电力电子技术第五章

电力电子技术第五章第一页，共三十四页，2022年，8月28日5.1概述1964年德国人A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。通过改变脉冲的不同宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而同时实现变压和变频。第二页，共三十四页，2022年，8月28日5.1概述冲量（面积）等效原理大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。可推广到阻感电路中。第三页，共三十四页，2022年，8月28日f(t)d(t)tOa)b)c)d)tOf(t)tOf(t)tOf(t)形状不同而冲量相同的各种窄脉冲5.1概述图a、b、c分别为方波、三角波、正弦半波窄脉冲，图d单位冲击函数δ（t），面积都等于1。分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。第四页，共三十四页，2022年，8月28日5.1概述将正弦波分成N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，可得脉冲序列，即SPWM波形。第五页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.1计算法和调制法

计算法根据正弦波频率、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PWM波形。调制法把希望输出的波形（正弦波）按比例缩小作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过载波的调制得到所期望的PWM波形。第六页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.1计算法和调制法调制波把希望输出的波形作为调制信号，在SPWM中采用正弦波作为调制波。载波把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形载波：三角波或锯齿波原因：等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系，且左右对称。第七页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.1计算法和调制法单极性PWM控制方式调制信号ur为正弦波载波uc为三角波在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断第八页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.1计算法和调制法Ur正半周当ur>uc时，uo=Ud当ur<uc时，uo=0Ur负半周当ur>uc时，uo=0当ur<uc时，uo=-Ud单极性PWM控制方式特点输出电压三个电平1、0、-1需要两个三角载波第九页，共三十四页，2022年，8月28日单相桥逆变桥阻感负载5.2.1计算法和调制法单极性PWM控制方式V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补，纵向换流uo正半周时，V1导通，V2关断，V3和V4交替通断uo可得到Ud和零两种电平uo负半周，让V2保持导通，V1保持断开，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平第十页，共三十四页，2022年，8月28日单极性PWM控制方式V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补，纵向换流uo正半周时，V1导通，V2关断，V3和V4交替通断uo可得到Ud和零两种电平uo负半周，让V2保持导通，V1保持断开，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平第十一页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.1计算法和调制法双极性PWM控制方式在ur的一个周期内，输出的PWM波只有±Ud两种电平ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同第十二页，共三十四页，2022年，8月28日单相桥逆变电路5.2.1计算法和调制法双极性PWM控制方式当ur>uc时，驱动V1、V4如io>0，则V1和V4通如io<0，VD1和VD4通

不管哪种情况uo=Ud当ur<uc时，驱动V2、V3如io<0，V2和V3通如io>0，VD2和VD3通不管哪种情况uo=-Ud第十三页，共三十四页，2022年，8月28日三相桥逆变电路5.2.1计算法和调制法双极性PWM控制方式三相的PWM控制公用三角波载波uc，三相的调制信号依次相差120°。当urA>uc时，V4关断，V1或VD1导通，则uAN’=Ud/2当urA<uc时，V1关断，V4或VD4导通，则uUN’=-Ud/2第十四页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.1计算法和调制法双极性PWM控制方式uAN’、uBN’和uCN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平线电压波形uAB的波形可由uAN’-uBN’得出逆变器输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成

第十五页，共三十四页，2022年，8月28日负载相电压uAN可由下式求得负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成5.2.1计算法和调制法第十六页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.1计算法和调制法同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，在上下两臂切换时留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。第十七页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.2SPWM的基波电压SPWM脉冲电压：脉冲宽度按照正弦规律变化的脉冲电压序列。其基波电压幅值与各段脉宽有着直接关系，改变各个脉冲的宽度，就可以平滑地调节逆变器输出电压基波幅值。脉冲数n足够大时，SPWM逆变器输出脉冲序列的基波电压正是调制时所要求的等效正弦波。第十八页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.3脉宽调制的制约条件1.开关频率限制开关频率越高，SPWM波形的脉冲数越多，其基波越接近期望的正弦波。电力电子器件的开关能力是有限的，因此在应用脉宽调制技术时必然要受到一定条件的制约载波比：载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr第十九页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.3脉宽调制的制约条件2.最小间歇时间与幅值调制比最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间ton，而最小脉冲间歇大于器件的关断时间toff

幅值调制比M=Urm/UcmM=0~1第二十页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.4异步调制和同步调制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fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的缺点：在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。当信号频率增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，使得输出PWM波和正弦波差异变大。第二十一页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.4异步调制和同步调制同步调制在变频（fr变化）时，载波比N不变，载波与信号波保持同步。信号波一周期内输出脉冲数是固定，脉冲相位也是固定的。三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出波形严格对称。为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。第二十二页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.4异步调制和同步调制同步调制缺点：当逆变电路输出频率很低时，fc也很低，fc过低时由调制带来的谐波不易滤除。当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高，使开关器件难以承受。第二十三页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.4异步调制和同步调制分段同步调制把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高，限制功率开关器件允许的范围。在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。第二十四页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.5SPWM控制的实现方法模拟实现方法数字实现方法等效面积算法自然采样法规则采样法SPWM专用集成电路芯片第二十五页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.5SPWM控制的实现方法模拟实现方法：采用模拟电路实现第二十六页，共三十四页，2022年，8月28日5.2.5SPWM控制的实现方法自然采样法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关的通断，这种生成SPWM波形的方法规则采样法工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量比自然采样法小得多第二十七页，共三十四页，2022年，8月28日ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d规则采样法5.2.5SPWM控制的实现方法取三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc使脉冲中点和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化。第二十八页，共三十四页，2022年，8月28日ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d规则采样法5.2.5SPWM控制的实现方法在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制功率开关器件的通断规则采样法得到的脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近第二十九页，共三十四页，2022年，8月28日设正弦调制信号波为式中，a称为调制度，0≤a<1；wr为信号波角频率，因此可得三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度δ’为5.2.5SPWM控制的实现方法第三十页，共三十四页，2022年，8月28日三相桥逆变电路应形成三相SPWM波形，三相的三角波载波共用，三相正弦调制波相位依次差120°设同一三角波周期内三相的脉宽分别为δU、δV和δW，脉冲两边的间隙宽度分别为δ’U、δ’V和δ’W，同一时刻三相调制波电压之和为零，得

5.2.5SPWM控制的实现方法第三十一页，共三十四页，2022年，8月28日1）单相双极性谐波角频率为:n=1,3,5,…时，k=0,2,4,…；n=2,4,6,…时，k=1,3,5,…SPWM波中不含低次谐波，只含wc及其附近的谐波以及2wc、3wc等及其附近的谐波。角频率1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=05.2逆变电路的SPWM控制方法第三十二页，共三十四页，2022年，8月28日5.2逆变电路的SPWM控制方法2）三相双极性（公用载波信号时的情况）输出线电压中的谐波角频率为n=1,3,5,…时，k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率谐波振幅n=2,4,6,…时，第三十三页，共三十四