第4章-PWM控制及其变异-电力电子与电机系统分析基础-教学课件

第4章PWM控制及其变异4.1变换器的PWM控制方法及多电平SPWM

4.1.1

PWM的基本概念

4.1.2载波PWM

4.2空间矢量PWM

4.2.1

SVPWM基本原理

4.2.2

SVPWM矢量合成

4.2.3

SVPWM开关顺序

4.2.4多电平SVPWM

4.3其他类型的PWM方法

4.3.1特定消谐PWM

4.3.2具有反馈环节的PWM

4.3.3单周期控制(One-cyclecontrol)第4章PWM控制及其变异4.1变换器的PWM控制方法及多1第4章PWM控制及其变异4.4

PWM波形的死区、最小脉宽和异常脉冲

4.4.1死区及最小脉宽

4.4.2信号脉冲与功率脉冲第4章PWM控制及其变异4.4PWM波形的死区、最小脉宽24.1变换器的PWM控制方法及多电平SPWM电力电子变换器的控制策略和方法与其使用的电力半导体器件和拓扑结构有密切的关系，不同的开关器件和不同的拓扑有不同的PWM方式，比如，基于半控开关和全控开关的变换器控制方式完全不一样，基于不同类型的全控开关的变换器控制方式中的关键参数也存在很大的差异，例如开关频率，在小容量的MOSFET变换器中，开关频率可以大于100kHz，而在兆瓦级的大容量IGCT变换器中，其开关频率一般小于1kHz。4.1变换器的PWM控制方法及多电平SPWM电力电子变换器34.1.1

PWM的基本概念图4-1电气传动变换器的PAM方式4.1.1PWM的基本概念图4-1电气传动变换器的PAM44.1.1

PWM的基本概念图4-2电气传动变换器的PWM方式4.1.1PWM的基本概念图4-2电气传动变换器的PWM54.1.2载波PWM1.常规的多电平载波PWM方法

2.注入零序分量的多电平载波PWM方法

3.载波频率变化的PWM

4.混合载波的PWM

5.相移载波的PWM4.1.2载波PWM1.常规的多电平载波PWM方法

2.注61.常规的多电平载波PWM方法图4-3常规五电平载波的PWM示意图1.常规的多电平载波PWM方法图4-3常规五电平载波的PW72.注入零序分量的多电平载波PWM方法图4-4注入零序分量的五电平载波的PWM示意图2.注入零序分量的多电平载波PWM方法图4-4注入零序分量83.载波频率变化的PWM图4-5载波频率变化的五电平载波的PWM示意图3.载波频率变化的PWM图4-5载波频率变化的五电平载波的94.混合载波的PWM图4-6混合载波的五电平载波的PWM示意图4.混合载波的PWM图4-6混合载波的五电平载波的PWM示105.相移载波的PWM图4-7相移载波的五电平载波的PWM示意图5.相移载波的PWM图4-7相移载波的五电平载波的PWM示115.相移载波的PWM图4-8锯齿波载波比较示意图5.相移载波的PWM图4-8锯齿波载波比较示意图125.相移载波的PWM图4-9三角波载波比较示意图5.相移载波的PWM图4-9三角波载波比较示意图134.2空间矢量PWM空间矢量PWM(SpaceVectorPWM,SVPWM)也可称为磁通正弦PWM，它是从电机气隙磁场的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场。它以三相对称正弦波电压供电时的交流电机的理想磁通圆为基准，采用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去近似基准圆磁通，从而形成PWM。该控制方法把逆变器和电机看成一个整体来处理，特别适合集成系统的应用。它将电机内部圆形磁场的控制转化为变换器的开关控制，两者完全融合于一体，充分体现了电力电子与电机系统集成的特性。该方法模型简单，便于实时控制，并具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高等优点，在开闭环控制系统中都得到广泛应用。4.2空间矢量PWM空间矢量PWM(SpaceVecto144.2.1

SVPWM基本原理图4-10典型的三相逆变器驱动电机电路图4.2.1SVPWM基本原理图4-10典型的三相逆变器驱154.2.1

SVPWM基本原理图4-11两电平逆变器输出状态4.2.1SVPWM基本原理图4-11两电平逆变器输出状164.2.1

SVPWM基本原理图4-12三相两电平逆变器输出的电压空间矢量4.2.1SVPWM基本原理图4-12三相两电平逆变174.2.1

SVPWM基本原理表4-1逆变器输出电压空间矢量作用下电机的相、线电压实时值4.2.1SVPWM基本原理表4-1逆变器输出电压空间矢184.2.2

SVPWM矢量合成图4-13不同矢量的合成方式4.2.2SVPWM矢量合成图4-13不同矢量的合成方式194.2.2

SVPWM矢量合成图4-14不同矢量合成方式合成矢量的范围4.2.2SVPWM矢量合成图4-14不同矢量合成方式合204.2.2

SVPWM矢量合成图4-15随时间连续变化的幅值

最大的矢量圆形轨迹4.2.2SVPWM矢量合成图4-15随时间连续变化的幅214.2.3

SVPWM开关顺序1)在每一次开关状态切换的过程中，只允许有某一相中的两个互锁开关动作，其中一个开通，另一个关断。

2)当参考矢量Ｕref从一个扇区跨到另一个扇区的时候，要使需要动作的开关数最少，通常是没有开关进行动作。4.2.3SVPWM开关顺序1)在每一次开关状态切换的过程22图4-16第一扇区内七段式开关顺序

以及线电压波形图4-16第一扇区内七段式开关顺序

以及线电压波形23图4-17第二扇区内七段式开关顺序以及线电压波形图4-17第二扇区内七段式开关顺序以及线电压波形24表4-2常规七段式SVPWM开关顺序表4-2常规七段式SVPWM开关顺序25图4-18常规七段式SVPWM的输出电压波形图4-18常规七段式SVPWM的输出电压波形26图4-19第4扇区两种有效的开关顺序图4-19第4扇区两种有效的开关顺序27图4-20偶次谐波消除的七段式SVPWM区域示意图图4-20偶次谐波消除的七段式SVPWM区域示意图28表4-3偶次谐波消除的七段式SVPWM开关顺序表4-3偶次谐波消除的七段式SVPWM开关顺序29图4-21偶次谐波消除的七段式SVPWM波形图4-21偶次谐波消除的七段式SVPWM波形30图4-22第一扇区内五段式开关顺序以及线电压波形图4-22第一扇区内五段式开关顺序以及线电压波形31表4-4五段式SVPWM开关顺序(A型)表4-4五段式SVPWM开关顺序(A型)32图4-23五段式SVPWM波形图4-23五段式SVPWM波形334.2.4多电平SVPWM1)零电压矢量3个：Ｕ0P(PPP)、Ｕ0O(OOO)、Ｕ0N(NNN)，幅值为零。

2)小电压矢量12个，两两重合，即Ｕ1P(POO)和Ｕ1N(ONN)、Ｕ2P(PPO)和Ｕ2N(OON)、Ｕ3P(OPO)和Ｕ3N(NON)、Ｕ4P(OPP)和Ｕ4N(NOO)、Ｕ5P(OOP)和Ｕ5N(NNO)、Ｕ6P(POP)和Ｕ6N(ONO)，其中前者为P型小矢量，后者为N型小矢量，幅值都为Ud/3。

3)中电压矢量6个，Ｕ7(PON)、Ｕ8(OPN)、Ｕ9(NPO)、Ｕ10(NOP)、、Ｕ12(PNO)，幅值为Ud/。

4)大电压矢量6个，Ｕ13(PNN)、Ｕ14(PPN)、Ｕ15(NPN)、Ｕ16(NPP)、、Ｕ18(PNP)，幅值为2Ud/3。4.2.4多电平SVPWM1)零电压矢量3个：Ｕ0P(PP344.2.4多电平SVPWM图4-24二极管钳位三电平逆变器4.2.4多电平SVPWM图4-24二极管钳位三电平逆变354.2.4多电平SVPWM图4-25三电平SVPWM基本矢量4.2.4多电平SVPWM图4-25三电平SVPWM基本364.2.4多电平SVPWM表4-5二极管钳位三电平a相输出电平4.2.4多电平SVPWM表4-5二极管钳位三电平a相输37图4-26直流母线电压不

平衡时的基本矢量分布图4-26直流母线电压不

平衡时的基本矢量分布38图4-27第一扇区矢量合成图4-27第一扇区矢量合成39图4-28三相四电平和五电平矢量图图4-28三相四电平和五电平矢量图40图4-29五相三电平和四电平矢量图图4-29五相三电平和四电平矢量图414.3其他类型的PWM方法SHEPWM本质上是一种优化PWM，它通过开关角度的选择，在有限的开关次数下，尽量的消除低次谐波，使得高次谐波容易滤出，减小滤波器的体积。缺点是开关角度固定，需要提前计算，占用内存多，改动困难，不够灵活。另外，SHEPWM控制的是一个线电压周期内的开关状态，无法像SVPWM和SPWM一样可以在一个开关周期内对开关状态进行控制。这使得SHEPWM主要用于对动态特性要求不高的场合，而不适合作为高性能闭环控制，如矢量控制和直接转矩控制的PWM算法。4.3其他类型的PWM方法SHEPWM本质上是一种优化PW424.3.1特定消谐PWM图4-30两电平逆变器-异步电机集成系统4.3.1特定消谐PWM图4-30两电平逆变器-异步电机434.3.1特定消谐PWM图4-31逆变器输出波形示意图(1/4周期对称)4.3.1特定消谐PWM图4-31逆变器输出波形示意图(444.3.1特定消谐PWM图4-32消除5、7次谐波的SHEPWM输出电压波形4.3.1特定消谐PWM图4-32消除5、7次谐波的SH454.3.1特定消谐PWM图4-33消除5、7次谐波的五电平波形4.3.1特定消谐PWM图4-33消除5、7次谐波的五电464.3.2具有反馈环节的PWM1.瞬时电流控制PWM

2.滞环电流控制PWM4.3.2具有反馈环节的PWM1.瞬时电流控制PWM

2.471.瞬时电流控制PWM图4-34瞬时电流控制PWM框图1.瞬时电流控制PWM图4-34瞬时电流控制PWM框图481.瞬时电流控制PWM图4-35滞环PWM控制框图1.瞬时电流控制PWM图4-35滞环PWM控制框图492.滞环电流控制PWM图4-36滞环PWM输出波形示意图2.滞环电流控制PWM图4-36滞环PWM输出波形示意图502.滞环电流控制PWM图4-37单周期控制的Buck电路2.滞环电流控制PWM图4-37单周期控制的Buck电路514.3.3单周期控制(One-cyclecontrol)1)单周期控制同时具有调制和控制的作用，一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，前一周期的误差不会带到下一周期。

2)单周期控制技术还具有优化系统响应、开关频率可恒定、减小畸变、抑制电源干扰和易于实现等优点。4.3.3单周期控制(One-cyclecontrol)524.3.3单周期控制(One-cyclecontrol)图4-38单周期PWM调制波形图4.3.3单周期控制(One-cyclecontrol)534.4

PWM波形的死区、最小脉宽和异常脉冲从前面对电力电子变换器中的几个基本组成元素，即电力半导体器件、变换器拓扑结构和变换器控制方法的分析可以看出，这三者是紧密联系在一起的。在每一部分的分析中不可避免的都要涉及其他元素的影响，其中有代表性的影响因素为“死区”与“最小脉宽”。4.4PWM波形的死区、最小脉宽和异常脉冲从前面对电力电子544.4.1死区及最小脉宽(1)死区时间死区时间用tBD(Blocking

delay

time)表示，代表一个桥臂两个互锁IGCT的驱动信号同为关断状态的时间。

(2)通态最小脉宽时间通态最小脉宽时间用tONMIN表示，代表同一个IGCT的驱动信号维持导通的最小时间。

(3)阻态最小脉宽时间4.4.1死区及最小脉宽(1)死区时间死区时间用tBD(554.4.1死区及最小脉宽图4-39基于IGCT的三电平变换系统的逆变电路示意图4.4.1死区及最小脉宽图4-39基于IGCT的三电平变564.4.1死区及最小脉宽图4-40单个IGCT的开关过程示意图4.4.1死区及最小脉宽图4-40单个IGCT的开关过程574.4.1死区及最小脉宽图4-41换流回路中的电流电压方向的定义4.4.1死区及最小脉宽图4-41换流回路中的电流电压方58图4-42死区和最小脉宽的定义图4-42死区和最小脉宽的定义59图4-43通态最小脉宽实验测取结果图4-43通态最小脉宽实验测取结果604.4.2信号脉冲与功率脉冲图4-44实测的信号脉冲与功率脉冲的比较4.4.2信号脉冲与功率脉冲图4-44实测的信号脉冲与功614.4.2信号脉冲与功率脉冲图4-45线电压脉冲序列4.4.2信号脉冲与功率脉冲图4-45线电压脉冲序列62第4章PWM控制及其变异4.1变换器的PWM控制方法及多电平SPWM

4.1.1

PWM的基本概念

4.1.2载波PWM

4.2空间矢量PWM

4.2.1

SVPWM基本原理

4.2.2

SVPWM矢量合成

4.2.3

SVPWM开关顺序

4.2.4多电平SVPWM

4.3其他类型的PWM方法

4.3.1特定消谐PWM

4.3.2具有反馈环节的PWM

4.3.3单周期控制(One-cyclecontrol)第4章PWM控制及其变异4.1变换器的PWM控制方法及多63第4章PWM控制及其变异4.4

PWM波形的死区、最小脉宽和异常脉冲

4.4.1死区及最小脉宽

4.4.2信号脉冲与功率脉冲第4章PWM控制及其变异4.4PWM波形的死区、最小脉宽644.1变换器的PWM控制方法及多电平SPWM电力电子变换器的控制策略和方法与其使用的电力半导体器件和拓扑结构有密切的关系，不同的开关器件和不同的拓扑有不同的PWM方式，比如，基于半控开关和全控开关的变换器控制方式完全不一样，基于不同类型的全控开关的变换器控制方式中的关键参数也存在很大的差异，例如开关频率，在小容量的MOSFET变换器中，开关频率可以大于100kHz，而在兆瓦级的大容量IGCT变换器中，其开关频率一般小于1kHz。4.1变换器的PWM控制方法及多电平SPWM电力电子变换器654.1.1

PWM的基本概念图4-1电气传动变换器的PAM方式4.1.1PWM的基本概念图4-1电气传动变换器的PAM664.1.1

PWM的基本概念图4-2电气传动变换器的PWM方式4.1.1PWM的基本概念图4-2电气传动变换器的PWM674.1.2载波PWM1.常规的多电平载波PWM方法

2.注入零序分量的多电平载波PWM方法

3.载波频率变化的PWM

4.混合载波的PWM

5.相移载波的PWM4.1.2载波PWM1.常规的多电平载波PWM方法

2.注681.常规的多电平载波PWM方法图4-3常规五电平载波的PWM示意图1.常规的多电平载波PWM方法图4-3常规五电平载波的PW692.注入零序分量的多电平载波PWM方法图4-4注入零序分量的五电平载波的PWM示意图2.注入零序分量的多电平载波PWM方法图4-4注入零序分量703.载波频率变化的PWM图4-5载波频率变化的五电平载波的PWM示意图3.载波频率变化的PWM图4-5载波频率变化的五电平载波的714.混合载波的PWM图4-6混合载波的五电平载波的PWM示意图4.混合载波的PWM图4-6混合载波的五电平载波的PWM示725.相移载波的PWM图4-7相移载波的五电平载波的PWM示意图5.相移载波的PWM图4-7相移载波的五电平载波的PWM示735.相移载波的PWM图4-8锯齿波载波比较示意图5.相移载波的PWM图4-8锯齿波载波比较示意图745.相移载波的PWM图4-9三角波载波比较示意图5.相移载波的PWM图4-9三角波载波比较示意图754.2空间矢量PWM空间矢量PWM(SpaceVectorPWM,SVPWM)也可称为磁通正弦PWM，它是从电机气隙磁场的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场。它以三相对称正弦波电压供电时的交流电机的理想磁通圆为基准，采用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去近似基准圆磁通，从而形成PWM。该控制方法把逆变器和电机看成一个整体来处理，特别适合集成系统的应用。它将电机内部圆形磁场的控制转化为变换器的开关控制，两者完全融合于一体，充分体现了电力电子与电机系统集成的特性。该方法模型简单，便于实时控制，并具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高等优点，在开闭环控制系统中都得到广泛应用。4.2空间矢量PWM空间矢量PWM(SpaceVecto764.2.1

SVPWM基本原理图4-10典型的三相逆变器驱动电机电路图4.2.1SVPWM基本原理图4-10典型的三相逆变器驱774.2.1

SVPWM基本原理图4-11两电平逆变器输出状态4.2.1SVPWM基本原理图4-11两电平逆变器输出状784.2.1

SVPWM基本原理图4-12三相两电平逆变器输出的电压空间矢量4.2.1SVPWM基本原理图4-12三相两电平逆变794.2.1

SVPWM基本原理表4-1逆变器输出电压空间矢量作用下电机的相、线电压实时值4.2.1SVPWM基本原理表4-1逆变器输出电压空间矢804.2.2

SVPWM矢量合成图4-13不同矢量的合成方式4.2.2SVPWM矢量合成图4-13不同矢量的合成方式814.2.2

SVPWM矢量合成图4-14不同矢量合成方式合成矢量的范围4.2.2SVPWM矢量合成图4-14不同矢量合成方式合824.2.2

SVPWM矢量合成图4-15随时间连续变化的幅值

最大的矢量圆形轨迹4.2.2SVPWM矢量合成图4-15随时间连续变化的幅834.2.3

SVPWM开关顺序1)在每一次开关状态切换的过程中，只允许有某一相中的两个互锁开关动作，其中一个开通，另一个关断。

2)当参考矢量Ｕref从一个扇区跨到另一个扇区的时候，要使需要动作的开关数最少，通常是没有开关进行动作。4.2.3SVPWM开关顺序1)在每一次开关状态切换的过程84图4-16第一扇区内七段式开关顺序

以及线电压波形图4-16第一扇区内七段式开关顺序

以及线电压波形85图4-17第二扇区内七段式开关顺序以及线电压波形图4-17第二扇区内七段式开关顺序以及线电压波形86表4-2常规七段式SVPWM开关顺序表4-2常规七段式SVPWM开关顺序87图4-18常规七段式SVPWM的输出电压波形图4-18常规七段式SVPWM的输出电压波形88图4-19第4扇区两种有效的开关顺序图4-19第4扇区两种有效的开关顺序89图4-20偶次谐波消除的七段式SVPWM区域示意图图4-20偶次谐波消除的七段式SVPWM区域示意图90表4-3偶次谐波消除的七段式SVPWM开关顺序表4-3偶次谐波消除的七段式SVPWM开关顺序91图4-21偶次谐波消除的七段式SVPWM波形图4-21偶次谐波消除的七段式SVPWM波形92图4-22第一扇区内五段式开关顺序以及线电压波形图4-22第一扇区内五段式开关顺序以及线电压波形93表4-4五段式SVPWM开关顺序(A型)表4-4五段式SVPWM开关顺序(A型)94图4-23五段式SVPWM波形图4-23五段式SVPWM波形954.2.4多电平SVPWM1)零电压矢量3个：Ｕ0P(PPP)、Ｕ0O(OOO)、Ｕ0N(NNN)，幅值为零。

2)小电压矢量12个，两两重合，即Ｕ1P(POO)和Ｕ1N(ONN)、Ｕ2P(PPO)和Ｕ2N(OON)、Ｕ3P(OPO)和Ｕ3N(NON)、Ｕ4P(OPP)和Ｕ4N(NOO)、Ｕ5P(OOP)和Ｕ5N(NNO)、Ｕ6P(POP)和Ｕ6N(ONO)，其中前者为P型小矢量，后者为N型小矢量，幅值都为Ud/3。

3)中电压矢量6个，Ｕ7(PON)、Ｕ8(OPN)、Ｕ9(NPO)、Ｕ10(NOP)、、Ｕ12(PNO)，幅值为Ud/。

4)大电压矢量6个，Ｕ13(PNN)、Ｕ14(PPN)、Ｕ15(NPN)、Ｕ16(NPP)、、Ｕ18(PNP)，幅值为2Ud/3。4.2.4多电平SVPWM1)零电压矢量3个：Ｕ0P(PP964.2.4多电平SVPWM图4-24二极管钳位三电平逆变器4.2.4多电平SVPWM图4-24二极管钳位三电平逆变974.2.4多电平SVPWM图4-25三电平SVPWM基本矢量4.2.4多电平SVPWM图4-25三电平SVPWM基本984.2.4多电平SVPWM表4-5二极管钳位三电平a相输出电平4.2.4多电平SVPWM表4-5二极管钳位三电平a相输99图4-26直流母线电压不

平衡时的基本矢量分布图4-26直流母线电压不

平衡时的基本矢量分布100图4-27第一扇区矢量合成图4-27第一扇区矢量合成101图4-28三相四电平和五电平矢量图图4-28三相四电平和五电平矢量图102图4-29五相三电平和四电平矢量图图4-29五相三电平和四电平矢量图1034.3其他类型的PWM方法SHEPWM本质上是一种优化PWM，它通过开关角度的选择，在有限的开关次数下，尽量的消除低次谐波，使得高次谐波容易滤出，减小滤波器的体积。缺点是开关角度固定，需要提前计算，占用内存多，改动困难，不够灵活。另外，SHEPWM控制的是一个线电压周期内的开关状态，无法像SVPWM和SPWM一样可以在一个开关周期内对开关状态进行控制。这使得SHEPWM主要用于对动态特性要求不高的场合，而不适合作为高性能闭环控制，如矢量控制和直接转矩控制的PWM算法。4.3其他类型的PWM方法SHEPWM本质上是一种优化PW1044.3.1特定消谐PWM图4-30两电平逆变器-异步电机集成系统4.3.1特定消谐PWM图4-30两电平逆变器-异步电机1054.3.1特定消谐PWM图4-31逆变器输出波形示意图(1/4周期对称)4.3.1特定消谐PWM图4-31逆变器输出波形示意图(1064.3.1特定消谐PWM图4-32消除5、7次谐波的SHEPWM输出电压波形4.3.1特定消谐PWM图4-32消除5、7次谐波的SH1074.3.1特定消谐PWM图4-33消除5、7次谐波的五电平波形4.3.1特定消谐PWM图4-33消除5、7次谐波的五电1084.3.2具有反馈环节的PWM1.瞬时电流控制PWM

2.滞环电流控制PWM4.3.2具有反馈环节的PWM1.瞬时电流控制PWM

2.1091.瞬时电流控制PWM图4-34瞬时电流控制PWM框图1.瞬时电流控制PWM图4-34瞬时电流控制PWM框图1101.瞬时电流控制PWM图4-35滞环PWM控制框图1.瞬时电流控制PWM图4-35滞环PWM控制框图1112.滞环电流控制PWM图4-36滞环PWM输出波形示意图2.滞环电流控制PWM图4-36