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1、第二十二讲 PWM逆变电路及其控制电路教师：孔祥新教师：孔祥新 地点：地点：JA202JA202曲阜师范大学曲阜师范大学 电气信息与自动化学院电气信息与自动化学院 16.2.26.2.2 异步调制和同步调制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，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWMPWM调制方式分调制方式分 为为异步调制异步调制和和同步调制同步调制。通常保持通常保持f fc c固定不变，当固定不变，当f fr r变化时，载波比变化时，载波比N N是变化的是变化的在信号波的半周期内，在信号波的半周期内，PWMPWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负波的脉冲
2、个数不固定，相位也不固定，正负 半周期的脉冲不对称，半周期内前后半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/41/4周期的脉冲也不对称周期的脉冲也不对称当当f fr r较低时，较低时，N N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响 都较小都较小当当f fr r增高时，增高时，N N减小，一周期内的脉冲数减少，减小，一周期内的脉冲数减少，PWMPWM脉冲不对称的影响脉冲不对称的影响 就变大就变大载波比载波频率载波频率f fc c与调制信号频率与调制信号频率f fr r之比，之比，N N= = f fc c / / f fr r1 1） 异步调制
3、异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式载波信号和调制信号不同步的调制方式26.2.26.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制2 2） 同步调制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，即使载波与信号波保持同步，即N N等于常数。等于常数。ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud-2Ud图图6-10 6-10 同步调制三相同步调制三相PWMPWM波形波形基本同步调制方式，基本同步调制方式，f fr r变化时变化时N N不变，信不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。号波一周期内输出
4、脉冲数固定。三相电路中公用一个三角波载波，且取三相电路中公用一个三角波载波，且取N N 为为3 3的整数倍，使三相输出对称。的整数倍，使三相输出对称。为使一相的为使一相的PWMPWM波正负半周镜对称，波正负半周镜对称，N N应取奇数。应取奇数。f fr r很低时，很低时，f fc c也很低，由调制带来的谐波也很低，由调制带来的谐波不易滤除。不易滤除。f fr r很高时，很高时，f fc c会过高，使开关器件难以承会过高，使开关器件难以承受。受。36.2.26.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制3 3）分段同步调制分段同步调制 异步调制和同步调制的综合应用。异步调制和同步调制的综合应用
5、。把整个把整个f fr r范围划分成若干个频段，每范围划分成若干个频段，每 个频段内保持个频段内保持N N恒定，不同频段的恒定，不同频段的N N不同。不同。在在f fr r高的频段采用较低的高的频段采用较低的N N，使载波频使载波频 率不致过高；在率不致过高；在f fr r低的频段采用较高低的频段采用较高 的的N N，使载波频率不致过低。使载波频率不致过低。为防止为防止fcfc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。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。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
6、时切换到同步调制方式，这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。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 46.2.3 6.2.3 规则采样法规则采样法1 1）自然采样法：）自然采样法：按照按照SPWMSPWM控制的基本原理产生的控制的基本原理产生的 PWMPWM波的方法，其求解复杂，难波的方法，其求解复杂，难 以在实时控制中在线计算，工程应以在实时控制中在线计算，工程应 用不多。用不多。ucuOturTcAD BOtuotAtDtBdd d 2d 2d图图6-12 6-12 规则
7、采样法规则采样法 2 2）规则采样法）规则采样法工程实用方法，效果接近自然采工程实用方法，效果接近自然采 样法，计算量小得多。样法，计算量小得多。56.2.3 6.2.3 规则采样法规则采样法三角波两个正峰值之间为一个采样周三角波两个正峰值之间为一个采样周 期期T Tc c 。自然采样法中，脉冲中点不和三角波自然采样法中，脉冲中点不和三角波( ( 负峰点负峰点) )重合。重合。规则采样法使两者重合，使计算大为规则采样法使两者重合，使计算大为 减化。减化。如图所示确定如图所示确定A A、B B点，在点，在t tA A和和t tB B时刻时刻控制开关器件的通断。控制开关器件的通断。脉冲宽度脉冲宽度
8、d d 和用自然采样法得到的脉和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。冲宽度非常接近。规则采样法规则采样法原理原理ucuOturTcAD BOtuotAtDtBdd d 2d 2d图图6-12 6-12 规则采样法规则采样法 66.2.3 6.2.3 规则采样法规则采样法规则采样法计算公式推导规则采样法计算公式推导正弦调制信号波正弦调制信号波三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度(6-7)a a称为称为调制度调制度，00a a11；w wr r为信号波角频率为信号波角频率从图6-12得,(6-6)ucuOturTcAD BOtuotAtDtBdd d 2d 2d图图6-
9、12 6-12 规则采样法规则采样法 76.2.3 6.2.3 规则采样法规则采样法3 3）三相桥逆变电路三相桥逆变电路的情况的情况三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120120同一三角波周期内三相的脉宽分别为同一三角波周期内三相的脉宽分别为d dU U、d dV V和和d dWW，脉冲两边的脉冲两边的间隙宽度分别为间隙宽度分别为d d U U、d d V V和和d d WW，同一时刻三相调制波电压之和为同一时刻三相调制波电压之和为零，由式零，由式(6-6)(6-6)得得 由式由式(6-7)(6-7)得得利用以上两式可简化三相利用以上两式可简化三相
10、SPWMSPWM波的计算波的计算(6-8)(6-9)86.2.4 PWM6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析n n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。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。n n谐波谐波频率和幅值频率和幅值是衡量是衡量PWMPWM逆变电路性能的重要指标之一。逆变电路性能的重要指标之一。n n分析以分析以双极性双极性SPWMSPWM波形为准。波形为准。n n同步调制可看成异步调制的同步调制可看成异步调制的特殊特殊情况，只分析异步调制方式。情况，只分析异步调制方式。n n分析方法分析方法n n以载波周期为基础，再利用以载波周期为基
11、础，再利用贝塞尔函数贝塞尔函数推导出推导出PWMPWM波的波的傅里傅里叶级数叶级数表达式。表达式。n n尽管分析过程复杂，但结论简单而直观。尽管分析过程复杂，但结论简单而直观。96.2.4 PWM6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析图6-13，不同a时单相桥 式PWM逆变电路输出电 压频谱图。1 1）单相的分析结果）单相的分析结果谐波角频率为:式中，n=1,3,5,时，k=0,2,4, ；n=2,4,6,时，k=1,3,5, 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。1 002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20
12、.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率(nwc +kwr) 图图6-14 6-14 三相桥式三相桥式PWMPWM逆变电路输出线电压频谱图逆变电路输出线电压频谱图谐波振幅106.2.4 PWM6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析2 2）三相的分析结果公用载波）三相的分析结果公用载波 信号时的情况信号时的情况输出线电压中的谐波角输出线电压中的谐波角 频率为频率为式中，式中，n n=1,3,5,=1,3,5,时，时，k k=3(2=3(2mm1)11)1， mm=1,2,=1,2,； n n=2,4,6,=2,4,6,时，时，图图6-146-14
13、，不同，不同a a时三相桥式时三相桥式 PWMPWM逆变电路输出电压频逆变电路输出电压频 谱图。谱图。公用载波信号时的情况。公用载波信号时的情况。1 002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率(nwc +kwr) 图图6-14 6-14 三相桥式三相桥式PWMPWM逆变电路输出线电压频谱图逆变电路输出线电压频谱图谐波振幅116.2.4 PWM6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析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，一个较显著的区别三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著
14、的区别是载波角频率是载波角频率w wc c整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是w wc c22w wr r和和2 2w wc cw wr r。SPWMSPWM波中谐波主要是角频率为波中谐波主要是角频率为w wc c、2 2w wc c及其附近的谐波，很容及其附近的谐波，很容易滤除。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波的
15、调制而产生的谐波。后者的谐波分布情况和SPWMSPWM波的谐波波的谐波分析一致。分析一致。谐波分析小结谐波分析小结126.2.5 6.2.5 提高直流电压利用率提高直流电压利用率和减少开关次数和减少开关次数n n直流电压利用率直流电压利用率逆变电路输出交流电压基波最大幅逆变电路输出交流电压基波最大幅 值值U U1m1m和直流电压和直流电压U Ud d之比。之比。n n提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力。提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力。n n减少器件的开关次数可以降低开关损耗减少器件的开关次数可以降低开关损耗。n n正弦波调制的三相正弦波调制的三相PWMPWM逆变电路，调制度逆变电路，调制度a a为为1 1时，输出线电压的时，输出线电压的 基波幅值为基波幅值为 ，直流电压利用率为，直流电压利用率为0.8660.866，实际还更低。，实际还更低。n n梯形波调制方法的思路梯形波调制方法的思路n n采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用率。采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用率。n n当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅 值更大值更大。
