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1、第七讲 脉宽调制（PWM）技术,1,电力电子基础 Fundamental Power Electronics 第七讲 脉宽调制(PWM)技术,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,2,脉宽调制(PWM)技术,引言 PWM控制的基本原理 PWM逆变电路及其控制方法 PWM跟踪控制技术 PWM整流电路及其控制方法 矩阵式变换器 小结,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,3,1.引言,脉宽调制技术(PWM - Pulse Width Modulation)：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)。 PWM控制的变流电路主要有： PWM逆变电路、直流斩波电路、 PWM整流电路
2、、斩控式调压电路、以及矩阵式变频电路。 PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得PWM控制变得容易实现。PWM技术的应用使电力电子装置的性能大大提高，在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM技术在逆变电路中应用最广。本讲主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,4,2.PWM控制的基本原理,PWM理论基础面积等效原理 面积相等而形状不同的窄脉冲加在具有低通滤波特性的环节上时，该环节的输出响应波形基本相同 该环节的输出响应在低频段非常接近，仅在高频段略有差异,形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,e(t)=f(t)电压窄脉冲，是电路的输入 。 i
3、(t)输出电流，是电路的响应。,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,6,PWM控制的基本原理,单极性SPWM 双极性SPWM,用不同的等幅调宽脉冲波形等效逼近正弦波可获得不同的SPWM,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,7,PWM控制的基本原理,等幅PWM波和不等幅PWM波 一端为直流电源采用等幅PWM，如直流斩波电路及PWM逆变、整流电路 输入电源是交流时采用不等幅PWM，如斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路 基于面积等效原理进行控制，本质相同 PWM电压、电流波 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波；但电压型逆变电路进行PWM控制最为普遍 PWM波形可用于等效的各种波形 直流斩波
4、电路：等效直流波形 SPWM波：等效正弦波形 还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理仍基于等效面积原理,等幅调制,不等幅调制,直流,交流,交流,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,8,PWM控制的基本原理,PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制技术：基于面积等效原理，通过对构造脉冲系列并对其宽度进行调制，来等效地合成所需要的可变幅、可变频波形 所需合成的信号称为调制信号。调制信号根据需要可以为正弦、直流、非正弦等各种信号，可比喻为“乘客”，用于传递调制信号的高频信号称为载波，可比喻为“运载工具”；如何搭配载波与调制波称为调制方法。 载波的频率要
5、求远高于调制信号的频率。,对PWM波形进行傅立叶分析可揭示PWM调制的科学机理,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,9,3.PWM逆变电路及其控制方法,计算法和调制法 异步调制和同步调制 规则采样法 PWM逆变电路得谐波分析 提高直流电压利用和减少开关次数 PWM逆变电路的多重化,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,10,计算法和调制法,数字计算调制法 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。当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要相应变化 模拟电路调制法 输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波 通常采
6、用等腰三角波或锯齿波作为载波。等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称 与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM要求 调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波 调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,11,计算法和调制法,例1：单相桥式PWM电压型逆变电路 工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补 uo正半周，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，u
7、o等于Ud; V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0；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，V2通，V1断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,12,计算法和调制法,单相桥式PWM电压型逆变电路 单极性PWM 在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断 ur正半周，V1保持通，V2保持断 当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud 当uruc时使V3断，V4通，uo=0 虚线uof表示
8、uo的基波分量,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,13,计算法和调制法,单相桥式PWM电压型逆变电路 双极性PWM 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 在ur一周期内，输出PWM波只有Ud两种电平。仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件的通断。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，VD1和VD4通， uo=Ud,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,14,计算法和调制法,例2：双极性PWM控制方式（三相桥逆变） 三相的PWM控制公用三角波载波uc 三相的调制信号urU、u
9、rV和urW依次相差120,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,15,计算法和调制法,U相的控制规律 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，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 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
10、平组成,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,16,计算法和调制法,防直通死区时间 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,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,17,异步调制和同步调制,异步调制与同步调制 载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr 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 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 通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是
11、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都较小；当fr增高时，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,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,18,异步调制和同步调制,同步调制 同步调制N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步 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
12、，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,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,19,异步调制和同步调制,分段同步调制 把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 为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法 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,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,20,规则采样法,1）自然采样法： 按照SPWM
13、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。,规则采样法,2）规则采样法 工程实用方法，效果接近自然采 样法，计算量小得多。正弦调制信号波 式中称为调制系数，01；r为信号波角频率。脉冲宽度为,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,21,规则采样法,三相桥逆变电路的情况,三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120 同一三角波周期内三相的脉宽分别为dU、dV和dW，脉冲两边的间隙宽度分别为dU、d V和d W，同一时刻三相调制波电压之和为零，可得,利用以上两式可简化三相SPWM波的计算,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,22,PWM逆变电路的谐波分析,使用
14、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。,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,23,PWM逆变电路的谐波分析,c,+,k,r,),不同时单相桥式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。,单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图,第七讲 脉宽调
15、制（PWM）技术,24,PWM逆变电路的谐波分析,2）三相的分析结果公用载波信号时的情况,式中，n=1,3,5,时，k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,时，,不同时三相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图。 公用载波信号时的情况。 输出线电压中的谐波角频率为,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,25,PWM逆变电路的谐波分析,谐波分析小结 SPWM波中谐波主要是角频率为wc、2wc及其附近的谐波，很容易滤除。三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率wc整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是wc2wr和2wcwr。 当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：
16、一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波分布情况和SPWM波的谐波分析一致。,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,26,PWM逆变电路的多重化,PWM多重化逆变电路，一般目的：提高等效开关频率、减少开关损耗、减少和载波有关的谐波分量 PWM逆变电路多重化联结方式有变压器方式和电抗器方式 利用电抗器联接的二重PWM逆变电路,二重PWM型逆变电路,输出端相对于直流电源中点N 的电压uUN=(uU1N+uU2N)/2, 已变为单极性PWM波,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,27,PWM逆变电路的多重化,输出线电压共有0、(1/2)Ud、Ud五个电平，比非多重化时谐波有所减少。 电抗器上所加电压频率为载波频率，比输出频率高得多，只要很小的电抗器就可以了。 输出电压所含谐波角频率仍可表示为nwc+kwr，但其中n为奇数时的谐波已全被除去，谐波最低频率在2wc附近，相当于电路的等效载波频率提高一倍。,二重PWM型逆变电路输出波形,第七讲 脉宽调制（PWM）技术,28,提高直流电压利用率PWM,
