脉宽调制(PWM)技术-教案培训讲学.ppt

*,Northeastern University,CHINA,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,现代电力电子及变流技术,第三章,脉宽调制,(PWM)技术,第三章 脉宽调制(PWM)技术,引言,3.1 PWM的基本原理,3.2 SPWM的调制原理,3.3 SPWM的调制方法,3.4 SPWM的实现,3.5 SVPWM的原理及实现,本章小结,引言,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,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(Pulse Width Modulation),指,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,波形（含形状和幅值)。,3.1,PWM的基本原理,理论基础,面积等效原理,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,。,冲量,窄脉冲的面积,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,),d,(,t,),t,O,a),矩形脉冲,b),三角形脉冲,c),正弦半波脉冲,t,O,t,O,t,O,f,(,t,),f,(,t,),f,(,t,),3.1,PWM的基本原理,PWM的调制思想,如何用一系列脉冲来代替一个正弦半波？,O,u,t,SPWM波,O,u,t,O,u,t,固定幅值，使波形调制方案更具可实现性,3.1,PWM的基本原理,PWM的调制原理,如何改变正弦波形幅值？,O,u,t,SPWM波,O,u,t,O,u,t,按同一比例改变,各脉冲宽度,如何改变正弦波形频率？,在脉冲周期不变,的条件下，,改变脉冲个数,3.1,PWM的基本原理,SPWM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。,O,w,t,U,d,-U,d,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。,O,w,t,U,d,-,U,d,3.1,PWM的基本原理,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,3.2,SPWM的调制原理,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。,SPWM生成的基本思想,3.2,SPWM的调制原理,SPWM生成的计算方法特定谐波消去法,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。,O,w,t,u,o,U,d,-,U,d,2,p,p,a,1,a,2,a,3,一种较有代表性的方法,3.2,SPWM的调制原理,特定谐波消去法,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,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,为轴线对称,同时满足上两式的波形，用傅里叶级数表示为,式中：,3.2,SPWM的调制原理,特定谐波消去法,波形计算,能独立控制,a,1,、,a,2,和,a,3,共3个时刻,该波形的,a,n,为,O,w,t,u,o,U,d,-,U,d,2,p,p,a,1,a,2,a,3,式中,n,=1,3,5,低次谐波幅值大,将两种特定频率谐波的幅值设,计为0，形成两个独立方程,特定谐波消去法,波形计算,在三相对称电路中，相电压所含的3次谐波相互抵消。可设计消去5次和7次谐波，则,正弦波幅值,3.2,SPWM的调制原理,a,1,、,a,2,和,a,3,待求解的量？,还需要两个独立方程,可得,a,1,、,a,2,和,a,3,。,特定谐波消去法,小结,3.2,SPWM的调制原理,一般在输出电压半周期内，器件通、断各,k,次，考虑到PWM波四分之一周期对称，,k,个开关时刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去,k,1个频率的特定谐波。,k,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。,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SPWM的调制方法,单相桥逆变,3.3,SPWM的调制方法,u,r,正半周,，V,1,保持,通,，V,2,保持,断,当,u,r,u,c,时，使V,4,通，V,3,断，,u,o,=,U,d,；,当,u,r,u,c,时，使,V,4,通，,V,3,断，,u,o,=0；,当,u,r,u,c,时,，V,1,和V,4,导通，V,2,和V,3,关断,i,o,0,时,，V,1,和V,4,工作，,u,o,=,U,d,；,i,o,u,c,时,，,V,2,和,V,3,导通，,V,1,和,V,4,关断,i,o,0,时,，,VD,2,和,VD,3,工作，,u,o,=-,U,d,。,双极性调制和单极性调制的比较,3.3,SPWM的调制方法,u,r,u,c,u,O,w,t,O,w,t,u,o,u,of,u,o,U,d,-,U,d,u,r,u,c,u,O,w,t,O,w,t,u,o,u,of,u,o,U,d,-,U,d,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。,3.3,SPWM的调制方法,三相SPWM的调制方法,三相,的PWM控制公用三角波载波,u,c,三相的调制信号,u,rU,、,u,rV,和,u,rW,依次相差120,3.3,SPWM的调制方法,三相SPWMU相分析,u,rU,u,0,t,0,0,0,0,0,t,t,t,t,t,u,rV,u,c,u,rW,u,UN,0.5,U,d,-0.5,U,d,u,VN,u,WN,U,d,-U,d,u,UV,u,UN,2,U,d,/3,U,d,/3,相电压分析：,u,rU,u,c,时，V,1,通，V,4,断，,u,UN,=,U,d,/2,；,u,rU,u,c,时，V,4,通，V,1,断，,u,UN,=-,U,d,/2；,u,UN,、,u,VN,和,u,WN,的波形只有,U,d,/2,电平。,线电压分析：,u,UV,波形由,u,UN,-,u,VN,得出,当1和6通时，,u,UV,=,U,d,；,当3和4通时，,u,UV,=,U,d,；,当1和3或4和6通时，,u,UV,=0。,线电压PWM波由,U,d,和0三种电平构成。,负载相电压分析：,负载相电压PWM波由,(2/3),U,d,、,(1/3),U,d,和0共5种电平组成。,为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间,死区时间会给输出的PWM波带来影响。,注：,同步调制和异步调制,1）,异步调制,载波信号和调制信号不同步的调制方式,通常保持,f,c,固定不变,2）,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,3.3,SPWM的调制方法,规则采样法,为什么提出规则采用法？,按照,SPWM,的基本原理，,SPWM,波,的生成方法被称为自然采样法。这,种方法最大的问题是：用软件算法,不易实现,在工程应用中很少采用自然采样法,工程应用中，采用软件,生成,SPWM,是主流方向,3.4,PWM的实现,规则采样法 一种工程实用方法,u,c,u,O,t,u,r,T,c,A,D,B,O,t,u,o,t,A,t,D,t,B,d,d,d,2,d,2,d,方法,脉冲中点,D,时刻的,u,r,采样值与三角波比较，确定,A、B,点，在,t,A,和,t,B,时刻控制开关器件的通断。,特点,脉冲宽度,d,和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近；,计算大为减化。,设三角波两个正峰值之间为一个采样周期,T,c,3.4,PWM的实现,3.4,PWM的实现,闭环方法,滞环比较方式,跟踪控制方法,把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。,三角波比较方式,3.5,SVPWM的原理及实现,SVPWM？,空间矢量脉宽调制,最初来源：,电机的控制问题,新的观点：,正弦波逆变器的几何方法,方法：,借助于坐标变换(clark和park变换)，建立三相静止坐标系与同步旋转坐标系的联系，进而建立圆旋转的空间矢量与三相正弦波的联系，通过实现圆旋转的空间矢量，生成三相SPWM。,Michael J.Ryan等，98年,单相逆变器结构特点,电路结构特征：,2个桥臂,输出电压：,结构分析：,每个桥臂存在2个开关状态,桥臂上开关通(用S,a,=1描述)；,桥臂下开关通(用S,a,=0描述)。,逆变器共有4种开关状态,S,a,S,b,：00，01，10，11。,开关状态与电压的关系,3.5,SVPWM的原理及实现,结构特点,两个桥臂电压,V,ag,和,V,bg,分别独立,可控控制存在两个自由度；,由于连接了负载，输出电压,V,ab,具有唯一性,只有一个自由度。,如何分析两维的桥臂电压和,一维的输出电压之间的联系？,几何分析方法,矢量空间,桥臂电压构成两维空间，两个自由度分别,代表两个垂直方向,桥臂电压空间；,输出电压只有一个自由度，构成一维空间,输出电压空间。,3.5,SVPWM的原理及实现,桥臂电压和输出电压的联系,采用投影方式建立联系；,开关状态(00)，(11)形成的两个桥臂电压,对应一个输出电压(0V)。,这一投影具有唯一性,投影关系,V,0,是零序电压,逆变器控制方法,V,0,*,为一定范围的任意数,注：,V,0,*,取,常数,（如,V,i,）时，Vag和Vbg的驱动波形可以设计。例：,V,ab,*,取0.5,V,i,，,V,0,*,取,V,i,V,ag,取0.75,V,i,，,V,bg,取0.25,V,i,3.5,SVPWM的原理及实现,V,0,*,取其他值会怎样？,V,0,*,有没有一个取值原则？,3.5,SVPWM的原理及实现,三相逆变器结构特点,结构特征：,3个桥臂,电路特征：,结构分析：,每个桥臂存在2个开关状态,桥臂上开关通(用S,a,=1描述)；,桥臂下开关通(用S,a,=0描述)。,逆变器共有8种开关状态，,S,a,S,b,：000，001，010，,011，100，101，110，111。,结构特点,三个桥臂电压,V,ag,、,V,bg,和,V,cg,分别,独立可控控制存在三个自由度；,由于连接了负载，输出电压,V,an,、,V,bn,和,V,cn,存在耦合关系,只有两个自由度。,开关状态与,桥臂电压的,关系,如何分析三维,桥臂电压和两,维输出电压之,间的联系？,几何分析方法,矢量空间,桥臂电压构成三维空间，三个自由度分别代表三个垂直方向,桥臂电压空间；,输出电压只有两个自由度，构成两维空间,输出电压空间。,3.5,SVPWM的原理及实现,桥臂电压和输出电压的联系,采用投影方式建立联系；,开关状态(000)，(111)形成的两个桥臂电压对应一个输出电压矢量点(,V,an,V,bn,V,cn,),=,(0,0,0)。,这一投影具有唯一性,投影关系,3.5,SVPWM的原理及实现,根据实际情况自动调整投影比例,开关状态与输出电压的关系,解耦投影关系,(Clark变换),3.5,SVPWM的原理及实现,V,0,是零序电压,电压变换关系,逆变器控制方法,V,0,*,取0,3.5,SVPWM的原理及实现,Vd*和Vq*,如何设计？,3.5,SVPWM的原理及实现,SVPWM思想,开关状态与电压矢量的关系,电压矢量的空间位置,U,m,U,m,t,0,2,u,A,u,C,u,B,电压矢量轨迹,3.5,SVPWM的原理及实现,SVPWM的思想：,对一个给定理想参考电压矢量，用这8种开关状态逼近它。,电压矢量如何实现？,待解决问题：,参考矢量由开关状态矢量合成,哪几个开关状态矢量？,如何合成？,如何实现这种矢量合成？,三相SVPWM思想3号扇区为例,的合成：,由 、合成。,相邻矢量,零矢量,合成构思：,T,0,为0或7矢量 工作时间,3.5,SVPWM的原理及实现,3.5,SVPWM的原理及实现,待解决问题,哪一扇区,各矢量工作时间,开关驱动,SVPWM实现,步骤1：扇区的确定,步骤2：矢量的分解,步骤3：驱动波形的生成,输入：空间矢量的坐标,输出：驱动开关管的信号,三相SVPWM的实现,扇区的确定,3.5,SVPWM的原理及实现,没有,1,1,1,V（6）,0,1,1,III（5）,1,0,1,IV（4）,0,0,1,I（3）,1,1,0,VI（2）,0,1,0,II（1）,1,0,0,没有,0,0,0,扇区（标识码）,六个扇区由三条直线划分,三相SVPWM的实现矢量的分解,设：4号矢量（前矢量）作用时间为,T,x,；,6号矢量（后矢量）作用时间为,T,y,；,零矢量作用时间为,T,0,，周期,T,。,3.5,SVPWM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SVPWM的实现矢量的分解,不同扇区相邻矢量工作时间表达式,不同扇区的矢量分解,扇区号,I,II,III,IV,V,VI,T,x,-Z,Z,X,-X,-Y,Y,T,y,X,Y,-Y,Z,-Z,-X,3.5,SVPWM的原理及实现,三相SVPWM的实现驱动波形的生成,3.5,SVPWM的原理及实现,根据相邻矢量工作时间,T,x,、,T,y,确定三相比较值,确定各相比较值，以3号扇区为例,T,A,为A桥臂导通时间；,T,B,为B桥臂导通时间；,T,C,为C桥臂导通时间,有效矢量为0，4，6，7,三相SVPWM的实现驱动波形的生成,3.5,SVPWM的原理及实现,矢量为0，4，6，7,三相SVPWM的实现驱动波形的生成,如果桥臂导通时间不是,就会由其他的矢量组合，实现其他扇区的参考矢量,1号扇区，矢量为0，2，6，7,3.5,SVPWM的原理及实现,不同的赋值方式会生成不同扇区参考矢量的驱动信号,三相SVPWM的实现,驱动波形的生成,不同扇区的赋值方式,扇区,I,II,III,IV,V,VI,T,A,T,cm,1,T,cm,2,T,cm,3,T,cm,3,T,cm,2,T,cm,1,T,B,T,cm,2,T,cm,1,T,cm,1,T,cm,2,T,cm,3,T,cm,3,T,C,T,cm,3,T,cm,3,T,cm,2,T,cm,1,T,cm,1,T,cm,2,3.5,SVPWM的原理及实现,小结,PWM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PWM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。,小结,PWM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,直流脉宽调速系统,。,PWM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。,PWM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。,