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1、电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第六章第六章 PWM控制技术控制技术 引言引言 第一节第一节 PWM控制的基本原理控制的基本原理 第二节第二节 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法 第三节第三节 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术 第四节第四节 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法 本章小结本章小结1电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第六章第六章 PWM控制技术控制技术 引言引言vPWM (Pulse Width Modulation)控制就是控制就是 脉宽调制技术脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲
2、的宽度：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（含进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值形状和幅值) )。v第三、四章已涉及到第三、四章已涉及到PWM控制，第三章控制，第三章直流直流斩波电路斩波电路采用的就采用的就PWM技术；第四章的第一技术；第四章的第一节节斩控式调压电路斩控式调压电路和第四节和第四节矩阵式变频电路矩阵式变频电路都涉及到了。都涉及到了。2电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第六章第六章 PWM控制技术控制技术 引言引言vPWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实控制的思想源于通信技术，全控型器件的发
3、展使得实现现PWM控制变得十分容易。控制变得十分容易。vPWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大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。地位。vPWM控制技术正是有赖于在控制技术正是有赖于在逆变电路逆变电路中的成功应用，才确中的成功应用，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变电路都采用了PWM技术，因此，本章和第技术，因此，本章和第5章（逆变电章（逆变电路）相结合，才能使我们对逆变电路有完整
4、地认识。路）相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。3电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第一节第一节 PWM控制的基本思想控制的基本思想1.重要理论基础重要理论基础面积等效原理面积等效原理冲量冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其环节上时，其效果基本相同效果基本相同。冲量冲量窄脉冲的面积窄脉冲的面积效果基本相同效果基本相同环节的输出响应波形基本相同环节的输出响应波形基本相同图图6-1 6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数单位脉冲函数f (t)d d (t)
5、tOa)矩形脉冲矩形脉冲b)三角形脉冲三角形脉冲c)正弦半波脉冲正弦半波脉冲tOtOtOf (t)f (t)f (t)4电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第一节第一节 PWM控制的基本思想控制的基本思想b)图图6-2 6-2 冲量相等的各冲量相等的各种窄脉冲的响应波形种窄脉冲的响应波形具体的实例说明具体的实例说明“面积等效原理面积等效原理”a）u (t)电压窄脉冲，电压窄脉冲，是电路的输入是电路的输入 。 i (t)输出电流，是输出电流，是电路的响应。电路的响应。 5电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术OuttSPW
6、M波波第一节第一节 PWM控制的基本思想控制的基本思想Outt如何用一系列如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波来代替一个正弦半波Outt6电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第一节第一节 PWM控制的基本思想控制的基本思想若要改变等效输出正弦若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。变各脉冲宽度即可。OuttSPWM波波Outt如何用一系列如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波来代替一个正弦半波Outt7电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技
7、术技术第一节第一节 PWM控制的基本思想控制的基本思想Ow wtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到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波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：波为：Ow wtUd- -Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的根据面积等效原理，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。波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。8电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第一节第一节 PWM控制的基本思想控制的基本思想等等幅幅PWM波波输入电源是恒定直流输入
8、电源是恒定直流 第第3章的直流斩波电路章的直流斩波电路 6.2节的节的PWM逆变电路逆变电路 6.4节的节的PWM整流电路整流电路不等幅不等幅PWM波波输入电源是交流或不是输入电源是交流或不是恒定的直流恒定的直流 4.1节的斩控式交流调压电路节的斩控式交流调压电路 4.4节的矩阵式变频电路节的矩阵式变频电路Ow wtUd- -UdUot9电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第一节第一节 PWM控制的基本思想控制的基本思想2.PWM电流波电流波 电电流流型型逆逆变变电电路路进进行行PWM控控制制，得得到到的的就就是是PWM电流波。电流波。PWM波可等效的各种
9、波形波可等效的各种波形直流斩波电路直流斩波电路 直流波形直流波形SPWM波波 正弦波形正弦波形等效成其他所需波形，如等效成其他所需波形，如:l 所需波形所需波形 l 等效的等效的PWMPWM波波10电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第二节第二节 PWM逆变电路及其控制方法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目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。技术。逆变电路是逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。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。本节内容构成了本章的主体。PWM逆变电路也可分为逆变电路也可分为电压型电压型和
10、和电流型电流型两种，两种，目前实用的目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。逆变电路几乎都是电压型电路。11电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第二节第二节 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法 一一. . 计算法和调制法计算法和调制法计算法和调制法计算法和调制法 二二. . 异步调制和同步调制异步调制和同步调制异步调制和同步调制异步调制和同步调制 三三. . 规则采样法规则采样法规则采样法规则采样法 四四. . PWMPWMPWMPWM逆变电路得谐波分析逆变电路得谐波分析逆变电路得谐波分析逆变电路得谐波分析 五五. . 提高直流电压利用和减
11、少开提高直流电压利用和减少开提高直流电压利用和减少开提高直流电压利用和减少开关次数关次数关次数关次数 六六. . PWMPWMPWMPWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化逆变电路的多重化逆变电路的多重化12电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 计算法和调制法计算法和调制法1.计算法计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算算PWMPWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需关器件的通断，就可得到所需PWMPWM波形。波形。本法较繁琐，当输
12、出正弦波的频率、幅值或相位本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。变化时，结果都要变化。13电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 计算法和调制法计算法和调制法工作时工作时V1和和V2通断互补，通断互补，V3和和V4通断也互补。通断也互补。以以uo正半周为例，正半周为例，V1通，通，V2断，断，V3和和V4交替通断。交替通断。负载电流比电压滞后，在负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。区间为正，一段区间为负。负载电流为正的区间，负载电流为正的区间，V1和和V4导通时，导通时，u
13、o等于等于Ud 。2.调制法调制法图图6 64 4 单相桥式单相桥式PWMPWM逆变电路逆变电路结合结合IGBT单单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明14电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 计算法和调制法计算法和调制法2.调制法调制法图图6 64 4 单相桥式单相桥式PWMPWM逆变电路逆变电路V4关断时，负载电流通过关断时，负载电流通过V1和和VD3续流，续流，uo=0负载电流为负的区间，负载电流为负的区间， V1和和V4仍导通，仍导通，io为负，为负，实际上实际上io从从VD1和和VD4流过，仍有流过，仍有
14、uo=Ud 。V4关断关断V3开通后，开通后，io从从V3和和VD1续流，续流，uo=0。uo总可得到总可得到Ud和零两种和零两种电平。电平。uo负半周，让负半周，让V2保持通，保持通，V1保持断，保持断，V3和和V4交替交替通断，通断，uo可得可得-Ud和零两和零两种电平。种电平。15电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 计算法和调制法计算法和调制法ur正正半半周周，V1保保持持通通，V2保持保持断断。当当uruc时时使使V4通通，V3断，断，uo=Ud 。当当uruc时时，给，给V1和和V4导通信号，给导通信号，给V2和和V3关断信号。关断信号。
15、如如io0，V1和和V4通，如通，如io0，VD1和和VD4通，通， uo=Ud 。当当uruc时时，给，给V2和和V3导通信号，给导通信号，给V1和和V4关断信号。关断信号。如如io0，VD2和和VD3通，通，uo=-Ud 。图图6-6 6-6 双极性双极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形urucuOw wtOw wtuouofuoUd- -Ud在在ur和和uc的交点时刻控制的交点时刻控制IGBT的通断的通断。17电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 计算法和调制法计算法和调制法图图6-5 6-5 双极性双极性PWMPWM控制方式波形控制方式波
16、形urucuOw wtOw wtuouofuoUd- -Ud图图6-5 6-5 单极性单极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形urucuOw wtOw wtuouofuoUd- -Ud 对照上述两图可以看出，对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断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。控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。18电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 计算法和调制法计算法和调制法4.双极性双极性PWM
17、控制控制方式方式（三相桥逆变）（三相桥逆变）图图6-7 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 19电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 计算法和调制法计算法和调制法ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd- -UdO? ?tOOOOO? ?t? ?t? ?t? ?t? ?t2Ud? ?2Ud2Ud? ?2Ud2Ud3Ud32 Ud图图6-7 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 图图6-8 6-8 三相桥式三相桥式PWMPWM逆变电路波形逆变电路波形 下面以下面以U相为例分析相为例分析控制规律控制规律：当当urUuc时，
18、给时，给V1导通信号，导通信号，给给V4关断信号，关断信号，uUN=Ud/2。当当urUuc时，给时，给V4导通信号，导通信号，给给V1关断信号，关断信号，uUN=-Ud/2。当给当给V1(V4)加导通信号时，可加导通信号时，可能是能是V1(V4)导通，也可能是导通，也可能是VD1(VD4)导通。导通。uUN、uVN和和uWN的的PWM波形波形只有只有Ud/2两种电平。两种电平。uUV波形可由波形可由uUN-uVN得出，当得出，当1和和6通时，通时，uUV=Ud，当，当3和和4通通时，时，uUV=Ud，当，当1和和3或或4和和6通时，通时，uUV=0。20电力电子技术校级精品课电力电子技术校级
19、精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 计算法和调制法计算法和调制法输出线电压输出线电压PWM波由波由Ud和和0三种三种电平构成电平构成负载相电压负载相电压PWM波由波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和和0共共5种电平组成。种电平组成。防直通的死区时间防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互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补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。件的关断时间决定。死区时间会给输出的死区时间会给输出的PWMP
20、WM波带来波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。影响，使其稍稍偏离正弦波。ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd- -UdO? ?tOOOOO? ?t? ?t? ?t? ?t? ?t2Ud? ?2Ud2Ud? ?2Ud2Ud3Ud32 Ud图图6-7 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 图图6-8 6-8 三相桥式三相桥式PWMPWM逆变电路波形逆变电路波形 21电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 计算法和调制法计算法和调制法5.特定谐波消去法特定谐波消去法 (Selected Harmonic Elimination PWM
21、SHEPWM)这是计算法中一种较有这是计算法中一种较有代表性的方法。代表性的方法。输出电压输出电压半半周期内，器周期内，器件通、断各件通、断各3次（不包次（不包括括0和和），共），共6个开关个开关时刻可控。时刻可控。为减少谐波并简化为减少谐波并简化控制，控制，要尽量使波形对称。要尽量使波形对称。图图6-9 特定谐波消去法的输出特定谐波消去法的输出PWM波波形形Ow wtuoUd- -Ud2p pp pa1a2a322电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 计算法和调制法计算法和调制法首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，首先，为消除偶次谐波，
22、使波形正负两半周期镜对称，即即(6-1)其其次次，为为消消除除谐谐波波中中余余弦弦项项，应应使使波波形形在在正正半半周周期期内前后内前后1/4周期以周期以/2为轴线对称为轴线对称 (6-2)同同时时满满足足式式（6-1）、（6-2）的的波波形形称称为为四四分分之之一一周周期对称波形，用傅里叶级数表示为期对称波形，用傅里叶级数表示为 (6-3) 式中，式中，an为为23电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 计算法和调制法计算法和调制法图图6-9，能独立控制能独立控制a a1、a a 2和和a a 3共共3个时刻。该波形的个时刻。该波形的an为为 式中式
23、中n=1,3,5,Ow wtuoUd- -Ud2p pp pa1a2a3确定确定a1的值，再令的值，再令两个不同的两个不同的an=0(n=1,3,5)，就可建三个方程，就可建三个方程，求得求得a a1、a a2和和a a3 。图图6-9 特定谐波消去法的输出特定谐波消去法的输出PWM波形波形24电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术消去两种特定频率的谐波消去两种特定频率的谐波一一. 计算法和调制法计算法和调制法在在三三相相对对称称电电路路的的线线电电压压中中，相相电电压压所所含含的的3次次谐谐波波相相互抵消。互抵消。可考虑消去可考虑消去5次和次和7次谐波，得
24、如下联立方程：次谐波，得如下联立方程：给给定定a1，解解方方程程可可得得a a1、a a2和和a a3。a1变变，a a1、a a2和和a a3也也相相应改变。应改变。（65）25电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 计算法和调制法计算法和调制法一般在输出电压半周期内，器件通、断各一般在输出电压半周期内，器件通、断各k次，次，考虑到考虑到PWM波四分之一周期对称，波四分之一周期对称，k个开关时个开关时刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去消去k1个频率的特定谐波。个频率的特定谐波。k的取值越大，开关时刻的
25、计算越复杂。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，在除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在6.3节介绍。节介绍。26电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术二二. 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，PWM调制方式分为调制方式分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fc固定不变，当固定不变，当fr变化时，载波比变化时，载波比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，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不波的脉
26、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周期的脉周期的脉冲也不对称冲也不对称当当fr较低时，较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小的不利影响都较小当当fr增高时，增高时，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，PWM脉冲不对脉冲不对称的影响就变大称的影响就变大载波比载波比载波频率载波频率fc与调制信号频率与调制信号频率fr之比，之比，N= fc / fr1. 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载波信号和调制信号不同步的调制
27、方式27电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术二二. 异步调制和同步调制异步调制和同步调制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等于常数。等于常数。ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud- -2Ud图图6-10 同步调制三相同步调制三相PWM波形波形基本同步调制方式，基本同步调制方式，fr变化变化时时N不变，信号波一周期内不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。输出脉冲数固定。三相电路中公用一个三角三相电路中
28、公用一个三角波载波，且取波载波，且取N为为3的整数的整数倍，使三相输出对称。倍，使三相输出对称。为使一相的为使一相的PWM波正负半波正负半周镜对称，周镜对称，N应取奇数。应取奇数。fr很低时，很低时，fc也很低，由调也很低，由调制带来的谐波不易滤除。制带来的谐波不易滤除。fr很高时，很高时，fc会过高，使开会过高，使开关器件难以承受。关器件难以承受。28电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术二二. 异步调制和同步调制异步调制和同步调制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。把整个把整个fr范围划分成若干个频范围
29、划分成若干个频段，每个频段内保持段，每个频段内保持N恒定，恒定，不同频段的不同频段的N不同。不同。在在fr高高的的频频段段采采用用较较低低的的N，使使载载波波频频率率不不致致过过高高；在在fr低低的的频频段段采采用用较较高高的的N，使使载载波波频频率不致过低。率不致过低。为防止为防止fc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，高频输出时切换到同步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
30、合起来，和分段同步方式效调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。果接近。图图6-11 6-11 分段同步调制分段同步调制方式举例方式举例 29电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术三三. 规则采样法规则采样法1.自然采样法：自然采样法： 按照按照SPWM控制的基本原理控制的基本原理产生的产生的PWM波的方法，其求波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。在线计算，工程应用不多。ucuOturTcADBOtuotAtDtBd dd d d d 2d d2d d图图6-12 规则采样法规则采样法 2
31、.规则采样法规则采样法 工程实用方法，效果接近自工程实用方法，效果接近自然采然采 样法，计算样法，计算量小得多。量小得多。30电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术三三. 规则采样法规则采样法三角波两个正峰值之间为一个采三角波两个正峰值之间为一个采样周期样周期Tc 。自然采样法中，脉冲中点不和三自然采样法中，脉冲中点不和三角波角波(负峰点负峰点)重合。重合。规则采样法使两者重合，使计算规则采样法使两者重合，使计算大为减化。大为减化。如图所示确定如图所示确定A、B点，在点，在tA和和tB时刻控制开关器件的通断。时刻控制开关器件的通断。脉冲宽度脉冲宽度d d 和
32、用自然采样法得到和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。的脉冲宽度非常接近。 规则采样法规则采样法原理原理ucuOturTcADBOtuotAtDtBd dd d d d 2d d2d d图图6-12 规则采样法规则采样法 31电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术三三. 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称为称为调制度调制度，0a1；w wr为信号波角频率为信号波角频率从图从图6-12得得, (6-6)ucuOturTcADB
33、OtuotAtDtBd dd d d d 2d d2d d图图6-12 规则采样法规则采样法 32电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术三三. 规则采样法规则采样法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120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、d dV和和d dW，脉脉冲两边的间隙宽度分别为冲两边的间隙宽度分别为d dU、d d V和和d d W，同一时刻同一时刻三相调制波电压之和为零，由式三相调制波电压之和为零，由式(6-6)得得 由
34、式由式(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SPWM波的计算波的计算(6-8)(6-9)33电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术四四. PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析v使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐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。波分量。v谐波谐波频率和幅值频率和幅值是衡量是衡量PWM逆变电路性能的重要指逆变电路性能的重要指标之一。标之一。v分析以分析以双极性双极性SPWM波形为准。波形为准。v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，只分析异步调情况，只分析异步调制
35、方式。制方式。v分析方法分析方法以载波周期为基础，再利用以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数贝塞尔函数推导出推导出PWM波的波的傅傅里叶级数里叶级数表达式。表达式。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。34电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术四四. PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析c +kr)角频率角频率 (nw ww w1002+ +- -1234+ +- -02+- -4+ +- -01+ +- -3+ +- -5+- -谐波振幅谐波振幅0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.
36、5a=0图图6-13，不同，不同a时单时单相桥式相桥式PWM逆变电逆变电路输出电压频谱图。路输出电压频谱图。1.单相的分析结果单相的分析结果谐波角频率为谐波角频率为:式中，式中，n=1,3,5,时，时，k=0,2,4, ； n=2,4,6,时，时，k=1,3,5, PWM波中不含低次谐波，只含波中不含低次谐波，只含w wc及其附近的谐波以及其附近的谐波以及及2w wc、3w wc等及其附近的谐波。等及其附近的谐波。图图6-13 单相单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱桥式逆变电路输出电压频谱图图35电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术四四. PWM逆变电路的
37、谐波分析逆变电路的谐波分析2.三相的分析结果公用三相的分析结果公用载波信号时的情况载波信号时的情况输出线电压中的谐波输出线电压中的谐波角频率为角频率为式式中中，n=1,3,5,时时，k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,时，时，图图6-14，不同，不同a时三相时三相桥式桥式PWM逆变电路输逆变电路输出电压频谱图。出电压频谱图。公用载波信号时的情公用载波信号时的情况。况。1002+ +- -1234+ +- -02+ +- -4+ +- -01+ +- -3+ +- -5+ +- -0.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率角频率(nw wc
38、 +kw wr)图图6-14 三相桥式三相桥式PWM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谐波振幅36电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术四四. 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显著的区别是载波角频率w wc整数倍的谐波没有了，谐整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是波中幅值较高的是w wc2w wr和和2w wcw wr。SPWM波中谐波主要是角频率为波中谐波主要是角频率为w wc、2w wc及其附近的及其附近的谐
39、波，很容易滤除。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的谐波分布情况和SPWM波的谐波分析一致。波的谐波分析一致。谐波分析小结谐波分析小结37电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术五五. 提高直流电压利用率和减少开提高直流电压利用率和减少开关次数关次数v直直流流电电压压利利用用率率逆逆变变电
40、电路路输输出出交交流流电电压压基基波波最最大大幅幅值值U1m和和直直流电压流电压Ud之比。之比。v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。v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。v正正弦弦波波调调制制的的三三相相PWM逆逆变变电电路路，调调制制度度a为为1时时，输输出出线线电电压压的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0.866，实际还更低。，实际还更低。v梯形波调制方法的思路梯形波调制方法的思路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
41、。当当梯梯形形波波幅幅值值和和三三角角波波幅幅值值相相等等时时，梯梯形形波波所所含含的的基基波波分分量量幅幅值更大。值更大。38电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术ucurUurVurWuuUNOw wtOw wtOw wtOw wtuVNuUV五五. 提高直流电压利用率和减少提高直流电压利用率和减少开关次数开关次数图图6-15 梯形波为调制信号的梯形波为调制信号的PWM控制控制 1.梯形波调制方法的原理及波形梯形波调制方法的原理及波形梯形波的形状用梯形波的形状用三角化率三角化率 s s =Ut/Uto描述，描述，Ut为以横轴为底为以横轴为底时梯形波的高，
42、时梯形波的高，Uto为以为以横轴为底横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高。的三角形的高。s s =0时时梯梯形形波波变变为为矩矩形形波波，s s =1时梯形波变为三角波。时梯形波变为三角波。梯梯形形波波含含低低次次谐谐波波，PWM波波含含同同样的低次谐波。样的低次谐波。低低次次谐谐波波（不不包包括括由由载载波波引引起起的的谐波）产生的波形畸变率为谐波）产生的波形畸变率为d d 。39电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术五五. 提高直流电压利用率和减少开提高直流电压利用率和减少开关次数关次数图图6-16，d d 和和U
43、1m /Ud随随s s 变化的情况。变化的情况。图图6-17，s s 变化时各次谐波分量幅变化时各次谐波分量幅值值Unm和基波幅值和基波幅值U1m之比。之比。U,d d00.20.40.60.81.0d d0.20.40.60.81.01.21mUdUdU1m图图6-16 s s 变化时的变化时的d d 和直流电压利用率和直流电压利用率 s s0.20.40.60.81.0s s5w wr00.10.27w wr11w wr13w wrU1mUmn图图6-17 s s 变化时的各次谐波含量变化时的各次谐波含量 梯形波调制的缺点：梯形波调制的缺点：输出波形中含输出波形中含5次、次、7次等低次谐波
44、次等低次谐波s s = 0.4 = 0.4时，谐波含量也较少，时，谐波含量也较少， 约为约为3.6%3.6%，直流电压，直流电压利用率为利用率为1.031.03，综合效果较好。，综合效果较好。40电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术2.线电压控制方式线电压控制方式五五. 提高直流电压利用率和减少开提高直流电压利用率和减少开关次数关次数uucr1uOw wturur1uOw wtur3图图6-18 叠加叠加3次谐波的调制信次谐波的调制信号号对两个线电压进行控制，适当地利用多余对两个线电压进行控制，适当地利用多余的一个自由度来改善控制性能。的一个自由度来改善控
45、制性能。目标目标使输出线电压不含低次谐波的同使输出线电压不含低次谐波的同时尽可能提高直流电压利用率，并尽量减时尽可能提高直流电压利用率，并尽量减少器件开关次数。少器件开关次数。直接控制手段仍是对相电压进行控制，但直接控制手段仍是对相电压进行控制，但控制目标却是线电压控制目标却是线电压相对线电压控制方式，控制目标为相电压相对线电压控制方式，控制目标为相电压时称为时称为相电压控制方式相电压控制方式。鞍形波的基波分量幅值大。鞍形波的基波分量幅值大。除叠加除叠加3 3次谐波外，还可叠加其他次谐波外，还可叠加其他3 3倍频的信号，也可叠加直流分量，倍频的信号，也可叠加直流分量，都不会影响线电压。都不会影
46、响线电压。叠加三次叠加三次谐波谐波在相电压调制信号中叠加在相电压调制信号中叠加3 3次谐波，使之成次谐波，使之成为鞍形波，输出相电压中也含为鞍形波，输出相电压中也含3 3次谐波，且次谐波，且三相的三次谐波相位相同。合成线电压时，三相的三次谐波相位相同。合成线电压时，3 3次谐波相互抵消，线电压为正弦波。次谐波相互抵消，线电压为正弦波。41电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术五五. 提高直流电压利用率和减少开提高直流电压利用率和减少开关次数关次数3.线电压控制方式举例线电压控制方式举例（叠加（叠加3倍次谐波和直流分量）倍次谐波和直流分量）叠叠加加u up p
47、，既既包包含含3 3倍倍次次谐谐波波，也也包包含含直直流流分量，分量，u up p大小随正弦信号的大小而变化。大小随正弦信号的大小而变化。设设三三角角波波载载波波幅幅值值为为1 1，三三相相调调制制信信号号的的正弦分别为正弦分别为u urU1rU1、u urV1rV1和和u urW1rW1，并令并令 (6-12)(6-12) 则三相的调制信号分别为则三相的调制信号分别为 图图6-19 线电压控制方式举例线电压控制方式举例42电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术五五. 提高直流电压利用率和减少开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数不不论论u urU1rU1
48、、u urV1rV1和和u urW1rW1幅幅值值的的大大小小，u urUrU、u urVrV、u urWrW总总有有1/31/3周周期期的的值值和和三三角角波波负负峰峰值值相相等等。在在这这1/31/3周周期期中中，不不对对调调制制信信号号值值为为-1-1的的相相进进行行控控制制，只只对对其其他他两两相相进进行行控控制制，这这种种控制方式称为控制方式称为两相控制方式两相控制方式。 优点优点 （1 1）在）在1/31/3周期内器件不动作，开关损耗减少周期内器件不动作，开关损耗减少1/31/3。 （2 2）最大输出线电压基波幅值为）最大输出线电压基波幅值为U Ud d，直流电压利用率直流电压利用
49、率 提高。提高。 （3 3）输出线电压不含低次谐波，优于梯形波调制方式。）输出线电压不含低次谐波，优于梯形波调制方式。43电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术六六. PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化PWM多多重重化化逆逆变变电电路路，一一般般目目的的：提提高高等等效效开开关关频频率率、减少开关损耗、减少和载波有关的谐波分量减少开关损耗、减少和载波有关的谐波分量PWM逆逆变变电电路路多多重重化化联联结结方方式式有有变变压压器器方方式式和和电电抗抗器器方方式式利用电抗器联接的二重利用电抗器联接的二重PWM逆变电路（图逆变电路（图6-20，图，图 6-21
50、)图图6-20 二重二重PWM型逆变电路型逆变电路 两个单元逆变电路的载波信号两个单元逆变电路的载波信号相互错开相互错开180输出端相对于直流电源中点输出端相对于直流电源中点N的电压的电压uUN=(uU1N+uU2N)/2,已变为单极性已变为单极性PWM波波图图6-20 二重二重PWM型逆变电路型逆变电路44电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术六六. PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化输出线电压共有输出线电压共有0、(1/2)Ud、Ud五个电平，比非多重化时谐五个电平，比非多重化时谐波有所减少。波有所减少。电抗器上所加电压频率为载波频电抗器上所加电压频
51、率为载波频率，比输出频率高得多，只要很率，比输出频率高得多，只要很小的电抗器就可以了。小的电抗器就可以了。输出电压所含谐波角频率仍可表输出电压所含谐波角频率仍可表示为示为nw wc+kw wr，但其中但其中n为奇数为奇数时的谐波已全被除去，谐波最低时的谐波已全被除去，谐波最低频率在频率在2w wc附近，相当于电路的附近，相当于电路的等效载波频率提高一倍。等效载波频率提高一倍。图图6-21 二重二重PWM型逆变电路输出波形型逆变电路输出波形 45电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第三节第三节 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术PWM波形生成的第三种方法波形生成
52、的第三种方法跟踪控制方法跟踪控制方法。把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为 反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路 各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号 变化。变化。常用的有常用的有滞环比较方式滞环比较方式和和三角波比较方式三角波比较方式。46电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第三节第三节 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术 一一. . 滞环比较方式滞环比较方式 二二. . 三角形比较方式三角形比较方式 47电
53、力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 滞环比较方式滞环比较方式 1. 跟踪型跟踪型PWM变流电路中，电流跟踪控制应用最多。变流电路中，电流跟踪控制应用最多。tOiii*+D D Ii*- -D D Ii*图图6-23 滞环比较方式的指令滞环比较方式的指令电流和输出电流电流和输出电流基本原理基本原理把指令电流把指令电流i*和实际输出电流和实际输出电流i的偏的偏差差i*-i作为滞环比较器的输入。作为滞环比较器的输入。V1（或（或VD1）通时，通时，i增大增大V2（或（或VD2）通时，通时，i减小减小通过环宽为通过环宽为2D DI的滞环比较器的控的滞环比较器
54、的控制，制，i就在就在i*+D DI和和i*-D DI的范围内，的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流呈锯齿状地跟踪指令电流i*。参数的影响参数的影响环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。关频率过高，开关损耗增大。L大时，大时，i的变化率小，跟踪慢；的变化率小，跟踪慢；L小时，小时，i的变化率大，开关频率过高。的变化率大，开关频率过高。滞环滞环环宽环宽电抗器电抗器L L的作用的作用48电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 滞环比较方式滞环比较
55、方式2. 三相的情况三相的情况图图6-25 三相电流跟踪型三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形逆变电路输出波形图图6-24 三相电流跟踪型三相电流跟踪型PWM逆变电路逆变电路49电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 滞环比较方式滞环比较方式3. 采用滞环比较方式的电流跟踪型采用滞环比较方式的电流跟踪型PWMPWM变流电路有如下变流电路有如下特点特点。 （1）硬件电路简单。）硬件电路简单。 （2）实时控制，电流响应快。）实时控制，电流响应快。 （3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。 （4）和计算
56、法及调制法相比，相同开关频率时输出电流）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流 中高次谐波含量多。中高次谐波含量多。 （5）闭环控制，是各种跟踪型闭环控制，是各种跟踪型PWMPWM变流电路的共同特点。变流电路的共同特点。50电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 滞环比较方式滞环比较方式4. 采用滞环比较方式实现电压跟踪控制采用滞环比较方式实现电压跟踪控制把把指指令令电电压压u*和和输输出出电电压压u进进行行比比较较，滤滤除除偏偏差差信信号号中中的的谐谐波波，滤滤波波器器的的输输出出送送入入滞滞环环比比较较器器，由由比比较较器器输输出控制开关器件
57、的通断，从而实现电压跟踪控制。出控制开关器件的通断，从而实现电压跟踪控制。图图6-26 电压跟踪控制电路举例电压跟踪控制电路举例51电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. 滞环比较方式滞环比较方式和和电电流流跟跟踪踪控控制制电电路路相相比比，只只是是把把指指令令和和反反馈馈信信号号从从电流变为电压。电流变为电压。输输出出电电压压PWMPWM波波形形中中含含大大量量高高次次谐谐波波，必必须须用用适适当当的的滤滤波器滤除。波器滤除。u u* *=0=0时时，输输出出电电压压u u为为频频率率较较高高的的矩矩形形波波，相相当当于于一一个个自励振荡电路。自励振
58、荡电路。u u* *为为直直流流信信号号时时，u u产产生生直直流流偏偏移移，变变为为正正负负脉脉冲冲宽宽度度不等，正宽负窄或正窄负宽的矩形波。不等，正宽负窄或正窄负宽的矩形波。u u* *为为交交流流信信号号时时，只只要要其其频频率率远远低低于于上上述述自自励励振振荡荡频频率率，从从u u中中滤滤除除由由器器件件通通断断产产生生的的高高次次谐谐波波后后，所所得得的的波形就几乎和波形就几乎和u u* * 相同，从而实现电压跟踪控制。相同，从而实现电压跟踪控制。52电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术二二. 三角形比较方式三角形比较方式AAA(1) (1)
59、基本原理基本原理不是把指令信号和三角波直接进行不是把指令信号和三角波直接进行比较，而是通过闭环来进行控制。比较，而是通过闭环来进行控制。把指令电流把指令电流i i* *U U、i i* *V V和和i i* *W W和实际输出和实际输出电流电流i iU U、i iV V、i iW W进行比较，求出偏差，进行比较，求出偏差，通过放大器通过放大器A A放大后，再去和三角波放大后，再去和三角波进行比较，产生进行比较，产生PWMPWM波形。波形。放大器放大器A A通常具有比例积分特性或比通常具有比例积分特性或比例特性，其系数直接影响电流跟踪例特性，其系数直接影响电流跟踪特性。特性。(2) 特点特点开关
60、频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便。开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便。为改善输出电压波形，三角波载波常用三相三角波载波。为改善输出电压波形，三角波载波常用三相三角波载波。和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐波少。和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐波少。图图6-27 三角波比较方式电流跟踪型逆变电路三角波比较方式电流跟踪型逆变电路53电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术二二. 三角形比较方式三角形比较方式不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟。不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟。以以固固定定采采样样
61、周周期期对对指指令令信信号号和和被被控控制制变变量量进进行行采采样样，根根据据偏差的极性来控制开关器件通断。偏差的极性来控制开关器件通断。在时钟信号到来的时刻，在时钟信号到来的时刻，如如i i i i* *，V V1 1断，断，V V2 2通，使通，使I I 减小。减小。每每个个采采样样时时刻刻的的控控制制作作用用都都使使实实际际电电流流与与指指令令电电流流的的误误差差减小。减小。采采用用定定时时比比较较方方式式时时，器器件件的的最最高高开开关关频频率率为为时时钟钟频频率率的的1/21/2。和和滞滞环环比比较较方方式式相相比比，电电流流控控制制误误差差没没有有一一定定的的环环宽宽，控控制的精度
62、低一些。制的精度低一些。(3) (3) 除上述两种比较方式外，还有除上述两种比较方式外，还有定时比较方式定时比较方式。54电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第四节第四节 PWM整流电路及其控整流电路及其控制方法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。实用的整流电路几乎都是晶闸管整流或二极管整流。晶晶闸闸管管相相控控整整流流电电路路：输输入入电电流流滞滞后后于于电电压压，且且其其中中谐谐波分量大，因此功率因数很低。波分量大，因此功率因数很低。二二极极管管整整流流电电路路：虽虽位位移移因因数数接接近近1，但但输输入入电电流流中中谐谐波分量很大，所
63、以功率因数也很低。波分量很大，所以功率因数也很低。把把逆逆变变电电路路中中的的SPWM控控制制技技术术用用于于整整流流电电路路，就就形形成成了了PWM整流电路整流电路。控控制制PWM整整流流电电路路，使使其其输输入入电电流流非非常常接接近近正正弦弦波波，且且和和输输入入电电压压同同相相位位，功功率率因因数数近近似似为为1，也也称称单单位位功功率因数变流器率因数变流器，或，或高功率因数整流器高功率因数整流器。55电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第四节第四节 PWM整流电路及其控整流电路及其控制方法制方法 一一. . PWM整流电路的工作原理整流电路的工作
64、原理 二二. . PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法56电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理PWM整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前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。电压型的较多。半桥电路直流侧电容必须由两半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联，其中点和交流电源个电容串联，其中点和交流电源连接。连接。 单相半桥电路单相半桥电路 交流侧电感交流侧电感Ls包括外接电抗器的包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必须的。路正常工作所必
65、须的。全桥电路直流侧电容只要一个就全桥电路直流侧电容只要一个就可以。可以。 单相全桥电路单相全桥电路图图6-28 单相单相PWM整流电路整流电路57电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理(1)单相全桥单相全桥PWM整流电路整流电路的工作原理的工作原理正弦信号波和三角波相比较的正弦信号波和三角波相比较的方法对图方法对图6-28b中的中的V1V4进行进行SPWM控制，就可以在桥的交控制，就可以在桥的交流输入端流输入端AB产生一个产生一个SPWM波波uAB。uAB中含有和正弦信号波同频率中含有和正弦信号波同频率且幅
66、值成比例的基波分量，以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及和三角波载波有关的频率很高的谐波，不含有低次谐波。高的谐波，不含有低次谐波。由于由于Ls的滤波作用，谐波电压只使的滤波作用，谐波电压只使is产生很小的脉动。产生很小的脉动。当正弦信号波频率和电源频率相同时，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也为与电源频率相同的正弦波。正弦波。us一定时，一定时，is幅值和相位仅由幅值和相位仅由uAB中基波中基波uABf的幅值及其与的幅值及其与us的相的相位差决定。位差决定。改变改变uABf的幅值和相位，可使的幅值和相位，可使is和和us同相或反相，同相或反相，i
67、s比比us超前超前90，或使或使is与与us相位差为所需角度。相位差为所需角度。58电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理图图6-29 PWM6-29 PWM整流电路的运行方式向量图整流电路的运行方式向量图a)整流运行整流运行b)逆变运行逆变运行c)无功补偿运行无功补偿运行d) 超前角为超前角为j j d dj jUsULURUABIsd dUsURUABIsULd dUsURUABIsULd dUsURUABIsUL59电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. PWM
68、整流电路的工作原理整流电路的工作原理b)逆变运行逆变运行d dUsURUABIsULa)整流运行整流运行d dUsULURUABIsa： 滞后滞后 相角相角d d ， 和和 同相，同相，整流状态整流状态，功率因数为功率因数为1。PWM整流整流电路最基本的工作状态。电路最基本的工作状态。b： 超前超前 相角相角d d ， 和和 反相，逆变状态，反相，逆变状态，说明说明PWM整流电路可实整流电路可实现能量正反两个方向的流现能量正反两个方向的流动，这一特点对于需再生动，这一特点对于需再生制动的交流电动机调速系制动的交流电动机调速系统很重要统很重要60电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六
69、章第六章 PWM技术技术一一. PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理c)无功补偿运行无功补偿运行d dUsURUABIsULd) 超前角为超前角为j j j jd dUsURUABIsULc： 滞后滞后 相角相角d d， 超前超前 90，电路向交，电路向交流电源送出无功功率，流电源送出无功功率，这时称为这时称为静止无功功率静止无功功率发生器发生器（Static Var GeneratorSVG）。d：通过对通过对 幅值和相位幅值和相位的控制，可以使的控制，可以使 比比 超超前或滞后任一角度前或滞后任一角度j j 。61电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术
70、技术一一. PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理(2)对对单相全桥单相全桥PWM整流电路整流电路工作原理的进一步说明工作原理的进一步说明整流状态下整流状态下:us 0时时，（V2、VD4、VD1、Ls）和和（V3、VD1、VD4、Ls）分分别组成两个升压斩波电路，以（别组成两个升压斩波电路，以（V2、VD4、VD1、Ls）为例。为例。V2通时，通时，us通过通过V2、VD4向向Ls储能。储能。V2关关断断时时，Ls中中的的储储能能通通过过VD1、VD4向向C充电。充电。us 0时，（时，（V1、VD3、VD2、Ls）和（和（V4、VD2、VD3、Ls）分别组成两个升压斩波电路。分别组成两
71、个升压斩波电路。62电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术一一. PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理2 2三相三相PWMPWM整流电路整流电路三相桥式三相桥式PWMPWM整流电路，是最基本的整流电路，是最基本的PWMPWM整流电路之一，应用最广。整流电路之一，应用最广。工作原理和前述的单相全工作原理和前述的单相全桥电路相似，只是从单相桥电路相似，只是从单相扩展到三相。扩展到三相。进行进行SPWMSPWM控制，在交流输控制，在交流输入端入端A A、B B和和C C可得可得 SPWMSPWM电电压，按图压，按图6-29a6-29a的相量图控的相量图控制，
72、可使制，可使i ia a、i ib b、i ic c为正弦为正弦波且和电压同相且功率因波且和电压同相且功率因数近似为数近似为1 1。和单相相同，该电路也可和单相相同，该电路也可工作在逆变运行状态及图工作在逆变运行状态及图c c或或d d的状态。的状态。图图6-30 三相桥式三相桥式PWM整流电路整流电路63电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术二二. PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法1. 间接电流控制间接电流控制间接电流控制也称为间接电流控制也称为相位和幅值控制相位和幅值控制。按按图图6-29a（逆逆变变时时为为图图6-29b）的的相相量量关关系系
73、来来控控制制整整流流桥桥交交流流输输入入端端电电压压，使使得得输输入入电电流流和和电电压压同同相相位位，从从而而得得到到功功率率因因数数为为1的的控制效果。控制效果。图图6-31，间间接接电电流流控控制的系统结构图制的系统结构图图图中中的的PWM整整流流电电路路为为图图6-30的的三相桥式电路三相桥式电路控控制制系系统统的的闭闭环环是是整整流流器器直直流流侧侧电压控制环。电压控制环。有多种控制方法，根据有没有有多种控制方法，根据有没有引入电流反馈引入电流反馈可分为两种可分为两种 间接电流控制间接电流控制、直接电流控制直接电流控制。图图6-31 间接电流控制系统结构间接电流控制系统结构64电力电
74、子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术二二. PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法从整流运行向逆变运行转换从整流运行向逆变运行转换首首先先负负载载电电流流反反向向而而向向C充充电电，ud抬抬高高，PI调调节节器器出出现现负负偏偏差差，id减减小小后后变变为为负负值值，使使交交流流输输入入电电流流相相位位和和电电压压相相位位反反相相，实实现现逆变运行。逆变运行。稳稳态态时时，ud和和 仍仍然然相相等等，PI调调节节器器输输入入恢恢复复到到零零，id为为负负值值，并与逆变电流的大小对应。并与逆变电流的大小对应。控制原理控制原理 和实际的直流电压和实际的直流电压u
75、d比较后送入比较后送入PI调节器，调节器，PI调节器的输出为调节器的输出为一直流电流信号一直流电流信号id，id的大小和整流器交流输入电流幅值成正比。的大小和整流器交流输入电流幅值成正比。稳态时，稳态时，ud= ，PI调节器输入为零，调节器输入为零，PI调节器的输出调节器的输出id和负载电和负载电流大小对应，也和交流输入电流幅值相对应。流大小对应，也和交流输入电流幅值相对应。负载电流减小时，调节过程和上述过程相反。负载电流减小时，调节过程和上述过程相反。负载电流增大时，负载电流增大时，C放电而使放电而使ud下降，下降，PI的输入端出现正偏差，使的输入端出现正偏差，使其输出其输出id增大，进而使
76、交流输入电流增大，也使增大，进而使交流输入电流增大，也使ud回升。达到新的回升。达到新的稳态时，稳态时，ud和和 相等，相等，PI调节器输入仍恢复到零，而调节器输入仍恢复到零，而id则稳定为新则稳定为新的较大的值，与较大的负载电流和较大的交流输入电流对应。的较大的值，与较大的负载电流和较大的交流输入电流对应。65电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术二二. PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法控制系统中其余部分的工作原理控制系统中其余部分的工作原理图图中中上上面面的的乘乘法法器器是是id分分别别乘乘以以和和a、b、c三三相相相相电电压压同同相相位位的的
77、正正弦信号，再乘以电阻弦信号，再乘以电阻R，得到各相电流在得到各相电流在Rs上的压降上的压降uRa、uRb和和uRc。图图中中下下面面的的乘乘法法器器是是id分分别别乘乘以以比比a、b、c三三相相相相电电压压相相位位超超前前/2的的余余弦弦信信号号，再再乘乘以以电电感感L的的感感抗抗，得得到到各各相相电电流流在在电电感感Ls上上的的压压降降uLa、uLb和和uLc。各各相相电电源源相相电电压压ua、ub、uc分分别别减减去去前前面面求求得得的的输输入入电电流流在在电电阻阻R和和电电感感L上上的的压压降降，就就可可得得到到所所需需要要的的交交流流输输入入端端各各相相的的相相电电压压uA、uB和和
78、uC的的信信号号，用用该该信信号号对对三三角角波波载载波波进进行行调调制制，得得到到PWM开开关关信号去控制整流桥，就可以得到需要的控制效果。信号去控制整流桥，就可以得到需要的控制效果。存在的问题存在的问题在在信信号号运运算算过过程程中中用用到到电电路路参参数数Ls和和Rs，当当Ls和和Rs的的运运算算值值和和实实际际值值有误差时，会影响到控制效果。有误差时，会影响到控制效果。是基于系统的静态模型设计的，其动态特性较差。是基于系统的静态模型设计的，其动态特性较差。间接电流控制的系统应用较少。间接电流控制的系统应用较少。66电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技
79、术二二. PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法2. 直接电流控制直接电流控制有不同的电流跟踪控制方法，有不同的电流跟踪控制方法，图图6-32给出一种最常用的给出一种最常用的采用电流滞环比较方式的控制系统结构图。采用电流滞环比较方式的控制系统结构图。图图6-32 6-32 直接电流控制系统结构图直接电流控制系统结构图通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。流值。67电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术二二
80、. PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法v控制系统组成控制系统组成双双闭闭环环控控制制系系统统，外外环环是是直直流流电电压压控控制制环环，内内环环是是交交流流电电流控制环。流控制环。外环的结构、工作原理和图外环的结构、工作原理和图6-316-31间接电流控制系统相同。间接电流控制系统相同。外外环环PIPI调调节节器器的的输输出出为为i id d，i id d分分别别乘乘以以和和a a、b b、c c三三相相相相电电压压同同相相位位的的正正弦弦信信号号，得得到到三三相相交交流流电电流流的的正正弦弦指指令令信信号号 ， 和和 。 ， 和和 分分别别和和各各自自的的电电源源电电压压同同相相位位
81、，其其幅幅值值和和反反映映负负载载电电流流大大小小的的直直流流信信号号i id d成成正正比比，这这是是整整流流器器运运行行时所需的交流电流指令信号。时所需的交流电流指令信号。指指令令信信号号和和实实际际交交流流电电流流信信号号比比较较后后，通通过过滞滞环环对对器器件件进进行控制，便可使实际交流输入电流跟踪指令值。行控制，便可使实际交流输入电流跟踪指令值。68电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术二二. PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法图图6-32 6-32 直接电流控制系统结构图直接电流控制系统结构图优点优点控制系统结构简单，电流响应速度快，系统
82、鲁棒性好。控制系统结构简单，电流响应速度快，系统鲁棒性好。获得了较多的应用获得了较多的应用69电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第六章第六章 PWM控制技术控制技术 小结小结PWMPWM控制技术的地位控制技术的地位PWMPWM控控制制技技术术是是在在电电力力电电子子领领域域有有着着广广泛泛的的应应用用，并并对对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。器件与器件与PWMPWM技术的关系技术的关系IGBTIGBT、电电力力MOSFETMOSFET等等为为代代表表的的全全控控型型器器件件的的不不断断完完善善给给PWM
83、PWM控制技术提供了强大的物质基础。控制技术提供了强大的物质基础。PWMPWM控制技术用于直流斩波电路控制技术用于直流斩波电路直直流流斩斩波波电电路路实实际际上上就就是是直直流流PWMPWM电电路路，是是PWMPWM控控制制技技术术应应用用较较早早也也成成熟熟较较早早的的一一类类电电路路，应应用用于于直直流流电电动动机机调调速系统就构成广泛应用的速系统就构成广泛应用的直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统。70电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第六章第六章 PWM控制技术控制技术 小结小结PWMPWM控制技术用于交流控制技术用于交流交流变流电路交流变流电路斩斩
84、控控式式交交流流调调压压电电路路和和矩矩阵阵式式变变频频电电路路是是PWMPWM控控制制技技术术在这类电路中应用的代表。在这类电路中应用的代表。目前其应用都还不多。目前其应用都还不多。但但矩矩阵阵式式变变频频电电路路因因其其容容易易实实现现集集成成化化，可可望望有有良良好好的发展前景。的发展前景。71电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第六章第六章 PWM控制技术控制技术 小结小结PWMPWM控制技术用于控制技术用于逆变电路逆变电路PWMPWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。正正是是由由于于在在逆逆变变电电路路中
85、中广广泛泛而而成成功功的的应应用用，才才奠奠定定了了PWMPWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。控制技术在电力电子技术中的突出地位。除除功功率率很很大大的的逆逆变变装装置置外外，不不用用PWMPWM控控制制的的逆逆变变电电路路已已十十分少见。分少见。第第五五章章因因尚尚未未涉涉及及到到PWMPWM控控制制技技术术，因因此此对对逆逆变变电电路路的的介介绍绍是是不不完完整整的的。学学完完本本章章才才能能对对逆逆变变电电路路有有较较完完整整的的认认识。识。72电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第六章第六章 PWM控制技术控制技术 小结小结PWMPWM控制技
86、术用于控制技术用于整流电路整流电路PWMPWM控制技术用于整流电路即构成控制技术用于整流电路即构成PWMPWM整流电路。整流电路。可看成逆变电路中的可看成逆变电路中的PWMPWM技术向整流电路的延伸。技术向整流电路的延伸。PWMPWM整整流流电电路路已已获获得得了了一一些些应应用用，并并有有良良好好的的应应用用前前景。景。PWMPWM整整流流电电路路作作为为对对第第二二章章的的补补充充，可可使使我我们们对对整整流流电路有更全面的认识。电路有更全面的认识。73电力电子技术校级精品课电力电子技术校级精品课 第六章第六章 PWM技术技术第六章第六章 PWM控制技术控制技术 小结小结PWM控制技术与控制技术与相位控制技术相位控制技术以以第第二二章章相相控控整整流流电电路路和和第第4章章交交流流调调压压电电路路为为代代表表的的相相位位控控制制技技术术至至今今在在电电力力电电子子电电路路中中仍仍占占据据着着重重要要地地位。位。以以PWM控控制制技技术术为为代代表表的的斩斩波波控控制制技技术术正正在在越越来来越越占占据着据着主导主导地位。地位。相位控制和斩波控制分别简称相位控制和斩波控制分别简称相控相控和和斩控斩控。把把两两种种技技术术对对照照学学习习，对对电电力力电电子子电电路路的的控控制制技技术术会会有更明晰的认识。有更明晰的认识。74
