第7讲PWM原理及控制技术

1、电力电子应用技术 第七章 PWM原理与控制技术变流技术 相位控制： 在一个周期内把原波形切为几块进行重新组合如可控整流、相控交流调压、交交变频、180和120 导通型逆变。周波比控制： 把一定数量周期的波形按比例进行通断控制交流调功电路。斩波控制： 把要变换的波形切碎（切割为许多脉冲）进行重新组合比如直流斩波。脉冲宽度调制（PWM）： 把所变换的波形切割为宽度按要求变化的一系列脉冲脉冲宽度调制。脉冲幅度调制（PAM)： 把所变换的波形切割为宽度恒定、高度按要求变化的一系列脉冲输出脉冲等宽不等高（如斩控式交流调压）。脉冲频率调制（PFM）： 把所变换的波形切割为脉冲宽度恒定、频率变化的一系列脉冲

2、定宽调频控制。各自特点：PAM：需调节直流电压的值，谐波含量大PFM：实现相对较难PWM：分析、控制、实现容易，谐波小7.1 PWM控制的基本原理理论依据：面积等效原理 冲量相等而形状不同的窄脉冲作用在惯性环节上时，其作用效果基本相同，也称面积等效原理。 （a） （b） （c） （d） 作用对象：惯性环节作用量：窄脉冲（电压、电流）用等幅不等宽的矩形脉冲来等效正弦波 把正弦半波看成N个彼此相连的等宽脉冲，都等于/N，脉冲顶部是正弦波的一部分。用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，且使二者面积相等，就是PWM波形。 SPWM：脉冲宽度按正弦规律变化的一系列 脉冲， 用以等效正弦波。 PWM波形可

3、以等幅，可以不等幅。 等幅便于计算，易于实现。 不等幅计算复杂，实现困难，但必须满足面积等效原理。7.2 SPWM波形生成方法7.2.1 等面积法计算法7.2.2 调制法 调制解调的概念： 调制：源于通信系统，把要传输的信号 附着在另一个信号（载体电波） 上，以利于传输。 解调：把已调制的信号还原为原来的信 号。 载波：载体电波，用于搭载信号波的波。 信号波：要传输的信息波。 调制波：用信号波与载波合成的过程叫 调制过程，实际是用信号波调 制载波，故把信号波也称为调 制波。调制法产生SPWM波形 1、自然采样法 直接使用调制波与三角载波相比较，二者的交点时刻就是脉冲的边沿，这种产生SPWM脉冲

4、的方法称为自然采样法 。2、规则采样法 3、准正弦波脉冲宽度调制法提高直流电压利用率 当SPWM控制的正弦调制波峰值大于三角波的峰值时，会出现过调制。脉冲宽度不再遵循正弦调制波的规律。因而三角载波的幅值必须大于正弦波幅值。 解决办法： 采用梯形波作为调制波采用鞍形波作为调制波7.2.3 低次谐波消去法 低次谐波消去法的核心，是通过对 SPWM脉冲位置的合理安排，达到既能控制输出电压基波的大小，又能有选择地消除逆变器输出电压中某些低次谐波。 需联立求解的方程 。 7.3. PWM控制技术中的基本概念控制技术中的基本概念7.3.1 载波比和调制深度载波比和调制深度 载波比载波比N：载波信号的频率：

5、载波信号的频率fc与调制信号的与调制信号的 频率频率fr之比。之比。调制深度：正弦调制信号的幅值与三角载波调制深度：正弦调制信号的幅值与三角载波 信号的幅值之比。信号的幅值之比。 7.3.2 同步调制、异步调制和分段同步调制同步调制、异步调制和分段同步调制1、同步调制、同步调制 使载波信号和调制信号始终保持同步使载波信号和调制信号始终保持同步 。 2、异步调制 在调制信号频率变化时保持载波信号频率不变 。3、分段同步调制 分段同步调制是将调制波频率分为若干个频段，在每个频段内都保持载波比N恒定不变，不同频段则载波比N不同。 7.3.3 单极性调制和双极性调制单极性调制和双极性调制单极性调制：调

6、制信号ur和载波信号uc始终 保持相同的极性。 双极性调制：指在调制波的每半周期内载波 信号uc为双极性，每个开关周期内输出 电压波形都会出现正负两种极性的电平。 7.4 PWM逆变电路逆变电路 7.4.1 单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆变电路双极性控制模式时单相桥式逆变电路波形图 7.4.2 三相桥式三相桥式PWM逆变电路逆变电路 7.5 PWM逆变电路的其他控制方法逆变电路的其他控制方法 电流跟踪型PWM控制技术、 空间电压矢量PWM控制技术、 直接转矩PWM控制技术等 。7.5.1 电流跟踪型电流跟踪型PWM控制技术控制技术基本思想： 把希望输出的电流波形作为指令信号，把实际的电流波形

7、作为反馈信号，通过两者瞬时值的比较来决定逆变电路各开关器件的通断，使实际输出电流随指令信号的改变而改变。方法： 以逆变电路的输出电流为控制量，采用闭环控制的方法生成PWM波形。 采用滞环比较方式的PWM电流跟踪控制单相半桥逆变电路 三相滞环比较电流跟踪型PWM逆变电路 7.5.2 电压空间矢量电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技）控制技 术术 三相交流电动机在定子绕组上施加三相对称交流电压，在定子绕组中即产生定子电流和磁通。在三相绕组共同作用下，在电机的气隙中产生了合成的旋转磁场。时空变化的旋转磁场由三相平衡正弦电压产生，为了描述三相电压与电动机旋转磁场的关系，提出了电压空间矢量的概念。 v

8、三相桥逆变电路为异步电动机供电原理图v旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹 v六状态电压空间矢量 v六状态磁链空间矢量 v 逼近圆形的多边形磁链轨迹 v圆形磁链控制原理图 7.6 PWM整流电路整流电路 用全控型开关器件取代晶闸管或二极管，采用PWM控制技术实现交流到直流的变换。PWM整流电路。PWM整流电路的优点：电能双向传输、动态响应快、输入电流的波形正弦、网侧功率因数可达到1等优良性能。也称为高频整流器或四象限变流器 7.6.1 PWM整流电路的结构和工作原理整流电路的结构和工作原理只有全控器件组成的单相全桥整流电路 电压型单相全桥PWM整流电路 直流侧负载两端并联电容可减小直流电压的脉动，

9、在交流侧串电感可抑制交流电流的脉动。但因电感的存在，当全控型器件关断时，因电流突变产生的di/dt很大，严重威胁器件的安全，需反并联二极管为其提供释放能量的通道。 反并联二极管后，只要负载两端电压低于A、B两端电压值，则二极管导通（正半周期VD1、VD4导通，负半周期VD2、VD3导通），同时全控型器件被旁路，整流工作状态与二极管整流电路完全相同，对全控型器件进行PWM控制失去作用。只有在直流侧电压Ud 大于A、B两端电压时，二极管不会自然导通，全控型器件组成的桥式电路才可以正常工作。 实际上，PWM整流电路是按升压斩波电路工作的。 当us0时，由两个升压斩波电路交替工作完成能量从交流侧向直流

10、侧的传递。 当us0时，由另外两个升压斩波电路交替工作完成能量从交流侧向直流侧的传递。当us0时，两个升压斩波电路：VD1、VT3、VD4、LS和VT2、VD4、VD1、LS 当us0时，两个升压斩波电路： VT4、VD2、VD3、LS和VT1、VD3、VD2、LS PWM整流电路的运行状态 （1）uAB滞后us的相角为，is与us同相位， 电路工作于整流状态，且功率因数为1， 能量从交流侧向直流侧传输，这是PWM 变流电路的最基本的工作状态。（2）uAB超前us的相角为，is与us的相位 正好相反，电路工作于有源逆变状 态，能量从直流侧向交流侧传输。（3）uAB滞后us相角为，is超前us

11、90,电 路向交流电源输送无功功率，这时的 电路成为静止无功功率发生器 （Static Var Generator-SVG）。（4）通过对uAB幅值和相位的控制，可以使 is与us之间为任意角度，可以是超前 的，也可以是滞后的。三相PWM整流电路 7.6.2 PWM整流电路的控制vPWM整流电路的控制方法： 直流电压、交流电流双闭环反馈控制 内环：交流电源电流 外环：负载两端直流电压 三个方面： 输出直流电压控制； 输入交流电流控制； 开关器件的逻辑控制。1、输出直流电压控制外环 电压型PWM整流电路的控制目的： 使输出直流电压稳定在要求的值； 运用反馈控制原理，将直流电压作为被控制量，构成闭

12、环控制系统完成控制要求。 使供电电源的功率因数达到要求的值， 一般为1和1。 2、输入交流电流控制内环 满足第二个目的：功率因数达到要求的值。 采用反馈控制的方法。 电流给定与电流反馈比较，由PI调节器调节，把输入交流电流控制为希望值。 交流电流控制分两种： 间接电流控制：没有引入输入电流反馈 直接电流控制：引入输入电流反馈 间接电流控制 根据关系式： 在电源电压us和阻抗一定的情况下，is的幅值和相位仅由uABf的幅值及其与us的相位差所决定，控制uABf的幅值和相位，就能迫使us和is的相位差为所需要的任意角度。 SSsABfsIRLjUU)( 因此，间接电流控制就是通过控制交流电源电压u

13、s ，由 减去阻抗压降(jLs+Rs)Is得到UAB的调制波，经与三角载波相比较获得开关器件的通断时刻。 sUv间接电流控制的问题： 该控制方式基于系统的静态模型设计，控制过程中用到电路参数Ls和Rs，前提条件是电网电压不能发生畸变。实际上，由于上述各量的变化，会直接影响控制系统的效果，且动态特性较差，因而这种方法应用较少。（2）直接电流控制 直接电流控制直接引入交流电流is作为反馈量，使交流电流is跟踪给定电流变化，采用电压外环、电流内环的双闭环控制方式。 v直接电流控制系统的优点： 由于采用了滞环比较器，使交流电流isk始终保持在给定电流isk*的附近，不受电网电压波动和负载变换的影响，系

14、统鲁棒性好，动态响应快，因而应用比较多。 3、开关器件的逻辑控制 根据变流电路的预期性能，经电流调节器和输入交流电流的控制得到开关器件的PWM驱动信号。7.7 矩阵式变频电路矩阵式变频电路 矩阵式变频电路直接把脉动的交流电通过斩波控制变换为所需频率的交流电，而不再对恒定的直流电进行变换，原理仍为分时切片再进行组合。通过开关控制截取三相交流电源的片段并重新组合，得到所希望的输出电压波形。 在任一时刻，输出三相中的任意一相都可以通过交流开关与三相电源的任一相连接 。以u相为例，通过Sau、Sbu、Scu 的通断控制使uu 等于ua、ub或uc，但三个开关同时只能有一个导通，否则会造成电源短路。 输

15、出量uu 就是由输入电源ua、ub、uc三相电压的片段组合而成，只要开关频率足够高，选择合适的导通时刻与合适的导通时间，uu就可以为希望输出频率的交流电了。 当开关Sau 导通时，uuua，当开关Sbu 导通时，uuub,当开关Scu 导通时，uuuc,通过对Sau、Sbu、Scu导通时间的控制。可以构造uu所需要的波形。这样输出u相电压可以表示为： uuau ua +bu ub +cu uc 三相输出电压与输入电压的关系可以表示为：7.8 PWM变流电路在电气传动方面的应用变流电路在电气传动方面的应用例例交直交变频器交直交变频器 7.9 PWM变流电路在电源技术方面的应用例变流电路在电源技术方面的应用例不间断电源和应急电源不间断电源和应急电源 7.9.1 UPS电源电源 7.9.2 EPS电源电源 7.10 PWM变流电路在电力系统中的应用例变流电路在电力系统中的应用例 7.10.1 PWM变流电路在交流