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PWM逆变与整流的工作原理分析及其控制

2018年12月06日 14:16:33 中国传动网

     摘要:本文首先简单说明了脉冲宽度调制(PWM)的基本原理,然后介绍PWM运用于逆变的控制电路及其调制方法,由于PWM整流技术是一项新型热门技术,本文将重点介绍,包括PWM整流的原理、工作电路和控制方法。

关键词:脉宽调制;整流;逆变

引言

   脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。简而言之,PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用,方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的,因为在给定的任何时刻,满幅值的直流供电要么完全有(ON),要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候,断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够,任何模拟值都可以使用PWM进行编码。可以说直到目前为止,PWM在各种应用场合仍在主导地位,并一直是人们研究的热点。

1PWM控制的基本原理

   理论基础:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近,仅在高频段略有差异。

    上述原理可以称之为面积等效原理,它是PWM控制技术的重要理论基础。下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。把图1的正弦半波N等分,看成N个相连的脉冲序列,宽度相等,但幅值不等;用矩形脉冲代替,等幅,不等宽,中点重合,面积(冲量)相等,宽度按正弦规律变化。像这种脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称SPWM(SinusoidalPWM)波形。要改变等效输出正弦波的幅值时,只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。

图1用PWM波代替正弦半波

PWM逆变与整流

2.1PWM逆变电路及其控制

    PWM控制技术在逆变电路中应用最广,应用的逆变电路绝大部分是PWM型,PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用,才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

    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。

    输出波形作调制信号,进行调制得到期望的PWM波。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波,等腰三角波应用最多,其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称。与任一平缓变化的调制信号波相交,在交点控制器件通断,就得宽度正比于信号波幅值的脉冲,符合PWM的要求。调制信号波为正弦波时,得到的就是SPWM波,调制信号不是正弦波,而是其他所需波形时,也能得到等效的PWM波。我们这里只研究正弦波。

   下面结合IGBT单相桥式电压型逆变电路(如图2)进行说明,V1和V2通断互补,V3和V4通断也互补。

图2IGBT单相桥式电压型逆变电路

控制规律:

   单极性调制的工作特点:每半个周期内,逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中,只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作,另一个完全截止;而在另半个周期内,两个器件的工况正好相反,流经负载Z-L的便是正、负交替的交变电流。

    双极性调制的工作特点:逆变桥在工作时,同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断,毫不停息,而流过负载ZL的是按线电压规律变化的交变电流。

   三相PWM逆变电路也可以采取单极性和双极性两种调制方式,控制方法与单相基本相同,这里不再重复。

PWM整流电路及其控制

    目前在各个领域实际应用的整流电路几乎都是晶闸管相控整流电路或二极管整流电路。晶闸管相控整流电路的输入电流滞后于电压,其滞后角随着触发角的增大而增大,位移因数也随之降低。同时,输入电流中谐波分量也相当大,因此功率因数很低。二极管整流电路虽然位移因数接近1,但输入电流中谐波分量很大,所以功率因数也很低。随着以IGBT为代表的全控型器件的不断的进步,在逆变电路中采用的PWM控制技术已相当成熟。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路,就形成PWM整流电路。

    如上所述,PWM整流的性能必须满足以下三条要求:

    (1)输入电流的波形必须为正弦波。

    (2)保证网侧功率因数为1。

图4单相全桥PWM整流电路

图5三相PWM整流电路的主电路结构

也应用较少。

 电流误差信号经滞环对各开关器件进行控制,便可使实际的交流输入电流跟踪指令值,同时达到控制输出电压的目的。直接电流控制引入交流输入电流反馈实行闭环控制,其电流指令运算电路比不引入交流输入电流反馈的间接电流控制简单,电流响应速度快,控制运算中未使用电路参数,系统鲁棒性好,因而获得叫多的应用。

    随着PWM整流技术的发展,现在出现了一种新型电路——双PWM电路。该电路整流和逆变部分均采用PWM控制,整流电路和逆变电路的构成可以完全相同,交流电源通过交流电抗器和整流电路联接。通过对整流电路进行PWM控制,可以使输入电流为正弦波并且与电源电压同相位,因而输入功率因数为1,并且中间直流电路的电压可调。当负载为电动机时,可以工作在电动运行状态,也可以工作在再生制动状态。此外,改变输出交流电压的相序即可使电动机正转或反转。因此,电动机可以实现四象限运行,也能实现能量的及时回馈。

3总结

    PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用,并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。以IGBT、MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础,推动了这项技术的迅猛发展。

    PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。可以说,正是PWM控制技术在逆变电路中的广泛而成功的应用,才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。

    PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路。这种技术可以看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸。PWM整流电路已经获得了一些应用,并有良好的应用前景,是今后研究的一个热点。

[参考文献]

[1]王兆安,黄俊.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2009.

[2]韩安荣.通用变频器及其应用.北京:机械工业出版社,2010.

[3]张祟巍,张兴.PWM整流器及其控制.北京:机械工业出版社,2012.

[4]石玉,栗书.电力电子技术题例与电路设计指导.北京:机械工业出版社,2008.

[5]李先允.电力电子技术习题集.北京:中国电力出版社,2007.

供稿:武汉工程大学邮电与信息工程学 熊文/李平

本文链接:tech/detail.aspx?id=34847

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