湖南大学现代电力电子技术第5章学习教案

《湖南大学现代电力电子技术第5章学习教案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《湖南大学现代电力电子技术第5章学习教案（82页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、会计学1湖南大学现代湖南大学现代(xindi)电力电子技术第电力电子技术第5章章第一页，共82页。第第5章章 脉冲宽度调制脉冲宽度调制(tiozh)(PWM)技术技术 5.1 PWM5.1 PWM技术概述技术概述5.2 5.2 正弦正弦PWMPWM技术技术5.3 5.3 空间矢量空间矢量(shling)(shling)调制技术调制技术5.4 5.4 电流跟踪控制技术电流跟踪控制技术5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术第1页/共81页第二页，共82页。5.1 PWM5.1 PWM技术技术(jsh)(jsh)概述概述uPWM 技术：脉宽调制技术：

2、脉宽调制(tiozh)技术技术(Pulse Width Modulation) ，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制(tiozh)，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变(n bin)电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变(n bin)电路都采用了PWM技术，因此，本章能

3、使我们对逆变(n bin)电路有完整地认识。一、一、PWMPWM技术原理技术原理第2页/共81页第三页，共82页。5.1 PWM5.1 PWM技术技术(jsh)(jsh)概述概述u重要理论基础(jch)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冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性(gunxng)的环节上时，其效果基本相同。的环节上时，其效果基本相同。d)单位脉冲函数f (t)d (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)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第3页/共81页第四页，共82页。5.1 P

4、WM5.1 PWM技术技术(jsh)(jsh)概述概述PWM调制(tiozh)思想OutOutSPWM波Out 固定幅值，使波形调制方案更具可实现性第4页/共81页第五页，共82页。5.1 PWM5.1 PWM技术技术(jsh)(jsh)概述概述按同一比例改变按同一比例改变各脉冲各脉冲(michng)宽度宽度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PWM的调制原理的调制原理Ou tOutOutSPWM波第5页/共81页第六页，共82页。5.1 PWM5.1 PWM技术技术(jsh)(jsh)概述概述OwtUd-UdOwtUd-Ud 双极性SPWM 根据面积等效原

5、理，正弦波还可等效为右图中的PWM波，而且(r qi)这种方式在实际应用中更为广泛。 单极性SPWM 对于(duy)正弦波的负半周，采取同样的方法，得到 PWM波形。第6页/共81页第七页，共82页。5.1 PWM5.1 PWM技术技术(jsh)(jsh)概述概述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:l 所需波形 l 等效的PWM波0s5m s10m s15m s20m s25m s30m s-20V0V20V第7页/共81页第八页，共82页。5.1 PWM5.1 PWM技术技术(jsh)(jsh)概述概述二、谐波二、谐波(xi b)(

6、xi b)电压电流畸变因数电压电流畸变因数u 畸变畸变(jbin)(jbin)的周期性电压和电流的傅立叶级数的周期性电压和电流的傅立叶级数u 其中其中 w1: w1: 基波角频率基波角频率 n : n : 谐波次数谐波次数 M : M : 所所考虑谐波最高次数考虑谐波最高次数u Vn, In : Vn, In : 第第n n次谐波电压和电流的均方根值次谐波电压和电流的均方根值u an, bn : an, bn : 第第n n次谐波电压和电流的初相角次谐波电压和电流的初相角)sin(2)()sin(2)(1111nnMnnnMntnItitnVtvwwMnnTMnnTIIdttiTIVVdttv

7、TV222102222102)(1)(1u均方根值均方根值第8页/共81页第九页，共82页。5.1 PWM5.1 PWM技术技术(jsh)(jsh)概述概述un n次谐波次谐波(xi b)(xi b)含有率（含有率（HR: harmonic ratioHR: harmonic ratio）u%100%10011IIHRIVVHRUnnnn%100%100122122IITHDVVTHDMnnIMnnV电压电压THDTHD通常是一个有意义的数据，但对电流通常是一个有意义的数据，但对电流(dinli)(dinli)来说，较小幅值的来说，较小幅值的谐波电谐波电 流可能导致较大的流可能导致较大的THD

8、 THD 值，而此时电力系统受到的威胁并不大。值，而此时电力系统受到的威胁并不大。u总谐波畸变率（总谐波畸变率（THD: total Harmonic distortionTHD: total Harmonic distortion）u总谐波畸变因数与基波和均方根的关系总谐波畸变因数与基波和均方根的关系121VVTHDV211VTHDVV第9页/共81页第十页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术一、一、SPWM生成生成(shn chn)的基的基本思想本思想目前所采用的一种目前所采用的一种基于等效原理的易基于等效

9、原理的易实现的方法实现的方法(fngf):(fngf):就是使逆就是使逆变器的输出波形为变器的输出波形为一系列与正弦波等一系列与正弦波等效的等幅不等宽的效的等幅不等宽的矩形脉冲波形矩形脉冲波形. .等效的原则等效的原则: :每一等每一等分区间内正弦波的分区间内正弦波的面积与矩形波的面面积与矩形波的面积相等积相等, ,具体等效方具体等效方法法(fngf)(fngf)如右图如右图示示. .tw0 0O Otwuu 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。第10页/共81页第十一页，共82页。5.2 5.2 正弦

10、正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术二、三角二、三角(snjio)(snjio)波波SPWMSPWM的调制方法的调制方法在ur和uc交点时刻控制IGBT的通断urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示(biosh)uo的基波分量 ur正半周正半周，V1保持通通，V2保持断断当uruc时，使V4通，V3断，uo=Ud ；当uruc时，使V4通，V3断，uo=0；当uruc时时，V1和V4导通，V2和V3关断io0时时，V1和V4工作，uo=Ud ；iouc时时，V2和V3导通，V1和V4关断io0时时，VD2和VD3工作，uo=-Ud

11、。第12页/共81页第十三页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技技术术urucuOwtOwtuouofuoUd-UdurucuOwtOwtuouofuoUd-Udu双极性调制双极性调制(tiozh)和单极性调制和单极性调制(tiozh)的比较的比较 对照两图可见，单极性调制(tiozh)和双极性调制(tiozh)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(tiozh)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。第13页/共81页

12、第十四页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技技术术u三相三相SPWM的调制的调制(tiozh)方法方法 三相的PWM控制公用三角波载波uc 三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120第14页/共81页第十五页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术urUu0t00000ttttturVucurWuUN0.5Ud-0.5UduVNuWNUd-UduUVuUN2Ud/3Ud/3相电压分析相电压分析(fnx)：u r U u c 时 ，

13、时 ， V 1 通 ，通 ， V 4 断 ，断 ，uUN=Ud/2；u r U u c 时 ，时 ， V 4 通 ，通 ， V 1 断 ，断 ，uUN=-Ud/2；uUN、uVN和和uWN的波形的波形只有只有Ud/2电平。电平。线电压分析线电压分析(fnx)：uUV波形由波形由uUN-uVN得出得出当当1和和6通时，通时，uUV=Ud；当当3和和4通时，通时，uUV=Ud；当当1和和3或或4和和6通时，通时，uUV=0。线电压线电压PWM波由波由Ud和和0三种电三种电平构成。平构成。负载相电压分析负载相电压分析(fnx)：负载相电压负载相电压PWM波由波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和和0共

14、共5种电平组成。种电平组成。第15页/共81页第十六页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术u同步同步(tngb)调制和调制和异步调制异步调制异步调制异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式n通常保持(boch)fc固定不变同同步调制步调制载波信号和调制信号保持同步的调制方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式，当变频时使载波与信号波保持同步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

15、会给输出的死区时间会给输出的PWMPWM波带来影响。波带来影响。第16页/共81页第十七页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技技术术分段分段(fn dun)同步调制同步调制把把fr范围划分成若干个频段范围划分成若干个频段，每个频段内保持，每个频段内保持N恒定，恒定，不同频段不同频段N不同不同在在fr高的频段采用较低的高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高使载波频率不致过高在在fr低的频段采用较高的低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低使载波频率不致过低为防止为防止fc在切换点附近来回在切换点附近来回跳动，采用滞后

16、切换的方法跳动，采用滞后切换的方法同步调制比异步调制复杂，同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现但用微机控制时容易实现可在低频输出时采用异步调可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段的优点结合起来，和分段(fn dun)同步方式效果接同步方式效果接近近00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr /Hzfc /kHz第17页/共81页第十八页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉

17、宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术三、三相三、三相(sn xin)SPWM(sn xin)SPWM的的模拟实现法模拟实现法第18页/共81页第十九页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术四、四、SPWMSPWM的数字的数字(shz)(shz)实现法实现法 表格法表格法(ROM法法) SPWM 随时计算法随时计算法(RAM法法) 波形的波形的软件软件生成法生成法 等效面积法等效面积法 实时实时(sh sh)计算法计算法 自然采样自然采样法法 规则采样法（对规则采样法（对称和不对称规则采样法称和不对称规则

18、采样法)第19页/共81页第二十页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术u自然自然(zrn)采样采样法法t1 1AtA AB BtM1sinwBt2t2tCT2t1t3tt按照按照(nzho)SPWM(nzho)SPWM的基的基本原本原理，理，SPWMSPWM波的生成波的生成方法被称为自然采样方法被称为自然采样法。这种方法最大的法。这种方法最大的问题是：用软件算法问题是：用软件算法不易实现不易实现ACtMTt11sin2212wBActtMTt112sinsin212wwBtMTtc13sin2212w第20页/

19、共81页第二十一页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术u规则采样法（对称规则采样法（对称(duchn)采样）采样）ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d设三角波两个正峰值(fn zh)之间为一个采样周期Tc方法脉冲中点D时刻的ur采样值与三角波比较，确定A、B点，在tA和tB时刻控制开关器件的通断。特点特点 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。规则采样法的实质是用阶梯波来代替正规则采样法的实质是用阶梯波来代替正弦波，从而简化了算法，适合微机实时弦波，从而简化

20、了算法，适合微机实时控制控制。 第21页/共81页第二十二页，共82页。5.2 5.2 正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)脉宽调制（脉宽调制（SPWM)SPWM)技术技术规则采样法计算公式推导规则采样法计算公式推导 正弦调制信号波正弦调制信号波 式中，式中，M称为调制度，称为调制度，0M i * + h V2通下限：i i * - h V1通第59页/共81页第六十页，共82页。5.4 5.4 电流电流(dinli)(dinli)跟踪控制技术跟踪控制技术u 三相电流滞环比较(bjio)控制第60页/共81页第六十一页，共82页。5.4 5.4 电流电流(dinli)(dinli)跟踪

21、控制技术跟踪控制技术u 电流滞环比较方式电流滞环比较方式(fngsh)(fngsh)的特点。的特点。 （1）硬件电路简单。 （2）实时控制，电流响应快。 （3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。 （4）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流 中高次谐波含量(hnling)多。 （5）闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。第61页/共81页第六十二页，共82页。5.4 5.4 电流电流(dinli)(dinli)跟踪控制技术跟踪控制技术三、三、 三角三角(snjio)(snjio)波比波比较方式较方式负载+-iai*a+-ibi*b+-ici*cUdC+-C+-C+-三

22、相三角波发生电路AAAu基本原理u不是把指令信号和三角(snjio)波直接进行比较，而是通过闭环来进行控制。u把指令电流i*a、i*b和i*c和实际输出电流ia、ib、ic进行比较，求出偏差，通过放大器A放大后，再去和三角(snjio)波进行比较，产生PWM波形。u放大器A通常具有比例积分特性或比例特性，其系数直接影响电流跟踪特性。第62页/共81页第六十三页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术一、电路一、电路(dinl)拓扑拓扑SCRorPWMRectifierPWMInverterControllerdIdL*dIUtilit

23、ySupplyMasvbsvcsvfCABCdI电流源实现电流源实现(shxin)： 使用平波电抗器使用平波电抗器; 采用直流电流反馈控制采用直流电流反馈控制第63页/共81页第六十四页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术二、梯形波调制二、梯形波调制(tiozh)1gv2gv3gv4gv5gv6gv0wi3322twtwtwtwtwtwtwdI2332twcrvmvmVcrV02第64页/共81页第六十五页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术三、谐波三、谐波(xi b

24、)消除调制消除调制332212623dItwwi130 可以消除谐波可以消除谐波(xi b)的个数：的个数： 调制比不可控，只能通过控制直流电流大小来实现调制比不可控，只能通过控制直流电流大小来实现2/ ) 1(pNk设定电流波形设定电流波形第65页/共81页第六十六页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术1)sin()(nnwtnatiww20)()sin()(4wwwtdtntiawneven.k )()sin(.)()sin()()sin(.)()sin(;oddk )()sin(.)()sin()()sin(.)()sin(

25、423362333611211121wwwwwwwwwwwwwwwwtdtntdtntdtntdtntdtntdtntdtntdtnIakkkkkkdcn0)611cos()3(11cos)11cos()3(11cos)11cos()3(11cos)11cos(0)67cos()3(7cos)7cos()3(7cos)7cos()3(7cos)7cos(0)65cos()3(5cos)5cos()3(5cos)5cos()3(5cos)5cos(332211333221123322111FFF第66页/共81页第六十七页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型

26、逆变器PWMPWM技术技术even.k )6cos()3(cos)cos(.)3(cos)cos()3(cos)cos(;oddk )6cos()3(cos)cos(.)3(cos)cos()3(cos)cos(422112211nnnnnnnnnnnnnnnIakkkkdcn第67页/共81页第六十八页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术 消除消除(xioch)5、7、11次谐波次谐波: 0)611cos()3(11cos)11cos()3(11cos)11cos()3(11cos)11cos(0)67cos()3(7cos)7

27、cos()3(7cos)7cos()3(7cos)7cos(0)65cos()3(5cos)5cos()3(5cos)5cos()3(5cos)5cos(332211333221123322111FFF第68页/共81页第六十九页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术四、空间矢量四、空间矢量(shling)调制调制SECTOR ISECTOR IIISECTOR IVSECTOR VISECTOR VjwSECTOR II1I2I3I6I5I4IrefI0Iu电流空间电流空间(kngjin)矢量矢量第69页/共81页第七十页，共82

28、页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术u开关开关(kigun)状态状态1S2S3S5S4S6SdILOADwicioifC4g6g2g1g3g5gABCfCfCZ第70页/共81页第七十一页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术u开关开关(kigun)状态与电流空间矢量状态与电流空间矢量第71页/共81页第七十二页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术021002211TTTTTITITITIssref)(31)(si

29、n)()(cos2121TTITITTITIdsrefdsref:Im:Reu电流空间矢量电流空间矢量(shling)合成合成第72页/共81页第七十三页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术21021)6(sin)6(sinTTTTTIITTIITssdrefsdref21021)6(sin)6(sinTTTTTmTTmTssasadwdrefaIIIIm1第73页/共81页第七十四页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术u开关开关(kigun)序列序列一个调制周期开关

30、(kigun)序列第74页/共81页第七十五页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术1gvSector1 0 6106VIIIIIIIIVV2 0 12013 0 2302wi02dI.3 , 2 , 1IsTsT)(6I2gv3gv4gv5gv6gv交流输出周期(zhuq)开关序列第75页/共81页第七十六页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术并联多电平(din pn)拓扑第76页/共81页第七十七页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆

31、变器型逆变器PWMPWM技术技术电流(dinli)空间矢量第77页/共81页第七十八页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术直流电流平衡(pnghng)控制第78页/共81页第七十九页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术第79页/共81页第八十页，共82页。5.5 5.5 电流电流(dinli)(dinli)型逆变器型逆变器PWMPWM技术技术uPWMPWM技术技术(jsh)(jsh)比较比较第80页/共81页第八十一页，共82页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)。第81页/共81页第八十二页，共82页。