电力电子技术山大第7章脉宽调制技术

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1、6-1,第7章 PWM控制技术,引言 7.1 PWM控制的基本原理 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 7.3 PWM跟踪控制技术 7.4 PWM整流电路及其控制方法 本章小结,6-2,第7章 PWM控制技术 引言,PWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。 第5、6章已涉及到PWM控制，第5章直流斩波电路采用的就PWM技术；第6章的6.1斩控式调压电路和6.4矩阵式变频电路都涉及到了。,6-3,第7章 PWM控制技术 引言,PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现P

2、WM控制变得十分容易。 PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。 PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术，因此，本章和第4章（逆变电路）相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。,6-4,7.1 PWM控制的基本原理,1）重要理论基础面积等效原理,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。,6-5,b),图6-2 冲量相等的各种窄脉冲的响应波形,具体的实例说明“面积等效原理”,a）,u (t)电压窄脉冲，是电路的输入

3、 。 i (t)输出电流，是电路的响应。,7.1 PWM控制的基本原理,6-6,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,7.1 PWM控制的基本原理,6-7,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,SPWM波,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,/N,7.1 PWM控制的基本原理,6-8,对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：,根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。,7.1 PWM控制的基本原理,6-9,7.1 PWM控制的基本原理,6-10,2）PWM

4、电流波 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。,7.1 PWM控制的基本原理,6-11,7.2 PWM逆变电路及其控制方法,目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。 逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。 本节内容构成了本章的主体。 PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。,6-12,7.2 PWM逆变电路及其控制方法,7.2.1 计算法和调制法 7.2.2 异步调制和同步调制 7.2.3 规则采样法 7.2.4 PWM逆变电路得谐波分析 7.2.5 提高直流电压利用和减少开关次数 7.2.6 PWM逆变电路的多重化,6-

5、13,7.2.1 计算法和调制法,1）计算法,根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。 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。 习题P184,2,6-14,7.2.1 计算法和调制法,工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。 以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断。 负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud 。 V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0,2）调制法,图74 单相桥式PWM逆变电路,结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行

6、说明,6-15,7.2.1 计算法和调制法,2）调制法,图74 单相桥式PWM逆变电路,负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。 负载电流为负的区间， V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud 。 V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。 uo总可得到Ud和零两种电平。 uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。,6-16,7.2.1 计算法和调制法,3）单极性PWM控制方式（单相桥逆变）,ur正半周，V1保持通，V2保持断。 当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud 。 当

7、uruc时使V4断，V3通，uo=0 。,图7-5 单极性PWM控制方式波形,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,6-17,6-18,6.2.1 计算法和调制法,3）双极性PWM控制方式,在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有Ud两种电平。 同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。 ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。,当ur uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。 如io0，V1和V4通，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud 。,图6-6 双极性PWM控制方式波形,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。

8、,6-19,6-20,7.2.1 计算法和调制法,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控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。,6-21,7.2.1 计算法和调制法,4）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）,图7-7 三相桥式PWM型逆变电路,6-22,7.2.1 计算法和调制法,图7-8 三相桥式PWM逆变电路波形,下面以U相为例分析控制规律：,当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN=Ud/2。 当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN=-Ud/2。 当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通

9、，也可能是VD1(VD4)导通。 uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2两种电平。 uUV波形可由uUN-uVN得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。,6-23,6-24,7.2.1 计算法和调制法,输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成 负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成。 防直通的死区时间 同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。 死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。 死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。

10、,图7-7 三相桥式PWM型逆变电路,图7-8 三相桥式PWM逆变电路波形,6-25,6-26,7.2.1 计算法和调制法,5）特定谐波消去法 (Selected Harmonic Elimination PWMSHEPWM),这是计算法中一种较有代表性的方法。 输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和），共6个开关时刻可控。 为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。,6-27,7.2.1 计算法和调制法,其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后1/4周期以/2为轴线对称 (7-2),同时满足式（6-1）、（6-2）的波形称为四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为 (7-3)

11、 式中，an为,6-28,7.2.1 计算法和调制法,图7-9，能独立控制a1、a 2和a 3共3个时刻。该波形的an为 式中n=1,3,5,确定a1的值，再令两个不同的an=0(n=1,3,5)，就可建三个方程，求得a1、a2和a3 。,图7-9 特定谐波消去法的输出PWM波形,6-29,消去两种特定频率的谐波,7.2.1 计算法和调制法,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。 可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程：,给定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1变，a1、a2和a3也相应改变。,（75）,6-30,7.2.1 计算法和调制法,一般在输出电压半周期内，器件通

12、、断各k次，考虑到PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去k1个频率的特定谐波。 k的取值越大，开关时刻的计算越复杂。 除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在7.3节介绍。,6-31,7.2.2 异步调制和同步调制,根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。,通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的 在信号波的半周期内，PWM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，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称 当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响较小 当fr增高

13、时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大,6-32,7.2.2 异步调制和同步调制,2） 同步调制,载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时 使载波与信号波保持同步，即N等于常数。,基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。 三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。 为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。 fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。 fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。,6-33,图6-10 同步调制三相PWM波形,6-34,7.2.2 异步调制和同步调制,3）分段同步调制 异

14、步调制和同步调制的综合应用。,把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。 在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。,同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。 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来，和分段同步方式效果接近。,图7-11 分段同步调制方式举例,6-35,7.2.3 规则采样法,1）自然采样法： 按照SPWM控制的基本原理产生的PWM波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。,2）规则采样法 工程实用方法，效果接近自然采样

15、法，计算量小得多。,6-36,7.2.3 规则采样法,三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc 。 自然采样法中，脉冲中点不和三角波(负峰点)重合。 规则采样法使两者重合，使计算大为减化。 如图所示确定A、B点，在tA和tB时刻控制开关器件的通断。 脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。,规则采样法原理,u,c,u,O,t,u,r,T,c,A,D,B,O,t,u,o,t,A,t,D,t,B,d,d,d,2,d,2,d,图7-12 规则采样法,6-37,7.2.3 规则采样法,规则采样法计算公式推导,正弦调制信号波,6-38,7.2.3 规则采样法,3）三相桥逆变电路的情况,6-39,

16、7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析,使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量。 谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一。 分析以双极性SPWM波形为准。 同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制方式。 分析方法 以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWM波的傅里叶级数表达式。 尽管分析过程复杂，但结论简单而直观。,6-40,7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析,c,+,k,r,),图7-13，不同a时单相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图。,1）单相的分析结果,PWM波中不含低次谐波，只含wc及其附近的谐波以及2wc、3wc等及其附近的谐波。,图7-13 单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图,6-41,7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析,2）三相的分析结果公用载波