第7章无源逆变电路77.ppt

电力电子技术（第二版）17.6 脉冲宽度调制（PWM控制）在感应电机变频调速系统中，需要逆变器在变频的同时调节输出电压，以保持电机内部的磁通基本不变。方波逆变器的电压控制多采用脉冲幅值调制（PAM）控制方式，即电压控制与频率控制分开进行，通过调节直流侧电源电压来改变逆变器的输出电压的大小。PAM控制的主要问题：一是输出电压是方波，其谐波成分大；二是由于是通过改变直流侧电压（或电流）来改变输出的交流电压（或电流）的大小，系统动态响应特性差；三是由于有两个功率调节环节，所以系统的结构与控制比较复杂，效率低。电力电子技术（第二版）2q脉冲宽度调制（PWM控制）完全不同于PAM，它将电压控制与频率控制集中在逆变器上同时完成。q其特点是：通过对逆变器开关器件的通、断控制，使逆变器输出一系列幅值相等而宽度不同的脉冲，用它来代替正弦波；q利用一定的规则控制各脉冲的宽度，可实现逆变器输出电压与频率的同时调节；q系统简单，动态响应好。在脉冲宽度调制技术中，正弦脉宽调制（SPWM）的谐波分量最少，应用最广。7.6 脉冲宽度调制（PWM控制）电力电子技术（第二版）37.6.1 正弦脉宽调制（SPWM）的基本原理 q脉宽调制是用脉冲宽度不等但幅值相等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压或电流波形。q将一个正弦半波N等分，将正弦曲线每等分所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲代替，并使矩形脉冲的中心线与对应的正弦等分的中点重合，这样得到一串脉冲高度不变但宽度按正弦规律变化的脉冲列，这一过程称为正弦脉宽调制（SPWM），见图7.26。电力电子技术（第二版）4q设矩形波的高为H，正弦半波每个等分的宽度为x/N，N为等分数且N 较大；q第i个等分正弦波的中点值或平均高为yi，该等分正弦波所围的面积为yix；而同一等分对应的矩形脉冲的宽度是i，面积是Hi。根据面积相等原则有constiiyNH上式表明，当等分数上式表明，当等分数N较大时，较大时，SPWM将正弦波的函数值将正弦波的函数值变换成了恒幅脉冲的宽度值。变换成了恒幅脉冲的宽度值。7.6.1 正弦脉宽调制（SPWM）的基本原理 电力电子技术（第二版）5理论基础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。6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理指窄脉冲的面积指环节的输出响应波形基本相同方波窄脉冲三角波窄脉冲单位冲击函数正弦半波窄脉冲f(t)d(t)tOa)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)形状不同而冲量相同的各种窄脉冲为什么用面积相等的矩形脉冲可以等效原正弦波？为什么用面积相等的矩形脉冲可以等效原正弦波？电力电子技术（第二版）6电路输入：e(t)为什么用面积相等的矩形脉冲可以等效原正弦波？为什么用面积相等的矩形脉冲可以等效原正弦波？以上实例说明了“面积等效原理”电路输出：i(t)i(t)e(t)电力电子技术（第二版）77.6.2 正弦脉宽调制的实现q 单极性脉宽调制是用一条正弦控制波与一条在正弦波正半周的极性为正、在正弦波负半周的极性为负的等腰恒幅三角波进行比较，从而得到SPWM波的调制方式，如图7.27所示。当正弦波为正半周时，如果正弦信号的幅值大于三角信号的当正弦波为正半周时，如果正弦信号的幅值大于三角信号的幅值，则比较器输出正电平；如果正弦信号小于三角信号时，幅值，则比较器输出正电平；如果正弦信号小于三角信号时，比较器输出比较器输出0电平。电平。而在正弦波的负半周，当正弦信号的幅值大于三角信号的幅而在正弦波的负半周，当正弦信号的幅值大于三角信号的幅值时，比较器输出负电平；当正弦信号的幅值小于三角信号值时，比较器输出负电平；当正弦信号的幅值小于三角信号时，比较器输出时，比较器输出 0 电平。电平。1.单极性调制与双极性调制电力电子技术（第二版）8q 双极性调制利用一个控制信号（通常是正弦波，也称为调制波）与一个较高频率的等腰三角波（或称载波）相比较，以产生开关的通断控制信号。q 规则是：当正弦信号幅值大于三角波幅值时，比较器输出 Ud/2，反之输出Ud/2，这样得到双极性的脉冲列，脉冲宽度与控制信号的高度（幅值）成正比。7.6.2 正弦脉宽调制的实现1.单极性调制与双极性调制电力电子技术（第二版）9q 三角波三角波载波载波 正弦波正弦波调制波调制波q 载波频率载波频率 fc 调制波频率调制波频率 frq 通常三角波的频率与幅值固定，正弦波的幅值与频率是调通常三角波的频率与幅值固定，正弦波的幅值与频率是调节量。节量。q 调制度调制度正弦信号的幅值与三角波信号的幅值之比称为正弦信号的幅值与三角波信号的幅值之比称为幅值调制比，用幅值调制比，用ma表示表示。q 载波比载波比三角波信号的频率与正弦控制信号的频率之比三角波信号的频率与正弦控制信号的频率之比称为频率调制比，用称为频率调制比，用 mf 表示。表示。mf=fc/frq 改变正弦控制信号的幅值和频率就可以同时改变输出电压改变正弦控制信号的幅值和频率就可以同时改变输出电压中基波幅值和频率。中基波幅值和频率。7.6.2 正弦脉宽调制的实现电力电子技术（第二版）10v 改变正弦信号的幅值时，就改变了输出波形的基波分改变正弦信号的幅值时，就改变了输出波形的基波分量的幅值。量的幅值。当当ma在在01之间变化时，输出波形的基波之间变化时，输出波形的基波分量与分量与ma成线性关系。成线性关系。v 过调制过调制：当：当ma超过超过1后，脉冲宽度按正弦规律变化的后，脉冲宽度按正弦规律变化的性质将被破坏，称为过调制。性质将被破坏，称为过调制。v 实际上，正弦调制电压幅值不应超过三角波载波电压实际上，正弦调制电压幅值不应超过三角波载波电压的幅值，若正弦波幅值过份接近三角波的幅值，在三的幅值，若正弦波幅值过份接近三角波的幅值，在三角波峰值附近的脉冲间隙时间太小，会导致开关管，角波峰值附近的脉冲间隙时间太小，会导致开关管，特别是开关速度较慢的晶闸管来不及关断，而使输出特别是开关速度较慢的晶闸管来不及关断，而使输出脉冲相连，在双极性脉冲相连，在双极性SPWM逆变中造成贯穿短路。逆变中造成贯穿短路。改变幅值调制比（调制度ma）问题：调制度与载波比发生变化，SPWM波将如何变化？电力电子技术（第二版）11改变频率调制比（载波比改变频率调制比（载波比mf）q改变正弦信号的频率时，就改变了输出波形的改变正弦信号的频率时，就改变了输出波形的频率，也就同时改变了基波分量的频率。频率，也就同时改变了基波分量的频率。q显然，载波比越大，输出波形所含的谐波分量显然，载波比越大，输出波形所含的谐波分量越少。载波比的下限受谐波分量的规定值的限越少。载波比的下限受谐波分量的规定值的限制，而载波比的上限受逆变器开关管的开关频制，而载波比的上限受逆变器开关管的开关频率的限制。率的限制。问题：调制度与载波比发生变化，SPWM波将如何变化？电力电子技术（第二版）122.异步调制与同步调制q等腰三角波与正弦控制信号之间没有确定的频率调制比，两个信号间不保持同步的调制方式，称为异步调制。q如果频率调制比为常数，等腰三角波与正弦控制信号之间在变频过程中保持严格的同步关系的调制方式，称为同步调制。由于频率调制比不变，在调频的过程中，三角波的频率必须与正弦控制信号的频率同步变化。7.6.2 正弦脉宽调制的实现电力电子技术（第二版）137.6.2 正弦脉宽调制的实现q通常保持载波频率fc固定不变，当调制波频率fr变化时，载波比mf是变化的，可能不是整数q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q当fr较低时，mf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q当fr增高时，mf减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大q由于异步调制的输出波形没有严格的周期性，故其频谱是连续的，这不会在电动机中产生固定的谐波力矩。在调速系统中的低频段常常采用这种方法。异步调制电力电子技术（第二版）14同步调制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mf等于常数。图6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud同步调制三相PWM波形 fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受 fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除为使一相的PWM波正负半周镜对称，mf应取奇数三相电路中公用一个三角波载波，且取mf为3的整数倍，使三相输出对称基本同步调制方式，fr变化时mf不变，信号波一周期内输出脉冲数固定电力电子技术（第二版）15q分段同步调制是将逆变器的工作频率范围划分为若干个频率段，在每个频率段都保持频率调制比为常数。在fr高的频段采用较低的mf，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的mf，使载波频率不致过低q在不同频率段，根据开关的频率限制频率调制比取不同的值。图7.29是一个分段同步调制的例子。为了防止频率调制比在某为了防止频率调制比在某个频率点来回跳动，需要个频率点来回跳动，需要设置频率滞回带。设置频率滞回带。7.6.2 正弦脉宽调制的实现电力电子技术（第二版）163.脉宽调制波形的生成方法脉宽调制波形的生成方法 q产生脉宽调制波形的控制电路主要有三种：模拟电路（包括模拟/数字混合电路）、专用集成电路、微型计算机（包括单片机、数字信号处理器等）。1）、）、模拟电路模拟电路用模拟电路来产生用模拟电路来产生SPWM波形是按照波形是按照SPWM实现的原实现的原理，用电路来构成三角波发生器、三相正弦波发生器，理，用电路来构成三角波发生器、三相正弦波发生器，通过比较器来确定三角波与正弦波的交点，从而得到通过比较器来确定三角波与正弦波的交点，从而得到各个开关导通与关断的时刻。各个开关导通与关断的时刻。电力电子技术（第二版）172）、）、专用集成电路用于产生用于产生 SPWM 信号的集成电路较多，单相、信号的集成电路较多，单相、三相均有，其专用集成电路有很好的性能价三相均有，其专用集成电路有很好的性能价格比，构成的系统简单、可靠。这些集成电格比，构成的系统简单、可靠。这些集成电路可与单片机接口，也可单独使用，既有同路可与单片机接口，也可单独使用，既有同步调制电路也有异步调制电路步调制电路也有异步调制电路。3.脉宽调制波形的生成方法脉宽调制波形的生成方法 电力电子技术（第二版）18用单片机产生用单片机产生SPWMSPWM波形的方法主要有表格法与实时计算法两波形的方法主要有表格法与实时计算法两种。种。表格法表格法是将正弦波一个周期中的数据预先制成正弦表，存入是将正弦波一个周期中的数据预先制成正弦表，存入计算机内存。工作时再按顺序输出，从而得到计算机内存。工作时再按顺序输出，从而得到SPWM的波形。的波形。表格法的优点是简单。缺点是占的内存较大，在连续高分辨表格法的优点是简单。缺点是占的内存较大，在连续高分辨率调频时，由于不可能存储所有的模式，难以实现波形的优率调频时，由于不可能存储所有的模式，难以实现波形的优化。化。实时计算法实时计算法是根据数学模型实时计算出开关的转换时刻，以是根据数学模型实时计算出开关的转换时刻，以控制逆变电路主开关的导通与关断。它分为控制逆变电路主开关的导通与关断。它分为自然采样法和规自然采样法和规则采样法则采样法两类。两类。3.脉宽调制波形的生成方法脉宽调制波形的生成方法 3）、微型计算机电力电子技术（第二版）19q自然采样法是按照SPWM控制的基本原理，在正弦波与三角波的自然交点控制功率开关的通断。自然采样法是最基本的方法，但这种方法要解很复杂的超越方程，在实时控制中难以实现，工程上很少使用。q规则采样法是一种广泛应用的工程实用方法。在规则采样中，采样点与三角波的中点（负峰值点）重合，这样简化了计算。q规则采样法中有使用锯齿波作载波和使用等腰三角波作载波两种方法，见图7.30。3.脉宽调制波形的生成方法脉宽调制波形的生成方法 3）、微型计算机实时计算法实时计算法电力电子技术（第二版）20q采