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1、6-1,第六章 PWM控制技术,引言 第一节 PWM控制的基本原理 第二节 PWM逆变电路及其控制方法 第三节 PWM跟踪控制技术 第四节 PWM整流电路及其控制方法 本章小结,6-2,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，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。 第三、四章已涉及到PWM控制，第三章直流斩波电路采用的就PWM技术；第四章的第一节斩控式调压电路和第四节矩阵式变频电路都涉及到了。,6-3,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。,6-4,第一节 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，其效果基本相同。,6-5,第一节 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
3、(t)电压窄脉冲，是电路的输入 。 i (t)输出电流，是电路的响应。,6-6,第一节 PWM控制的基本思想,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,6-7,第一节 PWM控制的基本思想,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。,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,6-8,第一节 PWM控制的基本思想,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。,6-9,第一节 PWM控制的基本思想,6-10,第一节 PWM控
4、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。,6-11,第二节 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,第二节 PWM逆变电路及其控制方法,一. 计算法和调制法 二. 异步调制和同步调制 三. 规则采样法 四. PWM逆变电路得谐波分析 五. 提高直流电压利用和减少开关次数 六. PWM逆变电路的多重化,6-13,一. 计算法和调制法,1.计算法,根
5、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。,6-14,一. 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,6-15,一. 计算法和调制法,2.调制法,图6
6、4 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 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。,6-16,一. 计算法和调制法,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V4断，V3通，uo=0 。 ur负半周，请同学们自己分析。,图6-5 单极性PWM控制方式波形,3.单极性PW
7、M控制方式（单相桥逆变）,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,6-17,一. 计算法和调制法,3.双极性PWM控制方式（单相桥逆变）,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。,6-18,一. 计算法和调制法,对照上述两图可以看出
8、，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。,6-19,一. 计算法和调制法,4.双极性PWM控制方式（三相桥逆变）,图6-7 三相桥式PWM型逆变电路,6-20,一. 计算法和调制法,图6-7 三相桥式PWM型逆变电路,图6-8 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，也可能是VD1(VD4)导通。 uUN、uV
9、N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。,6-21,一. 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。,图6-7 三相桥式PWM型逆变电路,图6-8 三相桥式PWM
10、逆变电路波形,6-22,一. 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。,6-23,一. 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 (6-2),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 (6-3) 式中，an为,6-24,一. 计算法和调制法,图6-9，能独立控制a1、a 2和a
11、 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6-9 特定谐波消去法的输出PWM波形,6-25,消去两种特定频率的谐波,一. 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。,（65）,6-26,一. 计算法和调制法,一般在输出电压半周期内，器件通、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
12、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6.3节介绍。,6-27,二. 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,6-28,二. 异步调制和同步调制,2.
13、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。,6-29,二. 异步调制和同步调制,3.分段同步调制 异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
14、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。,图6-11 分段同步调制方式举例,6-30,三. 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 样法，计算量小得多。,6-31,三. 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
15、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,6-32,三. 规则采样法,规则采样法计算公式推导,正弦调制信号波,6-33,三. 规则采样法,3.三相桥逆变电路的情况,6-34,四. 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
16、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。,6-35,四. PWM逆变电路的谐波分析,c,+,k,r,),图6-13，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6-13 单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图,6-36,四. 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,6-37,四. PWM逆变电路的谐波分析,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。 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。 当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：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
