浅谈PWM控制技术在电气传动系统的应用

2021-11-14毛兵彭继明

中国设备工程 2021年21期

毛兵，彭继明

（攀钢集团攀钢钒冷轧厂，四川攀枝花 617000）

1 前言

在电气传动系统中，因电机种类的不同，主要分为直流传动和交流传动，众所周知，由于直流传动系统的电机结构复杂、成本高、故障频发、维修保养费用贵等众多运行缺陷，已经逐步被市场所淘汰，交流传动系统借助GTO（可关断晶闸管）、BJT或GTR（电力双极型晶体管）、Power-MOSFET（电力场效应管）、IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）、IGCT（集成门极换流晶闸管）等这些全控型功率元器件的迅猛发展，已经逐步完全取代直流传动系统，占据电气传动系统的主导地位，这些全控型的晶闸管和晶体管可以通过门极来控制导通和关断晶闸管或晶体管，并且其开关频率可以达到非常高，使其输出的电流、电压波形可以接近或类似直流传动系统输出的波形，在目前的工业电气化设备实施中，PWM脉宽调制技术已经广泛应用于交流传动系统的整流和逆变、UPS电源系统和各种电源滤波系统和装置中，并且经过更深入的研究和应用。目前已经不仅应用于逆变技术，还广泛应用于整流回路，在整流回路中采用对全控型功率元器件进行PWM脉宽调制控制技术，能够让电网端的输入电流波形近似正弦波，同时让功率因数接近为1，达到大大降低直至解决整流装置对电网的谐波污染问题。加上由PWM整流单元和PWM逆变单元组成的电压型变频装置不需要增加任何附加电路和元器件，就能够控制电能的双向传输，做到真正意义上的四象限运行。

2 PWM脉冲宽度调节和控制技术基本工作原理

在信号采样的控制理论中，已经得出一个基本结论，脉冲冲量相等而脉冲形状不相同的脉冲加在惯性控制环节上，其控制效果是基本相等的。脉冲冲量指的是脉冲的面积大小。控制效果基本相等指的是该惯性控制环节的输出响应波形形状和大小是一样的。如果对输出波形采用傅里叶变换技术进行分析，可以发现，它们在低频率段的特性比较接近，仅仅在高频率段有细微差异。各种脉冲形状如图1所示，图1a）为矩形波形状脉冲，图1b）为三角形波形状脉冲，图1c）为正弦半波形状脉冲，它们的脉冲面积都等于1。如果把它们分别加在具有相同惯性控制环节上，其输出的响应波形是一样的。脉冲宽度越窄其输出的差值就愈小。

图1 各种脉冲形状图

以上PWM脉冲宽度调节和控制工作原理是我们分析波形的理论基础。下面就分析用一系列幅值相同而宽度不同的脉冲如何代替正弦波的半波，把图2-1的半波波形分成N多个宽度相同的等份，就可以把半波波形看成由N多个彼此相连但宽度不同的脉冲组成。这些脉冲冲量相等，都等于π/N，但幅值各不相同，并且脉冲顶部不是一条直线，而是一条曲线，各脉冲的幅值根据正弦波的规律发生变化。假如把以上脉冲用数量和幅值相同而宽度不同的矩形脉冲来替代，让矩形脉冲的中间点和对应正弦波等分的中间点相重合，并且让矩形脉冲和对应正弦波的面积相等，就得到图2-2的脉冲波形，这就是我们所说的PWM调制波形。从以下图中可以看出，每个脉冲波的宽度是依照正弦波的规律来发生变化的。按照脉冲冲量相等，其输出的波形效果也是相同的基本原理，PWM调制后的波形和正弦半波波形是等效的。同样对正弦波的负半周采用同样的方法可以得到PWM调制波形，按照面积等效基本工作原理，得到一个正弦波周期的等效PWM调制波如图3所示。所以PWM脉冲宽度调节和控制技术就是通过全控型的晶闸管和晶体管进行触发控制，在改变频率的同时对输出电压也进行控制。PWM脉冲宽度调节和控制就是利用电气传动设备主回路中安装的全控型功率元件，由控制回路按照需要的规律来控制全控型功率元件的导通和关断，从而在电气传动设备的输出侧得到一组幅值相同而宽度不同的矩形脉冲波，使其近似等效于我们需要的正弦电压波形。

图2 正弦波的等效PWM波形图

图3 PWM控制的基本原理示意图

3 PWM控制技术在整流回路的应用

（1）下面就单相全控整流桥的PWM进行分析：如图4所示，该图为单相全控整流桥主电路典型电路图，用正弦波信号和三角波信号对比方法对图中的D1、D2、D3、D4来进行脉冲宽度调节和控制，就可以在整流桥的交流侧A-B之间生成一个SPWM调制波UA-B，UA-B中包含和正弦波同频同幅值成比例的基波分量，以及和三角波相关的频率很高的谐波分量，同时没有低次谐波分量。加上Ls电抗器的滤波功能，谐波电压造成Is电流产生很小的脉动现象，当正弦波频率与输入电源频率相同时，Is电流为输入电源的频率相同的正弦波形。当Us电压一定时，Is电流的相位和幅值只由UA-B中的基波分量UA-B-f的大小和其与Us电压的相位差来决定。改变UA-B-f的相位和大小，就可以让Is电流和Us电压相位反相或相同，Is电流相位比Us电压电压超前90度，或者让Us和Is相位差为我们所需要的角度。

图4 单相全控整流桥主电路

（2）单相全控整流桥PWM脉冲宽度调节和控制整流回路四象限运行和相量分析。

整流状态：如图5，UA-B滞后Us电压相角为δ，Is电流和Us电压的相位相同，此时，电路工作在整流状态，功率因数等于1，为PWM脉冲宽度调节和控制整流回路基本状态。

图5 整流状态时相量图

逆变状态：如图6所示，UA-B电压超前Us电压相角为δ，Us电压和Is电流相位相反，此时，电路工作在逆变状态。说明PWM脉冲宽度调节和控制整流回路能够实现电能正向和反方向两个方向的流动。

图6 逆变状态时相量图

无功补偿运行状态：如图7，UAB滞后Us相角δ，Is超前Us 900，此时，电路处于无功补偿运行状态。说明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。

图7 无功补偿状态时相量图

超前角运行状态：如图8，通过对UAB幅值和相位的控制，可使Is比Us超前或滞后任意角度ψ。

图8 超前角状态时相量图

4 PWM脉冲宽度调节和控制技术在逆变电路的应用

现有中小功率的逆变器电路基本上都采用PWM脉冲宽度调节和控制技术，PWM逆变电路主要有电压和电流两种型式，现有的PWM脉冲宽度调节和控制逆变电路基本上都是电压型。下面就PWM的控制方法进行简单介绍。

（1）调制法：根据我们希望得到输出的波形作为调制控制信号，把接收的调制控制信号作为载波，通过对控制信号波形的调节和控制得到所希望的PWM载波。下就以单相桥式PWM逆变电路为实例进行分析，如图9，当负荷电流为正的时候，全控型功率元件（V1）和全控型功率元件（V4）同时导通时，电压Uo和电压Ud相等。当全控型功率元件（V4）关断时，负荷电流通过全控型功率元件（V1）和二极管（VD3）进行续流，此时Uo电压为0，当负荷电流为负的时候，此时全控型功率元件（V1）和全控型功率元件（V4）仍然导通，此时电流Io为负值，事实上，电流Io从二极管（VD1）和二极管（VD4）上流过，仍然是电压Uo和电压Ud相等。当全控型功率元件（V4）关断同时全控型功率元件（V3）导通后，电流Io从全控型功率元件（V3）和二极管（VD1）上进行续流，此时电压Uo为0，电压Uo总是可以得到电压Ud和零两种电平状态。电压Uo为负半周工作时，使全控型功率元件（V2）保持导通，全控型功率元件（V1）保持关断，全控型功率元件（V3）和全控型功率元件（V4）交替导通和关断，电压Uo可以得到负电压Ud和零两种电平状态。

图9 单相桥式pwm逆变电路

（2）双极性PWM控制方式：在电压Ur和电压Uc的交点时候控制全控型功率元件的导通和关断，在电压Ur的一半周期内，三角波形的载波信号有时为正有时为负，所得PWM脉冲波形也是有时为正有时为负，其幅值大小只有正负电压Ud两种电平状态。但在电压Ur为正负半周时，对各全控型功率元件的触发控制规律是一样的。当电压Ur大于电压Uc时，给全控型功率元件（V1）和全控型功率元件（V4）发出触发导通信号，给全控型功率元件（V2）和全控型功率元件（V3）发出关断信号。如果电流Io大于0，全控型功率元件（V1）和全控型功率元件（V4）导通，如果电流Io小于0，二极管（VDl）和二极管（VD4）导通，此时，电压Uo和电压Ud相等。当电压Ur小于电压Uc时，让全控型功率元件（V2）和全控型功率元件（V3）导通，全控型功率元件（V1）和全控型功率元件（V4）关断，如果电流Io小于0，全控型功率元件（V2）和全控型功率元件（V3）导通，如果电流Io大于0，二极管（VD2）和二极管（VD3）导通，电压Uo等于电压负Ud。

（3）单极性PWM控制方式：在电压Ur和电压Uc的交点时候控制全控型功率元件的导通和关断，当电压Ur工作在正半周时期，全控型功率元件（V1）保持导通，全控型功率元件（V2）保持关断。当电压Ur大于电压Uc的时候，让全控型功率元件（V4）导通，全控型功率元件（V3）关断，此时电压Uo和电压Ud相等，当电压Ur小于电压Uc的时候，让二极管（V4D）关断，全控型功率元件（V3）导通，此时电压Uo为0。

（4）计算法：按照正弦波半周期脉冲数、幅值和频率，可以准确计算出脉冲宽度调节和控制波形各个脉冲的间隔和宽度，按此控制逆变主回路功率元件的关断和导通，可以得到所需要的PWM波形，称为计算法。