电力电子技术第 六章

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1、第六章 PWM控制技术 引言引言 6.1 PWM6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 6.2 PWM6.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法 6.3 PWM6.3 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术 6.4 PWM6.4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法 本章小结本章小结 1 第六章 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 ，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值)。 第3、4章已涉及到PWM控制，第3章直流斩波电路 采用的就PWM技术；第4章的4.1斩控式调压电路和

2、4.4矩阵式变频电路都涉及到了。 2 第六章 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PWM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5章（逆变电路） 相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。 3 6.1 PWM控制的基本思想 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

3、同。 冲量窄脉冲的面积 效果基本相同环节的输出响应波形基本相同 图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 d)单位脉冲函数 f (t) d (t) tO a)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲 tOtOtO f (t)f (t)f (t) 4 6.1 PWM控制的基本思想 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 。 i (t)输出电流，是 电路的响应。 5 O u t SPWM波 6.1 PWM控制的基本思想 O u t 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 O u t 6 6.1 PWM控制

4、的基本思想 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。 O u t SPWM波 O u t 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 O u t 7 6.1 PWM控制的基本思想 O wt U d -U d 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： O wt Ud -U d 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。 8 6.1 PWM控制的基本思想 等幅PWM波 输入电源是恒定直流 第3章的直流斩波电路 6.2节的PWM逆变电路 6.4节的PWM整流电路 不等幅PWM

5、波 输入电源是交流或不是 恒定的直流 4.1节的斩控式交流调压电路 4.4节的矩阵式变频电路 O wt Ud -Ud U o t 9 6.1 PWM控制的基本思想 2）PWM电流波 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM 电流波。 PWM波可等效的各种波形 直流斩波电路 直流波形 SPWM波 正弦波形 等效成其他所需波形，如: l 所需波形 l 等效的PWM波 10 6.2 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

6、路几乎都是电压型电路。 11 6.2 PWM逆变电路及其控制方法 6.2.16.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 6.2.26.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制 6.2.36.2.3 规则采样法规则采样法 6.2.46.2.4 PWM PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析 6.2.56.2.5 提高直流电压利用和减少开关次数提高直流电压利用和减少开关次数 6.2.66.2.6 PWM PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化 12 6.2.1 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

7、，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。 13 6.2.1 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 。 负载电流为正的区间，V1 和V4导通时，uo等于Ud 。 2）调制法 图64 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说明 14 6.2.1 计算法和调制法 2）调制法 图64 单相桥式PWM逆变电路 V4关断时，负载电流通过V1和 VD3续流，uo=0

8、 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。 15 6.2.1 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uruc时，给V1和V4导通信号，给 V2和V3关断信号。 如io0，V1和V4通，如iouc时，给V1导通信号， 给V4关断信号，uUN=Ud

9、/2。 当urU 0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，（V1、VD3、VD2、 Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls ）分别组成两个升压斩波电路 。 62 6.4.1 PWM整流电路的工作原理 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

10、可得 SPWM电压，按图6-29a 的相量图控制，可使ia、ib 、ic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 63 6.4.2 PWM整流电路的控制方法 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。 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 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

11、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可分为两种 间接电流控制、直接电流控制。 64 6.4.2 PWM整流电路的控制方法 从整流运行向逆变运行转换 首先负载电流反向而向C充电，ud抬高，PI调节器出现负偏 差，id减小后变为负值，使交流输入电流相位和电压相位反相 ，实现逆变运行。 稳态时，ud和 仍然相等，PI调节器输入恢复到零，id为负 值，并与逆变电流的大小对应。 控制原理 和实际的直流电压ud比较后送入PI调节器，PI调节器的输出为 一直流电流信号id，id的大小和整流器交流输入电流幅值成正比。 稳态时，ud= ，PI调节器输入为零，PI调节器的输出i

12、d和负载电 流大小对应，也和交流输入电流幅值相对应。 负载电流减小时，调节过程和上述过程相反。 负载电流增大时，C放电而使ud下降，PI的输入端出现正偏差，使其 输出id增大，进而使交流输入电流增大，也使ud回升。达到新的稳 态时，ud和 相等，PI调节器输入仍恢复到零，而id则稳定为新的 较大的值，与较大的负载电流和较大的交流输入电流对应。 65 6.4.2 PWM整流电路的控制方法 控制系统中其余部分的工作原理 图中上面的乘法器是id分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的 正弦信号，再乘以电阻R，得到各相电流在Rs上的压降uRa、uRb和 uRc。 图中下面的乘法器是id分别乘以比a、b、

13、c三相相电压相位超前 /2的余弦信号，再乘以电感L的感抗，得到各相电流在电感Ls上的 压降uLa、uLb和uLc。 各相电源相电压ua、ub、uc分别减去前面求得的输入电流在电 阻R和电感L上的压降，就可得到所需要的交流输入端各相的相电 压uA、uB和uC的信号，用该信号对三角波载波进行调制，得到 PWM开关信号去控制整流桥，就可以得到需要的控制效果。 存在的问题 在信号运算过程中用到电路参数Ls和Rs，当Ls和Rs的运算值和实际值 有误差时，会影响到控制效果。 是基于系统的静态模型设计的，其动态特性较差。 间接电流控制的系统应用较少。 66 6.4.2 PWM整流电路的控制方法 2) 直接电

14、流控制 有不同的电流跟踪控制方法，图6-32给出一种最常用的 采用电流滞环比较方式的控制系统结构图。 图6-32 直接电流控制系统结构图 通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流 反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电 流值。 67 6.4.2 PWM整流电路的控制方法 控制系统组成 双闭环控制系统，外环是直流电压控制环，内环是交流 电流控制环。 外环的结构、工作原理和图6-31间接电流控制系统相 同。 外环PI调节器的输出为id，id分别乘以和a、b、c三相 相电压同相位的正弦信号，得到三相交流电流的正弦指令 信号 ， 和 。 ， 和 分别和各自的电源电压同相位，其幅值 和反映

15、负载电流大小的直流信号id成正比，这是整流器运 行时所需的交流电流指令信号。 指令信号和实际交流电流信号比较后，通过滞环对器件 进行控制，便可使实际交流输入电流跟踪指令值。 68 6.4.2 PWM整流电路的控制方法 图6-32 直接电流控制系统结构图 优点 控制系统结构简单，电流响应速度快，系统鲁棒性好。 获得了较多的应用 69 第六章 PWM控制技术 小结 v PWM控制技术的地位 PWM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一项技术。 v 器件与PWM技术的关系 IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断 完善给PWM控制技术提供了强大的

16、物质基础。 v PWM控制技术用于直流斩波电路 直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，是PWM控 制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电 动机调速系统就构成广泛应用的直流脉宽调速系统。 70 第六章 PWM控制技术 小结 v PWM控制技术用于交流交流变流电路 斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是PWM控制 技术在这类电路中应用的代表。 目前其应用都还不多。 但矩阵式变频电路因其容易实现集成化，可望有良 好的发展前景。 71 第六章 PWM控制技术 小结 v PWM控制技术用于逆变电路 PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。 正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用，才奠定了 PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。 除功率很大的逆变装置外，不用PWM控制的逆变电路 已十分少见。