单相电压型桥式PWM整流电路
PWM控制原理(杂项)
控制技术主要内容：控制的基本原理、控制方式与波形的生成方法，逆变电路的谐波分析，整流电路。
重点：控制的基本原理、控制方式与波形的生成方法。
难点：波形的生成方法，逆变电路的谐波分析。
基本要求：掌握控制的基本原理、控制方式与波形的生成方法，了解逆变电路的谐波分析，了解跟踪型逆变电路，了解整流电路。
（）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
第、章已涉及这方面内容:第章：直流斩波电路采用，第章有两处：节斩控式交流调压电路，节矩阵式变频电路。
本章内容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型，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。
本章主要以逆变电路为控制对象来介绍控制技术，也介绍整流电路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。
图形状不同而冲量相同的各种窄脉冲面积等效原理：分别将如图所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（电路）上，如图所示。
其输出电流()对不同窄脉冲时的响应波形如图所示。
从波形可以看出，在()的上升段，()的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。
脉冲越窄，各()响应波形的差异也越小。
如果周期性地施加上述脉冲，则响应()也是周期性的。
用傅里叶级数分解后将可看出，各()在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
图冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波等分，看成个相连的脉冲序列，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。
波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的波形。
图用波代替正弦半波要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。
单相交流调压电路工作原理
单相交流调压电路工作原理单相交流调压电路是一种常见的电子电路，用于将交流电源的电压调节为稳定的、恒定的电压输出。
该电路结构简单，调节精度高，使用广泛，在工业、家电、通讯、医疗等各个领域都得到了广泛的应用。
一、工作原理单相交流调压电路的基本原理是利用半导体元件的电学特性，在交流电路中形成一个与输入电压方向相同的电流。
当输入电压变化时，该电流的大小随之变化，从而形成一个与输入电压大小相反的电压，实现了电压的调节。
该电路的核心元件是可控硅（thyristor），可控硅是一种能控制电流的半导体器件，其结构与二极管相似。
它有一个额外的极，称为控制极，控制极的控制信号可以控制可控硅的导通或截止，从而控制电路中的电流。
单相交流调压电路的基本结构如下图所示：上图中，V1为交流电源，变压器T将V1降压至所需电压，D为整流二极管，将交流电转为直流电，C为滤波电容，用于过滤直流电中的脉动电流。
R为负载电阻，可控硅SCR为控制元件，用于控制电流的导通或截止。
在电路正半周期中，SCR的控制极（G）被施加一个正脉冲，使其导通，交流电通过D、C充电，直到C电压达到输入电压的峰值，此时SCR的电流减小，SCR进入截止状态，电容C会根据电路负载情况，向电阻R放电。
在电路负半周期中，SCR的控制极被施加一个反脉冲，使其导通，交流电通过D、C充电，当C电压达到SCR的触发电压时，SCR会被触发，电路进入导通状态，直到电流降为零，交流电通过C，电容C会向负载电阻R放电。
基于该原理，单相交流调压电路可以实现电压的调节，在输入电压发生变化时，通过控制SCR的导通或截止，电路中的电压也会随之变化，实现稳定的输出电压。
二、电路类型单相交流调压电路根据控制方式，可分为两种类型：阶段控制型和PWM型。
1. 阶段控制型阶段控制型交流调压电路，控制元器件一般为可控硅。
该电路的控制方式是通过控制可控硅的导通时间（相位控制），来实现电压的调节。
在输入电压上升时，控制硅导通的时间变长；在输入电压下降时，硅的导通时间变短。
基于DSP的单相PWM整流器
—Ａｃ变流器。变流器的负载为三相电动机，负载大小可以调 节。
图７为电网侧电压为３３０ Ｖ，变流器输出电流为６０ Ａ时变 流器稳定后交流侧电流波形和直流母线电压波形。
图８为电网侧输入电压为３００ Ｖ、变流器输出电流为５８ Ａ
时电网侧电压和电流的波形。电网侧电压与电流是同相位的，
实现了脚Ｍ整流器单位功率因数的控制。
从实验结果可以看出，ＰｗＭ整流器能实现交流侧电流的
正弦化，交流侧电压和电流的同相位，能输出稳定的直流电压，
达到了ＰｗＭ整流器的设计要求。
（下转第６０页）
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ鲫ｄ Ｓｅｎｓｏｒ
Ｆｅｂ．２００８
图４反馈控制电路
图５手触摸桌面过程中示波器观测到的加速度信号 （上接第５７页）
仪表技术与传感器 INSTRUMENT TECHNIQUE AND SENSOR 2008(2)
参考文献(3条)
1.程善美;姜向龙;夏丽涛 基于TMS320F240的单电流传感器的三相电流测量[期刊论文]-仪表技术与传感器
万方数据
田８交流侧电压和电流波形
参考文献： ［１］张崇巍，张兴．ｍ‘砸整流器及其控制．北京：机械工业出版社。
２００３．
［２］ ＤⅢ咖６∞ａ玎ｄ ＡｐｐＨｃａｔｉ叩Ｍ∞ｕａｌ ｆｏｒ ｓｃＡＬＥ Ｄ由ｅ坩．ｃＴ－ｃ∞唧ｔ
‰ｈｎｏｌｏ盯Ｉ舸．，１９９８．
［３］程善美，姜向龙，夏丽涛，等．基于ＴＭｓ３２０Ｆ２４０的单电流传感器 的三相电流测量．仪表技术与传感器，２００２（５）：３８一加．
正弦角度系数。２ＳＤ３１５Ａ驱动模块输出的两个桥臂的短路故
障信号经综合后送给引脚ＰＤＰＩＮＴ，一旦有短路故障信号，引脚
ＰＤＰＩＮＴ变为低电平，ＴＭＳ３２０Ｆ２４０禁止ｗｍ输出，同时产生
单相整流电路.
单相桥式全控整流电路
带电阻负载时的电路
晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和 VT3组成。在实际的电路中，一般都采 用这种标注方法，即上面为 1 、 3 ，下 面为2、4。 带电阻负载时的电路及波形图2-5。其 输出电压波形同半控桥式整流电路。
u (i )
u
d
d
d
i
d
b) 0
t
u
5）按变压器二次侧电流的方向为单向或双向
分为单拍电路和双拍电路 6）按控制方式分类
相控整流电路：采用晶闸管为主要的功率开关器 件，通过控制触发脉冲起始相位来控制输出电压 的大小。电路容量大，控制简单，技术成熟。 PWM整流电路：采用全控器件，使用现代的控制 技术，在工程领域因其优良的性能得到越来越多 的应用。
带续流二极管的单相半波电路基本数 量关系： 输出直流电压的平均值 Ud（和纯阻性 负载相同） 输出直流电流的平均值Id. （和纯阻性 负载相同） 若近似认为id为一条水平线，恒为Id， 则流过 SCR 的电流平均值和有效值分 别为（2-10）
单相半波可控整流电路的特点 特点是线路简单、易调整 但输出电流脉动大，变压器二次侧电 流中含直流分量，造成变压器铁芯直 流磁化 实际上很少应用此种电路
VT
1,4
c) 0 i
2
t
d) 0
t
图2-5 单相全控桥式 带电阻负载时的电路及波形
基本数量关系
直流输出电压平均值Ud 在同样的控制角α情况下 ， 输出的平均电压 U d 是 单相半波的两倍； SCR可控移相范围为1800； 属于双拍电路。 直流输出电流平均值Id 和SCR的平均电流idT 由于SCR轮流导电，所以流过每个SCR的平均电 流idT只有负载上平均电流的一半。
PWM调制介绍
第6章 第 8 页
6.2.1 计算法和调制法得到PWM波
➢ 结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明 工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。
➢ 控制规律 ❖ uo正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断； ❖ 负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正， 一段区间为负； ❖ 负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud； ❖ V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0； ❖ 负载电流为负的区间， V1和V4仍导通，io为负，实际上io从 VD1和VD4流过，仍有uo=Ud； ❖ V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0； ❖ uo总可得到Ud和零两种电平； ❖ u得o负-U半d和周零，两让种V电2保平持。通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可
f (t)
f (t)
f (t)
f (t)
(t)
图6-1 形状不同而冲量 相同的各种窄脉冲
O a)
tO b)
tOБайду номын сангаас
tO
t
c)
d)
图6-1
第6章 第 4 页
6.1 PWM控制的基本原理
➢ 一个实例 图6-2a的电路 ❖ 电路输入：u(t)，窄脉冲，如图6-1a、b、c、d所示 ❖ 电路输出：i(t)，图6-2b
第6章 第 3 页
6.1 PWM控制的基本原理
➢ 采样控制理论基础
❖ 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；
❖ 将输出波形进行付氏分解，低频段非常接近，仅在高频段略 有差异。
PWM脉宽调制变频电路
PWM脉宽调制变频电路
在图4-2b、c两种电路结构中，因采用不可控整流 器，功率因数高。而在图4-2a电路中，由于采用可控 整流，输出电压有换相电压降产生，谐波的无功功率 使得输入端功率因数降低。在图4-2a、b两种电路结构 中，独立的调压调频环节使之容易分开调试，但系统 的动态反应慢。图4-2c所示的电路结构则具有动态响 应快，功率因数高的特点。
PWM脉宽调制变频电路
变频器的分类与交—直—交变频器 的结构框图。图4-1a所示的交—交变频器在结构上没有 明显的中间滤波环节，来自电网的交流电被直接变换为 电压、频率均可调的交流电，所以称为直接变频器。而 图4-1b所示的交—直—交变频器有明显的中间滤波环节， 其工作时首先把来自电网的交流电变换为直流电，经过 中间滤波环节之后，再通过逆变器变换为电压、频率均 可调的交流电，故又称为间接变频器。
图4-10 分段同步调制
PWM脉宽调制变频电路
4.1.2 SPWM波形的开关点算法
在SPWM系统中，通常是利用三角载波与正弦参 考波进行比较以确定逆变器功率器件的开关时刻， 从而控制逆变器输出可调正弦波形。这一功能可由 模拟电子电路、数字电子电路、专用的大规模集成 电路等装置来实现，也可由计算机编程实现。SPWM 系统开关点的算法，主要分为两类：一是采样法， 二是最佳法。
形成不可调的直流电压Ud。而逆变环节则以六只功率开关
器件和辅助元件构成，这些开关器件可以选用功率晶体管 GTR，功率场效应晶体管MOSFET，绝缘门极晶体管IGBT等。 控制逆变器中的功率开关器件按一定规律导通或断开，逆 变器的输出侧即可获得一系列恒幅调宽的输出交流电压， 该电压为可调频、可调压的交流电——VVVF。
PWM脉宽调制变频电路
4.1.1 PWM脉宽调制原理
PWM整流器的仿真与分析毕业论文
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本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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脉宽调(PWM)技术
O
u
> ωt
冲量相等，中点重合 宽度按正弦规律变化
ωt
O
u
u
SPWM波
O
ωt
O
> ωt
6.1 PWM控制的基本思想
对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形
Ud O -U d
wt
正弦波还可等效为下图中的PWM波，在实际应用中更为广泛。
U
d
等幅PWM波
O
-
wt
U
d
U
o
ωt
不等幅PWM波
6.2 PWM逆变电路及其控制方法
Uo
wt
uo
负 周 半
uo的基波分量
wt
在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断
ur正半周，V1保持通，V2保持断。 当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud 。 当ur<uc时使V4断，V3通，uo=0 。 ur负半周，请同学们自己分析。
O -U d
单极性PWM控制方式波形
6.2.1 计算法和调制法
分析以双极性SPWM波形为准。 同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制 方式。 分析方法
以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWM波 的傅里叶级数表达式。
尽管分析过程复杂，但结论简单而直观。
6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析
谐波分析小结 三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著
6.2.6 PWM逆变电路的多重化
PWM多重化逆变电路，一般目的：提高等效开关频率、减少开关损耗、 减少和载波有关的谐波分量 PWM逆变电路多重化联结方式有变压器方式和电抗器方式
利用电抗器联接的二重PWM逆变电路（图6-20，图 6-21)
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三、课题研究的内容和目的
• 本论文研究的主要内容是通过控制弱电来达到 控制Snubber的反偏电流，使Snubber内的磁场 在负饱和附近。这样做能够使Snubber吸收突 发电流的能力增加一倍，大大提高了抑制突发 电流，保护后续器件的能力。要达到的目标是 通过对弱电的实时控制以实现对Snubber饱和 度的实时控制。关键问题是对弱电的电流、电 压，需要控制的强电的电流、电压的采样，对 采样信号的处理、反馈以及实时的网络控制。
Inside radius r1
Snubber voltage Vs
同轴电缆半径r=5cm
匝片8910层
NL laminations of W Mo-Permalloy 4-79 tape. of thickness d and width W wound with a pitch P
Inside radius r1=6cm
一、相关知识介绍
•
ITER高压缓冲器（snubber）是插在高压加速电源和 强流离子源之间、保护昂贵强流离子源的关键器件， 其由磁环、高压绝缘系统、高压隔离偏置电源、通讯 及控制系统等几大部分组成。
• 美国LBL发展起来的铁芯snubber是一种利用铁磁材料 的涡流损耗和磁滞损耗来消耗故障能量的方法，它是 通过用N个卷饶铁芯磁环套在通向离子源的电流导线上 实现的，如图所示。因为铁芯可以等效成磁化电感和 铁耗电阻的并联，当发生打火故障时，短路电流被铁 芯等效的大电感限制，同时放电能量转移到铁耗电阻 上消耗掉。 • 这种铁芯snubber是目前为止研究最充分，性能最稳定， 应用最广泛的一种结构，也是本课题重点研究、实现 控制的对象。
外观图
100KV/100A W=5.5cm
Outside radius r0=15cm
同轴电缆
W=10cm
Inside radius r1=6cm
支架 支架
侧面图
NT turns Arc current iA
Nc cores=33匝
剖面图
Outside radius r0
Outside radius r0=15cm
基于DSP的Snubber的弱电控制
指导老师：张晓东 、李格 报告人： 付 鹏 2009.12.8
主要内容
• • • • 一、本课题的相关知识介绍 二、本课题的意义 三、课题研究的内容和目的 四、实验开展的方法和问题
一、相关知识介绍
• 数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)是一门涉 及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代 以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应 运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技 巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数 字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通 信等领域得到极为广泛的应用。 • DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以 数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号， 转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化， 并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。 它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条 复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日 益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最 值得称道的两大特色。
1 1
二、本课题的意义
• NBI装置的高压电源中存在大量的分布电容，当发生短 路时这些分布电容就带有巨大能量，且由于高压传输 线在电源开关元件后端无法被切断，这部分能量将传 送到加速极和离子源等地，造成对后续元件的损害， 而且很多损害是不可修复的，由于许多后续元件都十 分昂贵，所以对元器件的保护就显得尤为重要。 • Snubber是用来吸收电容所带能量，达到对元器件保护 的作用。 • 本课题主要就是研究对Snubber的反向偏置电流、电压 的控制，以达到通过人为的预先设定来对Snubber吸收 突发电流的能力的控制。由此可以看出该课题是具有 重大意义的。
• DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运 算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。 根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点： （1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；(2）程序和数据空 间分开，可以同时访问指令和数据； （3）片内具有快速RAM，通常可通 过独立的数据总线在两块中同时访问；(4）具有低开销或无开销循环及 跳转的硬件支持； (5）快速的中断处理和硬件I/O支持； (6）具有在单 周期内操作的多个硬件地址产生器；
t1 E 10
• 其中A是铁芯的有效截面积，单位是 cm ； B 是从T点到U点磁通密 度的变化量，单位是G；E的单位是V。
2
B W U V
Z
α ni
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Rα n1iΒιβλιοθήκη α n2i2SX
α n1Δ i1
T
• 在经历了t 时间后，打火电流增加了 i，如图所示。Snu bber可以将电流的增加限制在NBS正常工作的电流范围 内。 • 在电路图1中，开关S开始接通，对Cs进行充电，经过 一段时间后，开关管S断开电源后，通过一个时间继电 器使球隙G导通，电容Cs就通过电阻R和变压器电感开 始放电。 • 当Cs放电结束以后，变压器初级线圈的电压变为零。S TDT的铁芯在经过Y,Z,X点后又回复到S点。
匝片W=0.03cm 涂层W=0.03*0.1cm
Snubber线圈以及反偏实验电路图
• 图1
• Snubber的工作原理 • 如上图所示。电源正常工作时电流为i1，变压器二次绕组提供一 个反方向的直流偏置电流i2,它的值比电流i1要大，它使变压器铁 芯反方向饱和，如下图中点R所示。当变压器的一侧通过电流i1时， 因为i1比i2小，i1将减小，铁芯饱和程度到S点，这点仍然在饱和 范围内，但是接近B-H曲线的膝点。负载短路导致电流i1增大，使 铁芯退出反向饱和，并开始正方向的磁化，在这个过程中变压器 磁化电感限制了的电流上升变化率 di E dt L • • 其中L为磁化电感，E为绕组感应电势，空载时E=U。 • 从T点到U点的磁通变化所需要的时间计算如下 n1 AB • 8