電力電子技術第五章

電力電子技術第五章2023/12/28電力電子技術第五章5.1概述1964年德國人A.Schonung和H.stemmler首先提出把這項通訊技術應用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應用開辟了新的局面。通過改變脈沖的不同寬度可以控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值，通過改變調制周期可以控制其輸出頻率，從而同時實現(xiàn)變壓和變頻。電力電子技術第五章5.1概述沖量（面積）等效原理大小、波形不相同的窄脈沖變量作用于慣性系統(tǒng)時，只要它們的沖量即變量對時間的積分相等，其作用效果基本相同。可推廣到阻感電路中。電力電子技術第五章f(t)d(t)tOa)b)c)d)tOf(t)tOf(t)tOf(t)形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖5.1概述圖a、b、c分別為方波、三角波、正弦半波窄脈沖，圖d單位沖擊函數δ（t），面積都等于1。分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時，其輸出響應基本相同。電力電子技術第五章5.1概述將正弦波分成N個彼此相連的脈沖序列所組成的波形，用相同數量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積相等，可得脈沖序列，即SPWM波形。電力電子技術第五章5.2.1計算法和調制法

計算法根據正弦波頻率、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件的通斷，就可得到所需PWM波形。調制法把希望輸出的波形（正弦波）按比例縮小作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過載波的調制得到所期望的PWM波形。電力電子技術第五章5.2.1計算法和調制法調制波把希望輸出的波形作為調制信號，在SPWM中采用正弦波作為調制波。載波把接受調制的信號作為載波，通過對載波的調制得到所期望的PWM波形載波：三角波或鋸齒波原因：等腰三角波上任一點的水平寬度和高度成線性關系，且左右對稱。電力電子技術第五章5.2.1計算法和調制法單極性PWM控制方式調制信號ur為正弦波載波uc為三角波在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷電力電子技術第五章5.2.1計算法和調制法Ur正半周當ur>uc時，uo=Ud當ur<uc時，uo=0Ur負半周當ur>uc時，uo=0當ur<uc時，uo=-Ud單極性PWM控制方式特點輸出電壓三個電平1、0、-1需要兩個三角載波電力電子技術第五章單相橋逆變橋阻感負載5.2.1計算法和調制法單極性PWM控制方式V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補，縱向換流uo正半周時，V1導通，V2關斷，V3和V4交替通斷uo可得到Ud和零兩種電平uo負半周，讓V2保持導通，V1保持斷開，V3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平電力電子技術第五章單極性PWM控制方式V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補，縱向換流uo正半周時，V1導通，V2關斷，V3和V4交替通斷uo可得到Ud和零兩種電平uo負半周，讓V2保持導通，V1保持斷開，V3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平電力電子技術第五章5.2.1計算法和調制法雙極性PWM控制方式在ur的一個周期內，輸出的PWM波只有±Ud兩種電平ur正負半周，對各開關器件的控制規(guī)律相同電力電子技術第五章單相橋逆變電路5.2.1計算法和調制法雙極性PWM控制方式當ur>uc時，驅動V1、V4如io>0，則V1和V4通如io<0，VD1和VD4通

不管哪種情況uo=Ud當ur<uc時，驅動V2、V3如io<0，V2和V3通如io>0，VD2和VD3通不管哪種情況uo=-Ud電力電子技術第五章三相橋逆變電路5.2.1計算法和調制法雙極性PWM控制方式三相的PWM控制公用三角波載波uc，三相的調制信號依次相差120°。當urA>uc時，V4關斷，V1或VD1導通，則uAN’=Ud/2當urA<uc時，V1關斷，V4或VD4導通，則uUN’=-Ud/2電力電子技術第五章5.2.1計算法和調制法雙極性PWM控制方式uAN’、uBN’和uCN’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平線電壓波形uAB的波形可由uAN’-uBN’得出逆變器輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構成

電力電子技術第五章負載相電壓uAN可由下式求得負載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成5.2.1計算法和調制法電力電子技術第五章5.2.1計算法和調制法同一相上下兩臂的驅動信號互補，為防止上下臂直通而造成短路，在上下兩臂切換時留一小段上下臂都施加關斷信號的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短主要由功率開關器件的關斷時間決定。死區(qū)時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。電力電子技術第五章5.2.2SPWM的基波電壓SPWM脈沖電壓：脈沖寬度按照正弦規(guī)律變化的脈沖電壓序列。其基波電壓幅值與各段脈寬有著直接關系，改變各個脈沖的寬度，就可以平滑地調節(jié)逆變器輸出電壓基波幅值。脈沖數n足夠大時，SPWM逆變器輸出脈沖序列的基波電壓正是調制時所要求的等效正弦波。電力電子技術第五章5.2.3脈寬調制的制約條件1.開關頻率限制開關頻率越高，SPWM波形的脈沖數越多，其基波越接近期望的正弦波。電力電子器件的開關能力是有限的，因此在應用脈寬調制技術時必然要受到一定條件的制約載波比：載波頻率fc與調制信號頻率fr之比，N=fc/fr電力電子技術第五章5.2.3脈寬調制的制約條件2.最小間歇時間與幅值調制比最小脈沖寬度大于開關器件的導通時間ton，而最小脈沖間歇大于器件的關斷時間toff

幅值調制比M=Urm/UcmM=0~1電力電子技術第五章5.2.4異步調制和同步調制異步調制載波信號和調制信號不同步的調制方式，通常保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的缺點：在信號波的半周期內，PWM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1/4周期的脈沖也不對稱。當信號頻率增高時，N減小，一周期內的脈沖數減少，使得輸出PWM波和正弦波差異變大。電力電子技術第五章5.2.4異步調制和同步調制同步調制在變頻（fr變化）時，載波比N不變，載波與信號波保持同步。信號波一周期內輸出脈沖數是固定，脈沖相位也是固定的。三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數倍，使三相輸出波形嚴格對稱。為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應取奇數。電力電子技術第五章5.2.4異步調制和同步調制同步調制缺點：當逆變電路輸出頻率很低時，fc也很低，fc過低時由調制帶來的諧波不易濾除。當逆變電路輸出頻率很高時，同步調制時的載波頻率fc會過高，使開關器件難以承受。電力電子技術第五章5.2.4異步調制和同步調制分段同步調制把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持N恒定，不同頻段的N不同。在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高，限制功率開關器件允許的范圍。在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低而對負載產生不利影響。電力電子技術第五章5.2.5SPWM控制的實現(xiàn)方法模擬實現(xiàn)方法數字實現(xiàn)方法等效面積算法自然采樣法規(guī)則采樣法SPWM專用集成電路芯片電力電子技術第五章5.2.5SPWM控制的實現(xiàn)方法模擬實現(xiàn)方法：采用模擬電路實現(xiàn)電力電子技術第五章5.2.5SPWM控制的實現(xiàn)方法自然采樣法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率開關的通斷，這種生成SPWM波形的方法規(guī)則采樣法工程實用方法，效果接近自然采樣法，計算量比自然采樣法小得多電力電子技術第五章ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d規(guī)則采樣法5.2.5SPWM控制的實現(xiàn)方法取三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc使脈沖中點和三角波一周期的中點（即負峰點）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。電力電子技術第五章ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d規(guī)則采樣法5.2.5SPWM控制的實現(xiàn)方法在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波采樣得D點，過D點作一水平直線和三角波分別交于A、B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制功率開關器件的通斷規(guī)則采樣法得到的脈沖寬度和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近電力電子技術第五章設正弦調制信號波為式中，a稱為調制度，0≤a<1；wr為信號波角頻率，因此可得三角波一周期內，脈沖兩邊間隙寬度δ’為5.2.5SPWM控制的實現(xiàn)方法電力電子技術第五章三相橋逆變電路應形成三相SPWM波形，三相的三角波載波共用，三相正弦調制波相位依次差120°設同一三角波周期內三相的脈寬分別為δU、δV和δW，脈沖兩邊的間隙寬度分別為δ’U、δ’V和δ’W，同一時刻三相調制波電壓之和為零，得

5.2.5SPWM控制的實現(xiàn)方法電力電子技術第五章1）單相雙極性諧波角頻率為:n=1,3,5,…時，k=0,2,4,…；n=2,4,6,…時，k=1,3,5,…SPWM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。角頻率1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=05.2逆變電路的SPWM控制方法電力電子技術第五章5.2逆變電路的SPWM控制方法2）三相雙極性（公用載波信號時的情況）輸出線電壓中的諧波角