第七章PWM原理与控制技术

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——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7.1PWM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π/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。7.2SPWM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：①采用梯形波作为调制波②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7.3.1载波比和调制深度载波比N：载波信号的频率fc与调制信号的频率fr之比。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。

7.3.2同步调制、异步调制和分段同步调制1、同步调制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：调制信号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。7.4PWM逆变电路

7.4.1单相桥式PWM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PWM逆变电路

7.5PWM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PWM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PWM（SVPWM）控制技

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。7.6PWM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7.6.1PWM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，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us﹥0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侧的传递。

当us﹤0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us﹥0时，两个升压斩波电路：

VD1、VT3、VD4、LS和VT2、VD4、VD1、LS

当us﹤0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δ，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δ，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δ，is超前us90°,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（StaticVarGenerator--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φ，可以是超前的，也可以是滞后的。三相PWM整流电路

7.7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。矩阵式变频电路通过开关控制截取三相交流电源的片段并且重新组合，从而得到所希望的输出电压波形。7.8PWM变流电路在电气传动方面的应用例—交直交变频器

7.9PWM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

7.9.1UPS电源7.9.2EPS电源

7.10PWM变流电路在电力系统中的应用例

7.10.1PWM变流电路在交流输电系统中的应用例

静止同步串联补偿器统一潮流