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1、第9章现代电力电子控制技术基础现在学习的是第1页，共143页现代电力电子技术现代电力电子技术Modern Power Electronics第9章 现代电力电子控制技术基础现在学习的是第2页，共143页重点和难点1、掌握PWM控制技术的类型及其工作原理。2、掌握空间矢量和坐标变换原理3、了解通用瞬时功率理论4、电力电子数字控制结构5、了解微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）在电力电子技术中的基本应用。6、在电力电子技术中运算放大器的选择原则及其常用的运放电路现在学习的是第3页，共143页第9章 现代电力电子控制技术基础9.1 PWM9.1 PWM控制技术
2、控制技术 9.2 9.2 空间矢量和坐标变换空间矢量和坐标变换9.3 9.3 通用瞬时功率理论简介通用瞬时功率理论简介 9.4 9.4 电力电子数字控制结构电力电子数字控制结构 9.5 9.5 微控制器（微控制器（MCUMCU）9.6 9.6 数字信号处理器（数字信号处理器（DSPDSP）9.7 9.7 复杂可编程逻辑器件（复杂可编程逻辑器件（CPLDCPLD）9.8 9.8 运算放大器的选择运算放大器的选择9.9 9.9 电力电子控制常用运放电路电力电子控制常用运放电路现在学习的是第4页，共143页9.1 PWM9.1 PWM控制技术控制技术9 9.1.1 PWM控制技术概述控制技术概述9
3、9.1.2 正弦正弦PWM技术技术9 9.1.3 优化优化PWM技术技术9 9.1.4 随机随机PWM技术技术9.1.5 小结小结 现在学习的是第5页，共143页9 9.1.1 PWM控制技术概述控制技术概述随着采用电机控制专用型DSP芯片实现PWM技术数字化以后，花样更是不断地翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁链的正弦；从效率最优、转矩脉动最小，再到消除噪声等，PWM控制技术经历了一个不断完善与发展的过程。现在学习的是第6页，共143页9 9.1.1 PWM控制技术概述控制技术概述1964年，A.Schonung和H.Stemmler在BBC评论上发表文章，将通信系统中
4、的调制技术引入到交流电气传动中，产生了正弦脉宽调制（SPWM）变频变压的思想，从而为交流电气传动的推广应用开辟了新的局面。所谓PWM技术就是利用电力半导体器件的开通和关断产生一定形状的电压脉冲序列，（再经过一定的低通滤波器后）来实现电能变换，并有效地控制和消除谐波的一种技术。现在学习的是第7页，共143页9 9.1.1 PWM控制技术概述控制技术概述PWM控制技术可以分为三大类控制技术可以分为三大类：正弦PWM（包括以电压、电流或磁链波形的正弦为目标的各种PWM方案）、优化PWM及随机PWM。当当然然从从实实现现的的方方法法上上看看，大致有模拟式和数字式两种。现在学习的是第8页，共143页9
5、9.1.1 PWM控制技术概述控制技术概述 以PWM控制方式运行所引起的主要问题有电流畸变、变换器的开关损耗、负载的谐波损耗以及用于交流调速系统时电机的转矩脉动。这些影响可以用以下性能指标来描述。1.电流谐波 谐波电流有效值为(9-1)其中，为电流的基波分量，不仅与变流器的PWM控制方式有关，而且还与负载的阻抗特性有关。现在学习的是第9页，共143页9 9.1.1 PWM控制技术概述控制技术概述 电流谐波畸变率(Total Total Harmonic Harmonic DistortionDistortion)(9-2)现在学习的是第10页，共143页9 9.1.1 PWM控制技术概述控制技
6、术概述 2.谐波频谱 各频率分量在非正弦电流中所占的份额可用谐波电流频谱来表示，它能够比电流谐波畸变率THD提供更详细的说明。在同步PWM中，可以得到离散电流频谱，载波频率为(9-3)现在学习的是第11页，共143页9 9.1.1 PWM控制技术概述控制技术概述 2.谐波频谱 其中，N是载波比。载波比N值受到(9-4)条件的限制，为电力半导体开关器件的允许频率，为最高基波频率。现在学习的是第12页，共143页9 9.1.1 PWM控制技术概述控制技术概述3.最大调制度 调制度m定义为调制信号峰值与三角载波信号峰值之比，即(9-5)m值在01之间变化，以调节变换器输出电压的大小，它体现了直流侧母
7、线电压的利用率。在N值较大时，一般取最高的m0.80.9。现在学习的是第13页，共143页9 9.1.1 PWM控制技术概述控制技术概述4.转矩脉动 在交流电机中，转矩脉动的标么值表示为(9-6)其中，Tmax为最大电磁转矩；Tav为平均转矩；TN为电机额定转矩。虽然谐波转矩是由谐波电流产生的，但两者之间并没有精确的关系。现在学习的是第14页，共143页9 9.1.1 PWM控制技术概述控制技术概述5.开关频率和开关损耗 一般而言，电力半导体器件开关频率的增加可以使变流器交流侧的电流谐波畸变减少，从而提高系统的性能。但是由于开关器件受到开关损耗的限制，开关频率并不能够随便增加，这是因为：开关器
8、件的开关损耗与其开关频率成正比 开关器件的开关频率随着器件容量的增加而趋于降低。例如，大功率GTO（如6000V/6000A容量的GTO）的开关频率只有500Hz左右；而大功率IGBT（如4500V/1200A容量的IGBT）的开关频率只有210kHz现在学习的是第15页，共143页9.1 PWM9.1 PWM控制技术控制技术9.1.1 PWM控制技术概述控制技术概述9.1.2 正弦正弦PWM技术技术9 9.1.3 优化优化PWM技术技术9 9.1.4 随机随机PWM技术技术9.1.5 小结小结 现在学习的是第16页，共143页9 9.1.2 正弦正弦PWM技术技术 最常用的PWM技术就是正正
9、弦弦PWMPWM（Sine PWMSPWM）。这种SPWM的脉冲宽度按正弦规律变化，因此可以有效地抑制低次谐波，从而大大改善了变流器（包括整流器和逆变器）的各项性能。主要有：1.1.电压正弦电压正弦PWMPWM技术技术 2 2.电流正弦电流正弦PWMPWM技术技术 3 3.磁链正弦磁链正弦PWMPWM技术技术 现在学习的是第17页，共143页9 9.1.2 正弦正弦PWM技术技术 1 1.电压正弦电压正弦PWMPWM技术技术 电压SPWM技术可以采用拟电路、数字电路或大规模集成电路芯片来实现。采用模拟电路时模，先由振荡器分别产生正弦波和三角波信号，然后通过比较器产生出PWM控制信号，以此来确定
10、变流器某一相桥臂的上下开关器件的开通与关断。这种实现方法，使得系统的分立元器件过多，控制线路复杂，精度也难以得到保证。目前，随着电机控制专用DSP芯片开始普及与应用，数字化PWM技术得到了迅速的发展，典型的数字化PWM方法有自然采样PWM和规则采样PWM两种方法。在数字化PWM控制中，首先需要通过CPU计算出一个采样周期内的输出脉冲宽度和间隙时间，时间的改变则通过定时器来完成。现在学习的是第18页，共143页9 9.1.2 正弦正弦PWM技术技术自然采样PWM 见下图所示，虽然自然采样PWM可以真实地反映输出脉冲宽度信息，但是其脉冲宽度为(9-7)其中，时间ta、tb是未知的，所以这是一个超越
11、方程，需要计算机迭代求解，难以适用于计算机实时控制。图9-1 自然采样PWM现在学习的是第19页，共143页9 9.1.2 正弦正弦PWM技术技术 规则采样PWM 则是对自然采样PWM的一种简单近似处理。它又可以分为对对称称规规则则采采样样PWMPWM和不不对对称称规规则则采采样样PWMPWM两种方法，分别如图9-2（a）和(b)所示。此时脉冲宽度分别为（a）对称规则采样PWM（b）不对称规则采样PWM 图9-2 规则采样PWM现在学习的是第20页，共143页9 9.1.2 正弦正弦PWM技术技术 规则采样PWM 对对称称规规则则采采样样PWMPWM和不不对对称称规规则则采采样样PWMPWM脉
12、冲宽度分别为(9-8)(9-9)式（9-8）是采用对称规则采样PWM时的脉冲宽度公式；式（9-9）则是使用不对称规则采样PWM时的脉冲宽度公式。由于此时的、是已知的（通过采样时刻得到的采样值可以反推出），因此可以采用CPU快速地计算出每相的脉冲宽度和间隙时间。现在学习的是第21页，共143页9 9.1.2 正弦正弦PWM技术技术规则采样PWM具有实时实现容易、线性度好等优点，但是和自然采样PWM一样，具有电压利用率低的缺点，输出线电压的峰值只能达到直流侧母线电压的0.866倍。电压SPWM技术还有其他的实现方法，如等面积法、连续移相法等，这里就不一一介绍。现在学习的是第22页，共143页9 9
13、.1.2 正弦正弦PWM技术技术 2.电流正弦PWM技术 变流器的控制性能主要取决于电流的控制质量，为了满足电机控制良好的动态性能，经常采用电流的闭环控制，即采用电流正弦PWM技术。此外，在电力电子其他应用领域中如有源电力滤波器等也广泛应用这一技术。目前实现电流SPWM的方法很多，包括PI控制、滞环电流控制、固定开关频率的Delta电流控制、无差拍控制及预测电流控制等几种，它们均具有控制简单和动态响应速度快的特点，但是其直流侧母线电压的利用率仍然较低。现在学习的是第23页，共143页9 9.1.2 正弦正弦PWM技术技术 2.电流正弦PWM技术 最初的电流反馈控制就是采用通常的PI调节器的方法
14、分别控制三相电流，PI调节器的输出和三角波信号进行比较后产生出PWM控制信号。这种方法的问题是电流反馈需要加较大的滤波，以保证PI调节效果；另外，还存在电流移相。此方法的一种改进是在-坐标系中，将需要调节的三相电流变换为轴和轴直流量，而PI调节器则直接对轴和轴电流进行调节，其输出再经旋转坐标变换为三相正弦电压，再和三角波比较输出PWM控制信号。现在学习的是第24页，共143页9 9.1.2 正弦正弦PWM技术技术 2.电流正弦PWM技术 在电流SPWM控制方式中，最简单、曾经广泛应用于小功率调速系统中的是电流滞环PWM控制，即将正弦电流参考波形和电流的实际波形通过滞环比较器进行比较，其结果决定
15、逆变器桥臂的上下开关器件的开通和关断。这种方法可以使得实际电流与电流参考的误差约束在滞环带内，而且采用模拟电路实现简单，动态性能优良，具有强鲁棒性。现在学习的是第25页，共143页9 9.1.2 正弦正弦PWM技术技术 2.电流正弦PWM技术 电流滞环PWM控制方式也存在明显的缺陷：存在非优化的开关过程，在低调制度时造成开关频率很高；由于相间实际存在相互影响，电流误差经常超出滞环带；开关频率不固定，与电路参数、负载情况及滞环宽度等因素有关；谐波电流频谱随机分布，不利于交流侧LC滤波器的设计。之后，发展了固定开关频率的Delta电流控制。实际上，这种控制方法就和全数字化PWM控制非常接近了。现在
16、学习的是第26页，共143页9 9.1.2 正弦正弦PWM技术技术 2.电流正弦PWM技术 为了解决有限采样频率下实现电流的有效控制，J.Holtz和A.Kawamura等人提出了电流预测控制和无差拍控制的思想。所谓电流预测控制就是在采样周期的开始，根据电流的当前误差和负载情况选择一个使误差趋于零的电压矢量去控制变流器中开关器件的通断。也就是说以开关顺序的在线优化为出发点，选择一定的电压矢量来控制电流矢量的轨迹，使它相对于参考电流矢量保持最小的空间误差。因此，这是一种典型的全数字化PWM方案。该控制方式的控制精度依赖于系统的参数。这里对电流预测控制和无差拍控制不做进一步的讨论。现在学习的是第2
17、7页，共143页9 9.1.2 正弦正弦PWM技术技术 3.磁链正弦PWM技术 磁链正弦PWM（即电压空间矢量PWMSpace Vector PWM，简称SVPWM）与电压SPWM不同，它是从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁链，即正弦磁链。在理想三相供电电压下的空间电压合成矢量为(9-10)现在学习的是第28页，共143页9 9.1.2 正弦正弦PWM技术技术 3.磁链正弦PWM技术 在理想情况下，电压空间矢量为圆形旋转矢量，而磁链为电压矢量的时间积分，也是圆形的旋转矢量。为了使逆变器的输出电压矢量接近圆形，并最终获得圆形的旋转磁链，必须利用逆变器的输出电压矢量的时间组
18、合，形成多边形电压矢量轨迹，使之更加接近圆形。目前，磁链SPWM多采用控制电压矢量的导通时间的方法，用尽可能多的多边形磁链轨迹逼近理想的圆形磁链。现在学习的是第29页，共143页9 9.1.2 正弦正弦PWM技术技术 3.磁链正弦PWM技术 在一个开关周期中利用两个有效电压矢量的平均值等效给定电压矢量在此开关周期中的采样值。即：（9-11）（9-12）现在学习的是第30页，共143页9 9.1.2 正弦正弦PWM技术技术 3.磁链正弦PWM技术 在下一个开关周期内，电压矢量的作用顺序为：一种具体的PWM脉冲分布如图9-3所示。各电压矢量的作用顺序要遵守以下的原则：任意一次电压矢量的变化只能有一
19、个桥臂的开关动作，表现在二进制矢量表示中只有一位变化。这是因为如果允许有两个或三个桥臂的开关同时动作，则在线电压的半周期内会出现反极性电压脉冲，产生反向转矩，引起转矩脉动和电磁噪声。现在学习的是第31页，共143页9 9.1.2 正弦正弦PWM技术技术 3.磁链正弦PWM技术 图9-3 一种具体的PWM脉冲分布现在学习的是第32页，共143页9 9.1.2 正弦正弦PWM技术技术 3.磁链正弦PWM技术 的幅值达到上限时，逆变器的输出线电压基波幅值就等于直流侧母线电压，比SPWM高出15%，而且谐波电流的总有效值接近于优化。可以说SVPWM实质上是一种带谐波注入的调制方法。现在学习的是第33页
20、，共143页9.1 PWM9.1 PWM控制技术控制技术9.1.1 PWM控制技术概述控制技术概述9.1.2 正弦正弦PWM技术技术9.1.3 优化优化PWM技术技术9 9.1.4 随机随机PWM技术技术9.1.5 小结小结 现在学习的是第34页，共143页9 9.1.3 优化优化PWM技术技术 正弦PWM一般随着电力半导体器件开关频率的提高会获得很好的性能，因此在中小功率电机控制系统中得到广泛应用。但是，对于大容量电力电子系统来说，较高的开关频率会导致较大的开关损耗，因而是不可取的。所谓优优化化PWMPWM就是根据某一优化目标将所有工作频率范围内的开关角度预先计算出来，然后通过查表或其他方式
21、输出PWM控制信号。由于每个周期只有可数的几次开关动作，因此开关角度的小变化对谐波含量的影响较大。目前都采用存表，然后通过少量的插值计算或近似简化计算的方法来输出PWM波形。现在学习的是第35页，共143页9 9.1.3 优化优化PWM技术技术1.谐波消除法 事实上，人们早在20世纪60年代就发现，在方波电压中增加几次开关动作，可以大大削弱某次特定的低次谐波，如5、7、11次谐波等，从而使输出的电流波形非常接近于正弦波。这种方法一般只把影响系统性能的低次谐波消除掉，而其线电压基波幅值可以超过直流侧母线电压，因此电压的利用率很高。所以，在大功率逆变器中应用较多。其主要缺点是实时控制困难，且高次谐
22、波的幅值增大了，这会引起损耗的相应增加。现在学习的是第36页，共143页9 9.1.3 优化优化PWM技术技术2.效率最优PWM技术 这种方法是以效率最优为目标，因为效率是和负载大小有关的，因此，在求解效率最优PWM的过程中，应考虑负载的变化。值得注意的是，在整个电压范围内，效率最优PWM的开关角度不是连续变化的，这几乎是所有优化PWM的共同特征。3.转矩脉动最小PWM 这种方法是以转矩脉动最小为目标。这里不做进一步介绍。现在学习的是第37页，共143页9.1 PWM9.1 PWM控制技术控制技术9.1.1 PWM控制技术概述控制技术概述9.1.2 正弦正弦PWM技术技术9.1.3 优化优化P
23、WM技术技术9.1.4 随机随机PWM技术技术9.1.5 小结小结 现在学习的是第38页，共143页9 9.1.4 随机随机PWM技术技术1.随机PWM技术概述 PWM逆变器的电流中均含有谐波分量，此谐波电流会引起转矩脉动。以SVPWM逆变器为例，其幅值较大的电流谐波主要分布在一倍和两倍的PWM开关频率的频带内。因而，由谐波电流引起的电磁噪声集中在和2频率附近。为了抑制交流调速系统中的噪声，一种方法是提高开关频率，使之超过20kHz，但是这样会伴随着较高的开关损耗；另一种方法就是采用随机PWM控制技术，从改变噪声的频谱分布入手，使逆变器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，以达到抑制
24、噪声和机械共振的目的。现在学习的是第39页，共143页9 9.1.4 随机随机PWM技术技术2.随机PWM技术 基于随机PWM的方法分为三类：随机开关频率PWM、随机脉冲位置PWM、随机开关PWM。随机开关频率PWM是目前随机PWM中最常用的一种方法，它通过随机改变开关频率而使电机电磁噪声近似为限带白噪声。尽管噪声的总分贝数没有改变，但是有色噪声的强度被大幅度地削弱了，从而有利于逆变器的现场运行。随机脉冲位置PWM是一种简单而有效的随机PWM控制方法，它通过随机地选择每个采样周期的脉宽位置，要么使之位于采样周期的开始部分（超前方式），要么使之位于采样周期的结束部分（滞后方式）。随机开关PWM与
25、SPWM控制相似，通过参考电压波形与一个幅值为随机数的随机信号进行比较，以此决定对应相的桥臂是上臂还是下臂的开关器件导通，它尤其适合于采用高的开关频率来实现高性能输出电流的应用场合，这就相对限制了它的适用范围。现在学习的是第40页，共143页9.1 PWM9.1 PWM控制技术控制技术9.1.1 PWM控制技术概述控制技术概述9.1.2 正弦正弦PWM技术技术9.1.3 优化优化PWM技术技术9.1.4 随机随机PWM技术技术9.1.5 小结小结 现在学习的是第41页，共143页9.1.5 小结小结 1.随着电机控制专用DSP技术的发展，全数字化PWM技术已经开始取代模拟式PWM，成为电力电子
26、设备中共用的核心技术。目前广泛应用的是在规则采样PWM基础上发展起来的电压空间矢量PWM控制（SVPWM），它具有计算简单、定时控制容易的特点。2.所有PWM技术的不同之处都在于对谐波控制的不同。3.PWM变流器在大功率和高频化等方面尚有大量工作有待进行。4.消除机械和电磁噪声的最佳方法并不是盲目地提高装置或系统的工作（开关）效率，而随机PWM控制则提供了一个全新的发展思想。现在学习的是第42页，共143页第9章 现代电力电子控制技术基础9.1 PWM9.1 PWM控制技术控制技术 9.2 9.2 空间矢量和坐标变换空间矢量和坐标变换9.3 9.3 通用瞬时功率理论简介通用瞬时功率理论简介 9
27、.4 9.4 电力电子数字控制结构电力电子数字控制结构 9.5 9.5 微控制器（微控制器（MCUMCU）9.6 9.6 数字信号处理器（数字信号处理器（DSPDSP）9.7 9.7 复杂可编程逻辑器件（复杂可编程逻辑器件（CPLDCPLD）9.8 9.8 运算放大器的选择运算放大器的选择9.9 9.9 电力电子控制常用运放电路电力电子控制常用运放电路现在学习的是第43页，共143页9.2 空间矢量和坐标变换9.2.1 9.2.1 空间矢量空间矢量9.2.2 9.2.2 坐标变换坐标变换 现在学习的是第44页，共143页9.2.1 9.2.1 空间矢量空间矢量v三相电压或电流采用空间矢量的分析
28、方法，就是将三相瞬时值作为空间的一个矢量来处理。将三相互差120电角度的相电压或电流的瞬时值，在各方向合并成为矢量。它们的三相合成矢量就是电压或电流的空间矢量。v在交流电机三相绕组上施加电压或流过电流，合成的磁场方向和大小可用矢量图表示为图9-4。v由三相正弦波电压或电流产生的空间矢量轨迹可描述成一个随时间逆时针方向旋转的，其轨迹是以原点O为圆心的圆。现在学习的是第45页，共143页9.2.1 9.2.1 空间矢量空间矢量v三相电压或电流采用空间矢量的分析方法，就是将三相瞬时值作为空间的一个矢量来处理。将三相互差120电角度的相电压或电流的瞬时值，在各方向合并成为矢量。它们的三相合成矢量就是电
29、压或电流的空间矢量。v在交流电机三相绕组上施加电压或流过电流，合成的磁场方向和大小可用矢量图表示为图9-4。v由三相正弦波电压或电流产生的空间矢量轨迹可描述成一个随时间逆时针方向旋转的，其轨迹是以原点O为圆心的圆。现在学习的是第46页，共143页9.2.1 9.2.1 空间矢量空间矢量（9-13）（9-14）图9-4 空间矢量图 现在学习的是第47页，共143页9.2.1 9.2.1 空间矢量空间矢量电流空间矢量表示为：（9-15）（9-16）（9-17）现在学习的是第48页，共143页9.2.1 9.2.1 空间矢量空间矢量图9-5 电流空间矢量图（9-18）现在学习的是第49页，共143页
30、9.2 空间矢量和坐标变换9.2.1 9.2.1 空间矢量空间矢量9.2.2 9.2.2 坐标变换坐标变换 现在学习的是第50页，共143页9.2.2 9.2.2 坐标变换坐标变换 如将空间矢量表示成复数形式时，会使得坐标变换的表示简单化，有时根据具体需要又可分解出复数的实部和虚部，即求出相互垂直（独立）的各个分量，所以简单方便。现在学习的是第51页，共143页9.2.2 9.2.2 坐标变换坐标变换坐标变换：坐标反变换：（9-19）（9-20）（9-21）（9-22）现在学习的是第52页，共143页9.2.2 9.2.2 坐标变换坐标变换其中，坐标变换到坐标反变换的过程，参见图9-6和图9-
31、7（9-25）（9-24）（9-23）（9-26）现在学习的是第53页，共143页9.2.2 9.2.2 坐标变换坐标变换图9-6 坐标变换 现在学习的是第54页，共143页9.2.2 9.2.2 坐标变换坐标变换图9-7 坐标反变换 现在学习的是第55页，共143页9.2.2 9.2.2 坐标变换坐标变换（9-27）现在学习的是第56页，共143页9.2.2 9.2.2 坐标变换坐标变换（9-28）现在学习的是第57页，共143页9.2.2 9.2.2 坐标变换坐标变换现在学习的是第58页，共143页第9章 现代电力电子控制技术基础9.1 PWM9.1 PWM控制技术控制技术 9.2 9.2
32、 空间矢量和坐标变换空间矢量和坐标变换9.3 9.3 通用瞬时功率理论简介通用瞬时功率理论简介 9.4 9.4 电力电子数字控制结构电力电子数字控制结构 9.5 9.5 微控制器（微控制器（MCUMCU）9.6 9.6 数字信号处理器（数字信号处理器（DSPDSP）9.7 9.7 复杂可编程逻辑器件（复杂可编程逻辑器件（CPLDCPLD）9.8 9.8 运算放大器的选择运算放大器的选择9.9 9.9 电力电子控制常用运放电路电力电子控制常用运放电路现在学习的是第59页，共143页9.3 通用瞬时功率理论简介9.3.1 9.3.1 传统功率理论传统功率理论9.3.2 9.3.2 通用瞬时功率理论
33、通用瞬时功率理论 （重点重点/难点难点）现在学习的是第60页，共143页9.3.1 传统功率理论9.3.1.1 单相电路单相电路1.单相电路的电压有效值定义为：单相电路的电压有效值定义为：2.单相电路的电流有效值定义为：单相电路的电流有效值定义为：现在学习的是第61页，共143页9.3.1 传统功率理论3.单相电路的视在功率：单相电路的视在功率：4.单相电路的有功功率：单相电路的有功功率：现在学习的是第62页，共143页9.3.1 传统功率理论 5.由上式可以定义单相电路的无功功率为：由上式可以定义单相电路的无功功率为：有功功率、无功功率及视在功率的关系可以形有功功率、无功功率及视在功率的关系
34、可以形象地表示为象地表示为“功率三角形功率三角形”。现在学习的是第63页，共143页9.3.1 传统功率理论9.3.1.2 三相电路三相电路1.三相对称电路的有功功率：三相对称电路的有功功率：现在学习的是第64页，共143页9.3.1 传统功率理论2.三相对称电路的视在功率：三相对称电路的视在功率：3.三相对称电路的无功功率：三相对称电路的无功功率：现在学习的是第65页，共143页9.3.1.3 对传统功率理论的评价对传统功率理论的评价1.特点特点vv传统的功率概念是以正弦电源和线性负载为背景传统的功率概念是以正弦电源和线性负载为背景的。的。vv有功功率是指一个工频周期内的平均功率，物理有功功
35、率是指一个工频周期内的平均功率，物理意义是电路实际消耗的功率；意义是电路实际消耗的功率；vv无功功率代表负荷和电源之间能量交换的一种量无功功率代表负荷和电源之间能量交换的一种量度，是储能元件（电容、电感）吞吐能量能力的度，是储能元件（电容、电感）吞吐能量能力的反映。反映。9.3.1 传统功率理论现在学习的是第66页，共143页9.3.1 传统功率理论9.3.1.3 对传统功率理论的评价对传统功率理论的评价2.局限性局限性 无功功率的定义不具有明确的物理意义。无功功率的定义不具有明确的物理意义。电力电子技术的发展和广泛应用使得电网中出现了大量的非线电力电子技术的发展和广泛应用使得电网中出现了大量
36、的非线性负荷，而非线性负荷即使不带储能元件仍然需要无功，并且性负荷，而非线性负荷即使不带储能元件仍然需要无功，并且含有大量的谐波成分。此时，传统功率理论不再能够描述这些含有大量的谐波成分。此时，传统功率理论不再能够描述这些情况。情况。传统功率理论无法用于现代电力电子系统的瞬时（或实传统功率理论无法用于现代电力电子系统的瞬时（或实时）控制策略中。时）控制策略中。现在学习的是第67页，共143页9.3.1 传统功率理论9.3.1.4 结论 有必要发展能够适应于有必要发展能够适应于非正弦、不平衡以及含有零序非正弦、不平衡以及含有零序非正弦、不平衡以及含有零序非正弦、不平衡以及含有零序电流、电压的三相
37、四线不对称系统或电路的功率理论。电流、电压的三相四线不对称系统或电路的功率理论。电流、电压的三相四线不对称系统或电路的功率理论。电流、电压的三相四线不对称系统或电路的功率理论。并且可以包含传统的功率定义。并且可以包含传统的功率定义。并且可以包含传统的功率定义。并且可以包含传统的功率定义。现在学习的是第68页，共143页9.3 通用瞬时功率理论简介9.3.1 9.3.1 传统功率理论传统功率理论9.3.2 9.3.2 通用瞬时功率理论通用瞬时功率理论 （重点重点/难点难点）现在学习的是第69页，共143页9.3.2 通用瞬时功率理论9.3.2.1 发展和意义发展和意义1.1.1.1.发展发展发展
38、发展 为了适应这一发展，功率概念需要在上述传统的基于周期为了适应这一发展，功率概念需要在上述传统的基于周期平均值的功率定义基础上进行拓展。平均值的功率定义基础上进行拓展。19961996年美国年美国F.Z.PengF.Z.Peng提出了新的通用瞬时功率理论。提出了新的通用瞬时功率理论。2.2.2.2.意义意义意义意义 因其适用于非正弦、不平衡以及含有零序电流、电压的三相四因其适用于非正弦、不平衡以及含有零序电流、电压的三相四线不对称系统或电路，具有较强的一般性和明确的物理意义，并线不对称系统或电路，具有较强的一般性和明确的物理意义，并且可以包含传统的功率定义，具有一定的代表性。且可以包含传统的
39、功率定义，具有一定的代表性。现在学习的是第70页，共143页9.3.2 通用瞬时功率理论9.3.2.2 主要内容主要内容 1.采用（a,b,c)坐标系将三相系统的瞬时电压、电流空间矢量写成列向量形式 也可以采用（,0）、（d,q,0）坐标系现在学习的是第71页，共143页9.3.2 通用瞬时功率理论 2.瞬时瞬时有功功率定义为：有功功率定义为：瞬瞬时时有有功功功功率率的的定定义义同同样样适适用用于于（,0,0）、（d d,q q,0,0）坐坐标标系系，具具有有较较强强的的一一般般性性和和明明确确的的物物理理意意义。义。现在学习的是第72页，共143页9.3.2 通用瞬时功率理论 3.定义定义一
40、个新的瞬时无功矢量一个新的瞬时无功矢量 ，并定义其模长为瞬时无功，并定义其模长为瞬时无功 ：上述定义同样适用于上述定义同样适用于（,0）、（d,q,0）坐标系，具有较强的一般性和明确的物理意义。具有较强的一般性和明确的物理意义。现在学习的是第73页，共143页9.3.2 通用瞬时功率理论 4.由此可以定义瞬时有功电流矢量 、瞬时无功电流矢量 :现在学习的是第74页，共143页9.3.2 通用瞬时功率理论 5.瞬时视在功率 和瞬时功率因数 如下：现在学习的是第75页，共143页9.3.2 通用瞬时功率理论9.3.2.3 通用瞬时功率理论的要点通用瞬时功率理论的要点采用电压、电流空间矢量的内积与叉
41、积采用电压、电流空间矢量的内积与叉积来定义瞬时有功和无功功率。来定义瞬时有功和无功功率。具有较强的一般性和明确的物理意义。具有较强的一般性和明确的物理意义。现在学习的是第76页，共143页二、通用瞬时功率理论二、通用瞬时功率理论9.3.2.4 通用瞬时功率理论的优点通用瞬时功率理论的优点 这一新的通用瞬时功率理论完全不依赖于坐标系，即不仅适用于三相坐标系，而且适用于（,0）静止坐标系或（d,q,0）旋转坐标系，具有较强的一般性和明确的物理意义。具有较强的一般性和明确的物理意义。现在学习的是第77页，共143页9.3.2 通用瞬时功率理论9.3.2.5 功率定义具有的性质功率定义具有的性质1、传
42、统功率理论的性质得到了保持，例如仍有现在学习的是第78页，共143页9.3.2 通用瞬时功率理论9.3.2.5 功率定义具有的性质功率定义具有的性质 2、即三相电流空间矢量 总可以分解为瞬时有功电流矢量 和瞬时无功电流矢量 ；现在学习的是第79页，共143页9.3.2 通用瞬时功率理论9.3.2.5 功率定义具有的性质功率定义具有的性质 3、即 平行于 ，而 垂直于 ；现在学习的是第80页，共143页9.3.2 通用瞬时功率理论9.3.2.5 功率定义具有的性质功率定义具有的性质 4、当 时，传送同样的有功功率所需电流 （的模）最小，这时 ，功率因数达到最大。现在学习的是第81页，共143页9
43、.3.2 通用瞬时功率理论9.3.2.6 瞬时无功功率的物理意义瞬时无功功率的物理意义 瞬时无功功率 不再是个虚拟量，而是有其明确的物理意义，是指在三相之间流动、传送的功率，三相无功的瞬时值之和为零；瞬时有功电流 是传输瞬时有功所必需的而不对无功做贡献，同样瞬时无功电流 不会从电源到负荷传送瞬时有功，但是其存在会增大三相电流的幅值，从而增加线路损耗。现在学习的是第82页，共143页第9章 现代电力电子控制技术基础9.1 PWM9.1 PWM控制技术控制技术 9.2 9.2 空间矢量和坐标变换空间矢量和坐标变换9.3 9.3 通用瞬时功率理论简介通用瞬时功率理论简介 9.4 9.4 电力电子数字
44、控制结构电力电子数字控制结构 9.5 9.5 微控制器（微控制器（MCUMCU）9.6 9.6 数字信号处理器（数字信号处理器（DSPDSP）9.7 9.7 复杂可编程逻辑器件（复杂可编程逻辑器件（CPLDCPLD）9.8 9.8 运算放大器的选择运算放大器的选择9.9 9.9 电力电子控制常用运放电路电力电子控制常用运放电路现在学习的是第83页，共143页9.4 电力电子数字控制结构 在设计电力电子数字控制电路中经常采用模块化设计思想，根据数字控制系统的功能和设计要求，一般将整个数字控制部分分成电机控制专用DSP芯片、程序存储器EPROM、PWM控制软件部分、PWM驱动及隔离部分、电压/电流
45、互感器及其整形电路、控制电源部分、模拟保护电路部分、以及外围部分（如通信、报警、显示等）等几个大的电路模块。在数字控制系统设计中采用美国TI公司的TMS320F240或ADI公司的ADMC401 16位定点电机控制专用DSP作为主控CPU芯片，从而大大简化硬件电路的设计，实现硬件电路的软件化，使系统设计更加灵活、可靠。具体的电力电子系统数字控制电路结构示意图如图9-8所示。现在学习的是第84页，共143页9.4 电力电子数字控制结构图3-8 电力电子数字控制电路结构现在学习的是第85页，共143页9.4 电力电子数字控制结构 控制电源需要给数字控制系统提供多种电源电压。控制电源模块采用24V输
46、出的AC/DC模块，其后转接24V/15V、24V/5V、24V/5V等多种DC/DC模块，以满足电力电子数字控制的电源需要。总之，在现代电力电子系统中采用电机控制专用DSP芯片技术之后，使得电力电子数字控制电路的结构显得简单明了，一方面可以保证控制电路的可靠性与一致性，另一方面有利于产品化、系列化后的技术保密性。现在学习的是第86页，共143页第9章 现代电力电子控制技术基础9.1 PWM9.1 PWM控制技术控制技术 9.2 9.2 空间矢量和坐标变换空间矢量和坐标变换9.3 9.3 通用瞬时功率理论简介通用瞬时功率理论简介 9.4 9.4 电力电子数字控制结构电力电子数字控制结构 9.5
47、 9.5 微控制器（微控制器（MCUMCU）9.6 9.6 数字信号处理器（数字信号处理器（DSPDSP）9.7 9.7 复杂可编程逻辑器件（复杂可编程逻辑器件（CPLDCPLD）9.8 9.8 运算放大器的选择运算放大器的选择9.9 9.9 电力电子控制常用运放电路电力电子控制常用运放电路现在学习的是第87页，共143页9.5 微控制器（MCU）随着电子技术的迅猛发展，微控制器（MCU，国内又普遍称之为单片机）更广泛地应用于计算机外部设备、军事、工业、通信、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表等领域，使产品功能、精度和质量均大幅度提高，而且电路设计简单、故障率低、可靠性高且成本低廉。从目前的发
48、展趋势来看，Flash技术、在线可编程、低功耗及大规模集成是今后微控制器的发展方向。现在学习的是第88页，共143页9.5 微控制器（MCU）美国ATMEL公司是全球著名的高性能、低功耗、非易失性存储器和数字集成电路的一流半导体制造公司。ATMEL公司最引人注目的是它的EEPROM电可擦除技术、快闪存储器技术和高质量、高可靠性的CMOS器件生产技术。这些技术用于微控制器生产，使得微控制器具有了优良的品质，在结构及性能等方面都有明显的优势。20世纪90年代初，ATMEL公司利用其Flash技术优势，率先推出了把MCS-51内核与Flash技术相结合的AT89系列微控制器，在全球电子业内引起了巨大
49、的反响，在中国也受到了众多用户的喜爱。现在学习的是第89页，共143页9.5 微控制器（MCU）至今，ATMEL在MCS-51市场上仍占据主要份额。继AT89系列之后，ATMEL公司又向全球推出了全新配置的精简指令集（RISC）微控制器（ADVANCE RISC简称AVR）。AVR微控制器是在8位微控制器中第一种真正意义上的RISC微控制器。之后几年，AVR微控制器逐步形成系列产品，其ATtiny、AT90与ATmega子系列分别对应为低、中及高档产品。与此同时，ATMEL公司和ADI公司也分别推出了与8051兼容的高集成度的AT89S8252和ADuC812 CISC指令集微控制器。表9-1
50、为AT90S8535、AT89S8252及ADuC812三种微控制器的性能对比。现在学习的是第90页，共143页9.5 微控制器（MCU）表表9-19-1 AT90S8535AT90S8535、AT89S8252AT89S8252及及ADuC812ADuC812性能对比性能对比性性 能能AT90S8535AT89S8252ADuC812体系结构哈佛结构冯诺依曼结构冯诺依曼结构指令集RISCCISCCISCSPI串行在线编程片内程序存储器8K Bytes Flash8K Bytes Flash8K Bytes Flash片内数据存储器512 Bytes RAM256 Bytes RAM256 B