1、第十五讲第十五讲 PWMPWM控制技术（二）控制技术（二）14.0 14.0 引言引言14.1 PWM14.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理14.2 PWM14.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法14.3 PWM14.3 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术14.4 PWM14.4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法14.3 PWM14.3 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术v PWM波形生成的第三种方法跟踪控制方法跟踪控制方法v 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v 常
2、用的有滞环比较方式滞环比较方式和三角波比较方式三角波比较方式14.3 PWM14.3 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术14.3.1 14.3.1 滞环比较方式滞环比较方式14.3.2 14.3.2 三角波比较方式三角波比较方式14.3.1 14.3.1 滞环比较方式滞环比较方式v 电流跟踪控制应用最多v 基本原理基本原理把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较 器的输入通过比较器的输出控制器件V1和V2的通断V1（或VD1）通时，i增大V2（或VD2）通时，i减小通过环宽为2DI的滞环比较器的控制，i就在i*+D DI和i*-D DI的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*14.3.
3、1 14.3.1 滞环比较方式滞环比较方式v 参数的影响参数的影响 滞环环宽对跟踪性能的影响：环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大 电抗器L的作用：L大时，i的变化率小，跟踪慢 L小时，i的变化率大，开关频率过高负载L+图6-22-iii*VD1VD2V1V22Ud2UdO图6-23tiii*+DIi*-DIi*图6-22 滞环比较方式电流跟踪控制举例图6-23 滞环比较方式的指令电流和输出电流14.3.1 14.3.1 滞环比较方式滞环比较方式v 三相的情况三相的情况图6-24+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V
4、5UdUVW图6-25Oti*UOtuABiUi图6-25 三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形图6-24 三相电流跟踪型PWM逆变电路14.3.1 14.3.1 滞环比较方式滞环比较方式v 采用滞环比较方式的电流跟踪型采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路有变流电路有如下特点如下特点 （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 流中高次谐波含量多 （5）闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点14.3.1 14.3.1 滞环比较方式滞环比较方式v 采用滞环比较方式实现电压跟踪控制
5、采用滞环比较方式实现电压跟踪控制 把指令电压u*和输出电压u进行比较，滤除偏差信号中的谐波，滤波器的输出送入滞环比较器，由比较器输出控制开关器件的通断，从而实现电压跟踪控制图6-26滤波器+-uu*u2Ud2Ud图6-26 电压跟踪控制电路举例14.3.1 14.3.1 滞环比较方式滞环比较方式 和电流跟踪控制电路相比，只是把指令和反馈信号从电流变为电压 输出电压PWM波形中含大量高次谐波，必须用适当的滤波器滤除 u*=0时，输出电压u为频率较高的矩形波，相当于一个自励振荡电路 u*为直流信号时，u产生直流偏移，变为正负脉冲宽度不等，正宽负窄或正窄负宽的矩形波 u*为交流信号时，只要其频率远低
6、于上述自励振荡频率，从u中滤除由器件通断产生的高次谐波后，所得的波形就几乎和u*相同，从而实现电压跟踪控制14.3.2 14.3.2 三角波比较方式三角波比较方式v 基本原理基本原理 不是把指令信号和三角波直接进行比较，而是通过闭环来进行控制 把指令电流i*U、i*V和i*W和实际输出电流iU、iV、iW进行比较，求出偏差，通过放大器A放大后，再去和三角波进行比较，产生PWM波形 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14.3.2 14.3.2 三角波比较方式三角波比较方式v 特点特点 开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便 为改善输出电压波形，三角波载波常
7、用三相三角波载波 和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐波少图6-27负载+-iUi*U+-iVi*V+-iWi*WUdC+-C+-C+-三相三角波发生电路AAA图6-27 三角波比较方式电流跟踪型逆变电路14.3.2 14.3.2 三角波比较方式三角波比较方式v 定时比较方式定时比较方式 不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟 以固定采样周期对指令信号和被控制变量进行采样，根据偏差的极性来控制开关器件通断 在时钟信号到来的时刻，如i i*，V1断，V2通，使i减小 每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令电流的误差减小 采用定时比较方式时，器件的最高开关频率为时钟频率的1/2
8、和滞环比较方式相比，电流控制误差没有一定的环宽，控制的精度低一些14.4 PWM14.4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法 实用的整流电路几乎都是晶闸管整流或二极管整流 晶闸管相控整流电路：输入电流滞后于电压，且其中谐波分量大，因此功率因数很低 二极管整流电路：虽位移因数接近1，但输入电流中谐波分量很大，所以功率因数也很低 把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路整流电路 控制PWM整流电路，使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1，也称单位功率因数变流器单位功率因数变流器，或高功率因数整流器高功率因数整流器14.4 PWM14.
9、4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法14.4.1 PWM14.4.1 PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理14.4.2 PWM14.4.2 PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法14.4.1 PWM14.4.1 PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理v PWM整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前电压型的较多1单相单相PWM整流电路整流电路 图6-28a和b分别为单相半桥单相半桥和全全桥桥PWM整流电路 半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联，其中点和交流电源连接 全桥电路直流侧电容只要一个就可以 交流侧电感Ls包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工
10、作所必须的a)负载b)图6-28usLsisRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+udusLsRsV1V2VD1VD2ud负载C1C2图6-28 单相PWM整流电路a)单相半桥电路 b)单相全桥电路14.4.1 PWM14.4.1 PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理 单相全桥单相全桥PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理w 正弦信号波和三角波相比较的方法对图6-28b中的V1V4进行SPWM控制，就可以在桥的交流输入端AB产生一个SPWM波uABw uAB中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，不含有低次谐波w 由于Ls的滤
11、波作用，谐波电压只使is产生很小的脉动w 当正弦信号波频率和电源频率相同时，is也为与电源频率相同的正弦波w us一定时，is幅值和相位仅由uAB中基波uABf的幅值及其与us的相位差决定w 改变uABf的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90，或使is与us相位差为所需角度14.4.1 PWM14.4.1 PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理 相量图相量图（图6-29）w a：滞后 相角d，和 同相，整流状态，功率因数为1。PWM整流电路最基本的工作状态w b：超前 相角d，和 反相，逆变状态，说明PWM整流电路可实现能量正反两个方向的流动，这一特点对于需再生制动的交
12、流电动机调速系统很重要w c：滞后 相角d，超前 90，电路向交流电源送出无功功率，这时称为静止无功功率发生器（Static Var GeneratorSVG）w d：通过对 幅值和相位的控制，可以使 比 超前或滞后任一角度jUABsUIssUUABsUIssUABUsUIssUUABIssU14.4.1 PWM14.4.1 PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理 对单相全桥对单相全桥PWM整流电路工作原理的进一步说明整流电路工作原理的进一步说明 整流状态下整流状态下us 0时时，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分别组成两个升压斩波电路，以（V2、VD4、VD
13、1、Ls）为例V2通时，us通过V2、VD4向Ls储能V2关断时，Ls中的储能通过VD1、VD4向C充电14.4.1 PWM14.4.1 PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理 us 0时时，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分别组成两个升压斩波电路 由于是按升压斩波电路工作，如控制不当，直流侧电容电压可能比交流电压峰值高出许多倍，对器件形成威胁 另一方面，如直流侧电压过低，例如低于us的峰值，则uAB中就得不到图6-29a中所需的足够高的基波电压幅值，或uAB中含有较大的低次谐波，这样就不能按需要控制is，is波形会畸变 可见，电压型PWM整流电路是升压型整流
14、电路，其输出直流电压可从交流电源电压峰值附近向高调节，如要向低调节就会使性能恶化，以至不能工作14.4.1 PWM14.4.1 PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理2三相三相PWM整流电路整流电路 图6-30，三相桥式PWM整流电路，最基本的PWM整流电路之一，应用最广 工作原理和前述的单相全桥电路相似，只是从单相扩展到三相 进行SPWM控制，在交流输入端A、B和C可得SPWM电压，按图6-29a的相量图控制，可使ia、ib、ic为正弦波且和电压同相且功率因数近似为1 和单相相同，该电路也可工作在逆变运行状态及图c或d的状态负载图6-30CuaLsiaRsV1V2V4V3ABVD3VD1
15、VD2VD4+udCV5VD5V6VD6ubibucic图6-30 三相桥式PWM整流电路 14.4.2 PWM14.4.2 PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法v 有多种控制方法，根据有没有引入电流反馈可分为两种 没有引入交流电流反馈的间接电流控制间接电流控制 引入交流电流反馈的直接电流控制直接电流控制1间接电流控制间接电流控制 间接电流控制也称为相位和幅值控制相位和幅值控制 按图6-29a（逆变时为图6-29b）的相量关系来控制整流桥交流输入端电压，使得输入电流和电压同相位，从而得到功率因数为1的控制效果 图6-31，间接电流控制的系统结构图 图中的PWM整流电路为图6-30的三相桥
16、式电路 控制系统的闭环是整流器直流侧电压控制环14.4.2 PWM14.4.2 PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法 控制原理控制原理 和实际直流电压ud比较后送入PI调节器，PI调节器的输出为一直流电流信号id，id的大小和整流器交流输入电流幅值成正比 稳态时，ud=，PI调节器输入为零，PI调节器的输出id和负载电流大小对应，也和交流输入电流幅值相对应 负载电流增大时，C放电而使ud下降，PI的输入端出现正偏差，使其输出id增大，进而使交流输入电流增大，也使ud回升。达到新的稳态时，ud和 相等，PI调节器输入仍恢复到零，而id则稳定为为新的较大的值，与较大的负载电流和较大的交流输入
17、电流对应 负载电流减小时，调节过程和上述过程相反*du*du*du14.4.2 PWM14.4.2 PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法 从整流运行向逆变运行转换从整流运行向逆变运行转换w 首先负载电流反向而向C充电，ud抬高，PI调节器出现负偏差，id减小后变为负值，使交流输入电流相位和电压相位反相，实现逆变运行w 稳态时，ud和ud*仍然相等，PI调节器输入恢复到零，id为负值，并与逆变电流的大小对应图6-31PI+-负载三角波sin(t+2k/3)(k=0,1,2)cos(t+2k/3)(k=0,1,2)u*dud+-+-+iduRuLXLRuA,B,CudRLua,ub,uc图6
18、-31 间接电流控制系统结构14.4.2 PWM14.4.2 PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法 控制系统中其余部分的工作原理控制系统中其余部分的工作原理w 图中上面的乘法器是id分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，再乘以电阻R，得到各相电流在Rs上的压降uRa、uRb和uRcw 图中下面的乘法器是id分别乘以比a、b、c三相相电压相位超前/2的余弦信号，再乘以电感L的感抗，得到各相电流在电感Ls上的压降uLa、uLb和uLcw 各相电源相电压ua、ub、uc分别减去前面求得的输入电流在电阻R和电感L上的压降，就可得到所需要的交流输入端各相的相电压uA、uB和uC的信号，用
19、该信号对三角波载波进行调制，得到PWM开关信号去控制整流桥，就可以得到需要的控制效果。14.4.2 PWM14.4.2 PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法 存在的问题存在的问题w 在信号运算过程中用到电路参数Ls和Rs，当Ls和Rs的运算值和实际值有误差时，会影响到控制效果w 是基于系统的静态模型设计的，其动态特性较差w 间接电流控制的系统应用较少2 直接电流控制直接电流控制 通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值，因此称为直接电流控制直接电流控制 有不同的电流跟踪控制方法，图6-32给出一种最常用的采用电流滞环比较方式的控制系
20、统结构图14.4.2 PWM14.4.2 PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法 控制系统组成控制系统组成 双闭环控制系统，外环是直流电压控制环，内环是交流电流控制环 外环的结构、工作原理和图6-31间接电流控制系统相同 外环PI调节器的输出为id，id分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，得到三相交流电流的正弦指令信号ia*，ib*和ic*。ia*，ib*和ic*分别和各自的电源电压同相位，其幅值和反映负载电流大小的直流信号id成正比，这是整流器运行时所需的交流电流指令信号。指令信号和实际交流电流信号比较后，通过滞环对器件进行控制，便可使实际交流输入电流跟踪指令值14.4.2
21、PWM14.4.2 PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法 优点优点 控制系统结构简单，电流响应速度快，系统鲁棒性好 获得了较多的应用图6-32PI负载sin(t+2k/3)(k=0,1,2)u*dud+-+idia,b,cudRLua,ub,uci*a,b,c图6-32 直接电流控制系统结构图图图6-22 6-22 滞环比较方式电流滞环比较方式电流跟踪控制举例跟踪控制举例 负载L+图6-22-iii*VD1VD2V1V22Ud2Ud图图6-23 6-23 滞环比较方式的指令滞环比较方式的指令电流和输出电流电流和输出电流 O图6-23tiii*+DIi*-DIi*图图6-24 6-24 三
22、相电流跟踪型三相电流跟踪型PWMPWM逆变电路逆变电路 图6-24+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVW图图6-25 6-25 三相电流跟踪型三相电流跟踪型PWMPWM逆变逆变电路输出波形电路输出波形 图6-25Oti*UOtuABiUi图图6-26 6-26 电压跟踪控制电路举例电压跟踪控制电路举例 图6-26滤波器+-uu*u2Ud2Ud图图6-27 6-27 三角波比较方式电流三角波比较方式电流跟踪型逆变电路跟踪型逆变电路 图6-27负载+-iUi*U+-iVi*V+-iWi*WUdC+-C+-C+-三相三角波发生电路AAA图图6-28 6-28 单
23、相单相PWMPWM整流电路整流电路a)负载b)图6-28usLsisRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+udusLsRsV1V2VD1VD2ud负载C1C2 单相半桥电路单相半桥电路 单相全桥电路单相全桥电路 图图6-29 PWM6-29 PWM整流电路的整流电路的运行方式相量图运行方式相量图a)b)c)d)dj图6-29UsULURUABIsdUsURUABIsULdUsURUABIsULdUsURUABIsUL整流运行整流运行逆变运行逆变运行无功补偿运行无功补偿运行 Is s超前角为超前角为j 图图6-30 6-30 三相桥式三相桥式PWMPWM整流电路整流电路 负载图6-30CuaLsiaRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+udCV5VD5V6VD6ubibucic图图6-31 6-31 间接电流控制系统结构间接电流控制系统结构 图6-31PI+-负载三角波sin(t+2k/3)(k=0,1,2)cos(t+2k/3)(k=0,1,2)u*dud+-+-+iduRuLXLRuA,B,CudRLua,ub,uc图图6-32 6-32 直接电流控制系统结构图直接电流控制系统结构图 图6-32PI负载sin(t+2k/3)(k=0,1,2)u*dud+-+idia,b,cudRLua,ub,uci*a,b,c
