第六章PWM控制技术1

1、电电 力力 电电 子子 技技 术术Power Electronics第第6章章 PWM控制技术控制技术 无源逆变电路无源逆变电路多用于交直交变频电路中，如下图所示为电压型交直交电路： 为使输出电压和输出频率都得到控制，变频器通常由一个为使输出电压和输出频率都得到控制，变频器通常由一个可控整流电路和一个逆变电路组成。可控整流电路和一个逆变电路组成。 控制整流电路，改变输出电压；控制整流电路，改变输出电压； 控制逆变电路，改变输出频率。控制逆变电路，改变输出频率。上述方式存在的缺点：上述方式存在的缺点：1. 输出电压为矩形波，其中含有较多谐波，对负载有不利影响。2. 用相控方式改变中间直流环节的电

2、压，输入功率因数降低。3. 整流和逆变电路均采用可控功率环节，较为复杂，提高了成本。4. 中间直流环节有大电容存在，调节电压时惯性较大，响应缓慢。电流型交直交变频电路有类似结论。电流型交直交变频电路有类似结论。为了较好克服以上缺点，提出来脉宽调制技术。采用该技术为了较好克服以上缺点，提出来脉宽调制技术。采用该技术电路通常称为电路通常称为PWM变频电路。变频电路。第第6章章 PWM控制技术控制技术 PWM（Pulse Width Modulation）控制）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） 直流斩波电路采用 斩控式交流调压电路，矩阵式变

3、频电路整流电路采用二极管，可获得接近于1的功率因数只用一级可控功率环节，电路结构较简单通过对输出脉冲宽度的控制就可改变输出电压，接近正弦波。动态响应性能较好。第第6章章 PWM控制技术控制技术本章内容本章内容 PWM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PWM型，PWM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PWM控制技术。多为电压型。 也介绍PWM整流电路第第6章章 PWM控制技术控制技术第第6章章 PWM控制技术控制技术 6.1 PWM控制的基本原理 6.2 PWM逆变电路及其控制方法 6.3 PWM跟踪

4、控制技术 6.4 PWM整流电路及其控制方法6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理1）重要理论基础面积等效原理面积等效原理冲量冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效效果基本相同果基本相同。冲量冲量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b)具体的实例说明“面积等效原理面积等效原理”6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理a)矩形脉冲b)三角形脉冲tOtOf (t)f (t)d)单位脉冲函数f (t)d (t)tOc)正弦半波脉冲tOf (t) 对各输出波形用傅式变换分析后，各i(t)低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 可见，相同面积不同形状的脉冲加

5、在同一惯性环节上，得到的输出响应基本相同。这便是面积等效原理，这便是面积等效原理，它是它是PWM控制的理论基础。控制的理论基础。6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理OutOutOut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6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理宽度相同，幅值正弦变化幅值相同，宽度正弦变化SPWM波形按比例改变脉冲宽度，即可改变等效正弦波幅值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，而且这种方式在实际应用中更为广泛。

6、6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理OwtUd-UdOwtUd-Ud6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理等幅等幅PWM波波输入侧是直流电源输入侧是直流电源6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理Uot不等幅不等幅PWM波波输入电源是交流输入电源是交流等幅和不等幅等幅和不等幅PWM波的波的本质都是基于面积相等本质都是基于面积相等进行控制的进行控制的。如果电源是电流源，则也可以得到如果电源是电流源，则也可以得到PWM电流波电流波PWM波可等效的各种波形直流斩波电路 直流波形SPWM波 正弦波形等效成其他所需波形，如:l 所需波形 l 等效的PWM波0s5m s10m s15m s20

7、m s25m s30m s-20V0V20V6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理6.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法电压型电压型PWM逆变电路的控制方法逆变电路的控制方法OwtUd-Ud6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法计算法计算法v根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM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PWM波形v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OwtUd-Ud6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法规则采样法规则采样法 规则采样法原理规则采样法原理w 三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc，每个

8、脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法正弦调制信号波tsinaurrwr为信号波角频率a a称为调制度调制度，0auc时，输出Ud 值时，使V1、V4有开通信号 ur正半周内，ur uc时，输出-Ud 值时，使V2、V3有开通信号 Ur负半周内控制规律相同 单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 双极性双极性PWM控制方式（三相桥逆变）控制方式（三相桥逆变）v三相的PWM控制公用三角波载波ucv三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uc

9、V6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法防直通的死区时间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，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称首先，为消除偶次谐波，使波形正负

10、两半周期镜对称，即()()ututww 其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后1/4周期以/2为轴线对称()()ututww6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法, 5 , 3 , 1sin)(nntnUtuww1234(1 2cos2cos2cos)dnUUnnnn只要动作时刻恰当，便可消除某些谐波6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法0)7cos27cos27cos21 (740)5cos25cos25cos21 (54)cos2cos2cos21 (4321d7321d5321d1UUUUUU在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消，可考虑消去5次和7次谐波

11、，得如下联立方程：6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法特定谐波消去法（Selected Harmonic Elimination PWM SHEPWM）6.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制v 实行PWM脉宽调制时，载波比载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / frv 变频过程中，即调制信号周期变化过程中， 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1. 异步调制异步调制 异步调制异步调制 载波信号和调制信号不同步的调制方式载波信号和调制信号不同步的调制方式w 通常保持fc固定不变，fr变化时，载波比N变化w

12、 在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称1. 异步调制异步调制当fr较低时，N 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w 当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大w 因此采用该方式时希望采用较高的fc，即在一个调制信号周期内所包含的三角载波的个数较多，从而弥补脉冲不对称造成的影响。6.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制2. 同步调制同步调制 同步调制同步调制N 等于常数，并在变频等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步时使载波和信号波保持同步w 基本同

13、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w 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w 为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数w fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除w fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。分段同步调制方式图6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud6.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制 分段同步调制分段同步调制 把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

14、致过低6.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制 为防止fc在切换点附近时载波比来回跳动，采用滞后切换的方法 在不同频段内，载波频率的变化范围基本一致，fc大约在1.42kHz之间。 总之，同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现 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6.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制 分段同步调制分段同步调制6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析 使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量。 谐波频率和幅值频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一。 分析以双极性双极性SPWM波形为准。 同步调制可

15、看成异步调制的特殊特殊情况，只分析异步调制方式。 分析方法 以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数贝塞尔函数推导出PWM波的傅傅里叶级数里叶级数表达式。 尽管分析过程复杂，但结论简单而直观。图中不同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c及其附近的谐波以及2 c 、3 c等及其附近的谐波。6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析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,

16、时，k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,时，。,2,116,1 ,016mmmmk图中不同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况。6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析 三相和单相比较都不含低次谐波，较显著的区别是载波角频率 c整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是c2 r和2 c r。 SPWM波中谐波主要是角频率为 c、2 c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

17、波分析小结6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾 PWM控制的基本原理冲量冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效效果基本相同果基本相同。OwtUd-UdOwtUd-Ud上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾 PWM逆变电路及其控制方法PWM发生方法：计算法（直接计算法、规则采样法）调制法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾

18、异步调制异步调制和同步调制同步调制上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾6.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数输出波形中所含谐波多少是衡量输出波形中所含谐波多少是衡量PWM控制方法优控制方法优劣的基本标志，但不是唯一标志。劣的基本标志，但不是唯一标志。a. 直流电压利用率直流电压利用率逆变电路输出交流电压基波最大幅值U1m和直流电压Ud之比。提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力。正弦波调制的三相PWM逆变电路，调制度a为1时，输出线电压的基波幅值为 ，直流电压利用率为0.866，实际还更低。b. 减少器件的开关次数减少器件的开关次数可以降低开关损耗。dU

19、) 2/ 3(6.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud6.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数 提高直流电压利用率方法 1）梯形波调制方法 思路-当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值更大。 采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用率。梯形波的形状用三角化率三角化率=Ut/Uto描述。 =0时为矩形波； =1时为三角形波；梯形波含低次谐波，PWM波含同样的低次谐波。低次谐波

20、（不包括由载波引起的谐波）产生的波形畸变率为图6-16 变化时的和直流电压利用率 U,00.20.40.60.81.00.20.40.60.81.01.21mUdUdU1ms0.20.40.60.81.0s5wr00.10.27wr11wr13wrU1mUmn图6-17 变化时的各次谐波含量 梯形波调制的缺点：输出波形中含5次、7次等低次谐波 = 0.4时，谐波含量也较少， 约为3.6%，直流电压利用率为1.03，综合效果较好。6.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数2）线电压控制方式对两个线电压进行控制，适当地利用多余的一个自由度来改善控制性能。目标使输出

21、线电压不含低次谐波的同时尽可能提高直流电压利用率，并尽量减少器件开关次数。直接控制手段仍是对相电压进行控制，但控制目标却是线电压相对线电压控制方式，控制目标为相电压时称为相电压控制方式相电压控制方式。叠加3次谐波的调制信号6.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数2）线电压控制方式鞍形波的基波分量幅值大。除叠加3次谐波外，还可叠加其他3倍频的信号，也可叠加直流分量，都不会影响线电压。在相电压调制信号中叠加3次谐波，使之成为鞍形波，输出相电压中也含3次谐波。合成线电压时，3次谐波相互抵消，线电压为正弦波。叠加3次谐波的调制信号6.2.5 提高直流电压利用率和减少

22、开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数3）线电压控制方式举例 （叠加（叠加3 3倍次谐波和直流分量）倍次谐波和直流分量）叠加up，既包含3倍次谐波，也包含直流分量，up大小随正弦信号的大小而变化。设三角波载波幅值为1，三相调制信号的正弦分别为urU1、urV1和urW1，并令 则三相的调制信号分别为prW1rWprV1rVprU1rUuuuuuuuuu1),min(rW1rV1rU1puuuu6.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数不论urU1、urV1和urW1幅值的大小，urU、urV、urW总有1/3周期的值和三角波负峰值相等。在这1/3周期中，不对调制信号值为-1的相进行控制，只对其他两相进行控制，这种控制方式称为两相控制方式两相控制方式 。 优点 （1）在1/3周期内器件不动作，开