第4章 逆变电路(3)

1、1济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30第四章直流/ /交流逆变器复习上节内容复习上节内容PWM控制技术控制技术PWM 控制就是控制就是脉宽调制技术脉宽调制技术主要理论主要理论面积等效原理面积等效原理一、一、PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法1. 计算法计算法2. 调制法调制法 把希望把希望输出输出的波形作为的波形作为调制信号调制信号，把接受调制的，把接受调制的信号作为信号作为载波载波，通过信号波的调制得到所期望的，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。波形。 2济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-301）单极性）单极性PWM控制方式控制方式单极性单极性PW

2、MPWM控制方式波形控制方式波形ucuruOtOtuouofuoUd-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3济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30在在ur的半个周期内，三角波的半个周期内，三角波载波有正有负，所得载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有波也有正有负，其幅值只有Ud 两种电平。两种电平。双极性双极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形uOtOtuouofuoUd-Uduruc2） 双极性双极性PWM控制方式控制方式4济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-303. 双极性双极性PWM控制方式控制方式（三相桥逆变）（三相桥逆

3、变） 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路5济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-301. 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二、异步调制和同步调制二、异步调制和同步调制载波比：载波频率载波比：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 / fr 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

4、波比变化时，载波比N是变是变化的。化的。6济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-304-6 当当fr较低时，较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产脉冲不对称产 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减小，一周期内的脉冲数减少，少，PWM脉冲不对称的影响就变大。脉冲不对称的影响就变大。 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，半周期内前后称，半周期内前后1/4周期周期 的脉冲也不对称

5、。的脉冲也不对称。7济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频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，即时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。等于常数。urUucurVurWuuUNUd 2uVNO uWNOOttttO2Ud同步调制三相同步调制三相PWM波形波形4-72. 同步调制同步调制 基本同步调制方式，基本同步调制方式，fr 变化时变化时N不变，信号波一不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。周期内输出脉冲数固定。 三相电路中公用一个三相电路中公用一个三角波载波，且取三角波载波，且取N为为3的整数倍，使三相

6、输出的整数倍，使三相输出对称。对称。8济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30urUucurVurWuuUNUd 2uVNO uWNOOttttO2Ud同步调制三相同步调制三相PWM波形波形4-8 为使一相的为使一相的PWM波波正负半周镜对称，正负半周镜对称，N应应取奇数。取奇数。 f r很高时，很高时，f c会过高，会过高，使开关器件难以承受。使开关器件难以承受。 fr很低时，很低时，fc也很低，也很低，由调制带来的谐波不易由调制带来的谐波不易滤除。滤除。9济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-303. 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。异步调制和同步调

7、制的综合应用。把整个把整个fr范围划分成若干范围划分成若干个频段，每个频段内保持个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的恒定，不同频段的N不不同。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。00.40.81.21.62.410203040fr /Hz506070802011479969453321fc /kHz分段同步调制方式举例分段同步调制方式举例4-910济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30三、三、规则采样法规则采样法 1. 自然采样法

8、：自然采样法：按照按照SPWM控制的基本原理控制的基本原理 产生的产生的PWM波的方法，其求波的方法，其求 解复杂，难以在实时控制中解复杂，难以在实时控制中 在线计算，工程应用不多。在线计算，工程应用不多。ucuOturTcADBOtuotAtDtB 22规则采样法规则采样法2. 规则采样法规则采样法工程实用方法，效果接近自工程实用方法，效果接近自 然采样法，计算量小得多。然采样法，计算量小得多。4-3011济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30三角波两个正峰值之间为一个采样周三角波两个正峰值之间为一个采样周期期Tc 。 自然采样法中，脉冲中点不和三角波自然采样法中，脉冲中点不和三

9、角波(负峰点负峰点)重合。重合。规则采样法使两者重合，使计算大规则采样法使两者重合，使计算大 为减化。为减化。如图所示确定如图所示确定A、B点，在点，在tA和和tB时刻时刻控制开关器件的通断。控制开关器件的通断。脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。宽度非常接近。3. 规则采样法原理规则采样法原理ucuOturTcADBOtuotAtDtB 22规则采样法规则采样法4-1112济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-304. 规则采样法计算公式推导规则采样法计算公式推导正弦调制信号波正弦调制信号波ur a sin rt三角波一周期内，脉冲两边间隙宽

10、度三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度a称为称为调制度调制度，0a1； r为信号波角频率为信号波角频率从图从图可可得得：ucuOturTcADBOtuotAtDtB 22规则采样法规则采样法2/22/sin1cDrTta)sin1 (2DrctaT)sin1 (4)(21DrcctaTT13济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30四、谐波分析四、谐波分析双极性双极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形 tO tu ou ofuoU d- U d 单极性单极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形u ru cuOuOtOtuouofuo Ud-Ud使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关使

11、用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量。的谐波分量。谐波谐波频率和幅值频率和幅值是衡量是衡量PWM逆变电路性能的重要逆变电路性能的重要指标之一。指标之一。14济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-301. 特定谐波消去法特定谐波消去法 是是计算法计算法中一种较有代表性的方法。中一种较有代表性的方法。 如果在输出电压半个周期内开关器件开通和关断如果在输出电压半个周期内开关器件开通和关断各各k次，考虑到次，考虑到PWM波四分之一周期对称，共有波四分之一周期对称，共有k个个开关时刻可以控制，除去用一个自由度来控制基波幅开关时刻可以控制，除去用一个自由度来控制基波幅值外，可以值外，

12、可以消去消去k1个频率的特定谐波个频率的特定谐波。 以三相桥式以三相桥式PWM型逆变电路中的型逆变电路中的uUN波形为例波形为例 在输出电压的半个周期内，器件开通和关断各在输出电压的半个周期内，器件开通和关断各3次（不包括次（不包括0和和时刻），共有时刻），共有6个开关时刻可以控制。个开关时刻可以控制。 15济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30特定谐波消去法的输出特定谐波消去法的输出PWM波形波形 为了消除为了消除偶次谐波偶次谐波，应使波形正负两半周期镜，应使波形正负两半周期镜对称，即对称，即 )()(tutu为了消除谐波中的余弦项，简化计算过程，应为了消除谐波中的余弦项，简化计

13、算过程，应使波形在正半周期内前后使波形在正半周期内前后1/4周期以周期以 /2为轴线对称，为轴线对称，即即 )()(tutu16济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30同时满足以上两式的波形称为同时满足以上两式的波形称为四分之一周期对四分之一周期对称波形称波形，这种波形可用傅里叶级数表示为，这种波形可用傅里叶级数表示为,5,3, 1sin)(nntnatu式中，式中，an为为20dsin)(4ttntuan17济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30特定谐波消去法的输出特定谐波消去法的输出PWM波形波形 因为图的波形是四分之一周期对称的，所以在一个周期因为图的波形是四分之一

14、周期对称的，所以在一个周期内的内的12个开关时刻（不包括个开关时刻（不包括0和和 时刻）中，能够独立控制时刻）中，能够独立控制的只有的只有 1、 2和和 3共共3个时刻，该波形的个时刻，该波形的an为为 )cos2cos2cos21 (2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211nnnnUttnUttnUttnUttnUadddddn18济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30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次谐波相互抵消，因次谐波相互抵消，因此通常可以考虑消去此通常可以考虑消去5次和次和7次谐波次谐波，根据

15、需要确定基波分量，根据需要确定基波分量a1的值，的值，再令再令a5和和a7等于等于0，就可以建立三个方程，联立可求得，就可以建立三个方程，联立可求得 1、 2和和 3。 0)7cos27cos27cos21 (720)5cos25cos25cos21 (52)cos2cos2cos21 (2321d7321d5321d1UaUaUa 这样可以消去这样可以消去两种特定频率的谐波两种特定频率的谐波，对于给定的基波幅值，对于给定的基波幅值a1，求解，求解上述方程可得一组上述方程可得一组 1、 2和和 3，基波幅值，基波幅值a1改变时，改变时， 1、 2和和 3也相应也相应地改变。地改变。 19济南大

16、学物理学院济南大学物理学院2022-5-30分析以分析以双极性双极性SPWM波形为准。波形为准。 同步调制可看成同步调制可看成异步调制的异步调制的特殊特殊情况，只分析异步调制方式。情况，只分析异步调制方式。分析方法：分析方法：以载波周期为基础，再利用以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数贝塞尔函数推导出推导出PWM波的波的傅里叶级数傅里叶级数表达式。表达式。尽管分析过程复杂，但结论简单而直观。尽管分析过程复杂，但结论简单而直观。2. PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析20济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-301）单相的分析结果）单相的分析结果图图中中，不同，不同a时单相桥时单相

17、桥式式PWM逆变电路输出逆变电路输出电压频谱图。电压频谱图。谐波角频率为谐波角频率为:nc kr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 c及其附近的谐波以及及其附近的谐波以及2 c、3 c等及其附近的谐波。等及其附近的谐波。+k)角频率 (n1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=021济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-302）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

18、波信号时的情况图图示示，不同，不同a时三相桥式时三相桥式PWM逆变电路输出电逆变电路输出电压压频谱图频谱图。公用载波信号时的情况。公用载波信号时的情况。 输出线电压中的输出线电压中的谐波谐波角频率角频率为为nc kr式中，n=1,3,5,时，k=3(2m1)1，m=1,2,；n=2,4,6,时，k 6m 16m 1m 0,1,m 1,2,。1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率(nc +kr)谐波振幅22济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30u三相和单相比较，共同点是都三相和单相比

19、较，共同点是都不含低次谐波不含低次谐波，一个，一个较显著的区别是载波角频率较显著的区别是载波角频率 c整数倍的谐波没有了，整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是谐波中幅值较高的是 c2 r和和2 c r。谐波分析小结谐波分析小结uSPWM波中谐波主要是角频率为波中谐波主要是角频率为 c、2 c及其附近的及其附近的谐波，很谐波，很容易滤除容易滤除。u当调制信号波当调制信号波不是正弦波不是正弦波时，谐波由时，谐波由两部分两部分组成：组成：一部分是对一部分是对信号波本身信号波本身进行谐波分析所得的结果，另进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于一部分是由于信号波信号波对对载波载波的的调制调制而产生的谐

20、波。后而产生的谐波。后者的谐波分布情况和者的谐波分布情况和SPWM波的谐波分析一致。波的谐波分析一致。23济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-304.5 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术PWM波形生成的第三种方法波形生成的第三种方法跟踪控制方法跟踪控制方法。 把希望输出的波形作为把希望输出的波形作为指令信号指令信号，把实际波，把实际波形作为形作为反馈信号反馈信号，通过两者的瞬时值，通过两者的瞬时值比较比较来决定来决定逆变电路各开关器件的逆变电路各开关器件的通断通断，使实际的输出跟踪，使实际的输出跟踪指令信号变化。指令信号变化。常用的有常用的有滞环比较方式滞环比较方式和和三角波比较方式三

21、角波比较方式。24济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-304.5.1 滞环比较方式滞环比较方式 滞环比较方式电流跟踪控制举例滞环比较方式电流跟踪控制举例 tOiii*+D Ii*-D Ii*滞环比较方式的指令电流和输出电流滞环比较方式的指令电流和输出电流 在滞环比较方式中，在滞环比较方式中，电流跟踪电流跟踪控制控制应用最多。应用最多。 PWM电流跟踪控制单相半电流跟踪控制单相半桥式逆变电路为例讨论桥式逆变电路为例讨论 把把指令电流指令电流i*和和实际输出电实际输出电流流i的偏差的偏差i*-i作为带有滞环特作为带有滞环特性的比较器的输入，通过其输性的比较器的输入，通过其输出来控制功率器

22、件出来控制功率器件V1和和V2的通的通断。断。 25济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30控制规律控制规律 当当V1导通时，导通时，i 增大。增大。 当当V2导通时，导通时，i 减小。减小。 通过通过环宽环宽为为2I 的滞环的滞环比较器的控制，比较器的控制，i就在就在i*+I和和i*-I的范围内，的范围内，呈呈锯齿状锯齿状地跟踪指令电流地跟踪指令电流i*。图图7-24 滞环比较方式电流跟踪控制举例滞环比较方式电流跟踪控制举例 tOiii*+D Ii*-D Ii*图图7-25 滞环比较方式的指令电流和输出电流滞环比较方式的指令电流和输出电流 26济南大学物理学院济南大学物理学院202

23、2-5-30环宽过宽环宽过宽时，开关频时，开关频率低，跟踪误差大；率低，跟踪误差大；环宽过窄环宽过窄时，跟踪误时，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 的变化率大，开关频的变化率大，开关频率过高。率过高。图图7-24 滞环比较方式电流跟踪控制举例滞环比较方式电流跟踪控制举例 tOiii*+D Ii*-D Ii*图图7-25 滞环比较方式的指令电流和输出电流滞环比较方式的指令电流和输出电流 27济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30采用滞环比较方式的采用滞环比较方式的电

24、流跟踪型电流跟踪型PWM变流电路有如下特点变流电路有如下特点 硬件电路简单。硬件电路简单。 实时控制，电流响应快。实时控制，电流响应快。 不用载波，输出电压波形中不含特定频不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。率的谐波。 和计算法及调制法相比，相同开关频率和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中时输出电流中高次谐波高次谐波含量含量多多。 属于属于闭环控制闭环控制，是各种跟踪型，是各种跟踪型PWM变流变流电路的共同特点。电路的共同特点。28济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30 电压跟踪控制电路举例电压跟踪控制电路举例 电压电压跟踪控制跟踪控制 把把指令电压指令电压u*和

25、和输出电压输出电压u进行比较，滤除偏差进行比较，滤除偏差信号中的谐波，滤波器的输出送入滞环比较器，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，从而实现电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。压跟踪控制。 29济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30 输出电压输出电压PWM波形中含波形中含大量大量高次谐波高次谐波，必须，必须用适当的滤波器滤除。用适当的滤波器滤除。 u*=0时，输出电压时，输出电压u为为频率较高频率较高的的矩形波矩形波，相，相当于一个自励振荡电路。当于一个自励振荡电路。 u*为直流信号为直流信号时，时，u产生直流偏移，变为正

26、负产生直流偏移，变为正负脉冲宽度不等，正宽负窄或正窄负宽的矩形波。脉冲宽度不等，正宽负窄或正窄负宽的矩形波。 u*为交流信号为交流信号时，只要其时，只要其频率频率远远低低于上述于上述自自励振荡频率励振荡频率，从，从u中滤除由器件通断产生的高次谐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波后，所得的波形就几乎和u* 相同，从而实现电相同，从而实现电压跟踪控制。压跟踪控制。电压跟踪控制的特点电压跟踪控制的特点 30济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-304.5.2 三角波比较方式三角波比较方式 三角波比较方式电流跟踪型逆变电路三角波比较方式电流跟踪型逆变电路 把把指令电流指令电

27、流i*U、i*V和和i*W和逆变电路实际输出的和逆变电路实际输出的电流电流iU、iV、iW进行比较，进行比较，求出偏差电流，通过求出偏差电流，通过放大器放大器A放大后，再去和三角波进放大后，再去和三角波进行比较，产生行比较，产生PWM波形。波形。 放大器放大器A通常具有通常具有比例比例积分特性或比例特性积分特性或比例特性，其系，其系数直接影响着逆变电路的电数直接影响着逆变电路的电流跟踪特性。流跟踪特性。 31济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30 三角波比较方式三角波比较方式的特点的特点图图7-29 三角波比较方式电流跟踪型逆变电路三角波比较方式电流跟踪型逆变电路 开关频率固定，等

28、于开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设载波频率，高频滤波器设计方便。计方便。 为改善输出电压波为改善输出电压波形，三角波载波常用形，三角波载波常用三相三相三角波三角波载波。载波。 和滞环比较控制方和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输式相比，这种控制方式输出电流所含的出电流所含的谐波少谐波少。32济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-304.5.3 定时比较方式定时比较方式 不用滞环比较器，而是设置一个不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟固定的时钟。 以以固定的采样周期固定的采样周期对指令信号和被控制变量进对指令信号和被控制变量进行采样，并根据二者偏差的极性来控制变流电路行采样，

29、并根据二者偏差的极性来控制变流电路开关器件的通断，使被控制量跟踪指令信号。开关器件的通断，使被控制量跟踪指令信号。33济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30以单相半桥逆变电路为例，在时钟信号到来的采以单相半桥逆变电路为例，在时钟信号到来的采样时刻样时刻 如如ii*，V1关断，关断，V2导通，使导通，使i减小。减小。 每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令电流的误差减小。电流的误差减小。 采用定时比较方式时，器件的最高开关频率为采用定时比较方式时，器件的最高开关频率为时钟频率的时钟频率的1/2。 和滞环比较方式相比，电流控制误差没有一定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。的环宽，控制的精度低一些。34济南大学物理学院济南大学物理学院2022-5-30小结小结PWMPWM控制技术的地位控制技术的地位 PWMPWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。一项技术。PWMPWM技术与器件的关系技术与器件的关系 IGBTIGBT、电力电力MOSFETMOSFET等为代表的全控型器件等为代表的全控型器件的不断完