第4讲 变压变频器及PWM技术.ppt

4-2 PWM控制技术 为了使变频器输出的交流电压波形接近正弦，使电动机的输出转矩平稳，现代通用变频器中的逆变器都是由全控型电力电子开关器件构成，采用脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）控制的，应用最早的是正弦脉宽调制（SPWM）。 一、逆变器的PWM技术性能指标 不同的PWM控制策略往往针对不同的技术性能指标要求，而其中比较重要的技术指标有： 1、输出电压谐波的分布 总体上讲希望输出电压中的谐波越小越好，但不同的PWM控制策略会使输出电压中的谐波分布不同，而不同的谐波对不同设备，甚至同一设备在不同的运行条件下的影响可能都不一样，因此考察PWM控制策略的谐波性能不仅要看总谐波含量的“大小”，更要看谐波的分布。 2、开关器件的开关损耗 较高的开关频率对改善逆变装置的性能（特别是改善输出谐波的分布）一般都比较有利。但是，功率器件开关频率的提高受其开关损耗和开关速度的限制。因此，如何用相对较低的开关频率尽可能地保证输出电能的质量也是设计PWM控制策略时必须考虑的因素。 3、直流环节电压的利用率 为了充分发挥电机功率，一般都希望在一定的直流电压条件下，逆变器能输出较高的交流电压。这一指标可以用直流电压利用率来表示。 PWM控制策略的“直流电压利用率”是指在线性调制区内的“直流电压利用率”。 方波控制的“直流电压利用率”最高，达110%。SPWM控制的“直流电压利用率”为87%。 Line-Modulation (ma1.0) vtri vcontrol vAo 二、正弦脉宽调制（SPWM） 正弦脉宽调制是以正弦波作为调制信号来控制逆变器的输出脉冲宽度，使其按照正弦波的规律变化。 1、正弦脉宽调制的特点 ⑴ 在线性调制区内，输出电压与调制比ma近似成正比，因此调压方便； 但在过调制区内，输出电压与M不再保持线性关系。 线性调制区 c u m u m u 过调制区 c u u pwm u u pwm u t t t t ⑵ 在线性调制区内，电压谐波集中分布在载波频率fc的整倍数两侧，并且随着谐波频率的增大，谐波幅值减小。由此可知，SPWM脉冲中谐波频率随载波频率fc的提高而提高，这对改善输出电压质量是有利的，因此在条件允许情况下应采用较高的开关频率。 注：相电压中包含载波比mf的整倍数次谐波，若mf为3的倍数，则相电压中含有3的倍数次谐波，但线电压中不含3的倍数次谐波。 三相PWM逆变器输出线电压频谱实例 （逆变器输出频率50Hz，开关频率4kHz） 50Hz 4kHz 8kHz 12kHz 16kHz 20kHz 但在过调制区内，会出现对负载运行产生不利影响的低次谐波。 若想进一步增大输出电压，就会出现过调制。在过调制区，PWM脉冲出现“重叠”现象，脉冲宽度不再遵循正弦调制波的规律,输出电压的谐波特性也受到影响。 ⑶ 直流电压利用率低(87%) Over-Modulation (ma1.0) vtri vcontrol vAo 如何在PWM脉冲不出现“重叠”现象的情况下提高输出电压？ 需要重新构造调制波。 三、提高SPWM直流电压利用率的方法——准正弦脉宽调制☆ 调制波中加入三次谐波 1、准正弦脉宽调制方法 在正弦调制波um1上叠加幅度适当并与正弦调制波同相位的三次谐波分量um3，从而得到合成后的马鞍形调制波um=um1+um3，将um与三角载波相比较产生PWM脉冲。 此方法也称为“三次谐波注入正弦脉冲宽度调制”或“准最优PWM”。 可以证明： k=1/6时注入的三次谐波分量最佳，um3=sin(3ω1t)/6。 在调制不出现饱和的情况下，可使输出电压基波产生约15％的增量，从而提高逆变器直流电压的利用率（达100%）。 四、降低开关频率的方法 u c u rU 1 u rV 1 u rW 1 u u UN U d - U d O t O u rU u rV u rW u c O t O O O O t t t t t u VN u WN u UV u 1 - 1 1 - 1 - 0 . 5 u P 2 U d - 2 U d 在调制波中加入如下分量： 基于某项优化指标，计算出各个开关管的特定开关角度（开关时刻）。 优化PWM算法的控制目标 消除特定谐波（SHE）、谐波电流最小化、电机转矩和转速脉动最优等优化方式。 五、优化PWM算法 例：特定谐波消除PWM（SHEPWM） o A B C uAo Ud Ud Ud -Ud 背景： 方波控制逆变器的输出电压中含有大量的3次、5次、7次谐波，PWM逆变器要求功率开关器件有比较高的开关频率。对大容量的逆变器来说开关频率受到限制，在此情况下如何提高输出电压质量？ 通过陷波（挖槽）