控制，就可以在橋的交流輸入端AB產生一個產生一個SPWM波波uAB uAB中含有和正弦信號波同頻率且幅值成比例的基波分中含有和正弦信號波同頻率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波載波有關的頻率很高的諧波，不含有量，以及和三角波載波有關的頻率很高的諧波，不含有低次諧波低次諧波 由于由于Ls的濾波作用，諧波電壓只使的濾波作用，諧波電壓只使is產生很小的脈動產生很小的脈動 當正弦信號波頻率和電源頻率一樣時，當正弦信號波頻率和電源頻率一樣時，is也為與電源頻率也為

58、與電源頻率一樣的正弦波一樣的正弦波 us一定時，一定時，is幅值和相位僅由幅值和相位僅由uAB中基波中基波uABf的幅值及其的幅值及其與與us的相位差決議的相位差決議 改動改動uABf的幅值和相位，可使的幅值和相位，可使is和和us同相或反相，同相或反相，is比比us超前超前90，或使，或使is與與us相位差為所需角度相位差為所需角度PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.4.1 PWM整流電路的任務原理整流電路的任務原理 相量圖圖相量圖圖6-29 a： 滯后滯后 相角相角d ， 和和 同相，整流形狀，功率同相，整流形狀，功率因數為因數為1。PWM整流電路

59、最根本的任務形狀整流電路最根本的任務形狀 b： 超前超前 相角相角d ， 和和 反相，逆變形狀，闡明反相，逆變形狀，闡明PWM整流電路可實現(xiàn)能量正反兩個方向的流動，這一特整流電路可實現(xiàn)能量正反兩個方向的流動，這一特點對于需再生制動的交流電動機調速系統(tǒng)很重要點對于需再生制動的交流電動機調速系統(tǒng)很重要 c： 滯后滯后 相角相角d， 超前超前 90，電路向交流電源，電路向交流電源送出無功功率，這時稱為靜止無功功率發(fā)生器送出無功功率，這時稱為靜止無功功率發(fā)生器Static Var GeneratorSVG d：經過對：經過對 幅值和相位的控制，可以使幅值和相位的控制，可以使 比比 超前超前或滯后任一角

60、度或滯后任一角度j UABsUIssUUABsUIssUUABsUIssUUABIssUPE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心(PENEC)制作6.4.1 PWM整流電路的任務原理整流電路的任務原理 對單相全橋對單相全橋PWM整流電路任務原理的進一步闡明整流電路任務原理的進一步闡明 整流整流形狀下形狀下 us 0時，時，V2、VD4、VD1、Ls和和V3、VD1、VD4、Ls分別組成兩個升壓斬波電路，以分別組成兩個升壓斬波電路，以V2、VD4、VD1、Ls為例為例 V2通時，通時，us經過經過V2、VD4向向Ls儲能儲能 V2關斷時，關斷時，Ls中的儲能經過中的儲能經過VD1