電力電子技術(shù)第五章

電力電子技術(shù)第五章2023/12/28電力電子技術(shù)第五章5.1概述1964年德國人A.Schonung和H.stemmler首先提出把這項(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，從此為交流傳動(dòng)的推廣應(yīng)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(diào)制周期可以控制其輸出頻率，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓和變頻。電力電子技術(shù)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(shí)，只要它們的沖量即變量對時(shí)間的積分相等，其作用效果基本相同?？赏茝V到阻感電路中。電力電子技術(shù)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(shù)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(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。電力電子技術(shù)第五章5.1概述將正弦波分成N個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形，用相同數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖和相應(yīng)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(shù)第五章5.2.1計(jì)算法和調(diào)制法

計(jì)算法根據(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PWM波形。調(diào)制法把希望輸出的波形（正弦波）按比例縮小作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。電力電子技術(shù)第五章5.2.1計(jì)算法和調(diào)制法調(diào)制波把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，在SPWM中采用正弦波作為調(diào)制波。載波把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)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(diǎn)的水平寬度和高度成線性關(guān)系，且左右對稱。電力電子技術(shù)第五章5.2.1計(jì)算法和調(diào)制法單極性PWM控制方式調(diào)制信號ur為正弦波載波uc為三角波在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷電力電子技術(shù)第五章5.2.1計(jì)算法和調(diào)制法Ur正半周當(dāng)ur>uc時(shí)，uo=Ud當(dāng)ur<uc時(shí)，uo=0Ur負(fù)半周當(dāng)ur>uc時(shí)，uo=0當(dāng)ur<uc時(shí)，uo=-Ud單極性PWM控制方式特點(diǎn)輸出電壓三個(gè)電平1、0、-1需要兩個(gè)三角載波電力電子技術(shù)第五章單相橋逆變橋阻感負(fù)載5.2.1計(jì)算法和調(diào)制法單極性PWM控制方式V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)，縱向換流uo正半周時(shí)，V1導(dǎo)通，V2關(guān)斷，V3和V4交替通斷uo可得到Ud和零兩種電平uo負(fù)半周，讓V2保持導(dǎo)通，V1保持?jǐn)嚅_，V3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平電力電子技術(shù)第五章單極性PWM控制方式V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)，縱向換流uo正半周時(shí)，V1導(dǎo)通，V2關(guān)斷，V3和V4交替通斷uo可得到Ud和零兩種電平uo負(fù)半周，讓V2保持導(dǎo)通，V1保持?jǐn)嚅_，V3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平電力電子技術(shù)第五章5.2.1計(jì)算法和調(diào)制法雙極性PWM控制方式在ur的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的PWM波只有±Ud兩種電平ur正負(fù)半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同電力電子技術(shù)第五章單相橋逆變電路5.2.1計(jì)算法和調(diào)制法雙極性PWM控制方式當(dāng)ur>uc時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(dāng)ur<uc時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(shù)第五章三相橋逆變電路5.2.1計(jì)算法和調(diào)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(diào)制信號依次相差120°。當(dāng)urA>uc時(shí)，V4關(guān)斷，V1或VD1導(dǎo)通，則uAN’=Ud/2當(dāng)urA<uc時(shí)，V1關(guān)斷，V4或VD4導(dǎo)通，則uUN’=-Ud/2電力電子技術(shù)第五章5.2.1計(jì)算法和調(diào)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(gòu)成

電力電子技術(shù)第五章負(fù)載相電壓uAN可由下式求得負(fù)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(jì)算法和調(diào)制法電力電子技術(shù)第五章5.2.1計(jì)算法和調(diào)制法同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號互補(bǔ)，為防止上下臂直通而造成短路，在上下兩臂切換時(shí)留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長短主要由功率開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間決定。死區(qū)時(shí)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(shù)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(guān)系，改變各個(gè)脈沖的寬度，就可以平滑地調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓基波幅值。脈沖數(shù)n足夠大時(shí)，SPWM逆變器輸出脈沖序列的基波電壓正是調(diào)制時(shí)所要求的等效正弦波。電力電子技術(shù)第五章5.2.3脈寬調(diào)制的制約條件1.開關(guān)頻率限制開關(guān)頻率越高，SPWM波形的脈沖數(shù)越多，其基波越接近期望的正弦波。電力電子器件的開關(guān)能力是有限的，因此在應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)時(shí)必然要受到一定條件的制約載波比：載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比，N=fc/fr電力電子技術(shù)第五章5.2.3脈寬調(diào)制的制約條件2.最小間歇時(shí)間與幅值調(diào)制比最小脈沖寬度大于開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間ton，而最小脈沖間歇大于器件的關(guān)斷時(shí)間toff

幅值調(diào)制比M=Urm/UcmM=0~1電力電子技術(shù)第五章5.2.4異步調(diào)制和同步調(diào)制異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式，通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的缺點(diǎn)：在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。當(dāng)信號頻率增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，使得輸出PWM波和正弦波差異變大。電力電子技術(shù)第五章5.2.4異步調(diào)制和同步調(diào)制同步調(diào)制在變頻（fr變化）時(shí)，載波比N不變，載波與信號波保持同步。信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)是固定，脈沖相位也是固定的。三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出波形嚴(yán)格對稱。為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)。電力電子技術(shù)第五章5.2.4異步調(diào)制和同步調(diào)制同步調(diào)制缺點(diǎn)：當(dāng)逆變電路輸出頻率很低時(shí)，fc也很低，fc過低時(shí)由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。當(dāng)逆變電路輸出頻率很高時(shí)，同步調(diào)制時(shí)的載波頻率fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。電力電子技術(shù)第五章5.2.4異步調(diào)制和同步調(diào)制分段同步調(diào)制把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)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(guān)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(fù)載產(chǎn)生不利影響。電力電子技術(shù)第五章5.2.5SPWM控制的實(shí)現(xiàn)方法模擬實(shí)現(xiàn)方法數(shù)字實(shí)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(shù)第五章5.2.5SPWM控制的實(shí)現(xiàn)方法模擬實(shí)現(xiàn)方法：采用模擬電路實(shí)現(xiàn)電力電子技術(shù)第五章5.2.5SPWM控制的實(shí)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(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)的通斷，這種生成SPWM波形的方法規(guī)則采樣法工程實(shí)用方法，效果接近自然采樣法，計(jì)算量比自然采樣法小得多電力電子技術(shù)第五章ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d規(guī)則采樣法5.2.5SPWM控制的實(shí)現(xiàn)方法取三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc使脈沖中點(diǎn)和三角波一周期的中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對稱，使計(jì)算大為簡化。電力電子技術(shù)第五章ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d規(guī)則采樣法5.2.5SPWM控制的實(shí)現(xiàn)方法在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對正弦信號波采樣得D點(diǎn)，過D點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于A、B點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制功率開關(guān)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(shù)第五章設(shè)正弦調(diào)制信號波為式中，a稱為調(diào)制度，0≤a<1；wr為信號波角頻率，因此可得三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度δ’為5.2.5SPWM控制的實(shí)現(xiàn)方法電力電子技術(shù)第五章三相橋逆變電路應(yīng)形成三相SPWM波形，三相的三角波載波共用，三相正弦調(diào)制波相位依次差120°設(shè)同一三角波周期內(nèi)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(shí)刻三相調(diào)制波電壓之和為零，得

5.2.5SPWM控制的實(shí)現(xiàn)方法電力電子技術(shù)第五章1）單相雙極性諧波角頻率為:n=1,3,5,…時(shí)，k=0,2,4,…；n=2,4,6,…時(shí)，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(shù)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(shí)的情況）輸出線電壓中的諧波角