PWM逆變與整流的工作原理分析及其控制
文:武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué) 熊文/李平2018年第六期
導(dǎo)語(yǔ):
摘要:本文首先簡(jiǎn)單說明了脈沖寬度調(diào)制(PWM)的基本原理,然后介紹PWM運(yùn)用于逆變的控制電路及其調(diào)制方法,由于PWM整流技術(shù)是一項(xiàng)新型熱門技術(shù),本文將重點(diǎn)介紹,包括PWM整流的原理、工作電路和控制方法。
關(guān)鍵詞:脈寬調(diào)制;整流;逆變
引言
脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù),廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。簡(jiǎn)而言之,PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用,方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的,因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻,滿幅值的直流供電要么完全有(ON),要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候,斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠,任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。可以說直到目前為止,PWM在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍在主導(dǎo)地位,并一直是人們研究的熱點(diǎn)。
1PWM控制的基本原理
理論基礎(chǔ):沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同,是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近,僅在高頻段略有差異。
上述原理可以稱之為面積等效原理,它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波。把圖1的正弦半波N等分,看成N個(gè)相連的脈沖序列,寬度相等,但幅值不等;用矩形脈沖代替,等幅,不等寬,中點(diǎn)重合,面積(沖量)相等,寬度按正弦規(guī)律變化。像這種脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形,也稱SPWM(SinusoidalPWM)波形。要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí),只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。
圖1用PWM波代替正弦半波
PWM逆變與整流
2.1PWM逆變電路及其控制
PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣,應(yīng)用的逆變電路絕大部分是PWM型,PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用,才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。
根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù),準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔,據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷,就可得到所需PWM波形。
輸出波形作調(diào)制信號(hào),進(jìn)行調(diào)制得到期望的PWM波。通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波,等腰三角波應(yīng)用最多,其任一點(diǎn)水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱。與任一平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交,在交點(diǎn)控制器件通斷,就得寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖,符合PWM的要求。調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí),得到的就是SPWM波,調(diào)制信號(hào)不是正弦波,而是其他所需波形時(shí),也能得到等效的PWM波。我們這里只研究正弦波。
下面結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路(如圖2)進(jìn)行說明,V1和V2通斷互補(bǔ),V3和V4通斷也互補(bǔ)。
圖2IGBT單相橋式電壓型逆變電路
控制規(guī)律:
單極性調(diào)制的工作特點(diǎn):每半個(gè)周期內(nèi),逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變器件中,只有一個(gè)器件按脈沖系列的規(guī)律時(shí)通時(shí)斷地工作,另一個(gè)完全截止;而在另半個(gè)周期內(nèi),兩個(gè)器件的工況正好相反,流經(jīng)負(fù)載Z-L的便是正、負(fù)交替的交變電流。
雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn):逆變橋在工作時(shí),同一橋臂的兩個(gè)逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷,毫不停息,而流過負(fù)載ZL的是按線電壓規(guī)律變化的交變電流。
三相PWM逆變電路也可以采取單極性和雙極性兩種調(diào)制方式,控制方法與單相基本相同,這里不再重復(fù)。
PWM整流電路及其控制
目前在各個(gè)領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的整流電路幾乎都是晶閘管相控整流電路或二極管整流電路。晶閘管相控整流電路的輸入電流滯后于電壓,其滯后角隨著觸發(fā)角的增大而增大,位移因數(shù)也隨之降低。同時(shí),輸入電流中諧波分量也相當(dāng)大,因此功率因數(shù)很低。二極管整流電路雖然位移因數(shù)接近1,但輸入電流中諧波分量很大,所以功率因數(shù)也很低。隨著以IGBT為代表的全控型器件的不斷的進(jìn)步,在逆變電路中采用的PWM控制技術(shù)已相當(dāng)成熟。把逆變電路中的SPWM控制技術(shù)用于整流電路,就形成PWM整流電路。
如上所述,PWM整流的性能必須滿足以下三條要求:
(1)輸入電流的波形必須為正弦波。
(2)保證網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1。
圖4單相全橋PWM整流電路
圖5三相PWM整流電路的主電路結(jié)構(gòu)
也應(yīng)用較少。
電流誤差信號(hào)經(jīng)滯環(huán)對(duì)各開關(guān)器件進(jìn)行控制,便可使實(shí)際的交流輸入電流跟蹤指令值,同時(shí)達(dá)到控制輸出電壓的目的。直接電流控制引入交流輸入電流反饋實(shí)行閉環(huán)控制,其電流指令運(yùn)算電路比不引入交流輸入電流反饋的間接電流控制簡(jiǎn)單,電流響應(yīng)速度快,控制運(yùn)算中未使用電路參數(shù),系統(tǒng)魯棒性好,因而獲得叫多的應(yīng)用。
隨著PWM整流技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在出現(xiàn)了一種新型電路——雙PWM電路。該電路整流和逆變部分均采用PWM控制,整流電路和逆變電路的構(gòu)成可以完全相同,交流電源通過交流電抗器和整流電路聯(lián)接。通過對(duì)整流電路進(jìn)行PWM控制,可以使輸入電流為正弦波并且與電源電壓同相位,因而輸入功率因數(shù)為1,并且中間直流電路的電壓可調(diào)。當(dāng)負(fù)載為電動(dòng)機(jī)時(shí),可以工作在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),也可以工作在再生制動(dòng)狀態(tài)。此外,改變輸出交流電壓的相序即可使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。因此,電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行,也能實(shí)現(xiàn)能量的及時(shí)回饋。
3總結(jié)
PWM控制技術(shù)是在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,并對(duì)電力電子技術(shù)產(chǎn)生了十分深遠(yuǎn)影響的一項(xiàng)技術(shù)。以IGBT、MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM控制技術(shù)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ),推動(dòng)了這項(xiàng)技術(shù)的迅猛發(fā)展。
PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最具代表性??梢哉f,正是PWM控制技術(shù)在逆變電路中的廣泛而成功的應(yīng)用,才奠定了PWM控制技術(shù)在電力電子技術(shù)中的突出地位。
PWM控制技術(shù)用于整流電路即構(gòu)成PWM整流電路。這種技術(shù)可以看成逆變電路中的PWM技術(shù)向整流電路的延伸。PWM整流電路已經(jīng)獲得了一些應(yīng)用,并有良好的應(yīng)用前景,是今后研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
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