1、电 力 电 子 技 术,Power Electronic Technology,第十四讲 PWM控制技术,14.0 引言 14.1 PWM控制的基本原理 14.2 PWM逆变电路及其控制方法 14.3 PWM跟踪控制技术 14.4 PWM整流电路及其控制方法,14.0 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） 直流斩波电路采用 斩控式交流调压电路，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
2、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,返回,14.1 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,返回,14.1 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,14.1 PWM控
3、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 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,图6-3 用PWM波代替正弦半波,14.1 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逆变电路和PWM整流电路 输入电源是交流，得到不等幅PWM波 如斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路 基
4、于面积等效原理进行控制，本质是相同的,14.1 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,14.2 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,返回,14.2 PWM逆变电路及其控制
5、方法,14.2.1 计算法和调制法 14.2.2 异步调制和同步调制 14.2.3 规则采样法 14.2.4 PWM逆变电路的多重化,14.2.1 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 等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称,返回,14.2.1 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，
6、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,14.2.1 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，
7、仍有uo=Ud,14.2.1 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,14.2.1 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,14.2.1 计算法和调制法,双极性PWM控制方式（单相桥逆
8、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，VD1和VD4通， uo=Ud,14.2.1 计算法和调制法,当ur0，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,14.2.1 计算法和调制法,双极性PWM控制方式（三相桥逆变） 三相的PWM控制公用三角波载波uc 三
9、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,14.2.1 计算法和调制法,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、uVN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 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
10、)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成,14.2.1 计算法和调制法,防直通死区时间 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6-8 三相桥式PWM逆变电路波形,14.2.2 异步调制和同步调制,载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr 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 1. 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 通常保持fc固定不变，当fr变化时，
11、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,返回,14.2.2 异步调制和同步调制,2. 同步调制 同步调制N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步 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，
12、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,图6-10 同步调制三相PWM波形,14.2.2 异步调制和同步调制,分段同步调制(图6-11） 把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,14.2.3 规则采样法,按SPWM基本原理，自然采样法
13、要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多 规则采样法特点 工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多,图6-12 规则采样法,返回,14.2.3 规则采样法,规则采样法原理 图6-12，三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc 自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合 规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化 在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB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,14.2.3 规则采样法
14、,规则采样法计算公式推导正弦调制信号波 式中，a称为调制度，0a1；wr为信号波角频率。从图6-12得因此可得三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度,(6-6),(6-7),14.2.3 规则采样法,三相桥逆变电路的情况 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dU、dV和dW，脉冲两边的间隙宽度分别为dU、dV和dW，同一时刻三相调制波电压之和为零，由式(6-6)得 (6-8)由式(6-7)得 (6-9)利用以上两式可简化三相SPWM波的计算,14.2.4 PWM逆变电路的多重化,PWM多重化逆变电路，一般目的：提高等效开关频率、减少开关损耗、减少和载波有关
15、的谐波分量 PWM逆变电路多重化联结方式有变压器方式和电抗器方式 利用电抗器联接的二重PWM逆变电路（图6-28，图6-29) 两个单元的载波信号错开180 输出端相对于直流电源中点N的电压uUN=(uU1N+uU2N)/2，已变为单极性PWM波,图6-20 二重PWM型逆变电路,返回,14.2.4 PWM逆变电路的多重化,输出线电压共有0、(1/2)Ud、Ud五个电平，比非多重化时谐波有所减少 电抗器上所加电压频率为载波频率，比输出频率高得多，只要很小的电抗器就可以了 输出电压所含谐波角频率仍可表示为nwc+kwr，但其中n为奇数时的谐波已全被除去，谐波最低频率在2wc附近，相当于电路的等效
16、载波频率提高一倍,图6-21 二重PWM型逆变电路输出波形,图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,返回,图6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形,返回,图6-3 用PWM波代替正弦半波,返回,图6-4 单相桥式PWM逆变电路,返回,图6-5 单极性PWM控制方式波形,返回,图6-6 双极性PWM控制方式波形,返回,图6-7 三相桥式PWM型逆变电路,返回,图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形,返回,图6-10 同步调制三相PWM波形,返回,图6-11 分段同步调制方式举例,返回,图6-12 规则采样法,返回,图6-20 二重PWM型逆变电路,返回,图6-21 二重PWM型逆变电路输出波形,返回,图6-28 单相PWM整流电路,单相半桥电路,单相全桥电路,返回,图6-29 PWM整流电路的运行方式相量图,整流运行,逆变运行,无功补偿运行,Is超前角为j,返回,
