第4章PWM逆变电路

1、7-14.3 PWM逆变逆变技术技术 引言引言 PWM PWM (Pulse Width Modulation)(Pulse Width Modulation)控制就是控制就是 脉宽调制技术脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行：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（含形状和幅调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值值) )。7-24.3 PWM逆变技术逆变技术 引言引言 PWMPWM控制的思想源于通信技术，控制的思想源于通信技术，全控型器件全控型器件的发展的发展使得实现使得实现PWMPWM控制变得十分容易。控制变得十分容易。 PWMPWM技术的应用十分广泛，它使

2、电力电子装置的技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性性能大大提高能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。占有十分重要的地位。 PWMPWM控制技术正是有赖于在控制技术正是有赖于在逆变电路逆变电路中的成功应用，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大都采用了使用的各种逆变电路大都采用了PWMPWM技术，因此，技术，因此，将将PWMPWM控制技术和逆变电路相结合，才能使我们对控制技术和逆变电路相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。逆变电路有完整地认识。7-34.

3、3.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想1）重要理论基础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相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其上时，其效果基本相同效果基本相同。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 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f (t)d (t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf (t)f (t)f (t)7-44.3.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想b) 冲量相等的各种窄脉冲的响应波形冲量相等的各种窄脉冲的响

4、应波形具体的实例说明具体的实例说明“面积等效原理面积等效原理”a）e (t)电压窄脉冲，是电路的输入。电压窄脉冲，是电路的输入。 i (t)输出电流，是电路的响应。输出电流，是电路的响应。 7-5OutSPWM波4.3.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想Out如何用一系列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来代替一个正弦半波Out7-64.3.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想Ou t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如何用一系列如何用一系列等幅不等宽的脉冲

5、等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波来代替一个正弦半波Out7-74.3.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想OwtUd-Ud 对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到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波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：波为：OwtUd-Ud 根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的根据面积等效原理，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。波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。7-84.3.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想等等幅幅PWM波波输入电源是恒定直流输入电源是恒定直流 第第3章

6、的直流斩波电路章的直流斩波电路 本节的本节的PWM逆变电路逆变电路 不等幅不等幅PWM波波输入电源是交流或不是恒定的输入电源是交流或不是恒定的直流直流 OwtUd-UdUot7-94.3.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法 目前目前中小功率中小功率的逆变电路几乎都采用的逆变电路几乎都采用PWMPWM技术。逆技术。逆变电路是变电路是PWMPWM控制技术最为重要的应用场合。控制技术最为重要的应用场合。 PWMPWM逆变电路也可分为逆变电路也可分为电压型电压型和和电流型电流型两种。两种。 实用的实用的PWMPWM逆变电路几乎都是电压型电路。逆变电路几乎都是电压型电路。7-10(1）计

7、算法计算法 根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算算PWMPWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需开关器件的通断，就可得到所需PWMPWM波形。波形。 本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。变化时，结果都要变化。OutOut4.3.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法7-11 工作时工作时V1和和V2通通断互补，断互补，V3和和V4通断也互补。通断也互补。(2）调制法单相桥式PWM逆变电路结合结合IG

8、BT单单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明4.3.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法7-12 单相桥式PWM逆变电路 Uo正半周，正半周，V1通，通，V2断，断，V3和和V4交替通断。交替通断。 负载电流为正的区间负载电流为正的区间，V1和和V4导导通时，通时，uo等于等于Ud 。 V4关断时，负载关断时，负载电流通过电流通过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仍仍导通，导通，io为负，实际上为负，实际上io从从VD1和和VD4流过，仍有流过，仍有uo=Ud 。V4关断关断V3开开通后，通

9、后，io从从V3和和VD1续流，续流，uo=0。 uo总可得到总可得到Ud和零两种电平。和零两种电平。 uo负半周，让负半周，让V2保持通，保持通，V1保持断，保持断，V3和和V4交替通断，交替通断，uo可得可得-Ud和零两和零两种电平种电平。(2）调制法4.3.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法7-13(2)调制法调制法-单极性单极性控制控制方式方式u ru cuOwtOwtu ou ofUd- 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。4.3.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法7-14(2)调制法调制法-单极性控制方式单极性控制

10、方式uur正半周正半周，V1保持保持通通，V2保持保持断断。u 当当uruc时使时使V4通，通，V3断，断，uo=Ud 。当。当uruc时使时使V4通，通，V3断，断，uo=Ud 。当。当uruc时时，给，给V1和和V4导通信导通信号，给号，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时时，给，给V2和和V3导通信导通信号，给号，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7-7 双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在在ur和

11、和uc的交点时刻控制的交点时刻控制IGBT的通断。的通断。4.3.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法(2)调制法调制法-双极性双极性控制控制方式（单相桥）方式（单相桥）7-18 双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud 单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud 对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。控制的规律不同，它们的输出波形也

12、有较大的差别。4.3.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法(2)调制法调制法7-19 1）用模拟器件实现，称为模拟控制方法；用模拟器件实现，称为模拟控制方法； 2 2）用数字器件实现，称为数字控制方法。数字控）用数字器件实现，称为数字控制方法。数字控制方法有分为三种：制方法有分为三种： a. a. 微处理机通过软件生成微处理机通过软件生成SPWMSPWM波；波； b. b. 使用专门用于使用专门用于SPWMSPWM控制的控制的集成电路芯片集成电路芯片产产生生SPWMSPWM波形；波形； c. c. 采用采用微处理机和专用集成电路微处理机和专用集成电路相结合的方相结合的方法，共同完

13、成控制功能。法，共同完成控制功能。 目前，目前，SPWMSPWM控制大多使用后两种方法。控制大多使用后两种方法。SPWMSPWM波形的生成方法分为：波形的生成方法分为：4.3.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法7-20 模拟电子电路模拟电子电路4.3.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法7-21三相桥式PWM型逆变电路 三相三相的的PWM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依次相差依次相差120(2)调制法调制法-双极性双极性控制控制方式方式（三相桥逆变）（三相桥逆变）4.3.2 PWM逆变电路及其控制方法

14、逆变电路及其控制方法7-22ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVOttttt?t4.3.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法7-23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)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 死区时间的长短主要由开关器死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。件的关断时间决定。 死区时间会给输出的死区时间会给输出的PWMPWM波带波带来影响，使其稍稍偏离正弦波来影响，使其稍稍偏离正弦波。ucurUurVurWuuUN

15、uVNuWNuUNuUVUd- UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud三相桥式PWM型逆变电路 三相桥式PWM逆变电路波形 4.3.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法7-244.3.3 异步调制和同步调制异步调制和同步调制v根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为调制方式分为异步调制异步调制和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

16、不固定，相波的脉冲个数不固定，相位也不固定，脉冲不对称。位也不固定，脉冲不对称。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脉冲不对称的影响就变大脉冲不对称的影响就变大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 / fr1） 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7-254.3.3 异步调制和同步调制异步调制和同步调制2） 同

17、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，即使载波与信号波保持同步，即N等于常数。等于常数。ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud-2Ud同步调制三相PWM波形fr变化时变化时N不变，信号波一周不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。期内输出脉冲数固定。三相电路中公用一个三角波三相电路中公用一个三角波载波，且取载波，且取N为为3的整数倍，的整数倍，使三相输出对称。为使一相使三相输出对称。为使一相的的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很很低低时，时，fc

18、也很低，由调制也很低，由调制带来的谐波不易滤除。带来的谐波不易滤除。fr很很高高时，时，fc会过高，使开关会过高，使开关器件难以承受。器件难以承受。7-264.3.3 异步调制和同步调制异步调制和同步调制3）分段同步调制分段同步调制异步调制和同步调制的综异步调制和同步调制的综合应用。合应用。把整个把整个f fr r范围划分成若干个范围划分成若干个频段，每个频段内保持频段，每个频段内保持N N恒恒定，不同频段的定，不同频段的N N不同。不同。在在f fr r高的频段采用较低的高的频段采用较低的N N，使载波频率不致过高；在使载波频率不致过高；在f fr r低的频段采用较高的低的频段采用较高的N

19、N，使，使载波频率不致过低。载波频率不致过低。分段同步调制方式举例 7-273）分段同步调制分段同步调制 载波比载波比N值的选定与逆变器的输出频率、功率开关器值的选定与逆变器的输出频率、功率开关器件的允许工作频率以及所用的控制手段都有关系。为了件的允许工作频率以及所用的控制手段都有关系。为了使逆变器的输出尽量接近正弦波，应尽可能增大载波比，使逆变器的输出尽量接近正弦波，应尽可能增大载波比，但若从逆变器本身看，载波比又不能太大，应受到下述但若从逆变器本身看，载波比又不能太大，应受到下述关系式的限制，即关系式的限制，即信号频率频段内最高的正弦参考关频率功率开关器件的允许开N 分段同步调制虽然比较麻

20、烦，但在微电子技术迅速发展的今分段同步调制虽然比较麻烦，但在微电子技术迅速发展的今天，这种调制方式是很容易实现的。天，这种调制方式是很容易实现的。当利用微机生成当利用微机生成SPWM脉冲波形时，还应注意使三角载波的脉冲波形时，还应注意使三角载波的周期大于微机的采样计算周期。周期大于微机的采样计算周期。4.3.3 异步调制和同步调制异步调制和同步调制7-284 4）混合调制）混合调制 可在低频输出时采用异步调制方式，高频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。但实点结合起来，和分段同步

21、方式效果接近。但实现较容易。现较容易。4.3.3 异步调制和同步调制异步调制和同步调制7-294.3.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析 谐波谐波频率和幅值频率和幅值是衡量是衡量PWM逆变电路性能的逆变电路性能的重要指标之一。重要指标之一。 使用载波对正弦信号波调制，会产生和使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有载波有关的谐波分量关的谐波分量。 分析以分析以双双极性极性SPWM波形波形为准。为准。 同步调制可看成异步调制的同步调制可看成异步调制的特殊特殊情况，只分析情况，只分析异步调制方式。异步调制方式。 分析过程复杂，但结论简单而直观。分析过程复杂，但结论简单而直观。7-304

22、.3.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析c +kr)角频率角频率 (nww1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅0.20.40.70.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0不同调制度不同调制度a时单相时单相桥式桥式PWM逆变电路逆变电路输出电压频谱图。输出电压频谱图。1）单相的分析结果单相的分析结果谐波角频率为谐波角频率为:rcwwkn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，只含波中不含低次谐波，只含w wc及其附近的谐波以及其附近的谐波以及及2w wc、3w w

23、c等及其附近的谐波。等及其附近的谐波。单相单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图桥式逆变电路输出电压频谱图7-314.3.4 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输出线电压中的谐波角频率为波角频率为rcwwkn式中，式中，n=1,3,5,时，时，k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,时时，-。, 2 , 116, 1 , 016mmmmk1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.70.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率(nwc +k

24、wr)三相逆变电路输出线电压频谱图三相逆变电路输出线电压频谱图谐波振幅7-324.3.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.70.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0三相逆变电路输出线电压频谱三相逆变电路输出线电压频谱谐波振幅100 2+-1234+-0 2+-4+-0 1+-3+-5+-谐波振幅0.20.40.70.81.01.21.4kna= 1.0a= 0.8a= 0.5a= 0单相逆变电路输出电压频谱单相逆变电路输出电压频谱 三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著三相和单相比

25、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的区别是载波角频率wc整数倍的谐波没有了，谐波中幅值整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是较高的是wc2wr和和2wcwr。 SPWM波中谐波主要是角频率为波中谐波主要是角频率为wc、2wc及其附近的谐波，及其附近的谐波，很容易滤除。很容易滤除。7-334.3.5 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术 前面所述的前面所述的PWM控制技术都是以输出电压近控制技术都是以输出电压近似正弦波为目标的。似正弦波为目标的。 但是，在但是，在交流电机交流电机中，实际需要保证的应该是中，实际需要保证的应该是正弦波电流正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入，因

26、为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，若能恒定值，不含脉动分量。因此，若能对电流实对电流实行闭环控制行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。压开环控制能够获得更好的性能。 最常用的电流跟踪式最常用的电流跟踪式PWM逆变器是电流滞环逆变器是电流滞环跟踪控制。跟踪控制。7-34 1)电流跟踪型电流跟踪型PWM变流电路变流电路滞环比较方式电流跟踪控制滞环比较方式电流跟踪控制举例举例基本原理基本原理电流控制器是带滞环的比较电流控制器是带滞环的比较器

27、，环宽为器，环宽为2h。把指令电流把指令电流 i* 和实际输出电和实际输出电流流i的偏差的偏差 i*-i 作为滞环比较作为滞环比较器的输入。器的输入。将给定电流将给定电流 i* 与输出电流与输出电流 i进行比较，电流偏差进行比较，电流偏差 i超超过时过时 h，经滞环控制器控，经滞环控制器控制逆变器上（或下）桥臂的制逆变器上（或下）桥臂的功率器件动作功率器件动作。 V1（或（或VD1）通时，）通时，i 增大增大V2（或（或VD2）通时，）通时，i 减小减小4.3.5 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术7-35 如果如果 i i* ， 且且 i* - i h，控制器输出正，控制器输出正电平，驱动电平，

28、驱动V1导通，逆变器输出正电压，导通，逆变器输出正电压，使使i增大。增大。 直到达到直到达到 i = i* + h ， i = h ，使滞环翻，使滞环翻转，控制器输出负电平，关断转，控制器输出负电平，关断V1 ，并经，并经延时后驱动延时后驱动V2。 但由于电感作用，电流不会反向，而是但由于电感作用，电流不会反向，而是通过通过VD2续流，使续流，使V2受到反向钳位而不受到反向钳位而不能导通。能导通。i逐渐减小，直到逐渐减小，直到i = i* - h时，到时，到达偏差的下限值，控制器再翻转，又重达偏差的下限值，控制器再翻转，又重复使复使V1导通。导通。 V1与与VD2交替工作，使输出电流给定值交替

29、工作，使输出电流给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化。下作锯齿状变化。 输出电流是十分接近正弦波的。输出电流是十分接近正弦波的。 1)电流跟踪型电流跟踪型PWM变流电路变流电路图图7-22 滞环比较方式电流跟滞环比较方式电流跟踪控制举例踪控制举例4.3.5 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术7-36电流跟踪电流跟踪PWM控制控制tOiii*+ Ii*- Ii*图7-23 滞环比较方式的指令电流和输出电流图7-22 滞环比较方式电流跟踪控制举例参数的影响参数的影响 环宽过宽时，开关频环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；率低，跟踪误差大；环宽过窄时，

30、跟踪误环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过差小，但开关频率过高，开关损耗增大。高，开关损耗增大。L大时，大时，i的变化率小，的变化率小，跟踪慢；跟踪慢；L小时，小时，i的变的变化率大，开关频率过化率大，开关频率过高。高。滞环环宽电抗器L的作用4.3.5 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术7-372) 三相的情况三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形三相电流跟踪型PWM逆变电路4.3.5 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术7-383) 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PWMPWM变流电路有如下变流电路有如下特点特点。（1）硬件电路简单。）硬件电路简单。 （2）实时控制，电流响应快。

31、）实时控制，电流响应快。 （3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。 （4）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流 中高次谐波含量多。中高次谐波含量多。 （5）闭环控制，是各种跟踪型闭环控制，是各种跟踪型PWMPWM变流电路的共同特点。变流电路的共同特点。4.3.5 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术7-394) 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 把指令电压把指令电压u*和输出电压和输出电压u进行比较，滤除偏差信号中进行比较，滤除偏差信号中的谐波，滤波器的输出送入滞环比较器，由比较器输的谐波，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，从而实现电压跟踪控制。出控制