电力电子技术教案pwm控制技术ppt课件

1、PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作电子教案电子教案第第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 引言引言6.1 PWM控制的根本原理控制的根本原理6.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法 6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 6.2.2 异步伐制和同步伐制异步伐制和同步伐制 6.2.3 规那么采样法规那么采样法 6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析 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 6.2.6 PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化6.3 PWM跟踪控

2、制技术跟踪控制技术 6.3.1 滞环比较方式滞环比较方式 6.3.2 三角波比较方式三角波比较方式6.4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法 6.4.1 PWM整流电路的任务原理整流电路的任务原理 6.4.2 PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法 本章小结本章小结PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作引言引言 PWMPulse Width Modulation控制控制脉冲宽度调制脉冲宽度调制技术，经过对一系列脉冲的宽度进展调制，来等效地获得技术，经过对一系列脉冲的宽度进展调制，来等效地获得所需求波形含外形和幅值所需求波形含外形和幅值 第第3

3、、4章已涉及这方面内容章已涉及这方面内容 第第3章：直流斩波电路采用章：直流斩波电路采用 第第4章有两处：章有两处： 4.1节斩控式交流调压电路，节斩控式交流调压电路，4.4节矩阵式变节矩阵式变频电路频电路 本章内容本章内容 PWM控制技术在逆变电路中运用最广，运用的逆变电路绝控制技术在逆变电路中运用最广，运用的逆变电路绝大部分是大部分是PWM型，型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路控制技术正是有赖于在逆变电路中的运用，才确定了它在电力电子技术中的重要位置中的运用，才确定了它在电力电子技术中的重要位置 本章主要以逆变电路为控制对象来引见本章主要以逆变电路为控制对象来引见PWM控制技术控制技术

4、 也引见也引见PWM整流电路整流电路PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.1 PWM控制的根本原理控制的根本原理 实际根底实际根底 冲量相等而外形不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上冲量相等而外形不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果根本一样时，其效果根本一样 冲量指窄脉冲的面积冲量指窄脉冲的面积 效果根本一样，是指环节的输出呼应波形根本一样效果根本一样，是指环节的输出呼应波形根本一样 低频段非常接近，仅在高频段略有差别低频段非常接近，仅在高频段略有差别f (t)(t)tO图6-1a)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t)图6-1 外形不

5、同而冲量一样的各种窄脉冲PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.1 PWM控制的根本原理控制的根本原理 一个实例一个实例 图图6-2a的电路的电路 电路输入：电路输入：u(t)，窄脉冲，如图，窄脉冲，如图6-1a、b、c、d所示所示 电路输出：电路输出：i(t)，图，图6-2b 面积等效原理面积等效原理a)Ob)图6-2tbdcai(t)i(t)e(t)图6-2 冲量一样的各种窄脉冲的呼应波形PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.1 PWM控制的根本原理控制的根本原理 用一系列等幅不等宽的脉冲来替代一个用一系列等幅不

6、等宽的脉冲来替代一个正弦半波正弦半波 正弦半波正弦半波N等分，可看成等分，可看成N个彼此相连个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等 用矩形脉冲替代，等幅，不等宽，中点用矩形脉冲替代，等幅，不等宽，中点重合，面积冲量相等重合，面积冲量相等 宽度按正弦规律变化宽度按正弦规律变化tOua)b)图6-3Out图6-3 用PWM波替代正弦半波SPWM波形波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的等效的PWM波形波形要改动等效输出正弦波幅值，按同一比例改动各脉冲要改动等效输出正弦波幅值，按同一比例改动各脉冲宽度即可宽度即可PE N E C

7、西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.1 PWM控制的根本原理控制的根本原理 等幅等幅PWM波和不等幅波和不等幅PWM波波 由直流电源产生的由直流电源产生的PWM波通常是等幅波通常是等幅PWM波波 如直流斩波电路及本章主要引见的如直流斩波电路及本章主要引见的PWM逆变电路，逆变电路，6.4节的节的PWM整流电路整流电路 输入电源是交流，得到不等幅输入电源是交流，得到不等幅PWM波波 4.1节讲述的斩控式交流调压电路，节讲述的斩控式交流调压电路，4.4节的矩阵式变频节的矩阵式变频电路电路 基于面积等效原理进展控制，本质是一样的基于面积等效原理进展控制，本质是一样的PE N

8、 E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.1 PWM控制的根本原理控制的根本原理PWM电流波电流波电流型逆变电路进展电流型逆变电路进展PWM控制，得控制，得到的就是到的就是PWM电流波电流波PWM波形可等效的各种波形波形可等效的各种波形直流斩波电路：等效直流波形直流斩波电路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形波：等效正弦波形还可以等效成其他所需波形，如等效还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其根本原理所需非正弦交流波形等，其根本原理和和SPWM控制一样，也基于等效面积控制一样，也基于等效面积原理原理PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术

9、研究中心(PENEC)制作6.2 PWM逆变电路及其控制方法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运用场所本节内容构成了本章的主体PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前适用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 计算法计算法 根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算根据正弦波频率、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

10、需件的通断，就可得到所需PWM波形波形 繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化都要变化 调制法调制法 输出波形作调制信号，进展调制得到期望的输出波形作调制信号，进展调制得到期望的PWM波波 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波 等腰三角波运用最多，其任一点程度宽度和高度成线性等腰三角波运用最多，其任一点程度宽度和高度成线性关系且左右对称关系且左右对称PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 与任一平缓变化的调制信号波相交，在

11、交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求 调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波 调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进展阐明 任务时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，负载电流经过V1和V

12、D3续流，uo=0 负载电流为负的区间， V1和V4仍导通，io为负，实践上io从VD1和VD4流过，仍有uo=UdPE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 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 uo负半周，让V2坚持通，V1坚持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc图6-4 单相桥式PWM逆变电路PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2

13、.1 计算法和调制法计算法和调制法 单极性单极性PWM控制方式单相桥逆变控制方式单相桥逆变在在ur和和uc的交点时辰控制的交点时辰控制IGBT的通的通断断 ur正半周，正半周，V1坚持通，坚持通，V2坚持断坚持断 当当uruc时使时使V4通，通，V3断，断，uo=Ud 当当uruc时使时使V4断，断，V3通，通，uo=0 ur负半周，负半周，V1坚持断，坚持断，V2坚持通坚持通 当当uruc时使时使V3断，断，V4通，通，uo=0 虚线虚线uof表示表示uo的基波分量的基波分量图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud图6-5 单极性PWM控制方式波形PE N E C西安交通大学电力电

14、子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法双极性双极性PWM控制方式单相桥逆变控制方式单相桥逆变在在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所的半个周期内，三角波载波有正有负，所得得PWM波也有正有负波也有正有负在在ur一周期内，输出一周期内，输出PWM波只需波只需Ud两种电平两种电平仍在调制信号仍在调制信号ur和载波信号和载波信号uc的交点控制器件的交点控制器件的通断的通断ur正负半周，对各开关器件的控制规律一样正负半周，对各开关器件的控制规律一样当当ur uc时，给时，给V1和和V4导通讯号，给导通讯号，给V2和和V3关断信号关断信号如如io0，V1和和

15、V4通，如通，如io0，VD1和和VD4通，通， uo=UdPE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 当当uruc时，给时，给V2和和V3导通讯号，给导通讯号，给V1和和V4关断关断信号信号 如如io0，VD2和和VD3通，通，uo=-Ud 单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制性调制图6-6urucuOtOtuouofuoUd- Ud图6-6 双极性PWM控制方式波形 PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调

16、制法计算法和调制法双极性双极性PWM控制方式单相桥逆变控制方式单相桥逆变三相的三相的PWM控制公用三角波载波控制公用三角波载波uc三相的调制信号三相的调制信号urU、urV和和urW依次相差依次相差120图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud图6-7 三相桥式PWM型逆变电路 PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法U相的控制规律相的控制规律当当urUuc时，给时，给V1导通讯号，给导通讯号，给V4关断信号，关断信号，uUN=Ud/

17、2当当urUuc时，给时，给V4导通讯号，给导通讯号，给V1关断信号，关断信号，uUN=-Ud/2当给当给V1(V4)加导通讯号时，能够是加导通讯号时，能够是V1(V4)导通，导通，也能够是也能够是VD1(VD4)导通导通uUN、uVN和和uWN的的PWM波形只需波形只需Ud/2两种两种电平电平uUV波形可由波形可由uUN-uVN得出，当得出，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输出线电压输出线电压PWM波由波由Ud和和0三种电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)U

18、d和和0共共5种电平组成种电平组成PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法防直通死区时间防直通死区时间同一相上下两臂的驱动同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下信号互补，为防止上下臂直通而呵斥短路，留臂直通而呵斥短路，留一小段上下臂都施加关一小段上下臂都施加关断信号的死区时间断信号的死区时间死区时间的长短主要由死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决开关器件的关断时间决议议死区时间会给输出的死区时间会给输出的PWM波带来影响，使波带来影响，使其稍稍偏离正弦波其稍稍偏离正弦波图6-8ucurUurVurWuu

19、UNuVNuWNuUNuUVUd- UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22 Ud图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形 PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 特定谐波消去法特定谐波消去法(Selected Harmo-nic Elimination PWMSHEPWM) 这是计算法中一种较有代表性的方这是计算法中一种较有代表性的方法，如图法，如图6-9 输出电压半周期内，器件通、断各输出电压半周期内，器件通、断各3次不包括次不包括0和和，共，共6个开关时个开关时辰可控辰可控图6-9Otuo

20、Ud-Ud2a1a2a3图6-9 特定谐波消去法的输出PWM波形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，使波形正负两半周期镜对称，即 (6-1)()(tutuPE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法其次，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 (6-2)同时满足式6-1、6-2的波形称为四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为 (6-3) 式中，an为)()(tutu, 5 , 3 , 1sin)(nntnatu20dsin)(4ttntuanPE N E C西安交通大

21、学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 图6-9，能独立控制a1、a 2和a 3共3个时辰。该波形的 an为 式中n=1,3,5, 确定a1的值，再令两个不同的an=0，就可建三个方程，求得a1、a2和a3)cos2cos2cos21 (2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211nnnnUttnUttnUttnUttnUadddddn(6-4)PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 消去两种特定频率的谐波消去两种特

22、定频率的谐波 在三相对称电路的线电压中，相电压所含的在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐次谐波相互抵消，可思索消去波相互抵消，可思索消去5次和次和7次谐波，得如下联立次谐波，得如下联立方程：方程： 给定给定a1，解方程可得，解方程可得a1、a2和和a3。a1变，变，a1、a2和和a3也相应改动也相应改动0)7cos27cos27cos21 (720)5cos25cos25cos21 (52)cos2cos2cos21 (2321d7321d5321d1UaUaUa(6-5)PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 6.2.1 计算法和调制法计

23、算法和调制法普通，在输出电压半周期内器件通、断各k次，思索PWM波四分之一周期对称，k个开关时辰可控，除用一个控制基波幅值，可消去k1个频率的特定谐波k越大，开关时辰的计算越复杂除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在6.3节引见PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.2 异步伐制和同步伐制异步伐制和同步伐制v 载波比载波比载波频率载波频率fc与调制信号频率与调制信号频率fr之比，之比，N= fc / frv 根据载波和信号波能否同步及载波比的变化情况，根据载波和信号波能否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步伐制和同步伐制调制方式分为异步伐制

24、和同步伐制v 1. 异步伐制异步伐制v 异步伐制异步伐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v 通常坚持通常坚持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v 在信号波的半周期内，在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相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周期的脉冲也不对称v 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称产生的不利影响都较小v

25、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脉脉冲不对称的影响就变大冲不对称的影响就变大PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.2 异步伐制和同步伐制异步伐制和同步伐制2. 同步伐制同步伐制同步伐制同步伐制N等于常数，并在变频时等于常数，并在变频时使载波和信号波坚持同步使载波和信号波坚持同步根本同步伐制方式，根本同步伐制方式，fr变化时变化时N不变，信不变，信号波一周期内输出脉冲数固定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，且取三相电路中公用一个三角波载波，且取N为为3的整数倍，使三相输出对称

26、的整数倍，使三相输出对称为使一相的为使一相的PWM波正负半周镜对称，波正负半周镜对称，N应取奇数应取奇数fr很低时，很低时，fc也很低，由调制带来的谐波也很低，由调制带来的谐波不易滤除不易滤除fr很高时，很高时，fc会过高，使开关器件难以接会过高，使开关器件难以接受受图6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud图6-10 同步伐制三相PWM波形PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.2 异步伐制和同步伐制异步伐制和同步伐制 分段同步伐制分段同步伐制(图图6-11 把把fr范围划分成假设干个频段，每个频段内坚持范围划分

27、成假设干个频段，每个频段内坚持N恒定，恒定，不同频段不同频段N不同不同 在在fr高的频段采用较低的高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高，使载波频率不致过高 在在fr低的频段采用较高的低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低，使载波频率不致过低 为防止为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法 同步伐制比异步伐制复杂，但用微机控制时容易实现同步伐制比异步伐制复杂，但用微机控制时容易实现 可在低频输出时采用异步伐制方式，高频输出时切换到可在低频输出时采用异步伐制方式，高频输出时切换到同步伐制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同同步伐制方式，这

28、样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近步方式效果接近PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.3 规那么采样法规那么采样法v 按SPWM根本原理，自然采样法v 要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程运用不多v 规那么采样法特点v 工程适用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB22图6-12 规那么采样法 PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.3 规那么采样法规那么采样法 规那么采样法原理规那么采样法原理 图图6-12，三角波两个正峰值之

29、间为一个采样周期，三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc 自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点即自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点即负峰点重合负峰点重合 规那么采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的规那么采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化三角波中点为对称，使计算大为简化 在三角波的负峰时辰在三角波的负峰时辰tD对正弦信号波采样得对正弦信号波采样得D点，过点，过D作作程度直线和三角波分别交于程度直线和三角波分别交于A、B点，在点，在A点时辰点时辰tA和和B点点时辰时辰tB控制开关器件的通断控制开关器件的通断 脉冲宽度脉冲宽度d 和用自

30、然采样法得到的脉冲宽度非常接近和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近 PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.3 规那么采样法规那么采样法 规那么采样法计算公式推导规那么采样法计算公式推导 正弦调制信号波正弦调制信号波 式中，式中，a称为调制度，称为调制度，0a1；wr为信号波角频率。为信号波角频率。从图从图6-12得得 因此可得因此可得 三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度taursinr2/22/sin1cDrTta)sin1 (2DrctaT)sin1 (421DrcctaTT(6-6)(6-7)PE N E C西安交通

31、大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.3 规那么采样法规那么采样法 三相桥逆变电路的情况三相桥逆变电路的情况 三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120 同一三角波周期内三相的脉宽分别为同一三角波周期内三相的脉宽分别为dU、dV和和dW，脉冲两边的间隙宽度分别为脉冲两边的间隙宽度分别为dU、dV和和dW，同一时，同一时辰三相调制波电压之和为零，由式辰三相调制波电压之和为零，由式(6-6)得得 (6-8) 由式由式(6-7)得得 (6-9) 利用以上两式可简化三相利用以上两式可简化三相SPWM波的计算波的计算23cWVUT43c W

32、 V UTPE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析v 运用载波对正弦信号波调制，产生了和载波有关的谐波分量v 谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要目的之一v 分析双极性SPWM波形v 同步伐制可看成异步伐制的特殊情况，只分析异步伐制方式v 分析方法v 不同信号波周期的PWM波不同，无法直接以信号波周期为基准分析v 以载波周期为根底，再利用贝塞尔函数推导出PWM波的傅里叶级数表达式v 分析过程相当复杂，结论却简单而直观PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.4

33、 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析 单相的分析结果单相的分析结果 图图6-13，不同，不同a时单相桥式时单相桥式PWM逆变电路输出电压逆变电路输出电压频谱图频谱图 谐波角频率为谐波角频率为 ( 6 -10) 式中，式中，n=1,3,5,时，时，k=0,2,4, ；n=2,4,6,时，时，k=1,3,5, rckn1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅图6-13角频率 (nc +kr)0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0PWM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6-13

34、单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析 三相的分析结果三相的分析结果 公用载波信号时的情况公用载波信号时的情况 输出线电压中的谐波角频率输出线电压中的谐波角频率为为 式中，式中，n=1,3,5,时，时， k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,时，时， 图图6-14，输出线电压频谱图，输出线电压频谱图。, 2 , 116, 1 , 016mmmmk1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅图6-140.20.40.60.81.01.2

35、kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率(nc +kr)图6-14 三相桥式PWM逆变电路输出线电压频谱图(6-11)rcknPE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析 和单相比较(图6-13)，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wc2wr和2wcwr 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展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

36、生的谐波。后者的谐波分布情况和SPWM波的谐波分析一致PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.5 提高直流电压利用率和减少提高直流电压利用率和减少开关次数开关次数v 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逆变电路输出交流电压基波最大幅值幅值U1m和直流电压和直流电压Ud之比之比v 提高直流电压利用率可提高逆变器的输出才干提高直流电压利用率可提高逆变器的输出才干v 减少器件的开关次数可以降低开关损耗减少器件的开关次数可以降低开关损耗v 正弦波调制的三相正弦波调制的三相PWM逆变电路，调制度逆变电路，调制度a为为1时，输时，输出线电压的基

37、波幅值为出线电压的基波幅值为 ，直流电压利用率为，直流电压利用率为0.866，实践还更低，实践还更低v 梯形波调制方法的思绪梯形波调制方法的思绪v 采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用率率v 当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基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波分量幅值更大dU)2/3(PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.5 提高直流电压利用率和减少提高直流电压利用率和减少开关次数开关次数 梯形波调制方法的原理及波形梯形波调制方法的原理及波形 梯形波的外形

38、用三角化率梯形波的外形用三角化率s =Ut/Uto描画，描画，Ut为以横轴为底时梯形波的为以横轴为底时梯形波的高，高，Uto为以横轴为底边把梯形两为以横轴为底边把梯形两腰延伸后相交所构成的三角形的高腰延伸后相交所构成的三角形的高 s =0时梯形波变为矩形波，时梯形波变为矩形波，s =1时梯时梯形波变为三角波形波变为三角波 梯形波含低次谐波，梯形波含低次谐波，PWM波含同波含同样的低次谐波样的低次谐波 低次谐波不包括由载波引起的谐低次谐波不包括由载波引起的谐波产生的波形畸变率为波产生的波形畸变率为d 图6-15ucurUurVurWuuUNOtOtOtOtuVNuUV图6-15 梯形波为调制信号

39、的PWM控制 PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.5 提高直流电压利用率和减少提高直流电压利用率和减少开关次数开关次数 图6-16，d 和U1m /Ud随s 变化的情况 图6-17，s 变化时各次谐波分量幅值Unm和基波幅值U1m之比 s = 0.4时，谐波含量也较少，d 约为3.6%，直流电压利用率为1.03，综合效果较好 梯形波调制的缺陷：输出波形中含5次、7次等低次谐波00.20.40.60.81.0图6-160.20.40.60.81.01.2U1mUd,UdU1m图6-16 s 变化时的d 和直流电压利用率 0.20.40.60.81.0

40、图6-175r00.10.27r11r13rU1mUnm图6-17 s 变化时的各次谐波含量 PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.5 提高直流电压利用率和提高直流电压利用率和减少开关次数减少开关次数 线电压控制方式叠加线电压控制方式叠加3次谐波次谐波 对两个线电压进展控制，适当地利用多余的一个自在对两个线电压进展控制，适当地利用多余的一个自在度来改善控制性能度来改善控制性能 目的目的使输出线电压不含低次谐波的同时尽能够提使输出线电压不含低次谐波的同时尽能够提高直流电压利用率，并尽量减少器件开关次数高直流电压利用率，并尽量减少器件开关次数图6-18u

41、cur1uOturur1uOtur3图6-18 叠加3次谐波的调制信号PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.5 提高直流电压利用率和提高直流电压利用率和减少开关次数减少开关次数 直接控制手段仍是对相电压进展控制，但控制目的却是线电压 相对线电压控制方式，控制目的为相电压时称为相电压控制方式 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，且三相的三次谐波相位一样。合成线电压时，3次谐波相互抵消，线电压为正弦波 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PE N E

42、C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.5 提高直流电压利用率和提高直流电压利用率和减少开关次数减少开关次数 线电压控制方式叠加线电压控制方式叠加3倍次谐波和直流分量图倍次谐波和直流分量图6-19 叠加叠加up，既包含，既包含3倍次谐波，也包含直流分量，倍次谐波，也包含直流分量，up大小随大小随正弦信号的大小而变化正弦信号的大小而变化 设三角波载波幅值为设三角波载波幅值为1，三相调制信号的正弦分别为，三相调制信号的正弦分别为urU1、urV1和和urW1，并令，并令 (6-12) 那么三相的调制信号分别为那么三相的调制信号分别为1),min(rW1rV1rU1puu

43、uuprW1rWprV1rVprU1rUuuuuuuuuu(6-13)PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.5 提高直流电压利用率和提高直流电压利用率和减少开关次数减少开关次数 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的相进展控制，只对其他两相进展控制，这种控制方式称为两相控制方式 优点 1在1/3周期内器件不动作，开关损耗减少1/3 2最大输出线电压基波幅值为Ud，直流电压利用率 提高 3输出线电压不含低次谐波，优于梯形波调制方式PE N E C西

44、安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.6 PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化v PWM多重化逆变电路，普通目的：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v PWM逆变电路多重化结合方式有变压器方式和电抗器方式v 利用电抗器联接的二重PWM逆变电路图6-20，图 6-21)v 两个单元的载波信号错开180v 输 出 端 相 对 于 直 流 电 源 中 点 N 的 电 压uUN=(uU1N+uU2N)/2，已变为单极性PWM波图6-20NU1V1W1U2V2W2uUuVuWUVW2Ud2Ud图6-20 二重PWM型逆变电路 PE N E C西安交通大学

45、电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.6 PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化 输出线电压共有0、(1/2)Ud、Ud五个电平，比非多重化时谐波有所减少 电抗器上所加电压频率为载波频率，比输出频率高得多，只需很小的电抗器就可以了 输出电压所含谐波角频率仍可表示为nwc+kwr，但其中n为奇数时的谐波已全被除去，谐波最低频率在2wc附近，相当于电路的等效载波频率提高一倍图6-21Ud- UdOurUurVuc2uc1tuUVuOtOtOtOtOtuU1NuU2NuUNuVN2Ud2Ud图6-21 二重PWM型逆变电路输出波形 PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究

46、中心(PENEC)制作6.3 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术vPWM波形生成的第三种方法跟踪控制v 方法v把希望输出的波形作为指令信号，把实践波v 形作为反响信号，经过两者的瞬时值比较来v 决议逆变电路各开关器件的通断，使实践的v 输出跟踪指令信号变化v常用的有滞环比较方式和三角波比较方式PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.3.1 滞环比较方式滞环比较方式v电流跟踪控制运用最多v根本原理v把指令电流i*和实践输出电流i的偏向i*-i作为滞环比较 器的输入v经过比较器的输出控制器件V1和V2的通断vV1或VD1通时，i增大vV2或VD2通时，i减小v经过

47、环宽为2DI的滞环比较器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.3.1 滞环比较方式滞环比较方式v 参数的影响v 滞环环宽对跟踪性能的影响：环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大v 电抗器L的作用：L大时，i的变化率小，跟踪慢v L小时，i的变化率大，开关频率过高负载L+图6-22-iii*VD1VD2V1V22Ud2UdO图6-23tiii*+ Ii*- Ii*图6-22 滞环比较方式电流跟踪控制举例图6-23 滞环比较方式的指令电流

48、和输出电流PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.3.1 滞环比较方式滞环比较方式v三相的情况三相的情况图6-24+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVW图6-25Oti*UOtuABiUi图6-25 三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形图6-24 三相电流跟踪型PWM逆变电路PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.3.1 滞环比较方式滞环比较方式v采用滞环比较方式的电流跟踪型采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路变流电路有如下特点有如下特点v 1硬件电路简单硬件电路简单v 2实

49、时控制，电流呼应快实时控制，电流呼应快v 3不用载波，输出电压波形中不含特定频率不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波的谐波v 4和计算法及调制法相比，一样开关频率时和计算法及调制法相比，一样开关频率时输出电输出电v 流中高次谐波含量多流中高次谐波含量多v 5闭环控制，是各种跟踪型闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路变流电路的共同特点的共同特点PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.3.1 滞环比较方式滞环比较方式v采用滞环比较方式实现电压跟踪控制采用滞环比较方式实现电压跟踪控制v把指令电压把指令电压u*和输出电压和输出电压u进展比较，滤除偏进展比较，

50、滤除偏向信号中的谐波，滤波器的输出送入滞环比较向信号中的谐波，滤波器的输出送入滞环比较器，由比较器输出控制开关器件的通断，从而器，由比较器输出控制开关器件的通断，从而实现电压跟踪控制实现电压跟踪控制图6-26滤波器+-uu*u2Ud2Ud图6-26 电压跟踪控制电路举例PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.3.1 滞环比较方式滞环比较方式 和电流跟踪控制电路相比，只是把指令和反响信号从电流变为电压 输出电压PWM波形中含大量高次谐波，必需用适当的滤波器滤除 u*=0时，输出电压u为频率较高的矩形波，相当于一个自励振荡电路 u*为直流信号时，u产生直流偏移

51、，变为正负脉冲宽度不等，正宽负窄或正窄负宽的矩形波 u*为交流信号时，只需其频率远低于上述自励振荡频率，从u中滤除由器件通断产生的高次谐波后，所得的波形就几乎和u* 一样，从而实现电压跟踪控制PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.3.2 三角波比较方式三角波比较方式v根本原理根本原理v不是把指令信号和三角波直接进展比较，而是不是把指令信号和三角波直接进展比较，而是经过闭环来进展控制经过闭环来进展控制v把指令电流把指令电流i*U、i*V和和i*W和实践输出电流和实践输出电流iU、iV、iW进展比较，求出偏向，经过放大器进展比较，求出偏向，经过放大器A放放大

52、后，再去和三角波进展比较，产生大后，再去和三角波进展比较，产生PWM波形波形v放大器放大器A通常具有比例积分特性或比例特性，其通常具有比例积分特性或比例特性，其系数直接影响电流跟踪特性系数直接影响电流跟踪特性PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.3.2 6.3.2 三角波比较方式三角波比较方式v特点特点v开关频率固定，等开关频率固定，等于载波频率，高频于载波频率，高频滤波器设计方便滤波器设计方便v为改善输出电压波为改善输出电压波形，三角波载波常形，三角波载波常用三相三角波载波用三相三角波载波v和滞环比较控制方和滞环比较控制方式相比，这种控制式相比，这种控

53、制方式输出电流所含方式输出电流所含的谐波少的谐波少图6-27负载+-iUi*U+-iVi*V+-iWi*WUdC+-C+-C+-三相三角波发生电路AAA图6-27 三角波比较方式电流跟踪型逆变电路PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.3.2 三角波比较方式三角波比较方式v 定时比较方式定时比较方式v 不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟v 以固定采样周期对指令信号和被控制变量进展采样，根以固定采样周期对指令信号和被控制变量进展采样，根据偏向的极性来控制开关器件通断据偏向的极性来控制开关器件通断v 在时钟信号到来的时

54、辰，如在时钟信号到来的时辰，如i i*，V1断，断，V2通，使通，使i减小减小v 每个采样时辰的控制造用都使实践电流与指令电流的误每个采样时辰的控制造用都使实践电流与指令电流的误差减小差减小v 采用定时比较方式时，器件的最高开关频率为时钟频率采用定时比较方式时，器件的最高开关频率为时钟频率的的1/2v 和滞环比较方式相比，电流控制误差没有一定的环宽，和滞环比较方式相比，电流控制误差没有一定的环宽，控制的精度低一些控制的精度低一些PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法 适用的整流电路几乎都是晶闸管整流或二极

55、管整流 晶闸管相控整流电路：输入电流滞后于电压，且其中谐波分量大，因此功率因数很低 二极管整流电路：虽位移因数接近1，但输入电流中谐波分量很大，所以功率因数也很低 把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就构成了PWM整流电路 控制PWM整流电路，使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1，也称单位功率因数变流器，或高功率因数整流器PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.4.1 PWM整流电路的任务原理整流电路的任务原理v PWM整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前电压型的较多v 1单相PWM整流电路v 图6-28a和b分别

56、为单相半桥和全桥PWM整流电路v 半桥电路直流侧电容必需由两个电容串联，其中点和交流电源衔接v 全桥电路直流侧电容只需一个就可以v 交流侧电感Ls包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常任务所必需的a)负载b)图6-28usLsisRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+udusLsRsV1V2VD1VD2ud负载C1C2图6-28 单相PWM整流电路a) 单相半桥电路 b) 单相全桥电路PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.4.1 PWM整流电路的任务原理整流电路的任务原理 单相全桥单相全桥PWM整流电路的任务原理整流电路的任务原理

57、 正弦信号波和三角波相比较的方法对图正弦信号波和三角波相比较的方法对图6-28b中的中的V1V4进展进展SPWM控制，就可以在桥的交流输入端控制，就可以在桥的交流输入端AB产生一个产生一个SPWM波波uAB uAB中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，不含有量，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，不含有低次谐波低次谐波 由于由于Ls的滤波作用，谐波电压只使的滤波作用，谐波电压只使is产生很小的脉动产生很小的脉动 当正弦信号波频率和电源频率一样时，当正弦信号波频率和电源频率一样时，is也为与电源频率也为

58、与电源频率一样的正弦波一样的正弦波 us一定时，一定时，is幅值和相位仅由幅值和相位仅由uAB中基波中基波uABf的幅值及其的幅值及其与与us的相位差决议的相位差决议 改动改动uABf的幅值和相位，可使的幅值和相位，可使is和和us同相或反相，同相或反相，is比比us超前超前90，或使，或使is与与us相位差为所需角度相位差为所需角度PE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.4.1 PWM整流电路的任务原理整流电路的任务原理 相量图图相量图图6-29 a： 滞后滞后 相角相角d ， 和和 同相，整流形状，功率同相，整流形状，功率因数为因数为1。PWM整流电路

59、最根本的任务形状整流电路最根本的任务形状 b： 超前超前 相角相角d ， 和和 反相，逆变形状，阐明反相，逆变形状，阐明PWM整流电路可实现能量正反两个方向的流动，这一特整流电路可实现能量正反两个方向的流动，这一特点对于需再生制动的交流电动机调速系统很重要点对于需再生制动的交流电动机调速系统很重要 c： 滞后滞后 相角相角d， 超前超前 90，电路向交流电源，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送出无功功率，这时称为静止无功功率发生器Static Var GeneratorSVG d：经过对：经过对 幅值和相位的控制，可以使幅值和相位的控制，可以使 比比 超前超前或滞后任一角

60、度或滞后任一角度j UABsUIssUUABsUIssUUABsUIssUUABIssUPE N E C西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.4.1 PWM整流电路的任务原理整流电路的任务原理 对单相全桥对单相全桥PWM整流电路任务原理的进一步阐明整流电路任务原理的进一步阐明 整流整流形状下形状下 us 0时，时，V2、VD4、VD1、Ls和和V3、VD1、VD4、Ls分别组成两个升压斩波电路，以分别组成两个升压斩波电路，以V2、VD4、VD1、Ls为例为例 V2通时，通时，us经过经过V2、VD4向向Ls储能储能 V2关断时，关断时，Ls中的储能经过中的储能经过VD1