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1、第 6 章 PWM控制技术 1试说明PWM 控制的基本原理。 答：PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来 等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。 在采样控制理论中有一条重要的结论：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，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波 形基本相同。上述原理称为面积等效原理 以正弦 PWM 控制为例。把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲 列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线 而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用
2、相同数量的等幅而不等宽 的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应 的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM 波形。各PWM 脉冲的幅值相等而宽度是按正 弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周， 也可以用同样的方法得到PWM 波形。可见，所得到的PWM 波形和期望得到的正弦波等效。 2设图6-3 中半周期的脉冲数是5，脉冲幅值是相应正弦波幅值的两倍，试按面积等效原 理计算脉冲宽度。 解：将各脉冲的宽度用i（i=1, 2, 3, 4, 5）表示，根据面积等效原理可得 1= m 5 0 m 2 dsin U ttU
3、= 5 0 2 cost =0.09549(rad)=0.3040(ms) 2 = m 5 2 5 m 2 dsin U ttU = 5 2 5 2 cos t =0.2500(rad)=0.7958(ms) 3 = m 5 3 5 2m 2 dsin U ttU = 5 3 5 2 2 cos t =0.3090(rad)=0.9836(ms) 4 = m 5 4 5 3m 2 dsin U ttU = 2 =0.2500(rad)=0.7958(ms) 5 = m 5 4m 2 dsin U ttU = 1 =0.0955(rad)=0.3040(ms) 3. 单极性和双极性PWM 调制有
4、什么区别？三相桥式PWM 型逆变电路中，输出相电压（输 出端相对于直流电源中点的电压）和线电压SPWM 波形各有几种电平？ 答：三角波载波在信号波正半周期或负半周期里只有单一的极性，所得的PWM 波形在半个 周期中也只在单极性围变化，称为单极性PWM 控制方式。 三角波载波始终是有正有负为双极性的，所得的PWM波形在半个周期中有正、有负， 则称之为双极性PWM 控制方式。 三相桥式PWM 型逆变电路中，输出相电压有两种电平：0.5Ud和-0.5 Ud。输出线电压 有三种电平Ud、0、- Ud。 4 特定谐波消去法的基本原理是什么？设半个信号波周期有10 个开关时刻（不含0 和 时刻）可以控制，
5、可以消去的谐波有几种？ 答：首先尽量使波形具有对称性，为消去偶次谐波，应使波形正负两个半周期对称，为消 去谐波中的余弦项，使波形在正半周期前后1/4 周期以/2 为轴线对称。 考虑到上述对称性，半周期有5 个开关时刻可以控制。利用其中的1 个自由度控制基 波的大小，剩余的4 个自由度可用于消除4 种频率的谐波。 5 什么是异步调制？什么是同步调制？两者各有何特点？分段同步调制有什么优 点？ 答：载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。在异步调制方式中，通常 保持载波频率fc 固定不变，因而当信号波频率fr变化时，载波比N是变化的。 异步调制的主要特点是： 在信号波的半个周期，PWM
6、 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，半周期前后1/4 周期的脉冲也不对称。 这样，当信号波频率较低时，载波比N较大，一周期的脉冲数较多，正负半周期脉冲 不对称和半周期前后1/4 周期脉冲不对称产生的不利影响都较小，PWM 波形接近正弦波。 而当信号波频率增高时，载波比N减小，一周期的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响 就变大，有时信号波的微小变化还会产生PWM 脉冲的跳动。这就使得输出PWM 波和正弦波 的差异变大。对于三相PWM 型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。 载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。 同步调制的主要特点是：
7、 在同步调制方式中，信号波频率变化时载波比N不变，信号波一个周期输出的脉冲数 是固定的，脉冲相位也是固定的。 当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的载波频率fc也很低。fc过低时由调制带来 的谐波不易滤除。当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。 当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高， 使开关器件难以承受。 此外，同步调制方式比异步调制方式复杂一些。 分段同步调制是把逆变电路的输出频率划分为若干段，每个频段的载波比一定，不同 频段采用不同的载波比。其优点主要是，在高频段采用较低的载波比，使载波频率不致过 高，可限制在功率器件允许的围。而在低频段采用较高的载波比，以使载
8、波频率不致过低 而对负载产生不利影响。 6 什么是SPWM 波形的规则化采样法？和自然采样法比规则采样法有什么优点？ 答：规则采样法是一种在采用微机实现时实用的PWM 波形生成方法。规则采样法是在自然 采样法的基础上得出的。规则采样法的基本思路是：取三角波载波两个正峰值之间为一个 采样周期。使每个PWM 脉冲的中点和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，在三角波的 负峰时刻对正弦信号波采样而得到正弦波的值，用幅值与该正弦波值相等的一条水平直线 近似代替正弦信号波，用该直线与三角波载波的交点代替正弦波与载波的交点，即可得出 控制功率开关器件通断的时刻。 比起自然采样法，规则采样法的计算非常简单，计
9、算量大大减少，而效果接近自然采 样法，得到的 SPWM 波形仍然很接近正弦波，克服了自然采样法难以在实时控制中在线计算， 在工程中实际应用不多的缺点。 7 单相和三相SPWM 波形中，所含主要谐波频率为多少？ 答：单相SPWM 波形中所含的谐波频率为： rc kn 式中，n=1,3,5,时，k=0,2,4, ；n=2,4,6,时，k=1,3,5, 在上述谐波中，幅值最高影响最大的是角频率为c的谐波分量。 三相 SPWM 波形中所含的谐波频率为： rc kn 式中，n=1,3,5,时，k=3(2m-1) 1，m=1,2, ； n=2,4,6,时， ,2, 116 , 1 ,016 mm mm k
10、 在上述谐波中，幅值较高的是 c2 r和 2c r。 8 如何提高PWM 逆变电路的直流电压利用率？ 答：采用梯形波控制方式，即用梯形波作为调制信号，可以有效地提高直流电压的利用率。 对于三相PWM 逆变电路，还可以采用线电压控制方式，即在相电压调制信号中叠加3 的倍数次谐波及直流分量等，同样可以有效地提高直流电压利用率。 9 什么是电流跟踪型PWM 变流电路？采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器有何特点？ 答：电流跟踪型PWM 变流电路就是对变流电路采用电流跟踪控制。也就是，不用信号波 对载波进行调制，而是把希望输出的电流作为指令信号，把实际电流作为反馈信号，通过 二者的瞬时值比较来决定逆变电
11、路各功率器件的通断，使实际的输出跟踪电流的变化。 采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器的特点： 硬件电路简单； 属于实时控制方式，电流响应快； 不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量； 与计算法和调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多； 采用闭环控制。 10什么是PWM 整流电路？它和相控整流电路的工作原理和性能有何不同？ 答： PWM 整流电路就是采用PWM 控制的整流电路，通过对PWM 整流电路的适当控制， 可以使其输入电流十分接近正弦波且和输入电压同相位，功率因数接近1。 相控整流电路是对晶闸管的开通起始角进行控制，属于相控方式。其交流输入电流中 含有较大的谐波分量，
12、且交流输入电流相位滞后于电压，总的功率因数低。 PWM 整流电路采用SPWM 控制技术，为斩控方式。其基本工作方式为整流，此时输入电 流可以和电压同相位，功率因数近似为1。 PWM 整流电路可以实现能量正反两个方向的流动，即既可以运行在整流状态，从交流侧 向直流侧输送能量；也可以运行在逆变状态，从直流侧向交流侧输送能量。而且，这两种 方式都可以在单位功率因数下运行。 此外，还可以使交流电流超前电压90，交流电源送出无功功率，成为静止无功功率 发生器。或使电流比电压超前或滞后任一角度。 11 在 PWM 整流电路中，什么是间接电流控制？什么是直接电流控制？ 答：在 PWM 整流电路中，间接电流控
13、制是按照电源电压、电源阻抗电压及PWM 整流器输入 端电压的相量关系来进行控制，使输入电流获得预期的幅值和相位，由于不需要引入交流 电流反馈，因此称为间接电流控制。 直接电流控制中，首先求得交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，经过比较进 行跟踪控制，使输入电流跟踪指令值变化。因为引入了交流电流反馈而称为直接电流控制 第 7 章 软开关技术 1 高频化的意义是什么？为什么提高开关频率可以减小滤波器的体积和重量？为什么提 高关频率可以减小变压器的体积和重量？ 答：高频化可以减小滤波器的参数，并使变压器小型化，从而有效的降低装置的体积和重 量。使装置小型化，轻量化是高频化的意义所在。提高开关频率
14、，周期变短，可使滤除开 关频率中谐波的电感和电容的参数变小，从而减轻了滤波器的体积和重量；对于变压器来 说，当输入电压为正弦波时，U=4.44 . f . N . B.S，当频率f提高时，可减小N、S参数值， 从而减小了变压器的体积和重量。 2 软开关电路可以分为哪几类？其典型拓扑分别是什么样子的？各有什么特点？ 答：根据电路中主要的开关元件开通及关断时的电压电流状态，可将软开关电路分为零电 压电路和零电流电路两大类；根据软开关技术发展的历程可将软开关电路分为准谐振电路， 零开关 PWM 电路和零转换PWM 电路。 准谐振电路：准谐振电路中电压或电流的波形为正弦波，电路结构比较简单，但谐振 电
15、压或谐振电流很大，对器件要求高，只能采用脉冲频率调制控制方式。 零电压开关准谐振电路的基本开关单元零电流开关准谐振电路的基本开关单元 零开关PWM 电路：这类电路中引入辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于 开关过程前后，此电路的电压和电流基本上是方波，开关承受的电压明显降低，电路可以 采用开关频率固定的PWM 控制方式。 零电压开关PWM 电路的基本开关单元零电流开关PWM 电路的基本开关单元 零转换PWM 电路：这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的 是，谐振电路是与主开关并联的，输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，电 路在很宽的输入电压围并从零负载到满
16、负载都能工作在软开关状态，无功率的交换被消减 到最小。 零电压转换PWM 电路的基本开关单元零电流转换PWM 电路的基本开关单元 3 在移相全桥零电压开关PWM 电路中，如果没有谐振电感Lr，电路的工作状态将发生哪 些变化，哪些开关仍是软开关，哪些开关将成为硬开关？ 答: 如果没有谐振电感Lr，电路中的电容CS1，CS2与电感L仍可构成谐振电路，而电容CS3， C S4将无法与Lr构成谐振回路，这样，S3、S4将变为硬开关，S1、S2仍为软开关。 4 在零电压转换PWM 电路中，辅助开关S1和二极管VD1是软开关还是硬开关，为什么？ 答：在S1开通时，uS1不等于零；在S1关断时，其上电流也不为零，因此S1为硬开关。由 于电感Lr的存在， S1开通时的电流上升率受到限制，降低了S1的开通损耗。由于电感Lr的 存在，使VD1的电流逐步下降到零，自然关断，因此VD1为软开关。 第 8 章组合变流电路 1. 什么是组合变流电路？ 答：组合变流电路是将某几种基本的变流电路（AC/DC 、DC/DC 、AC/AC、DC/DC ）组合起来，
