脉宽调制(PWM)技术.pdf
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现代电力电子及变流技术现代电力电子及变流技术第四章第四章第四章第四章脉宽调制脉宽调制脉宽调制脉宽调制(PWM)(PWM)(PWM)(PWM)技术技术技术技术第四章第四章脉宽调制脉宽调制(PWM)(PWM)(PWM)(PWM)技术技术引言引言引言引言4.1PWM4.1PWM4.1PWM4.1PWM4.1PWM4.1PWM4.1PWM4.1PWM的基本原理的基本原理的基本原理的基本原理4.2SPWM4.2SPWM4.2SPWM4.2SPWM4.2SPWM4.2SPWM4.2SPWM4.2SPWM的调制原理的调制原理的调制原理的调制原理4.3SPWM4.3SPWM4.3SPWM4.3SPWM4.3SPWM4.3SPWM4.3SPWM4.3SPWM的调制方法的调制方法的调制方法的调制方法4.4SPWM4.4SPWM4.4SPWM4.4SPWM4.4SPWM4.4SPWM4.4SPWM4.4SPWM的实现的实现的实现的实现4.5SVPWM4.5SVPWM4.5SVPWM4.5SVPWM4.5SVPWM4.5SVPWM4.5SVPWM4.5SVPWM的原理及实现的原理及实现的原理及实现的原理及实现本章小结本章小结本章小结本章小结第四章第四章脉宽调制脉宽调制(PWM)(PWM)(PWM)(PWM)技术技术引言引言说明:
说明:
PWM的思想源于通信技术,全控型器件的发展促进了PWM技术的应用和完善;PWM技术在逆变电路逆变电路中的成功应用确定了它在电力电子技术中的重要地位;PWM技术以其对波形调制的灵活性和通用型,在电力电子领域得到了广泛的应用,成为电力变换器控制的基础。
PWM(PulseWidthModulation)PWM(PulseWidthModulation)PWM(PulseWidthModulation)PWM(PulseWidthModulation)指脉宽调制技术脉宽调制技术:
通过对一系列脉冲的宽度进行调制,等效出所需要的通过对一系列脉冲的宽度进行调制,等效出所需要的波形(含形状和幅值波形(含形状和幅值)。
4.14.14.14.1PWMPWMPWMPWM的基本原理的基本原理理论基础理论基础面积等效原理面积等效原理面积等效原理面积等效原理冲量冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同效果基本相同。
冲量冲量窄脉冲的面积效果基本相同效果基本相同环节的输出响应波形基本相同图6-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f(t)(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)4.14.14.14.1PWMPWMPWMPWM的基本原理的基本原理PWMPWMPWMPWM的调制思想的调制思想如何用一系列脉冲来代替一个正弦半波?
如何用一系列脉冲来代替一个正弦半波?
如何用一系列脉冲来代替一个正弦半波?
如何用一系列脉冲来代替一个正弦半波?
OOOOuuuutSPWM波OOOOuuuutOOOOuuuut固定幅值,使波形调制方案更具可实现性4.14.14.14.1PWMPWMPWMPWM的基本原理的基本原理PWMPWMPWMPWM的调制原理的调制原理如何改变正弦波形幅值?
如何改变正弦波形幅值?
如何改变正弦波形幅值?
如何改变正弦波形幅值?
OOOOuuuutOOOOuuuutSPWM波OOOOuuuutOOOOuuuut按同一比例改变按同一比例改变各脉冲宽度各脉冲宽度如何改变正弦波形频率?
如何改变正弦波形频率?
如何改变正弦波形频率?
如何改变正弦波形频率?
在脉冲周期不变在脉冲周期不变的条件下,的条件下,改变脉冲个数改变脉冲个数4.14.14.14.1PWMPWMPWMPWM的基本原理的基本原理SPWMSPWMSPWMSPWM的调制的调制单极性SPWM对于正弦波的负半周,采取同样的方法,得到PWM波形。
OtUd-Ud双极性SPWM根据面积等效原理,正弦波还可等效为右图中的PWM波,而且这种方式在实际应用中更为广泛。
OtUd-Ud4.14.14.14.1PWMPWMPWMPWM的基本原理的基本原理小结小结PWM波可等效的各种波形直流斩波电路直流波形SPWM波正弦波形等效成其他所需波形,如:
所需波形等效的PWM波0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms-20V0V20V4.24.24.24.2SPWMSPWMSPWMSPWM的调制原理的调制原理注:
注:
目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。
逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。
根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数,准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔,据此控制逆变电路开关器件的通断,就可得到所需SPWM波形。
SPWMSPWMSPWMSPWM生成的基本思想生成的基本思想4.24.24.24.2SPWMSPWMSPWMSPWM的调制原理的调制原理SPWMSPWMSPWMSPWM生成的计算方法生成的计算方法特定谐波消去法特定谐波消去法波形设计:
波形设计:
输出电压半周期内,器件通、断各3次(不包括0和),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。
OtuoUd-Ud2a1a2a3一种较有代表性的方法4.24.24.24.2SPWMSPWMSPWMSPWM的调制原理的调制原理特定谐波消去法特定谐波消去法波形计算波形计算首先,为消除偶次谐波,使波形正负两半周期对称,即)()(+=tutu其次,为消除谐波中余弦项,应使波形在正半周期内前后1/4周期以/2/2/2/2为轴线对称)()(tutu=同时满足上两式的波形,用傅里叶级数表示为=,5,3,1sin)(nntnatu=20dsin)(4ttntuan式中:
4.24.24.24.2SPWMSPWMSPWMSPWM的调制原理的调制原理特定谐波消去法特定谐波消去法波形计算波形计算能独立控制1111、2222和3333共3个时刻,该波形的aaaannnn为)cos2cos2cos21(2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211nnnnUttnUttnUttnUttnUadddddn+=+=OtuoUd-Ud2a1a2a3式中nnnn=1,3,5,=1,3,5,=1,3,5,=1,3,5,低次谐波幅值大低次谐波幅值大将两种特定频率谐波的幅值设将两种特定频率谐波的幅值设计为计为0000,形成两个独立方程,形成两个独立方程特定谐波消去法特定谐波消去法波形计算波形计算在三相对称电路中,相电压所含的在三相对称电路中,相电压所含的3333次谐波相互抵消。
可设计消去次谐波相互抵消。
可设计消去5555次次和和7777次谐波,则次谐波,则=+=+=+=0)7cos27cos27cos21(720)5cos25cos25cos21(52)cos2cos2cos21(2321d7321d5321d1UaUaUa1?
a正弦波幅值正弦波幅值4.24.24.24.2SPWMSPWMSPWMSPWM的调制原理的调制原理1、2和3待求解的量?
还需要两个独立方程还需要两个独立方程可得可得1111、2222和和3333。
特定谐波消去法特定谐波消去法小结小结4.24.24.24.2SPWMSPWMSPWMSPWM的调制原理的调制原理一般在输出电压半周期内,器件通、断各一般在输出电压半周期内,器件通、断各kkkk次,考虑到次,考虑到PWMPWMPWMPWM波四分之一周期对称,波四分之一周期对称,kkkk个开关时刻可控,除用一个个开关时刻可控,除用一个自由度控制基波幅值外,可消去自由度控制基波幅值外,可消去kkkk1111个频率的特定谐波。
个频率的特定谐波。
kkkk的取值越大,消去的特定谐波越多,波形越理想,但开的取值越大,消去的特定谐波越多,波形越理想,但开关时刻的计算越复杂。
关时刻的计算越复杂。
有没有更好的产生SPWM的方法?
这种方法能够取很大的k值又无需复杂的计算单极性单极性SPWMSPWMSPWMSPWM的调制方法的调制方法单相桥逆变单相桥逆变4.34.34.34.3SPWMSPWMSPWMSPWM的调制方法的调制方法ur正半周正半周,V1保持通通,V2保持断断当uuuurrrruuuucccc时,使V4通,V3断,uuuuoooo=UUUUdddd;当uuuurrrruuuucccc时,使V4通,V3断,uuuuoooo=0=0=0=0;当uuuurrrruuuucccc时时,V1和V4导通,V2和V3关断iiiioooo0000时时,V1和V4工作,uuuuoooo=UUUUdddd;iiiioooo000uuuucccc时时,V2和V3导通,V1和V4关断iiiioooo0000000时时,VD2和VD3工作,uuuuoooo=-=-=-=-UUUUdddd。
双极性调制和单极性调制的比较双极性调制和单极性调制的比较4.34.34.34.3SPWMSPWMSPWMSPWM的调制方法的调制方法urucuOtOtuouofuoUd-UdurucuOtOtuouofuoUd-Ud对照两图可见,单极性调制和双极性调制都适用于单相桥式电路。
由于对开关器件通断控制的规律不同,两种调制方式存在差异:
1、输出波形有较大的差别;2、一个正弦周期的开关损耗不同;3、产生IGBT驱动信号的难易程度不同。
4.34.34.34.3SPWMSPWMSPWMSPWM的调制方法的调制方法三相三相SPWMSPWMSPWMSPWM的调制方法的调制方法三相的PWM控制公用三角波载波uuuucccc三相的调制信号uuuurUrUrUrU、uuuurVrVrVrV和uuuurWrWrWrW依次相差120UNVNWNUNUN3uuuuu+=4.34.34.34.3SPWMSPWMSPWMSPWM的调制方法的调制方法三相三相SPWMSPWMSPWMSPWMUUUU相分析相分析urUu0t00000ttttturVucurWuUN0.5Ud-0.5UduVNuWNUd-UduUVuUN2Ud/3Ud/3相电压分析:
相电压分析:
uuuurUrUrUrUuuuucccc时,V1通,V4断,uuuuUNUNUNUN=UUUUdddd/2/2/2/2;uuuurUrUrUrU0u30uu30uu=30uu3uu3uuu没有111V(6)011III(5)101IV(4)001I(3)110VI
(2)010II
(1)100没有000扇区(标识码)六个扇区由六个扇区由三条直线划三条直线划分分0ux=1x=030uuy=2y=030uuz=4z=0N=x+y+z三相三相SVPWMSVPWMSVPWMSVPWM的实现的实现矢量的分解矢量的分解设:
4号矢量(前矢量)作用时间为Tx;6号矢量(后矢量)作用时间为Ty;零矢量作用时间为T0,周期T。
00046xxyysrefVTVTVTVTTTTT+=+=DCDC1cos6022033sin60sxysVVTVTTV+=()33DC22DC03xssysxyTVVTUTVTUTTTT=4.54.54.54.5SVPWMSVPWMSVPWMSVPWM的原理及实现的原理及实现注:
不同的扇区得到不同的表达式,但这些表达式有一定规律。
三相三相SVPWMSVPWMSVPWMSVPWM的实现的实现矢量的分解矢量的分解不同扇区相邻矢量工作时间表达式不同扇区相邻矢量工作时间表达式DCDCDC333223322sssssXVTVYVVTVZVVTV=+=+不同扇区的矢量分解不同扇区的矢量分解-X-ZZ-YYXTyY-Y-XXZ-ZTxVIVIVIIIIII扇区号4.54.54.54.5SVPWMSVPWMSVPWMSVPWM的原理及实现的原理及实现三相三相SVPWMSVPWMSVPWMSVPWM的实现的实现驱动波形的生成驱动波形的生成4.54.54.54.5SVPWMSVPWMSVPWMSVPWM的原理及实现的原理及实现根据相邻矢量工作时间根据相邻矢量工作时间TTTTxxxx、TTTTyyyy确定三相比较值确定三相比较值确定各相比较值,以确定各相比较值,以3333号扇区为例号扇区为例1cmT2cmT3cmTABC000100110111110110000123AcmBcmCcmTTTTTT=TA为A桥臂导通时间;TB为B桥臂导通时间;TC为C桥臂导通时间有效矢量为0,4,6,7()()()123442422cmxycmxyxcmxyxyTTTTTTTTTTTTTTT=+=+三相三相SVPWMSVPWMSVPWMSVPWM的实现的实现驱动波形的生成驱动波形的生成1cmT2cmT3cmTABC0001001101111101100004.54.54.54.5SVPWMSVPWMSVPWMSVPWM的原理及实现的原理及实现+()()()123442422cmxycmxyxcmxyxyTTTTTTTTTTTTTTT=+=+123AcmBcmCcmTTTTTT=矢量为0,4,6,7()()03121322222scmcmsxyxcmcmxycmcmyTTTTTTTTTTTTTTT=+=三相三相SVPWMSVPWMSVPWMSVPWM的实现的实现驱动波形的生成驱动波形的生成213AcmBcmCcmTTTTTT=如果桥臂导通时间不是ABCTTT就会由其他的矢量组合,实现其他扇区的参考矢量1cmT2cmT3cmTBAC0000101101111100100001号扇区,矢量为0,2,6,74.54.54.54.5SVPWMSVPWMSVPWMSVPWM的原理及实现的原理及实现不同的赋不同的赋值方式会值方式会生成不同生成不同扇区参考扇区参考矢量的驱矢量的驱动信号动信号三相三相SVPWMSVPWMSVPWMSVPWM的实现的实现驱动波形的生成驱动波形的生成不同扇区的赋值方式不同扇区的赋值方式Tcm2Tcm1Tcm1Tcm2Tcm3Tcm3TCTcm3Tcm3Tcm2Tcm1Tcm1Tcm2TBTcm1Tcm2Tcm3Tcm3Tcm2Tcm1TAVIVIVIIIIII扇区4.54.54.54.5SVPWMSVPWMSVPWMSVPWM的原理及实现的原理及实现第四章第四章脉宽调制脉宽调制(PWM)(PWM)(PWM)(PWM)技术技术小结小结PWMPWMPWMPWM技术的地位技术的地位PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用,并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。
器件与器件与PWMPWMPWMPWM技术的关系技术的关系IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础。
第四章第四章脉宽调制脉宽调制(PWM)(PWM)(PWM)(PWM)技术技术小结小结PWMPWMPWMPWM技术用于直流斩波电路技术用于直流斩波电路直流斩波电路实际上就是直流PWM电路,是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路,应用于直流电动机调速系统就构成广泛应用的直直流脉宽调速系统流脉宽调速系统。
PWMPWM技术用于逆变电路技术用于逆变电路PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。
正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用,才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。
除功率很大的逆变装置外,不用PWM控制的逆变电路已十分少见。
PWMPWM控制技术用于整流电路控制技术用于整流电路PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路。
可看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸。
PWM整流电路已获得了一些应用,并有良好的应用前景。
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