第七講控制基礎(chǔ)第1頁，共60頁。優(yōu)選第七講控制基礎(chǔ)第2頁，共60頁。2.3PWM控制基礎(chǔ)PAM控制它是把變壓（VV）與變頻（VF）分開完成，前面的環(huán)節(jié)用來改變直流電壓的幅值，后面的環(huán)節(jié)用來改變逆變器輸出的頻率，這種分別控制直流電壓幅值和交流輸出頻率的方法稱為脈沖幅值調(diào)制方式（PulseAmplitudeModulation）方式，簡稱PAM控制方式；第3頁，共60頁。2.3PWM控制基礎(chǔ)ACSCR可控整流器六拍逆變器DCAC~50Hz調(diào)頻調(diào)壓PAM交-直-交變頻器第4頁，共60頁。2.3PWM控制基礎(chǔ)隨著自關(guān)斷型電力電子器件（如GTO、GTR、IGBT、MOSFET等）、微電子技術(shù)及微計算機技術(shù)的發(fā)展，采用脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)的變頻調(diào)速器蓬勃發(fā)展起來。PWM變頻器基本解決了常規(guī)六脈波變頻器中存在的問題，成為現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展最快的一個領(lǐng)域。第5頁，共60頁。PWM控制它是把變壓（VV）與變頻（VF）集中于逆變器完成，即前面為不可控整流器，中間直流電壓恒定，而后由逆變器同時完成變壓與變頻，逆變器采用脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation）的方式，簡稱PWM控制方式。第6頁，共60頁。2.3PWM控制基礎(chǔ)交-直-交PWM變壓變頻器變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻(CVCF)PWM逆變器DCACAC~50Hz調(diào)壓調(diào)頻C第7頁，共60頁。控制原理

1964年，德國的A.Schonung等率先把通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到交流調(diào)速領(lǐng)域，提出了脈寬調(diào)制變頻的思想。其基本思想是用一系列等幅不等寬的矩形脈沖來逼近理想正弦波，即通過控制逆變器功率開關(guān)器件導通或關(guān)斷，在逆變器輸出端獲得一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形。改變矩形脈沖的寬度和調(diào)制周期就可以改變輸出電壓的幅值和頻率。第8頁，共60頁。在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不等的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同?？刂圃淼?頁，共60頁。按照波形面積相等的原則，每一個矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等，因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidalpulsewidthmodulation，SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。怎樣才能得到所需要的PWM脈沖序列呢？控制原理第10頁，共60頁。控制原理第11頁，共60頁。以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrierwave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulationwave），當調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波?？刂圃淼?2頁，共60頁。注意:（1）PWM脈沖特點：高度相等，中心矩相等，但寬度呈正弦變化；（2）SPWM波仍有高次諧波，但幅值較大的低次諧波都被消除或被有效地抑制了；（3）PWM控制方式，要求使用高開關(guān)頻率的電力電子元件；（4）PWM技術(shù)在本質(zhì)上是變壓技術(shù)而不是變頻技術(shù)，是一種區(qū)別于PAM的調(diào)壓方式。控制原理第13頁，共60頁?？刂圃碓赑WM控制中，一般定義調(diào)制比為

式中，Urm是正弦調(diào)制波的幅值；Ucm是三角載波的幅值。通常M在0~1之間變化，以調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值。（2-7）第14頁，共60頁。PWM變頻器

VT1BCAUdCVT4

~VT3VT5VT6VT2M3~(a)圖2-18PWM變頻器的原理圖(a)主電路第15頁，共60頁。3個參考信號互差120°且共用一個載波信號。ura參考信號發(fā)生器三角波發(fā)生器驅(qū)動VT1~VT6udaudbudcurburc???utPWM變頻器

第16頁，共60頁。調(diào)頻原理：

改變參考波頻率，即可調(diào)節(jié)SPWM波的基波頻率；調(diào)壓原理：

改變參考波幅值，即可調(diào)節(jié)SPWM波的寬度，從而改變輸出電壓的有效值；PWM變頻器

第17頁，共60頁。

PWM和PAM控制的區(qū)別（1）逆變器的開關(guān)采用全控型器件，只有一個功率級；（2）采用不控整流，電網(wǎng)功率因數(shù)與負載電壓無關(guān)，而接近于1；（3）動態(tài)響應(yīng)與直流環(huán)節(jié)無關(guān)，響應(yīng)快；（4）能消除或抑制低次諧波，因而轉(zhuǎn)矩脈動小，大大擴展了電動機的調(diào)速范圍。PWM變頻器

第18頁，共60頁。同步調(diào)制與異步調(diào)制3.同步調(diào)制與異步調(diào)制載波比——載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比N，即N=fc/fr

根據(jù)載波和信號波是否同步即載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。第19頁，共60頁。（1）同步調(diào)制同步調(diào)制——N等于常數(shù)，即在變頻時使載波頻率和信號波頻率成正比變化。

fr變化時N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定；同步調(diào)制與異步調(diào)制第20頁，共60頁。特點：三相公用一個三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱；fr很低時，fc也很低，脈沖間距大，諧波顯著增加；fr很高時，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。同步調(diào)制與異步調(diào)制第21頁，共60頁。同步調(diào)制三相PWM波形ucurUurVurWuuUN'uVN'Otttt000uWN'2Ud-2Ud同步調(diào)制與異步調(diào)制第22頁，共60頁。（2）異步調(diào)制異步調(diào)制——載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式。保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的；在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱。同步調(diào)制與異步調(diào)制第23頁，共60頁。異步調(diào)制的特點：1)低頻時（fr較低），N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響較小，所以低頻時相應(yīng)地減小了諧波分量；2）難以保證三相輸出的對稱關(guān)系，引起電動機工作不平穩(wěn)。同步調(diào)制與異步調(diào)制第24頁，共60頁。（3）分段同步調(diào)制把fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段N不同；在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高；在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低。同步調(diào)制與異步調(diào)制第25頁，共60頁。分段同步調(diào)制方式同步調(diào)制與異步調(diào)制第26頁，共60頁。（4）混合調(diào)制

可在低頻輸出時采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點結(jié)合起來，和分段同步方式效果接近。同步調(diào)制與異步調(diào)制第27頁，共60頁。圖2-19三相橋式PWM逆變器主電路原理圖調(diào)制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5BACOO'C+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2同步調(diào)制與異步調(diào)制第28頁，共60頁。單極性和雙極性脈寬調(diào)制4.單極性和雙極性脈寬調(diào)制根據(jù)調(diào)制波的正或負半周期內(nèi)PWM脈沖的極性是否變化，PWM變頻器的工作方式分為單極性工作方式和雙極性工作方式兩種。第29頁，共60頁。（1）單極性控制方式正弦波的半個周期內(nèi)，三角載波只在一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的PWM波也只處于一個極性范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。單極性和雙極性脈寬調(diào)制第30頁，共60頁。單極性控制方式第31頁，共60頁。工作時V1和V2的通斷狀態(tài)互補，V3和V4的通斷狀態(tài)也互補。單極性脈寬調(diào)制在輸出電壓u0的正半周，讓V1保持通態(tài)，V2保持斷態(tài)，V3和V4交替通斷；第32頁，共60頁。單極性控制方式在輸出電壓u0的負半周，讓V2保持通態(tài)，V1保持斷態(tài)，V3和V4交替通斷。第33頁，共60頁。雙極性PWM控制方式（2）雙極性PWM控制方式在正弦波半個周期內(nèi)，三角載波在正負極性之間連續(xù)變化，則所得到的PWM波也是在正負之間變化，叫做雙極性控制方式。第34頁，共60頁。雙極性PWM控制方式第35頁，共60頁。雙極性PWM控制方式第36頁，共60頁。仍以單相電路為例：在正負半周對開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。即當ur>uc時，給V1和V4導通信號，給V2和V3關(guān)斷信號，這時如i0>0，則V1和V4導通；如i0<0，則VD1和VD4導通。不論哪種情況都是u0=Ud。雙極性PWM控制方式第37頁，共60頁。w1

tOw1

t雙極性PWM控制方式第38頁，共60頁。圖2-20三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形

OOOw1

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turaurburcutw1

tOUd2-Ud2w1

tuAO’-Ud2Ud2-Ud2-UdUd2UduCO’uBO’uAB雙極性PWM控制方式第39頁，共60頁。雙極性的工作方式?jīng)Q定了每個載波周期都要出現(xiàn)一次上、下開關(guān)管的切換，而單極性逆變器在調(diào)制正弦波的半個周期才切換一次，況且載波頻率一般為1~20kHz，比調(diào)制正弦波高很多，因此雙極性逆變器的切換次數(shù)遠遠多于單極性逆變器。雙極性逆變器的輸出電流更接近正弦波，畸變小。雙極性PWM控制方式第40頁，共60頁。脈寬調(diào)制的約束條件為保證開關(guān)元件安全工作，所調(diào)制的脈沖波有最小脈寬和最小間隙的限制，以保證脈沖寬度和間隙大于開關(guān)元件的ton和toff。雙極性PWM控制方式第41頁，共60頁。（3）單/雙極性工作方式的性能比較第42頁，共60頁。5.PWM控制的性能指標

電流諧波諧波電流引起電機電流有效值增加，電流波形畸變，功率因數(shù)降低，銅耗和鐵耗上升等。諧波電流有效值為5.PWM控制的性能指標第43頁，共60頁。總電流諧波畸變率THD（TotalHarmonicDistortion）式中，I1為基波電流的有效值；n為傅立葉級數(shù)展開的諧波分量階次。5.PWM控制的性能指標第44頁，共60頁。開關(guān)頻率和開關(guān)損耗隨著開關(guān)頻率提高，輸出交流信號諧波成分下降，但對周圍電子設(shè)備的干擾增大。同時，各種電力電子器件的開關(guān)頻率受到其固有的開關(guān)時間和開關(guān)損耗的限制，因此開關(guān)頻率必須低于其規(guī)定的最高開關(guān)頻率。5.PWM控制的性能指標第45頁，共60頁。電力電子器件的開關(guān)頻率：

SCR：300～500HZGTO：1～2KHZGTR：1~5KHZMOSFET、IGBT：20～30KHZ5.PWM控制的性能指標第46頁，共60頁。

思考題：為什么調(diào)制比M既不能過大，也不能過小？PWM控制的最小脈寬和最小間隙有何限制？第47頁，共60頁。2.4PWM控制技術(shù)PWM波形生成方法有調(diào)制法和計算法兩種。1.自然采樣法

圖2-21自然采樣法生成SPWM波形t0t1t2t3t4t5ut0ucur在正弦波與三角波的自然交點時刻控制功率開關(guān)器件的通斷，從而生成SPWM波形的方法.第48頁，共60頁。1.自然采樣法

一般采用的方法是，先將正弦參考波ur和三角波uc以表格的形式存在存儲器內(nèi)，實際運行時采用查表的方法或僅通過簡單的計算得到脈寬的大小。采用這種方法，當調(diào)速系統(tǒng)頻率變化范圍較大時，將占用較大的內(nèi)存空間，所以僅適用于有限調(diào)速范圍的場合。第49頁，共60頁。2.4PWM控制技術(shù)2.規(guī)則采樣法

圖2-22規(guī)則采樣法SPWM調(diào)制模式ABt2t3t1MtMTt在工程上更實用的簡化方法，彌補自然采樣法的不足，且力求采樣效果，接近于自然采樣法，又不必占用太多的計算時間。第50頁，共60頁。2.規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法原理三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc。自然采樣法中，脈沖中點不和三角波一周期的中點（即負峰點）重合。規(guī)則采樣法使兩者重合，每個脈沖的中點都以相應(yīng)的三角波中點為對稱，使計算大為簡化。第51頁，共60頁。2.規(guī)則采樣法根據(jù)脈沖電壓對三角載波的對稱性，脈沖寬度t2和間隙時間t1及t3可由下面公式計算（設(shè)三角波峰值為標幺值1）：

（2-12）

（2-13）

式中Tt為三角載波的周期。

第52頁，共60頁。2.規(guī)則采樣法根據(jù)上述采樣原理和計算公式，可以用計算機實時控制產(chǎn)生SPWM波形，具體實現(xiàn)方法有：查表法——可以先離線計算出相應(yīng)的脈寬

等數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中，然后在調(diào)速系統(tǒng)實時控制過程中通過查表和加、減運算求出各相脈寬時間和間隙時間。第53頁，共