PWM控制技术.doc
《PWM控制技术.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《PWM控制技术.doc(28页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、PWM控制技术主要内容:PWM控制得基本原理、控制方式与PWM波形得生成方法,PWM逆变电路得谐波分析,PWM整流电路。重点:PWM控制得基本原理、控制方式与PWM波形得生成方法。难点:PWM波形得生成方法,PWM逆变电路得谐波分析。基本要求:掌握PWM控制得基本原理、控制方式与PWM波形得生成方法,了解PWM逆变电路得谐波分析,了解跟踪型PWM逆变电路,了解PWM整流电路。PWM(Pulse Width Modulation)控制脉冲宽度调制技术,通过对一系列脉冲得宽度进行调制,来等效地获得所需要波形(含形状与幅值)。第3、4章已涉及这方面内容:第3章:直流斩波电路采用,第4章有两处: 4、
2、1节斩控式交流调压电路,4、4节矩阵式变频电路。本章内容PWM控制技术在逆变电路中应用最广,应用得逆变电路绝大部分就是PWM型,PWM控制技术正就是有赖于在逆变电路中得应用,才确定了它在电力电子技术中得重要地位。本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术,也介绍PWM整流电路1 PWM控制得基本原理理论基础:冲量相等而形状不同得窄脉冲加在具有惯性得环节上时,其效果基本相同。冲量指窄脉冲得面积。效果基本相同,就是指环节得输出响应波形基本相同。低频段非常接近,仅在高频段略有差异。图61 形状不同而冲量相同得各种窄脉冲面积等效原理:分别将如图61所示得电压窄脉冲加在一阶惯性环节(RL电路)上,
3、如图62a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时得响应波形如图62b所示。从波形可以瞧出,在i(t)得上升段,i(t)得形状也略有不同,但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄,各i(t)响应波形得差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲,则响应i(t)也就是周期性得。用傅里叶级数分解后将可瞧出,各i(t)在低频段得特性将非常接近,仅在高频段有所不同。图62 冲量相同得各种窄脉冲得响应波形用一系列等幅不等宽得脉冲来代替一个正弦半波,正弦半波N等分,瞧成N个相连得脉冲序列,宽度相等,但幅值不等;用矩形脉冲代替,等幅,不等宽,中点重合,面积(冲量)相等,宽度按正弦规律变化。SPWM波形脉冲宽度按正弦规律变化
4、而与正弦波等效得PWM波形。图63 用PWM波代替正弦半波要改变等效输出正弦波幅值,按同一比例改变各脉冲宽度即可。等幅PWM波与不等幅PWM波:由直流电源产生得PWM波通常就是等幅PWM波,如直流斩波电路及本章主要介绍得PWM逆变电路,6、4节得PWM整流电路。输入电源就是交流,得到不等幅PWM波,如4、1节讲述得斩控式交流调压电路,4、4节得矩阵式变频电路。基于面积等效原理,本质就是相同得。PWM电流波:电流型逆变电路进行PWM控制,得到得就就是PWM电流波。PWM波形可等效得各种波形:直流斩波电路:等效直流波形SPWM波:等效正弦波形,还可以等效成其她所需波形,如等效所需非正弦交流波形等,
5、其基本原理与SPWM控制相同,也基于等效面积原理。2 PWM逆变电路及其控制方法目前中小功率得逆变电路几乎都采用PWM技术。逆变电路就是PWM控制技术最为重要得应用场合。本节内容构成了本章得主体PWM逆变电路也可分为电压型与电流型两种,目前实用得几乎都就是电压型。(1)计算法与调制法1、计算法根据正弦波频率、幅值与半周期脉冲数,准确计算PWM波各脉冲宽度与间隔,据此控制逆变电路开关器件得通断,就可得到所需PWM波形。缺点:繁琐,当输出正弦波得频率、幅值或相位变化时,结果都要变化2、调制法输出波形作调制信号,进行调制得到期望得PWM波;通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波;等腰三角波应用最多,其任
6、一点水平宽度与高度成线性关系且左右对称;与任一平缓变化得调制信号波相交,在交点控制器件通断,就得宽度正比于信号波幅值得脉冲,符合PWM得要求。调制信号波为正弦波时,得到得就就是SPWM波;调制信号不就是正弦波,而就是其她所需波形时,也能得到等效得PWM波。结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明:设负载为阻感负载,工作时V1与V2通断互补,V3与V4通断也互补。控制规律:uo正半周,V1通,V2断,V3与V4交替通断,负载电流比电压滞后,在电压正半周,电流有一段为正,一段为负,负载电流为正区间,V1与V4导通时,uo等于Ud,V4关断时,负载电流通过V1与VD3续流,uo=0,负载电
7、流为负区间,io为负,实际上从VD1与VD4流过,仍有uo=Ud,V4断,V3通后,io从V3与VD1续流,uo=0,uo总可得到Ud与零两种电平。uo负半周,让V2保持通,V1保持断,V3与V4交替通断,uo可得Ud与零两种电平。图64 单相桥式PWM逆变电路单极性PWM控制方式(单相桥逆变):在ur与uc得交点时刻控制IGBT得通断。ur正半周,V1保持通,V2保持断,当uruc时使V4通,V3断,uo=Ud,当uruc时使V4断,V3通,uo=0。ur负半周,V1保持断,V2保持通,当uruc时使V3断,V4通,uo=0,虚线uof表示uo得基波分量。波形见图65。图65 单极性PWM控
8、制方式波形双极性PWM控制方式(单相桥逆变):在ur半个周期内,三角波载波有正有负,所得PWM波也有正有负。在ur一周期内,输出PWM波只有Ud两种电平,仍在调制信号ur与载波信号uc得交点控制器件通断。ur正负半周,对各开关器件得控制规律相同,当ur uc时,给V1与V4导通信号,给V2与V3关断信号,如io0,V1与V4通,如io0,VD1与VD4通, uo=Ud,当uruc时,给V2与V3导通信号,给V1与V4关断信号,如io0,VD2与VD3通,uo=Ud。波形见图66。单相桥式电路既可采取单极性调制,也可采用双极性调制。图66 双极性PWM控制方式波形双极性PWM控制方式(三相桥逆变
9、):见图67。三相PWM控制公用uc,三相得调制信号urU、urV与urW依次相差120。U相得控制规律:当urUuc时,给V1导通信号,给V4关断信号,uUN=Ud/2,当urUuc时,给V4导通信号,给V1关断信号,uUN=Ud/2;当给V1(V4)加导通信号时,可能就是V1(V4)导通,也可能就是VD1(VD4)导通。uUN、 图67 三相桥式PWM型逆变电路uVN与uWN得PWM波形只有Ud/2两种电平,uUV波形可由uUNuVN得出,当1与6通时,uUV=Ud,当3与4通时,uUV=Ud,当1与3或4与6通时,uUV=0。波形见图68。输出线电压PWM波由Ud与0三种电平构成,负载相
10、电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud与0共5种电平组成。图68 三相桥式PWM逆变电路波形防直通死区时间:同一相上下两臂得驱动信号互补,为防止上下臂直通造成短路,留一小段上下臂都施加关断信号得死区时间。死区时间得长短主要由器件关断时间决定。死区时间会给输出PWM波带来影响,使其稍稍偏离正弦波。特定谐波消去法(Selected Harmonic Elimination PWMSHEPWM):计算法中一种较有代表性得方法,图69。输出电压半周期内,器件通、断各3次(不包括0与),共6个开关时刻可控。为减少谐波并简化控制,要尽量使波形对称。首先,为消除偶次谐波,使波形正负两半周期镜对称,即:
11、 (61)图69 特定谐波消去法得输出PWM波形其次,为消除谐波中余弦项,使波形在半周期内前后1/4周期以/2为轴线对称。 (62)四分之一周期对称波形,用傅里叶级数表示为: (63)式中,an为 图69,能独立控制a1、a2与a3共3个时刻。该波形得an为 (64)式中n=1,3,5,确定a1得值,再令两个不同得an=0,就可建三个方程,求得a1、a2与a3。消去两种特定频率得谐波:在三相对称电路得线电压中,相电压所含得3次谐波相互抵消,可考虑消去5次与7次谐波,得如下联立方程: (65)给定a1,解方程可得a1、a2与a3。a1变,a1、a2与a3也相应改变。一般,在输出电压半周期内器件通
12、、断各k次,考虑PWM波四分之一周期对称,k个开关时刻可控,除用一个控制基波幅值,可消去k1个频率得特定谐波,k越大,开关时刻得计算越复杂。除计算法与调制法外,还有跟踪控制方法,在6、3节介绍(2)异步调制与同步调制载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比,N= fc / fr。根据载波与信号波就是否同步及载波比得变化情况,PWM调制方式分为异步调制与同步调制:1、异步调制异步调制载波信号与调制信号不同步得调制方式。通常保持fc固定不变,当fr变化时,载波比N就是变化得。在信号波得半周期内,PWM波得脉冲个数不固定,相位也不固定,正负半周期得脉冲不对称,半周期内前后1/4周期得脉冲也不对称。当
13、fr较低时,N较大,一周期内脉冲数较多,脉冲不对称得不利影响都较小,当fr增高时,N减小,一周期内得脉冲数减少,PWM脉冲不对称得影响就变大。因此,在采用异步调制方式时,希望采用较高得载波频率,以使在信号波频率较高时仍能保持较大得载波比。2、同步调制同步调制N等于常数,并在变频时使载波与信号波保持同步。基本同步调制方式,fr变化时N不变,信号波一周期内输出脉冲数固定。三相,公用一个三角波载波,且取N为3得整数倍,使三相输出对称。为使一相得PWM波正负半周镜对称,N应取奇数。当N=9时得同步调制三相PWM波形如图610所示。fr很低时,fc也很低,由调制带来得谐波不易滤除,fr很高时,fc会过高
14、,使开关器件难以承受。为了克服上述缺点,可以采用分段同步调制得方法。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高得频段采用较低得N,使载波频率不致过高,在fr低得频段采用较高得N,使载波频率不致过低。图611,分段同步调制一例。为防止fc在切换点附近来回跳动,采用滞后切换得方法。同步调制比异步调制复杂,但用微机控制时容易实现。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,这样把两者得优点结合起来,与分段同步方式效果接近。图610 同步调制三相PWM波形图611 分段同步调制方式举例(3) 规则采样法按SPWM基本原理,自然采样法中要
15、求解复杂得超越方程,难以在实时控制中在线计算,工程应用不多。规则采样法特点:工程实用方法,效果接近自然采样法,计算量小得多。规则采样法原理:图612,三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。自然采样法中,脉冲中点不与三角波一周期中点(即负峰点)重合。规则采样法使两者重合,每个脉冲中点为相应三角波中点,计算大为简化。三角波负峰时刻tD对信号波采样得D点,过D作水平线与三角波交于A、B点,在A点时刻tA与B点时刻tB控制器件得通断,脉冲宽度 与用自然采样法得到得脉冲宽度非常接近。图612 规则采样法规则采样法计算公式推导:正弦调制信号波公式中,a称为调制度,0a1;r为信号波角频率。从图612因此
16、可得: (66)三角波一周期内,脉冲两边间隙宽度 (67)三相桥逆变电路得情况:通常三相得三角波载波公用,三相调制波相位依次差120,同一三角波周期内三相得脉宽分别为U、V与W,脉冲两边得间隙宽度分别为u、v与w,同一时刻三相正弦调制波电压之与为零,由式(66)得 (68)由式(67)得: (69)故由式(68)可得: (610)故由式(69)可得: (611)利用以上两式可简化三相SPWM波得计算(4)PWM逆变电路得谐波分析使用载波对正弦信号波调制,产生了与载波有关得谐波分量。谐波频率与幅值就是衡量PWM逆变电路性能得重要指标之一。分析双极性SPWM波形:同步调制可瞧成异步调制得特殊情况,
17、只分析异步调制方式。分析方法:不同信号波周期得PWM波不同,无法直接以信号波周期为基准分析,以载波周期为基础,再利用贝塞尔函数推导出PWM波得傅里叶级数表达式,分析过程相当复杂,结论却简单而直观。1、单相得分析结果:不同调制度a时得单相桥式PWM逆变电路在双极性调制方式下输出电压得频谱图如图613所示。其中所包含得谐波角频率为 式中,n1,3,5,时,k=0,2,4,;n=2,4,6,时,k=1,3,5,。可以瞧出,PWM波中不含低次谐波,只含有角频率为c,及其附近得谐波,以及2c、3c等及其附近得谐波。在上述谐波中,幅值最高影响最大得就是角频率为c得谐波分量。图613 单相PWM桥式逆变电路
18、输出电压频谱图2、三相得分析结果:三相桥式PWM逆变电路采用公用载波信号时不同调制度a时得三相桥式PWM逆变电路输出线电压得频谱图如图614所示。在输出线电压中,所包含得谐波角频率为式中,n=1,3,5,时,k=3(2m1)1,m=1,2,; 6m +1,m =0,1,;n =2,4,6,时,k = 6m 1,m =1,2,。与单相比较,共同点就是都不含低次谐波,一个较显著得区别就是载波角频率c整数倍得谐波被消去了,谐波中幅值较高得就是c2r与2cr。图614 三相桥式PWM逆变电路输出线电压频谱图SPWM波中谐波主要就是角频率为c、2c及其附近得谐波,很容易滤除。当调制信号波不就是正弦波时,
19、谐波由两部分组成:一部分就是对信号波本身进行谐波分析所得得结果,另一部分就是由于信号波对载波得调制而产生得谐波。后者得谐波分布情况与SPWM波得谐波分析一致。(5) 提高直流电压利用率与减少开关次数直流电压利用率逆变电路输出交流电压基波最大幅值U1m与直流电压Ud之比。提高直流电压利用率可提高逆变器得输出能力;减少器件得开关次数可以降低开关损耗;正弦波调制得三相PWM逆变电路,调制度a为1时,输出相电压得基波幅值为Ud2,输出线电压得基波幅值为,即直流电压利用率仅为0、866。这个值就是比较低得,其原因就是正弦调制信号得幅值不能超过三角波幅值,实际电路工作时,考虑到功率器件得开通与关断都需要时
20、间,如不采取其她措施,调制度不可能达到1。采用这种调制方法实际能得到得直流电压利用率比0、866还要低。1、梯形波调制方法得思路采用梯形波作为调制信号,可有效提高直流电压利用率。当梯形波幅值与三角波幅值相等时,梯形波所含得基波分量幅值更大。梯形波调制方法得原理及波形,见图615。梯形波得形状用三角化率s =Ut/Uto描述,Ut为以横轴为底时梯形波得高,Uto为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成得三角形得高。s =0时梯形波变为矩形波,s =1时梯形波变为三角波。梯形波含低次谐波,PWM波含同样得低次谐波,低次谐波(不包括由载波引起得谐波)产生得波形畸变率为。图616, 与U1m /Ud随
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- PWM 控制 技术
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【快乐****生活】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【快乐****生活】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。