【文章內(nèi)容簡介】 們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D 的單位脈沖函數(shù) ??(t))時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。 圖 。圖中 e(t)為電壓窄脈沖，其形狀和面積分別如圖 、b、 c、 d 所示，為電路的輸入。該輸入加在可以看出慣性環(huán)節(jié)的 RL 電路上，設(shè)其電路 i(t)為電路的輸出，圖 給出了不同的窄脈沖時(shí) i(t)的波形。從波形可以看出，在 i(t)的上升段，脈沖形狀不同時(shí) i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎相同。脈沖越 窄，個(gè) i(t)波形的差異也越小。如果周期性地加上述脈沖，則響應(yīng) i(t)也是周期性的用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出， a )Ob )tbdcai ( t )i ( t )e ( t ) 圖 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 各 i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。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副不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦波。 把圖 的正弦波分成 N 等份，就可以把正弦半波看成是有 N 個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 ? /N,且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等副而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖相應(yīng)的正弦波部分面積相等，就得到圖 b 所示的脈沖序列。這就是 PWM 波形?？梢钥闯?，個(gè)脈沖的幅值相等，而寬度是按正弦波規(guī)律變換的。根據(jù)面積等效原理， PWM 波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到 PWM 波形。像這種脈沖的寬度按正弦波規(guī)律變化和正弦波等效的 PWM 波形， 也稱為 SPWM 波形。 ? tOua )b )圖 6 3Ou? t 吳敏華：單相電壓型 PWM 整流 6 圖 PWM 波代替正弦波 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。 PWM 波形可分為等幅 PWM 波河不等幅 PWM 波兩種。由直流電源產(chǎn)生的 PWM 波通常是等幅 PWM 波。如直流斬波電路。其 PWM 波都是又直流源產(chǎn)生的，由于直流源電源幅值基本恒定，因此 PWM 波是等幅的。不管什么 PWM 波，都是基于面積等效原理來進(jìn)行控制的，因此其本質(zhì)是形同的。 PWM 計(jì)算法和調(diào)制法 (1)計(jì)算法 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 波形繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化 。 (2)調(diào)制法 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，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 。 異步調(diào)制和同步調(diào)制 載波比 ——載波頻率 fc 與調(diào)制信號(hào)頻率 fr 之比， N= fc / fr. 根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況， PWM 調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制 a. 異步調(diào)制 異步調(diào)制 ——載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式 通常保持 fc 固定不變，當(dāng) fr 變化時(shí)，載波比 N 是變化的，在信號(hào)波的半周期內(nèi)， PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后 1/4 周期的脈沖也不對(duì)稱，當(dāng) fr 較低時(shí)， N 較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小，當(dāng) fr 增高時(shí)， N 減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少， PWM 脈沖不對(duì)稱的影響就變大 b. 同步調(diào)制 同步調(diào)制 ——N 等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步 基本同步調(diào)制方式， fr 變化時(shí) N 不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定 ，下面分析， 三相電路中公用一個(gè)三角波載波， 圖 為同步調(diào)整三相 PWM 波形， 且取 N 為 3 的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱為使一相的 PWM 波正負(fù)半周鏡對(duì)稱， N 應(yīng)取奇數(shù) fr 很低時(shí)， fc 也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除， r 很高時(shí)， fc 會(huì)過高， 使開關(guān)器件難以承受 。 把 fr 范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè) 頻段內(nèi)保持 N 恒定，不同頻段 N 不 同，在 fr 高的頻段采用較低的 N， 使載波頻率不致過高在 fr 低的頻段 采用較高的 N，使載波頻率不致過低 為防止 fc 在切換點(diǎn)附近來回跳動(dòng)，采 用滯后切換的方法同步調(diào)制比異步調(diào) 制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn) 圖 6 10u cu rU u rV u rWuu UN 39。u VN 39。OttttOOOu WN 39。2U d?2U d華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 可在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式， 頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣 把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，和分段同步 方式效果接近。 圖 同步調(diào)制三相 PWM 波形 規(guī)則采樣法 按 SPWM 基本原理，在正弦波和三角波的自然交流電時(shí)刻控制功率器件的通斷，這種生成 SPWM 波形的方法稱為自然采樣法。自然采樣法是最基本的方法，所得到的 SPWM波形很接近正弦波。但這種方法要求解復(fù)雜的超越方程，在采用微機(jī)控制技術(shù)時(shí)需花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，因而在工程上實(shí)際應(yīng)用不多。 工程實(shí)用方法，效果接近自然采樣法，計(jì) 算量小得多，但計(jì)算量卻比自然采樣法小的 多。圖 為規(guī)則采樣法說明圖。取三角波兩個(gè) 正峰值之間為一個(gè)采 樣周期 Tc，在然采樣法 中，脈沖中點(diǎn)不和三角波一周期的中點(diǎn)（即 負(fù)峰點(diǎn)）重合，這樣就使計(jì)算大為簡化。如 圖所示，三角波的負(fù)峰時(shí)刻 tD 對(duì)正弦信號(hào)波 采樣得 D 點(diǎn)，過 D 作水平直線和三角波分別 交于 A、 B 點(diǎn)，在 A 點(diǎn)時(shí)刻 tA 和 B 點(diǎn)時(shí)刻 tB 控制開關(guān)器件的通斷。脈沖寬度 d 和用自 然采樣法得到的脈沖寬度非常接近 。 式中， a 稱為調(diào)制度， 0≤a1； wr 為信號(hào) 波角頻率。從圖 612 得因此可得 ： 三角波一 周期內(nèi) ， 脈沖兩邊間隙寬度 ： 圖 規(guī)則采樣法 PWM 跟蹤控制技術(shù) 把希望輸出的波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際波形作為反饋信號(hào)，通過兩者的瞬時(shí)值比較來 ,決定逆變電路各開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤指令信號(hào)變化。 常用的有滯環(huán)比較方式和三角波比較方式 。 (1)滯環(huán)比較方式 圖 6 12u cuO tu rT cA DBO tu ot A t D t B? ?? 39。?? 39。2?2?? ? )s i n1(42139。 Drcc taTT ??? ????吳敏華：單相電壓型 PWM 整流 8 U iDCLQRu Lu ou di ii L1 / U m乘法器P IU dU ’ d U * o+I * LU oi L+電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)i * L 圖 滯環(huán)比較法控制的原理框圖 基本原理 是： 電壓外環(huán)的任務(wù)是得到可以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的電感電流指令值 i*L,給定輸出電壓 u*o 減去測量到的實(shí)際輸出電壓 uo 的差值，經(jīng) PI調(diào)節(jié)器后輸出電感電流的幅值指令 I*L，測量到的整流橋出口電壓 ud 除以其幅值 Um 后，可以得到表示 ud 波形的量 U’d，U’d為幅值為 1 的正弦波，相位與 ud 相同， I*L 與 u*d 相乘，便可以得到電感電流的指令值 i*L。 i*L 為與 ud 同相位的正弦半波電流，其幅值可控制直流電壓 uo 的大小。電流內(nèi)環(huán)的任務(wù)是通過控制開關(guān)管 Q 的通斷，使實(shí)際的電感電流 iL跟蹤其指令值 i*L。此處采用滯環(huán)控制方法。根據(jù)電感電流的公式，當(dāng) Q 導(dǎo)通是電感電流增大，二當(dāng) Q 關(guān)斷時(shí)電感電流減小。 令 i*L 減去 iL。若差值 △ ilmin（ △ Ilmin0），則令 Q 關(guān)斷，以減小 iL。通過滯環(huán)控制，可以保證實(shí)際的電感電流 iL在其指令值 i*L 附近波動(dòng)，波動(dòng)的大小與滯環(huán)寬度有個(gè)，即與設(shè)定的 △ iLmax 和 △ iLmin 有關(guān)。 (2)三角波比較方式 基本原理 是： 通常把三角波作為載波 uc，調(diào)制信號(hào)作為信號(hào)波 ur，兩種進(jìn)行比較產(chǎn)生脈沖波，來作為可控器件的脈沖信號(hào)，具體不再詳細(xì)闡述。 PWM 控制技術(shù)的地位 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)。 IGBT、電力 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)，直流斬波電路實(shí)際上就是直流 PWM 電路，是 PWM 控制技術(shù)應(yīng)用較早也成熟較早的一類電路，應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)就構(gòu)成廣泛應(yīng)用的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。 控制技術(shù)用于交流 — 交流變流電路 斬控式交流調(diào)壓電路和矩陣式變頻電路是 PWM 控制技術(shù)在這類電路中應(yīng)用的代表，目前其應(yīng)用都還不多，但矩陣式變頻電路因其容易實(shí)現(xiàn)集成化，可望有良好的發(fā)展前景。 PWM 控制技術(shù)用于逆變電路 PWM 控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最具代表性，正是由 于在逆變電路中廣泛而成功華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 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，除功率很大的逆變裝置外，不用 PWM 控制的逆變電路已十分少見。 PWM 控制技術(shù)用于整流電路即構(gòu)成 PWM 整流電路 可看成逆變電路中的 PWM 技術(shù)向整流電路的延伸， PWM 整流電路已獲得了一些應(yīng)用，并有良好的應(yīng)用前景， PWM 整流電路作為對(duì)第 2 章的補(bǔ)充，可使我們對(duì)整流電路有更全面的認(rèn)識(shí)。 PWM 控制技術(shù)與相位控制技術(shù) 以相控整流電路和交流調(diào)壓電路為代表的相位控制技術(shù)，電力電子電路中仍占據(jù)著重要地位，以 PWM 控制技術(shù) 為代表的斬波控制技術(shù)正在越來越占據(jù)著主導(dǎo)地位相位控制和斬波控制分別簡稱相控和斬控，把兩種技術(shù)對(duì)照學(xué)習(xí)。 3 功率因素校正 技術(shù) 功率因素校正簡介 發(fā)展歷史 采用乘法器的 PFC 電路，其中特別是 Boost PFC 電路，是 20 世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)的應(yīng)用廣泛的 PFC 電路。它的顯著特點(diǎn)是電路工作在連續(xù)導(dǎo)電模式（ CCM） ,功率因素校正電路可以獲得較大的功率轉(zhuǎn)換容量，適合于 200W 以上逆變器應(yīng)用，是一種技術(shù)比較成熟的 PFC電路。 要提高整流器的輸入功率因素有兩個(gè)途徑：一是輸入電流正弦花，二是 使輸入電流與輸入電壓同相位。直流濾波電容的值越大 ? RLCd 的值就越大，功率因素就越低。所以，為了提高整流器的輸入功率因素，和電壓跟隨器 PFC 電路相同，必須用有源校正電路吧整流器與直流濾波電容隔開，這就要求有源校正電路必須是 DC/DC 變換器，為了保證輸入電流正弦化并跟蹤輸入電壓，使它們的波形相同，相位差等于零，有源校正電路又必須是可控的；為了更有效地使輸入電流正弦化，是輸出功率差與輸入功率在每一瞬間都相等，有源校正電路又必須工作在高頻開關(guān)狀態(tài)。滿足上述這些要求的有源 校正電路，通過設(shè)計(jì)，幾乎所有類型的 DC/DC 開關(guān)變流器都可以實(shí)現(xiàn)功率因素校正。例如 Buck、 Boost、BuckBoost、 Cuk、 Sepic、 Zeta 變換器等。這就是說：所謂的有源功率因素校正電路實(shí)際上就是就是接在整流器與直流濾波電容之間的，采用 PWM 控制的 Buck、 Boost、BuckBoost、 Cuk,Sepic、 Zeta 等 DC/DC 變流器。 對(duì)于乘法器控制的有源校正電路，由于要對(duì)輸入電流的波形和相位進(jìn)行控制，故控制吳敏華：單相電壓型 PWM 整流 10 電路必須加入市電網(wǎng)側(cè)輸入電流反饋的內(nèi)環(huán)：為了都輸出電壓進(jìn)行控制，有必須加入直流輸出 電壓反饋的外環(huán)。為了使輸入電流在波形和相位上很好地跟蹤輸入電壓，控制電路又必須工作在高頻 PWM 狀態(tài)，這樣就可以得到乘法器控制的 PFC 電路的原理圖，如圖 所示，用這樣構(gòu)成的有源功率因素校正整流器其網(wǎng)側(cè)輸入功率因素可以提高到接近于 1，總的輸入電流波形畸變因素接近于 1，諧波含量 ＜ 3%。直流輸出電壓也可以維持在一定的范圍內(nèi)。開關(guān)頻率越高，效果越明顯，當(dāng)開關(guān)頻率 Fs? 249HZ 時(shí)，即可以使輸入功率因素PF? 。 功率因數(shù) 校正（ PFC）技術(shù)誕生與 20 世紀(jì) 80 年代，它采用的是高頻開關(guān)工作方式，具有體積小，重量輕，效率高，輸入功率因素接近１的有點(diǎn)，因而