第7章PWM控制技术

1、The equal-area theorem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。图图6-1 6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)d)单位脉冲函数单位脉冲函数f f ( (t t) )d d ( (t t) )t tO Oa)a)矩形脉冲矩形脉冲b)b)三角形脉冲三角形脉冲c)c)正弦半波脉冲正弦半波脉冲t tO Ot tO Ot tO Of f ( (t t) )f f ( (t t) )f f ( (t t) )b)图图6-2 6-2 冲量相等的各冲量相等的各种窄

2、脉冲的响应波形种窄脉冲的响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）u u (t)(t)电压窄脉冲，电压窄脉冲，是电路的输入是电路的输入 i i (t)(t)输出电流，输出电流，是电路的响应是电路的响应 OutSPWMSPWM波波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Out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。SPWMSPWM波波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OutO

3、utOwtUd-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PWMPWM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PWMPWM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PWMPWM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。等等幅幅PWMPWM波波 输入电源是恒定直流输入电源是恒定直流 第第3 3章的直流斩波电路章的直流斩波电路 6.26.2节的节的PWMPWM逆变电路逆变电路 6.46.4节的节的PWMPWM整流电路整流电路不

4、等幅不等幅PWMPWM波波 输入电源是交流或不是恒定输入电源是交流或不是恒定 的直流的直流 4.14.1节的斩控式交流调压电路节的斩控式交流调压电路 4.44.4节的矩阵式变频电路节的矩阵式变频电路OwtUd-UdUot直流斩波电路直流斩波电路 直流波形直流波形SPWMSPWM波波 正弦波形正弦波形PWMPWM波可等效的各种波形波可等效的各种波形l 所需波形所需波形 l 等效的等效的PWMPWM波波0s5m s10m s15m s20m s25m s30m s-20V0V20V等效成其他所需波形，如等效成其他所需波形，如: :1 1）计算法计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，根据正弦波频

5、率、幅值和半周期脉冲数，准确计算准确计算PWMPWM波各脉冲宽度和间隔，据此控波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需需PWMPWM波形。波形。本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。或相位变化时，结果都要变化。工作时工作时V V1 1和和V V2 2通断互补，通断互补，V V3 3和和V V4 4通断也互补通断也互补以以u uo o正半周为例，正半周为例，V V1 1通，通，V V2 2断，断，V V3 3和和V V4 4交替通断交替通断负载电流比电压滞后，负载电流比电压滞

6、后，在电压正半周，电流在电压正半周，电流有一段区间为正，一有一段区间为正，一段区间为负段区间为负负载电流为正的区间，负载电流为正的区间，V V1 1和和V V4 4导通时，导通时，u uo o等于等于U Ud d 2 2）调制法调制法结合结合IGBTIGBT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图图6 64 4 单相桥式单相桥式PWMPWM逆变电路逆变电路u ur r正半周正半周，V V1 1保持保持通通，V V2 2保持保持断断。当当u ur r u uc c时使时使V V4 4通，通，V V3 3断，断，u uo o= =U Ud d 。当当u ur

7、r u uc c时时，给，给V V1 1和和V V4 4导通导通信号，给信号，给V V2 2和和V V3 3关断信号。关断信号。如如i io o00，V V1 1和和V V4 4通，如通，如i io o00，VDVD1 1和和VDVD4 4通，通， u uo o= =U Ud d 。当当u ur r u uc c时时，给，给V V2 2和和V V3 3导通导通信号，给信号，给V V1 1和和V V4 4关断信号。关断信号。如如i io o000，VDVD2 2和和VDVD3 3通，通，u uo o=-=-U Ud d 。在在u ur r和和u uc c的交点时刻控制的交点时刻控制IGBTIGB

8、T的通断。的通断。图图6-6 6-6 双极性双极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形图图6-5 6-5 单极性单极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形 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，它们的输出波形也有较大的差别。4 4）双极性双极性PWMPWM控制控制方式方式（三相桥逆变）（三相桥逆变）图图6-7 6-7 三相桥式三相桥式PWMPWM型逆变电路型逆变电路 三相的三相的PWMPW

9、M控制控制公用三角波载公用三角波载波波u uc c三相的调制信三相的调制信号号u urUrU、u urVrV和和u urWrW依次相差依次相差120120以以U U相为例分析：相为例分析：当当u urUrU u uc c时，给时，给V V1 1导通信号，给导通信号，给V V4 4关断信号，关断信号，u uUNUN= =U Ud d/2/2。当当u urUrU u uc c时，给时，给V V4 4导通信号，给导通信号，给V V1 1关断信号，关断信号，u uUNUN=-=-U Ud d/2/2。当给当给V V1 1(V(V4 4) )加导通信号时，可能是加导通信号时，可能是V V1 1(V(V4

10、 4) )导通，也可导通，也可能是能是VDVD1 1(VD(VD4 4) )导通。导通。u uUNUN、u uVNVN和和u uWNWN的的PWMPWM波形只有波形只有U Ud d/2/2两种电平。两种电平。u uUVUV波形可由波形可由u uUNUN- -u uVNVN得出，当得出，当1 1和和6 6通时，通时，u uUVUV= =U Ud d，当，当3 3和和4 4通时，通时，u uUVUV= =U Ud d，当，当1 1和和3 3或或4 4和和6 6通时，通时，u uUVUV=0=0。图图6-8 6-8 三相桥三相桥式式PWMPWM逆变电路逆变电路波形波形 计算法中一种较有计算法中一种较

11、有代表性的方法。代表性的方法。输出电压半输出电压半周期内，周期内，器件通、断各器件通、断各3 3次次（不包括（不包括0 0和和），），共共6 6个开关时刻可个开关时刻可控。控。为减少谐波并简化为减少谐波并简化控制，要尽量使波控制，要尽量使波形对称。形对称。图图6-9 6-9 特定谐波消去法的输出特定谐波消去法的输出PWMPWM波形波形O Ow w t tu uo oU Ud d- -U Ud d2 2p pp pa a1 1a a2 2a a3 3为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即称，即)()(wwtutu为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期为

12、消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后内前后1/41/4周期以周期以/2/2为轴线对称为轴线对称 )()(tutuww同时满足上两个条件的波形称为四分之一周同时满足上两个条件的波形称为四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为期对称波形，用傅里叶级数表示为 式中，式中，a an n为为, 5 , 3 , 1sin)(nntnatuww20dsin)(4wwwttntuan能独立控制能独立控制a a1 1、a a 2 2和和a a 3 3共共3 3个时刻。该波形的个时刻。该波形的a an n为为 式中式中n n=1,3,5,=1,3,5,)cos2cos2cos21(2d)sin2(dsin2

13、d)sin2(dsin2432120332211wwwwwwwwnnnnUttnUttnUttnUttnUadddddn确定确定a a1 1的值，再令的值，再令两个不同的两个不同的a an n=0(=0(n n=1,3,5=1,3,5) )，就可建三个方程，就可建三个方程，求得求得a a1 1、a a2 2和和a a3 3 。图图6-9 6-9 特定谐波消去法的输出特定谐波消去法的输出PWMPWM波形波形O Ow w t tu uo oU Ud d- -U Ud d2 2p pp pa a1 1a a2 2a a3 3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

14、3 3次谐次谐波相互抵消。波相互抵消。可考虑消去可考虑消去5 5次和次和7 7次谐波，得如下联立方程：次谐波，得如下联立方程：给定给定a a1 1，解方程可得，解方程可得a a1 1、a a2 2和和a a3 3。a a1 1变，变，a a1 1、a a2 2和和a a3 3也相应改变。也相应改变。0)7cos27cos27cos21 (720)5cos25cos25cos21 (52)cos2cos2cos21 (2321d7321d5321d1UaUaUa（65）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，PWMPWM调制方式分为调制方式分为异步

15、调制异步调制和和同步调制同步调制。载波比载波比载波频率载波频率f fc c与调制信号频率与调制信号频率f fr r之比，之比，N N= = f fc c / / f fr r1 1） 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2 2） 同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 N等于常数。等于常数。通常保持通常保持f fc c固定不变，当固定不变，当f fr r变化时，载波比变化时，载波比N N是变是变化的化的在信号波的半周期内，在

16、信号波的半周期内，PWMPWM波的脉冲个数不固定，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，半周期相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后内前后1/41/4周期的脉冲也不对称周期的脉冲也不对称当当f fr r较低时，较低时，N N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小不对称产生的不利影响都较小当当f fr r增高时，增高时，N 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，PWMPWM脉冲不对称的影响就变大脉冲不对称的影响就变大1 1） 异步调制异步调制2 2） 同步调制同步调制基本同步调制方式，基本同步调制

17、方式，f fr r变变化时化时N N不变，信号波一周期不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。内输出脉冲数固定。三相电路中公用一个三角三相电路中公用一个三角波载波，且取波载波，且取N N为为3 3的整数的整数倍，使三相输出对称。倍，使三相输出对称。为使一相的为使一相的PWMPWM波正负半周波正负半周镜对称，镜对称，N N应取奇数。应取奇数。f fr r很低时，很低时，f fc c也很低，由调制带来的谐波不易滤除。也很低，由调制带来的谐波不易滤除。f fr r很高时，很高时，f fc c会过高，使开关器件难以承受。会过高，使开关器件难以承受。3 3）分段同步调制分段同步调制异步调制和同步调制的异步调

18、制和同步调制的综合应用。综合应用。把整个把整个f fr r范围划分成若范围划分成若干个频段，每个频段内干个频段，每个频段内保持保持N N恒定，不同频段的恒定，不同频段的N N不同。不同。在在f fr r高的频段采用较低高的频段采用较低的的N N，使载波频率不致过，使载波频率不致过高；在高；在f fr r低的频段采用低的频段采用较高的较高的N N，使载波频率不，使载波频率不致过低。致过低。01.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr /Hzfc /kHz图图6-11 6-11 分段同步调制方式举例分段同步调制方式举例 3 3

19、）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。异步调制和同步调制的综合应用。为防止为防止f fc c在切换点附近来回跳动，采用滞后切换在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。的方法。同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。实现。可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时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，这样把两者的优点结合起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。来，和分段同步方式效果接近。1 1）自然采样法：）自然采样法： 按照按照SPWMSPWM控制的基本原控制的基本原理

20、产生的理产生的PWMPWM波的方法，其波的方法，其求解复杂，难以在实时控求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用制中在线计算，工程应用不多。不多。图图6-12 6-12 规则采样法规则采样法 2 2）规则采样法）规则采样法 工程实用方法，效果工程实用方法，效果接近自然采样法，计算接近自然采样法，计算量小得多。量小得多。 规则采样法原理规则采样法原理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taursinrw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)sin1 (421DrcctaTTw(6-7)(6-7)a a称为称为调制度调制度，00a

21、 a1 0时时，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分别组成两个升压斩波电路，以（V2、VD4、VD1、Ls）为例。V2通时，us通过V2、VD4向Ls储能。V2关断时，Ls中的储能通过VD1、VD4向C充电。us 0时时，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分别组成两个升压斩波电路。2三相PWM整流电路三相桥式PWM整流电路，是最基本的PWM整流电路之一，应用最广。工作原理和前述的单相全桥电路相似，只是从单相扩展到三相。进行SPWM控制，在交流输入端A、B和C可得 SPWM电压，按图6-29a的相量图控制，可使i ia a、i ib b、i

22、 ic c为正弦波且和电压同相且功率因数近似为1。和单相相同，该电路也可工作在逆变运行状态及图c或d的状态。图6-30 三相桥式PWM整流电路 负载图6-31 间接电流控制系统结构1) 间接电流控制间接电流控制也称为相位和幅值控制相位和幅值控制。按图6-29a（逆变时为图6-29b）的相量关系来控制整流桥交流输入端电压，使得输入电流和电压同相位，从而得到功率因数为1的控制效果。图6-31，间接电流控间接电流控制的系统结构图制的系统结构图图中的PWM整流电路为图6-30的三相桥式电路控制系统的闭环是整流器直流侧电压控制环。有多种控制方法，根据有没有引入电流反馈引入电流反馈可分为两种 间接电流控制间接电流控制、直接电流控制直接电流控制。控制原理控制原理 和实际的直流电压和实际的直流电压u ud d比较后送入比较后送入PIPI调节器，调节器，PIPI调节器的输出为一直流电流信号调节器的输出为一直流电流信号i id d，i id d的大小和的大小和整流器交流输入电流幅值成正比。整流器交流输入电流幅值成正比。稳态时，稳态时，u ud d= = ，PIPI调节器输入为零，调节器输入为零，PIPI调节器调节器的输出的输出i id d和负载电流大小对应，也和交流输入电流幅和负载电流大小