《WM控制基础》PPT课件.ppt

第二章 电力电子变频器及PWM控制原理,山东大学,2.3 PWM控制基础,采用晶闸管元件的六脉波PAM变频调速系统在运行中存在如下问题：（1）整流和逆变需要两套晶闸管元件，主电路开关元件较多，装置庞大；（2）低频时网侧功率因数低，谐波高，对电网污染大；（3）由于中间直流环节大惯性元件存在，使系统的动态响应缓慢；（4）逆变器输出谐波分量大，产生较大的脉动转矩，低速时尤为严重。,2.3 PWM控制基础,PAM控制 它是把变压（VV）与变频（VF）分开完成，前面的环节用来改变直流电压的幅值，后面的环节用来改变逆变器输出的频率，这种分别控制直流电压幅值和交流输出频率的方法称为脉冲幅值调制方式（Pulse Amplitude Modulation）方式，简称PAM控制方式；,2.3 PWM控制基础,AC,2.3 PWM控制基础,随着自关断型电力电子器件（如GTO、GTR、IGBT、MOSFET等）、微电子技术及微计算机技术的发展，采用脉宽调制（PWM）控制技术的变频调速器蓬勃发展起来。PWM变频器基本解决了常规六脉波变频器中存在的问题，成为现代交流调速技术发展最快的一个领域。,PWM控制 它是把变压（VV）与变频（VF）集中于逆变器完成，即前面为不可控整流器，中间直流电压恒定，而后由逆变器同时完成变压与变频，逆变器采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）的方式，简称PWM控制方式。,2.3 PWM控制基础,2.3.1.PWM控制原理,1964年，德国的A.Schonung等率先把通信系统中的调制技术应用到交流调速领域，提出了脉宽调制变频的思想。其基本思想是用一系列等幅不等宽的矩形脉冲来逼近理想正弦波，即通过控制逆变器功率开关器件导通或关断，在逆变器输出端获得一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。改变矩形脉冲的宽度和调制周期就可以改变输出电压的幅值和频率。,在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不等的窄脉冲 加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。,2.3.1.PWM控制原理,按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。,怎样才能得到所需要的PWM脉冲序列呢？,2.3.1.PWM控制原理,2.3.1.PWM控制原理,以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。,2.3.1.PWM控制原理,注意:（1）PWM脉冲特点：高度相等，中心矩相等，但宽度呈正弦变化；（2）SPWM波仍有高次谐波，但幅值较大的低次谐波都被消除或被有效地抑制了；（3）PWM控制方式，要求使用高开关频率的电力电子元件；（4）PWM技术在本质上是变压技术而不是变频技术，是一种区别于PAM的调压方式。,2.3.1.PWM控制原理,2.3.1 PWM控制原理,在PWM控制中，一般定义调制比为 式中，Urm 是正弦调制波的幅值；Ucm是三角载波的幅值。通常M在01之间变化，以调节输出电压的幅值。,（2-7）,2.3.2 PWM变频器,图2-18 PWM变频器的原理图(a)主电路,3个参考信号互差120且共用一个载波信号。,2.3.2 PWM变频器,调频原理：改变参考波频率，即可调节SPWM波的基波频率；调压原理：改变参考波幅值，即可调节SPWM波的宽度，从而改变输出电压的有效值；,2.3.2 PWM变频器,PWM和PAM控制的区别（1）逆变器的开关采用全控型器件，只有一个功率级；（2）采用不控整流，电网功率因数与负载电压无关，而接近于1；（3）动态响应与直流环节无关，响应快；（4）能消除或抑制低次谐波，因而转矩脉动小，大大扩展了电动机的调速范围。,2.3.2 PWM变频器,2.3.3.同步调制与异步调制,3.同步调制与异步调制载波比载波频率 fc与调制信号频率 fr 之比N，即N=fc/fr 根据载波和信号波是否同步即载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。,（1）同步调制 同步调制N 等于常数，即在变频时使载波频率和信号波频率成正比变化。fr 变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；,2.3.3.同步调制与异步调制,特点：三相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；fr 很低时，fc 也很低，脉冲间距大，谐波显著增加；fr 很高时，fc 会过高，使开关器件难以承受。,2.3.3.同步调制与异步调制,同步调制三相PWM波形,2.3.3.同步调制与异步调制,（2）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。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。,2.3.3.同步调制与异步调制,异步调制的特点：1)低频时（fr 较低），N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响较小，所以低频时相应地减小了谐波分量；2）难以保证三相输出的对称关系，引起电动机工作不平稳。,2.3.3.同步调制与异步调制,（3）分段同步调制把 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。,2.3.3.同步调制与异步调制,分段同步调制方式,2.3.3.同步调制与异步调制,（4）混合调制 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。,2.3.3.同步调制与异步调制,2.3.3.同步调制与异步调制,2.3.4 单极性和双极性脉宽调制,4.单极性和双极性脉宽调制 根据调制波的正或负半周期内PWM脉冲的极性是否变化，PWM变频器的工作方式分为单极性工作方式和双极性工作方式两种。,（1）单极性控制方式 正弦波的半个周期内，三角载波只在一种极性范围内变化，所得到的PWM波也只处于一个极性范围内，叫做单极性控制方式。,2.3.4 单极性和双极性脉宽调制,单极性控制方式,工作时V1和V2的通断状态互补，V3和V4的通断状态也互补。,单极性脉宽调制,在输出电压u0的正半周，让V1保持通态，V2保持断态，V3和V4交替通断；,单极性控制方式,在输出电压u0的负半周，让V2保持通态，V1保持断态，V3和V4交替通断。,双极性PWM控制方式,（2）双极性PWM控制方式 在正弦波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则所得到的PWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。,双极性PWM控制方式,双极性PWM控制方式,仍以单相电路为例：在正负半周对开关器件的控制规律相同。即当uruc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号，这时如i00，则V1和V4导通；如i00，则VD1和VD4导通。不论哪种情况都是u0=Ud。,双极性PWM控制方式,双极性PWM控制方式,图2-20 三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形,O,O,O,w1 t,w1 t,w1 t,ura,urb,urc,ut,-Ud2,Ud2,-Ud2,-Ud,Ud2,Ud,双极性PWM控制方式,双极性的工作方式决定了每个载波周期都要出现一次上、下开关管的切换，而单极性逆变器在调制正弦波的半个周期才切换一次，况且载波频率一般为120kHz，比调制正弦波高很多，因此双极性逆变器的切换次数远远多于单极性逆变器。双极性逆变器的输出电流更接近正弦波，畸变小。,双极性PWM控制方式,脉宽调制的约束条件为保证开关元件安全工作，所调制的脉冲波有最小脉宽和最小间隙的限制，以保证脉冲宽度和间隙大于开关元件的ton和toff。,双极性PWM控制方式,（3）单/双极性工作方式的性能比较,5.PWM控制的性能指标 电流谐波 谐波电流引起电机电流有效值增加，电流波形畸变，功率因数降低，铜耗和铁耗上升等。谐波电流有效值为,5.PWM控制的性能指标,总电流谐波畸变率THD（Total Harmonic Distortion）式中，I1为基波电流的有效值；n为傅立叶级数展开的谐波分量阶次。,5.PWM控制的性能指标,开关频率和开关损耗随着开关频率提高，输出交流信号谐波成分下降，但对周围电子设备的干扰增大。同时，各种电力电子器件的开关频率受到其固有的开关时间和开关损耗的限制，因此开关频率必须低于其规定的最高开关频率。,5.PWM控制的性能指标,电力电子器件的开关频率：SCR：300500HZ GTO：12KHZ GTR：15KHZ MOSFET、IGBT：2030KHZ,5.PWM控制的性能指标,思考题：为什么调制比M既不能过大，也不能过小？PWM控制的最小脉宽和最小间隙有何限制？,2.4 PWM控制技术,PWM波形生成方法有调制法和计算法两种。1.自然采样法,在正弦波与三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，从而生成SPWM波形的方法.,1.自然采样法,一般采用的方法是，先将正弦参考波ur和三角波uc以表格的形式存在存储器内，实际运行时采用查表的方法或仅通过简单的计算得到脉宽的大小。采用这种方法，当调速系统频率变化范围较大时，将占用较大的内存空间，所以仅适用于有限调速范围的场合。,2.4 PWM控制技术,2.规则采样法,在工程上更实用的简化方法，弥补自然采样法的不足，且力求采样效果，接近于自然采样法，又不必占用太多的计算时间。,2.规则采样法,规则采样法原理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一周期的中点（即负峰点）重合。规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化。,2.规则采样法,根据脉冲电压对三角载波的对称性，脉冲宽度t2和间隙时间t1及t3可由下面公式计算（设三角波峰值为标幺值1）：,（2-12）,（2-13）,式中Tt为三角载波的周期。,2.规则采样法,根据上述采样原理和计算公式，可以用计算机实时控制产生SPWM波形，具体实现方法有：查表法可以先离线计算出相应的脉宽 等数据存放在内存中，然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。,2.规则采样法,实时计算法事先在内存中存放正弦函数，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的调制度M作乘法运算，再根据给定的载波频率查出相应的Tt/2值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。,3.电流滞环跟踪型PWM控制,问题的提出 应用PWM控制技术的变压变频器一般都是电压源型的，它可以按需要方便地控制其输出电压.但是，在异步电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。,3.电流滞环跟踪型PWM控制,另一方面，电压型变频器直流电源是恒压源，允许电流突变，若负载为低阻抗或发生短路，会产生很大的冲击电流。,措施：对电流实施实时控制。,3.电流滞环跟踪型PWM控制,图2-23 电流滞环跟踪PWM控制逆变器的单相结构,3.电流滞环跟踪型PWM控制,图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2。将给定电流 ir 与输出电流 if 进行比较，电流偏差 超过 时，经滞环控制器HBC控制逆变器相应相上（或下）桥臂的功率器件动作。,3.电流滞环跟踪型PWM控制,输出电流与给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化。,3.电流滞环跟踪型PWM控制,电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约；当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了；应在充分利用器件开关频率的前提下，选择尽可能小的环宽。,3.电流滞环跟踪型PWM控制,电流滞环跟踪控制方法的特点：结构简单，电流响应快，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量。调速时，只需改变电流给定信号的频率，无需进行电压调节。功率器件的开关频率变化大，不利于功率器件的安全工作。,固定开关频率的电流跟踪PWM控制技术,