电力电子技术：第16讲 PWM控制技术

1、 电力电子技术电力电子技术 第第7章章 PWM控制技术控制技术 电力电子技术电力电子技术 引言引言 7.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 7.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法 7.3 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术 7.4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法 电力电子技术电力电子技术 PWM (Pulse Width Modulation)控制就是控制就是 宽调制技术：宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值要的波形（含形状和幅值)。 第第4、5章已涉及到章已涉及到

2、PWM控制，第控制，第4章章直流斩波电路直流斩波电路采用采用的就的就PWM技术；第技术；第5章的章的5.1斩控式调压电路斩控式调压电路也涉及到了。也涉及到了。 电力电子技术电力电子技术 PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现得实现PWM控制变得十分容易。控制变得十分容易。 PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。要的地位。 PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，控制技术

3、正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了种逆变电路都采用了PWM技术，因此，本章和第技术，因此，本章和第5章（逆章（逆变电路）相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。变电路）相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。 电力电子技术电力电子技术 脉宽调制技术脉宽调制技术 (Pulse Width Modulation)简称简称PWM控控制就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端制就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲得到一

4、系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。按一定规则对各脉冲的来代替正弦波或所需要的波形。按一定规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。可改变输出频率。 PWM控制技术对推动电力电子技术的发展起着巨大控制技术对推动电力电子技术的发展起着巨大作用作用7.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 电力电子技术电力电子技术 (1)PWM控制的重要理论基础：面积等效原理控制的重要理论基础：面积等效原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环

5、节上时，其效果基本相同。其效果基本相同。冲量冲量窄脉冲的面积窄脉冲的面积效果基本相同效果基本相同环节的输出响应波形基本相同，环节的输出响应波形基本相同，脉冲越窄，其输出差异越小脉冲越窄，其输出差异越小图图7.1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数单位脉冲函数f (t)d (t)tOa)矩形脉冲矩形脉冲b)三角形脉冲三角形脉冲c)正弦半波脉冲正弦半波脉冲tOtOtOf (t)f (t)f (t) 电力电子技术电力电子技术 b)图6-2 冲量相等的各种窄脉冲的响应波形具体的实例说明“面积等效原理面积等效原理”a）u (t)电压窄脉冲，是电路的输入 。 i

6、(t)输出电流，是电路的响应。 电力电子技术电力电子技术 如何用一系列如何用一系列等幅不等宽等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波的脉冲来代替一个正弦半波 如图如图8.2所示，正弦半波分成所示，正弦半波分成N等份脉冲波形，宽度相等，幅等份脉冲波形，宽度相等，幅值按正弦规律变化值按正弦规律变化 用同样数量等幅不等宽的矩用同样数量等幅不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点的中点和相应正弦等分的中点重合，且矩形脉冲和相应正弦重合，且矩形脉冲和相应正弦面积相等，此脉冲序列就是面积相等，此脉冲序列就是PWM波形波形 这种脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的

7、这种脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形也称为波形也称为SPWM（sinusoidal PWM）波形）波形.图6.2 SPWM等效波形 电力电子技术电力电子技术 若要改变等效输出正弦若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。变各脉冲宽度即可。OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Out 电力电子技术电力电子技术 OwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实

8、际应用中更为广泛。 电力电子技术电力电子技术 等幅等幅PWM波波输入电源是恒定直流 直流斩波电路 PWM逆变电路 PWM整流电路 不等幅不等幅PWM波波输入电源是交流或不是恒定的直流 斩控式交流调压电路 矩阵式变频电路OwtUd-UdUot 电力电子技术电力电子技术 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。 逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。 PWM逆变电路也可分为电压型电压型和电流型电流型两种，目前实 用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。 电力电子技术电力电子技术 7.2.1 计算法和调制法7.2.2 异步调制和同步调制7.2.3 规则采样

9、法7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析 电力电子技术电力电子技术 1、计算法、计算法 给出正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，可准给出正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，可准确计算确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。波形。 本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。位变化时，结果都要变化。7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 电力电子技术电力电子技术 图7.3 单相桥式PWM逆变电路 电力电子技术电力电子技术 2、调制法、

10、调制法图7.3 单相桥式PWM逆变电路结合结合IGBTIGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明工作时工作时V V1 1和和V V2 2通断互补，通断互补，V V3 3和和V V4 4通断也互补；通断也互补；以以uo正半周为例，正半周为例， V V1 1通通V V2 2断，断， V V3 3和和V V4 4 交替通断；交替通断； 负载电流比电压滞后，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为段区间为正，一段区间为负；负； 负载电流为正的区间，负载电流为正的区间， V V1 1和和V V4 4 导通时，导通时，

11、 uo 等于等于Ud 。 电力电子技术电力电子技术 图7.4 单相桥式PWM逆变电路 V4关断时，负载电流通过关断时，负载电流通过V1 和和VD3 续流，续流，Uo =0。 负载电流为负的区间负载电流为负的区间，V1和和V4仍导通，仍导通，io 为负，实际上为负，实际上从从VD1和和VD4流过，仍有流过，仍有 uo = Ud 。V4关断关断V3开通后，开通后， 从从V3和和VD1续流，续流，uo =0。总可得。总可得到到Ud和零两种电平和零两种电平 负半周，负半周，让让V2保持通，保持通，V1保保 持断，持断，V3和和V4交替通断，交替通断， 可得可得-Ud 和和0两种电平。两种电平。 电力电

12、子技术电力电子技术 ur正半周，正半周，V1保持通保持通，V2保持断保持断 当当uruc时使时使V4通，V3断， uo=Ud 当当uruc时，给时，给V1和和V4导通信号，给导通信号，给V2和和V3关断信号。关断信号。如如io0，V1和和V4通，如通，如io0，VD1和和VD4通，通， uo=Ud 。当当uruc时，给时，给V2和和V3导通信号，给导通信号，给V1和和V4关断信号。关断信号。如如io0，VD2和和VD3通，通，uo=-Ud 。图7.6 双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在在ur和和uc的交点时刻控制的交点时刻控制IGBT的通断的通断 电力电子

13、技术电力电子技术 三相桥逆变电路双极性三相桥逆变电路双极性PWMPWM控制方式控制方式图7.7 三相桥式PWM型逆变电路 三相的三相的PWMPWM控制公控制公用三角波载波用三角波载波uc三相的调制信号三相的调制信号urU、urV和和urW依依次相差次相差120120 电力电子技术电力电子技术 ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud图7.8 三相桥式PWM逆变电路波形 以以U相为例分析相为例分析控制规律控制规律：当当urUuc时，给时，给V1导通信号，导通信号，给给V4关断信号关断信号

14、。当当urUuc时，给时，给V4导通信号，导通信号，给给V1关断信号，关断信号， 。当给当给V1(V4)加导通信号时，可加导通信号时，可能是能是V1(V4)导通，也可能是导通，也可能是VD1(VD4)导通。导通。 的的PWM波形波形只有只有Ud/2两种电平。两种电平。uUV波形可由波形可由 得出，得出，当当1和和6通时，通时，uUV=Ud，当当3和和4通时，通时，uUV=Ud，当当1和和3或或4和和6通时，通时，uUV=0。图7.9 三相桥式PWM型逆变电路 UNd2uUUNd2 uUUNVNWNuuu、UNVNuu 电力电子技术电力电子技术 输出线电压输出线电压PWM波由波由Ud和和0三种电

15、平构成三种电平构成负载相电压负载相电压PWM波由波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和和0共共5种电平组成。种电平组成。 防直通的死区时间防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。的关断时间决定。死区时间会给输出的死区时间会给输出的PWM波带波带来影响来影响,使其稍稍偏离正弦波。使其稍稍偏离正弦波。图7.9 三相桥式PWM型逆变电路 电力电子技术电力电子技术

16、 7.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制异步调制和同步调制同步调制。通常保持通常保持fc固定不变，当固定不变，当fr变化时，载波比变化时，载波比N是变化的；是变化的；当当fr较低时，较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；生的不利影响都较小；当当fr增高时，增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不脉冲不对称的影响就变大；对称的影响就变大；载波比载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr1、异步

17、调制、异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式 电力电子技术电力电子技术 2、 同步调制同步调制载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud图7-10 同步调制三相PWM波形基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。 电力电子技术电力电子技术 3、分段同步调制分段同步调制异步调制和同步调制的综合应用。把

18、整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr /Hzfc /kHz为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。图图7-11 7-11 分段同步调制方式举例分段同步调制方式举例 电力电子技术电力电

19、子技术 7.2.3 规则采样法规则采样法1、 自然采样法：自然采样法： 按照按照SPWM控制的基本原理产生的控制的基本原理产生的PWM波的方法，波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。不多。2、规则采样法、规则采样法 工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。 电力电子技术电力电子技术 三角波两个正峰值之间为一个采三角波两个正峰值之间为一个采样周期样周期Tc 。脉冲中点和三角波脉冲中点和三角波(负峰点负峰点)重合，重合，使计算大为减化。使计算大为减化。如图所示确定如图所示确

20、定A、B点，在点，在tA和和tB时时刻控制开关器件的通断。刻控制开关器件的通断。脉冲宽度脉冲宽度d 和用自然采样法得到的和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。脉冲宽度非常接近。规则采样法原理规则采样法原理ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d图7.12 规则采样法 电力电子技术电力电子技术 规则采样法计算公式推导正弦调制信号波taursinrw三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度)sin1 (421DrcctaTTwdda称为调制度调制度，0a1；wr为信号波角频率从图6-12得,2/22/sin1cDrTtadw)sin1(2DrctaTwducuOturTcADBOtu

21、otAtDtBdd d 2d2d图7-12 规则采样法 电力电子技术电力电子技术 7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析c +kr)角频率 (nww1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0图6-13，不同a时单相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图。1、单相的分析结果谐波角频率为:crnkww式中，n=1,3,5,时，k=0,2,4, ； n=2,4,6,时，k=1,3,5, PWM波中不含低次谐波，只含wc及其附近的谐波以及2wc、3wc等及其附近的谐波。图7-13 单相P

22、WM桥式逆变电路输出电压频谱图 电力电子技术电力电子技术 2、三相的分析结果公用载波信号时的情况输出线电压中的谐波角频率为crnkww式中，n=1,3,5,时，k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,时，。, 2, 116, 1 , 016mmmmk图6-14，不同a时三相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图。公用载波信号时的情公用载波信号时的情况。况。1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率(nwc +kwr)图7-14 三相桥式PWM逆变电路输出线电压频谱图谐波振幅 电力电子技术电力

23、电子技术 三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率wc整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是w wc2w wr和2w wcw wr。 SPWM波中谐波主要是角频率为wc、2wc及其附近的谐波，很容易滤除。 当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波分布情况和SPWM波的谐波分析一致。谐波分析小结 电力电子技术电力电子技术 7.3 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术定义：定义： 跟踪型PWM逆变电路不是用载波对信号波进行调制，而是把希望输出的电流或电压波形作为指令信号，把实际的电流或电压波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各开关器件的通断，使实际输出跟踪指令信号。常用的控制方式常用的控制方式: 滞环比较器方式和三角波比较方式 电力电子技术电力电子技术 跟踪型跟踪型P