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1、西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作电力电子技术 电子教案第6章 PWM控制技术*1第6章 PWM控制技术引言 6.1 PWM控制的基本原理 6.2 PWM逆变电路及其控制方法6.2.1 计算法和调制法6.2.2 异步调制和同步调制6.2.3 规则采样法6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析6.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数6.2.6 PWM逆变电路的多重化 6.3 PWM跟踪控制技术6.3.1 滞环比较方式6.3.2 三角波比较方式 6.4 PWM整流电路及其控制方法6.4.1 PWM整流电路的工作原理6.4.2 PWM整流电路的控制方法本章小结2西安交通大学电
2、力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作引言 PWM（Pulse Width Modulation）控制脉冲宽度调制 技术，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） 第3、4章已涉及这方面内容 第3章：直流斩波电路采用 第4章有两处： 4.1节斩控式交流调压电路，4.4节矩阵 式变频电路 本章内容 PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电 路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变 电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位 本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术 也介绍PWM整流电路 3西安交通大学电力电子与新能源技术研
3、究中心(PENEC)制作6.1 PWM控制的基本原理 理论基础 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 冲量指窄脉冲的面积 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相 同 低频段非常接近，仅在高频段略有差异图6-1 形状不同而冲量 相同的各种窄脉冲 4西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.1 PWM控制的基本原理 一个实例图6-2a的电路 电路输入：u(t)，窄脉冲，如图6-1a、b、c、d所 示 电路输出：i(t)，图6-2b 面积等效原理图6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 5西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作
4、6.1 PWM控制的基本原理 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个 正弦半波 正弦半波N等分，可看成N个彼此 相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值 不等 用矩形脉冲代替，等幅，不等宽 ，中点重合，面积（冲量）相等 宽度按正弦规律变化图6-3 用PWM波 代替正弦半波 SPWM波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等 效的PWM波形 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 6西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.1 PWM控制的基本原理 等幅PWM波和不等幅PWM波 由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波如直流斩波电路及本章主要介绍的PWM逆变电路 ，6.4
5、节的PWM整流电路 输入电源是交流，得到不等幅PWM波4.1节讲述的斩控式交流调压电路，4.4节的矩阵 式变频电路 基于面积等效原理进行控制，本质是相同的 7西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.1 PWM控制的基本原理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波形可等效的各种波形 直流斩波电路：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，其基本原理和 SPWM控制相同，也基于等效面积原理 8西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2 PWM逆变电路及其控制方法目
6、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 9西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法 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 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 调制法 输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM 波 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波 等腰三角波应用最
7、多，其任一点水平宽度和高度成 线性关系且左右对称 10西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法 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 的要求 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 11西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法 结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说 明 工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补 控制规律 uo正半周，V1通，V2断，V3和V4交替
8、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 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 12西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法 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和零两种电平图6-4 单相桥式 PWM逆变电路 13西安交通大学电力电子
9、与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法 单极性PWM控制方式（单相桥逆变 ）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uo的基波分量图6-5 单极性PWM控制方式波形 14西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法双极性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
10、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 单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极 性调制图6-6 双极性PWM 控制方式波形 16西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法双极性PWM控制方式（单相桥逆变） 三相的PWM控制公用三角波载波uc 三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120图6-7 三相桥式 PWM型逆变电路 17西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.2.1 计算法和调制法
11、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urU i*，V1断，V2通，使i减小 每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令电流的误 差减小 采用定时比较方式时，器件的最高开关频率为时钟频率 的1/2 和滞环比较方式相比，电流控制误差没有一定的环宽， 控制的精度低一些 54西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.4 PWM整流电路及其控制方法 实用的整流电路几乎都是晶闸管整流或二极管整流 晶闸管相控整流电路：输入电流滞后于电压，且其中 谐波分量大，因此功率因数很低 二极管整流电路：虽位移因数接近1，但输入电流中谐 波分量很大，所以
12、功率因数也很低 把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形 成了PWM整流电路 控制PWM整流电路，使其输入电流非常接近正弦波， 且和输入电压同相位，功率因数近似为1，也称单位功 率因数变流器，或高功率因数整流器 55西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.4.1 PWM整流电路的工作原理v PWM整流电路也可分为电压型和电流型 两大类，目前电压型的较多 1单相PWM整流电路 图6-28a和b分别为单相半桥和全桥 PWM整流电路 半桥电路直流侧电容必须由两个电 容串联，其中点和交流电源连接 全桥电路直流侧电容只要一个就可 以 交流侧电感Ls包括外接电抗器的电 感和交
13、流电源内部电感，是电路正常 工作所必须的图6-28 单相PWM整流电路a) 单相半桥电路 b) 单相全桥电路 56西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.4.1 PWM整流电路的工作原理 单相全桥PWM整流电路的工作原理 正弦信号波和三角波相比较的方法对图6-28b中的 V1V4进行SPWM控制，就可以在桥的交流输入端AB产 生一个SPWM波uAB uAB中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波 分量，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，不含 有低次谐波 由于Ls的滤波作用，谐波电压只使is产生很小的脉动 当正弦信号波频率和电源频率相同时，is也为与电源 频率相同的正
14、弦波 us一定时，is幅值和相位仅由uAB中基波uABf的幅值及 其与us的相位差决定 改变uABf的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比 us超前90，或使is与us相位差为所需角度 57西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.4.1 PWM整流电路的工作原理 相量图（图6-29） a： 滞后 相角d ， 和 同相，整流状态 ，功率因数为1。PWM整流电路最基本的工作状态 b： 超前 相角d ， 和 反相，逆变状态， 说明PWM整流电路可实现能量正反两个方向的流动，这 一特点对于需再生制动的交流电动机调速系统很重要 c： 滞后 相角d， 超前 90，电路向交流
15、电源送出无功功率，这时称为静止无功功率发生器（ Static Var GeneratorSVG） d：通过对 幅值和相位的控制，可以使 比 超前或滞后任一角度j 58西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.4.1 PWM整流电路的工作原理 对单相全桥PWM整流电路工作原理的进一步说明 整流 状态下 us 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 59西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作6.4.1 PWM整流电路的工作原理us 0时，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3 、Ls）分别组成两个升压斩波电路 由于是按升压斩波电路工作，如控制不当，直流侧电 容电压可能比交流电压峰值高出许多倍，对器件形成 威胁 另一方面，如直流侧电压过低，例如低于us的峰值， 则uAB中就得不到图6-29a中所需的足够高的基
