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1、电力电子技术（第二版）7.6 脉冲宽度调制PWM控制 在感应电机变频调速系统中，需求逆变器在变频的同时调理输出电压，以坚持电机内部的磁通根本不变。方波逆变器的电压控制多采用脉冲幅值调制PAM控制方式，即电压控制与频率控制分开进展，经过调理直流侧电源电压来改动逆变器的输出电压的大小。PAM控制的主要问题：一是输出电压是方波，其谐波成分大；二是由于是经过改动直流侧电压或电流来改动输出的交流电压或电流的大小，系统动态呼应特性差；三是由于有两个功率调理环节，所以系统的构造与控制比较复杂，效率低。 电力电子技术（第二版）q脉冲宽度调制PWM控制完全不同于PAM，它将电压控制与频率控制集中在逆变器上同时完
2、成。q其特点是：经过对逆变器开关器件的通、断控制，使逆变器输出一系列幅值相等而宽度不同的脉冲，用它来替代正弦波；q利用一定的规那么控制各脉冲的宽度，可实现逆变器输出电压与频率的同时调理；q系统简单，动态呼应好。在脉冲宽度调制技术中，正弦脉宽调制SPWM的谐波分量最少，运用最广。 7.6 脉冲宽度调制PWM控制 电力电子技术（第二版）7.6.1 正弦脉宽调制SPWM的根本原理 q脉宽调制是用脉冲宽度不等但幅值相等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需求的电压或电流波形。q将一个正弦半波N等分，将正弦曲线每等分所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲替代，并使矩形脉冲的中心线与对应的正弦等分的中点重
3、合，这样得到一串脉冲高度不变但宽度按正弦规律变化的脉冲列，这一过程称为正弦脉宽调制SPWM，见图7.26。 电力电子技术（第二版）q设矩形波的高为H，正弦半波每个等分的宽度为x/N，N为等分数且N 较大；q第i个等分正弦波的中点值或平均高为yi，该等分正弦波所围的面积为yix；而同一等分对应的矩形脉冲的宽度是i，面积是Hi。根据面积相等原那么有上式阐明，当等分数上式阐明，当等分数N较大时，较大时，SPWM将正弦波的函数值将正弦波的函数值变换成了恒幅脉冲的宽度值。变换成了恒幅脉冲的宽度值。 7.6.1 正弦脉宽调制SPWM的根本原理 电力电子技术（第二版）实际根底冲量相等而外形不同的窄脉冲加在具
4、有惯性的环节上时，其效果根本一样。6.1 PWM控制的根本原理控制的根本原理指窄脉冲的面积指环节的输出呼应波形根本一样方波窄脉冲三角波窄脉冲单位冲击函数正弦半波窄脉冲f (t)d (t)tOa)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t)外形不同而冲量一样的各种窄脉冲为什么用面积相等的矩形脉冲可以等效原正弦波？为什么用面积相等的矩形脉冲可以等效原正弦波？电力电子技术（第二版）电路输入：e(t)为什么用面什么用面积相等的矩形脉冲可以等效原正弦波？相等的矩形脉冲可以等效原正弦波？以上实例阐明了“面积等效原理电路输出：i(t)i(t )e(t)电力电子技术（第二版）7.6.2 正弦脉宽调制
5、的实现q单极性脉宽调制是用一条正弦控制波与一条在正弦波正半周的极性为正、在正弦波负半周的极性为负的等腰恒幅三角波进展比较，从而得到SPWM波的调制方式，如图7.27所示。 当正弦波为正半周时，假设正弦信号的幅值大于三角信号的当正弦波为正半周时，假设正弦信号的幅值大于三角信号的幅值，那么比较器输出正电平；假设正弦信号小于三角信号幅值，那么比较器输出正电平；假设正弦信号小于三角信号时，比较器输出时，比较器输出0电平。电平。而在正弦波的负半周，当正弦信号的幅值大于三角信号的幅而在正弦波的负半周，当正弦信号的幅值大于三角信号的幅值时，比较器输出负电平；当正弦信号的幅值小于三角信号值时，比较器输出负电平
6、；当正弦信号的幅值小于三角信号时，比较器输出时，比较器输出 0 电平。电平。 1. 单极性调制与双极性调制电力电子技术（第二版）q双极性调制利用一个控制信号通常是正弦波，也称为调制波与一个较高频率的等腰三角波或称载波相比较，以产生开关的通断控制信号。q规那么是：当正弦信号幅值大于三角波幅值时，比较器输出 Ud/2，反之输出Ud/2，这样得到双极性的脉冲列，脉冲宽度与控制信号的高度幅值成正比。 7.6.2 正弦脉宽调制的实现1. 单极性调制与双极性调制电力电子技术（第二版）q三角波三角波载波波 正弦波正弦波调制波制波q载波波频率率 fc 调制波制波频率率 frq通常三角波的通常三角波的频率与幅率
7、与幅值固定，正弦波的幅固定，正弦波的幅值与与频率是率是调理量。理量。q调制度制度正弦信号的幅正弦信号的幅值与三角波信号的幅与三角波信号的幅值之比称之比称为幅幅值调制比，用制比，用ma表示表示 。q载波比波比三角波信号的三角波信号的频率与正弦控制信号的率与正弦控制信号的频率之比率之比称称为频率率调制比，用制比，用mf表示。表示。 mf= fc /frq改改动正弦控制信号的幅正弦控制信号的幅值和和频率就可以同率就可以同时改改动输出出电压中基波幅中基波幅值和和频率。率。 7.6.2 正弦脉宽调制的实现电力电子技术（第二版）v改改动正弦信号的幅正弦信号的幅值时，就改，就改动了了输出波形的基波分出波形的
8、基波分量的幅量的幅值。当。当ma在在01之之间变化化时，输出波形的基波出波形的基波分量与分量与ma成成线性关系。性关系。v过调制：当制：当ma超越超越1后，脉冲后，脉冲宽度按正弦度按正弦规律律变化的化的性性质将被破坏，称将被破坏，称为过调制。制。v实践上，正弦践上，正弦调制制电压幅幅值不不应超越三角波超越三角波载波波电压的幅的幅值，假，假设正弦波幅正弦波幅值过份接近三角波的幅份接近三角波的幅值，在，在三角波峰三角波峰值附近的脉冲附近的脉冲间隙隙时间太小，会太小，会导致开关管，致开关管，特特别是开关速度是开关速度较慢的晶慢的晶闸管来不及关断，而使管来不及关断，而使输出出脉冲相脉冲相连，在双极性，
9、在双极性SPWM逆逆变中呵斥中呵斥贯穿短路。穿短路。改动幅值调制比调制度ma 问题：调制度与载波比发生变化，SPWM波将如何变化？电力电子技术（第二版）改动频率调制比载波比改动频率调制比载波比mfq改动正弦信号的频率时，就改动了输出波形的改动正弦信号的频率时，就改动了输出波形的频率，也就同时改动了基波分量的频率。频率，也就同时改动了基波分量的频率。q显然，载波比越大，输出波形所含的谐波分量显然，载波比越大，输出波形所含的谐波分量越少。载波比的下限受谐波分量的规定值的限越少。载波比的下限受谐波分量的规定值的限制，而载波比的上限受逆变器开关管的开关频制，而载波比的上限受逆变器开关管的开关频率的限制
10、。率的限制。问题：调制度与载波比发生变化，SPWM波将如何变化？电力电子技术（第二版）2. 异步伐制与同步伐制q等腰三角波与正弦控制信号之间没有确定的频率调制比，两个信号间不坚持同步的调制方式，称为异步伐制。 q假设频率调制比为常数，等腰三角波与正弦控制信号之间在变频过程中坚持严厉的同步关系的调制方式，称为同步伐制。由于频率调制比不变，在调频的过程中，三角波的频率必需与正弦控制信号的频率同步变化。 7.6.2 正弦脉宽调制的实现电力电子技术（第二版）7.6.2 正弦脉宽调制的实现q通常坚持载波频率fc固定不变，当调制波频率fr变化时，载波比mf是变化的，能够不是整数q在信号波的半周期内，PWM
11、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q当fr较低时， mf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q当fr增高时， mf减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大q由于异步伐制的输出波形没有严厉的周期性，故其频谱是延续的，这不会在电动机中产生固定的谐波力矩。在调速系统中的低频段经常采用这种方法。异步伐制电力电子技术（第二版）同步伐制同步伐制载波信号和波信号和调制信号制信号坚持同步的持同步的调制方式，当制方式，当变频时使使载波与信号波波与信号波坚持同步，持同步，即即mf等于常数。等于常数。同步伐制三相PWM波
12、形fr很高很高时，fc会会过高，使高，使开关器件开关器件难以接受以接受fr很低很低时，fc也很低，由也很低，由调制制带来的来的谐波不易波不易滤除除为使一相的PWM波正负半周镜对称， mf应取奇数三相电路中公用一个三角波载波，且取mf为3的整数倍，使三相输出对称根本同步伐制方式，fr变化时mf不变，信号波一周期内输出脉冲数固定电力电子技术（第二版）q分段同步伐制是将逆变器的任务频率范围划分为假设干个频率段，在每个频率段都坚持频率调制比为常数。在fr高的频段采用较低的mf，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的mf，使载波频率不致过低q在不同频率段，根据开关的频率限制频率调制比取不同的值。图
13、7.29是一个分段同步伐制的例子。 为为了了防防止止频频率率调调制制比比在在某某个个频频率率点点来来回回跳跳动动，需需求求设置频率滞回带。设置频率滞回带。7.6.2 正弦脉宽调制的实现电力电子技术（第二版）3. 脉脉宽调制波形的生成方法制波形的生成方法 q产生脉宽调制波形的控制电路主要有三种：模拟电路包括模拟/数字混合电路、公用集成电路、微型计算机包括单片机、数字信号处置器等。 1、模拟电路、模拟电路用模拟电路来产生用模拟电路来产生SPWM波形是按照波形是按照SPWM实现的原实现的原理，用电路来构成三角波发生器、三相正弦波发生器，理，用电路来构成三角波发生器、三相正弦波发生器，经过比较器来确定
14、三角波与正弦波的交点，从而得到经过比较器来确定三角波与正弦波的交点，从而得到各个开关导通与关断的时辰。各个开关导通与关断的时辰。 电力电子技术（第二版）2、公用集成电路、公用集成电路用于产生用于产生 SPWM 信号的集成电路较多，单相、信号的集成电路较多，单相、三相均有，其公用集成电路有很好的性能价三相均有，其公用集成电路有很好的性能价钱比，构成的系统简单、可靠。这些集成电钱比，构成的系统简单、可靠。这些集成电路可与单片机接口，也可单独运用，既有同路可与单片机接口，也可单独运用，既有同步伐制电路也有异步伐制电路步伐制电路也有异步伐制电路 。3. 脉脉宽调制波形的生成方法制波形的生成方法 电力电
15、子技术（第二版）用用单单片片机机产产生生SPWM波波形形的的方方法法主主要要有有表表格格法法与与实实时时计计算算法法两种。两种。表表格格法法是是将将正正弦弦波波一一个个周周期期中中的的数数据据预预先先制制成成正正弦弦表表，存存入入计算机内存。任务时再按顺序输出，从而得到计算机内存。任务时再按顺序输出，从而得到SPWM的波形。的波形。表表格格法法的的优优点点是是简简单单。缺缺陷陷是是占占的的内内存存较较大大，在在延延续续高高分分辨辨率率调调频频时时，由由于于不不能能够够存存储储一一切切的的方方式式，难难以以实实现现波波形形的的优优化。化。 实实时时计计算算法法是是根根据据数数学学模模型型实实时时
16、计计算算出出开开关关的的转转换换时时辰辰，以以控控制制逆逆变变电电路路主主开开关关的的导导通通与与关关断断。它它分分为为自自然然采采样样法法和和规规那么采样法两类。那么采样法两类。 3. 脉脉宽调制波形的生成方法制波形的生成方法 3、微型计算机电力电子技术（第二版）q自然采样法是按照SPWM控制的根本原理，在正弦波与三角波的自然交点控制功率开关的通断。自然采样法是最根本的方法，但这种方法要解很复杂的超越方程，在实时控制中难以实现，工程上很少运用。q规那么采样法是一种广泛运用的工程适用方法。在规那么采样中，采样点与三角波的中点负峰值点重合，这样简化了计算。q规那么采样法中有运用锯齿波作载波和运用
17、等腰三角波作载波两种方法，见图7.30。 3. 脉脉宽调制波形的生成方法制波形的生成方法 3、微型计算机实时计算法电力电子技术（第二版）q采用等腰三角波作载波实践上采用等腰三角波作载波实践上是用正弦函数的中点值替代函是用正弦函数的中点值替代函数值用直线替代曲线，图数值用直线替代曲线，图形是对称的，这样可用简单的形是对称的，这样可用简单的比例关系计算出脉冲宽度，实比例关系计算出脉冲宽度，实践系统中普通多采用这种方法。践系统中普通多采用这种方法。 q当用当用锯齿波作波作载波波时，由于，由于锯齿波的一条波的一条边是垂直的，它与是垂直的，它与正弦波的交点固定，只需求正弦波的交点固定，只需求计算另一个交
18、点即可，所以算另一个交点即可，所以计算算量小；其缺陷是波形中有偶量小；其缺陷是波形中有偶谐波，并且波，并且谐波的幅波的幅值大。由于大。由于只需一个只需一个边可可调，故，故这种种调制制方法又称方法又称为“单边调制。制。电力电子技术（第二版）6.2.3 规那么采那么采样法法三角波两个正峰三角波两个正峰值之之间为一个一个采采样周期周期T 。自然采自然采样法中，脉冲中点不和法中，脉冲中点不和三角波三角波(负峰点峰点)重合。重合。规那么采那么采样法使两者重合，使法使两者重合，使计算大算大为减化。减化。如下如下图确定确定A、B点，在点，在tA和和tB时辰控制开关器件的通断。辰控制开关器件的通断。脉冲脉冲宽
19、度度 和用自然采和用自然采样法得法得到的脉冲到的脉冲宽度非常接近。度非常接近。 规那么采样法原理规那么采样法原理utuOtucTADBOtuotAt0tB 22图7.30b 规那么采样法 电力电子技术（第二版）6.2.3 规那么采那么采样法法规那么采样法计算公式推导正弦调制信号波三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度(7.33)ma称称为调制度，制度，0a1后，基波电压与ma间失去线性关系，称为过调制，此时，输出电压中将出现更多的边带谐波。随着ma的增大，输出电压波形逐渐向方波演化，最终完全成为方波，电路由PWM任务方式变成方波方式。 SPWM 技技术总结电力电子技术（第二版） SPWM 技技术总结由于方波方式时逆变器输出的基波电压有由于方波方式时逆变器输出的基波电压有效值为效值为0.78Ud高于高于 SPWM 方式时的输出方式时的输出电压，在许多大功率的交流传动系统如电电压，在许多大功率的交流传动系统如电力牵引中，在高速区往往采用这种方式。力牵引中，在高速区往往采用这种方式。 在在对输出出电压畸畸变率要求率要求较高的高的运用中，如运用中，如UPS，普通都要防止，普通都要防止进入入过调制区。制区。
