1、1第7章 PWM控制技术 7.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 7.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法 7.3 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术 7.4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法 2引言 1964年，德国学者A.Schonung 和H.Stemmler 率先提出了脉宽调制（PWM:Pulse Width Modulation）的思想，把通讯技术中的调制技术应用于交流传动中，开创了DC-AC技术研究的新领域。3 电压型（方波）逆变器可以方便地调整输出电压的频率，但输出电压的幅度在逆变环节中无法调节，通常需要增加调压环节完成调压功能，但这种方法使系统复杂，
2、且输出电压谐波大。从傅立叶分析可知，如果把方波逆变器输出的方波用多个小方波取代，这样可以通过控制小方波的宽度控制逆变器输出基波的幅度。由于小方波的频率是逆变器输出基波频率的N倍，因此逆变器输出的最低次谐波频率升高.4方波基波方波基波图 方波逆变器输出的方波用N个小方波取代改变小方波脉冲宽度调节输出基波幅度5 PWM逆变器从根本上解决了方波逆变器存在的问题。近几十年来，该技术一直是电力电子的研究热点，并在工业应用领域产生了极大的经济效益。在技术实现上，从模拟电路发展到全数字化方案；在调制原理上提出了自然采样法、规则采样法、等面积算法、消除有限次谐波的优化调制方法等等。为了适应交流异步电机变频调速
3、的应用，提出了电压正弦波调制、磁通正弦波调制和电流正弦波调制算法。为了获得优良的输出波形，提出了消除有限次谐波的算法、效率最优的和转矩脉动最小的PWM算法。为了消除音频噪声、消除低次谐波以及提高系统稳定性，又提出了各种随机PWM技术。到目前为止，对这一技术仍不断有新方案提出，充分体现出其强大的生命力。67 PWM PWM(Pulse Width Modulation)(Pulse Width Modulation)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的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。PWM波形可能是等幅的，也可能是不等幅的。由直流电源产生的PWM波通常
4、是等幅的，如逆变电路和直流斩波电路。当输入是交流电源时，产生的PWM波是不等幅的，如交流斩波调压电路、矩阵式交交变频电路等。不管是等幅还是不等幅，都是基于面积等效原理来进行控制的。87.1 PWM控制的基本原理等等幅幅PWM波波输入电源是恒定直流 直流斩波电路 PWM逆变电路 PWM整流电路不等幅不等幅PWM波波输入电源是交流或不是恒定的直流 斩控式交流调压电路 矩阵式变频电路OwtUd-UdUot1)PWM波形97.1 PWM控制的基本原理2）重要理论基础面积等效原理面积等效原理PWM控制技术的重要理论基础：冲量控制技术的重要理论基础：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
5、基本效果基本相同（环节的输出响应波形基本相同）相同（环节的输出响应波形基本相同）。冲量冲量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图7-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)10b)具体的实例说明“面积等效原理面积等效原理”a）e(t)电压窄脉冲，是电路的输入 。i(t)输出电流，是电路的响应。11/607.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 将正弦半波看成是由将正弦半波看成是由N个彼此相连个彼此相连的脉冲宽度为的脉冲宽度
6、为/N，但幅值顶部是，但幅值顶部是曲线曲线且大小按且大小按正弦规律变化正弦规律变化的脉冲序列组的脉冲序列组成的。成的。把上述脉冲序列利用相同数量的把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是波部分面积（冲量）相等，这就是PWM波形波形。对于正弦波的负半周，也可以用对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到同样的方法得到PWM波形。波形。图图7-3 用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 脉冲
7、的宽度按正弦规律变化而和正弦波脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的等效的PWM波形，也称波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形）波形。PWM波形可分为波形可分为等幅等幅PWM波波和和不等幅不等幅PWM波波两种，由直流电源产生的两种，由直流电源产生的PWM波通波通常是等幅常是等幅PWM波。波。基于等效面积原理，基于等效面积原理，PWM波形还可以等波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。非正弦交流波形等。1213OwtUd-Ud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PWM波为
8、：OwtUd-Ud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。14电压源型逆变器调制出来的是PWM电压波。电流源型逆变器调制出来的是PWM电流波。PWM波可等效的各种波形直流斩波电路 直流波形SPWM波 正弦波形等效成其他所需波形，如:l 所需波形 l 等效的PWM波0s5m s10m s15m s20m s25m s30m s-20V0V20V157.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法 7.2.1 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 7.2.2 7.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制 7.2.3 7.2.3 规则采样法
9、规则采样法 7.2.4 PWM7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析 7.2.5 7.2.5 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 7.2.6 7.2.6 空间矢量空间矢量SVPWMSVPWM控制控制 7.2.7 PWM7.2.7 PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化16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电压型和电流型电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。177.2.1 计算法和调制法工作时V1和V2通断互补，V3和V4通
10、断也互补。以uo正半周为例，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。调制法调制法 把希望输出的波形作为把希望输出的波形作为调制信号调制信号，把接受调制的信号，把接受调制的信号作为作为载波载波，通过信号波的调制得到所期望的，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。波形。通常采用通常采用等腰三角波等腰三角波或或锯齿波锯齿波作为载波，其中等腰三作为载波，其中等腰三角波应用最多。角波应用最多。图74 单相桥式PWM逆变电路(1)电路工作原理 187.2.1 计算法和调制法图74 单相桥式
11、PWM逆变电路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。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。197.2.1 计算法和调制法(2）调制原理ur正半周正半周，V1保持通通，V2保持断断。当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud。当uruc时时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通，uo=Ud。当当uruc
12、时时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud。图7-6 双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud 和单极性PWM控制方式对应，也是在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。217.2.1 计算法和调制法图7-6 双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图7-5 单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud 对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，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。227.2.1 计算
13、法和调制法4）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）（三相桥逆变）图7-7 三相桥式PWM型逆变电路 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120237.2.1 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法图图7-7 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 图图7-8 三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形 三相桥式三相桥式PWM逆变电路（调制逆变电路（调制法）法）采用双极性控制方式。采用双极性控制方式。U、V和和W三相的三相的PWM控制通控制通常公用一个三角波载波常公用一个三角波载波uc，三相的，三相的调制信号调制信号urU、urV和和urW依次相
14、差依次相差120。247.2.1 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法电路工作过程（电路工作过程（U相为例）相为例）当当urUuc时，上桥臂时，上桥臂V1导通，下桥臂导通，下桥臂V4关关断，则断，则U相相对于直流电源假想中点相相对于直流电源假想中点N的输的输出电压出电压uUN=Ud/2。当当urU 0时时，（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。us 0时时，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分别组成两个升压斩波电路。电压型PWM整流电路是升压整流电路，输出直流电压可从交流电源
15、电压峰值附近向高调节，不宜向低调节。44整流运行整流运行 单相单相PWM整流电路整流状态时的等效电路整流电路整流状态时的等效电路 45逆变运行逆变运行 单相单相PWM整流电路逆变状态时的等效电路整流电路逆变状态时的等效电路 467.4.1 PWM整流电路的工作原理2三相PWM整流电路三相桥式PWM整流电路，是最基本的PWM整流电路之一，应用最广。工作原理和前述的单相全桥电路相似，只是从单相扩展到三相。进行SPWM控制，在交流输入端A、B和C可得 SPWM电压，按图7-29a的相量图控制，可使i ia a、i ib b、i ic c为正弦波且和电压同相，功率因数近似为1。和单相相同，该电路也可工
16、作在逆变运行状态及图c或d的状态。图7-30 三相桥式PWM整流电路 负载477.4.2 PWM整流电路的控制方法1)间接电流控制间接电流控制也称为相位和幅值控制相位和幅值控制。按图7-29a（逆变时为图7-29b）的相量关系来控制整流桥交流输入端电压，使得输入电流和电压同相位，从而得到功率因数为1的控制效果。图7-31，间接电流控间接电流控制系统的结构图制系统的结构图图中的PWM整流电路为图7-30的三相桥式电路控制系统的闭环是整流器直流侧电压控制环。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 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7-31 间接电流控制系统
17、结构487.4.2 PWM整流电路的控制方法从整流运行向逆变运行转换首先负载电流反向而向C充电，ud抬高，PI调节器出现负偏差，id减小后变为负值，使交流输入电流相位和电压相位反相，实现逆变运行。稳态时，ud和 仍然相等，PI调节器输入恢复到零，id为负值，并与逆变电流的大小对应。控制原理*du图7-31 间接电流控制系统结构结合图731进行说明。497.4.2 PWM整流电路的控制方法控制系统中其余部分的工作原理图中上面的乘法器是id分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，再乘以电阻R，得到各相电流在Rs上的压降uRa、uRb和uRc。图中下面的乘法器是id分别乘以比a、b、c三相相
18、电压相位超前/2的余弦信号，再乘以电感L的感抗，得到各相电流在电感Ls上的压降uLa、uLb和uLc。各相电源相电压ua、ub、uc分别减去前面求得的输入电流在电阻R和电感L上的压降，就可得到所需要的交流输入端各相的相电压uA、uB和uC的信号，用该信号对三角波载波进行调制，得到PWM开关信号去控制整流桥，就可以得到需要的控制效果。存在的问题在信号运算过程中用到电路参数Ls和Rs，当Ls和Rs的运算值和实际值有误差时，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。间接电流控制的系统应用较少。507.4.2 PWM整流电路的控制方法2)直接电流控制有不同的电流跟踪控制方法，图6-
19、32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。图7-32 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，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。517.4.2 PWM整流电路的控制方法 控制系统组成双闭环控制系统，外环是直流电压控制环，内环是交流电流控制环。外环的结构、工作原理和图7-31间接电流控制系统相同。外环PI调节器的输出为i id d，i id d分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，得到三相交流电流的正弦指令信号 ，和 。，和 分别和各自的电源电压同相位，其幅值和反映负载电流大小的直流信号i id d成正比。指令信号和实际交流
20、电流信号比较后，通过滞环对器件进行控制，从而使实际交流输入电流跟踪指令值。*ai*bi*ci*ai*bi*ci527.4.2 PWM整流电路的控制方法图7-32 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，系统鲁棒性好。获得了较多的应用53PWMPWM控制技术的地位控制技术的地位PWMPWM控制技术的地位控制技术的地位 PWMPWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。PWMPWM技术与器件的关系技术与器件的关系 IGBTIGBT、电力电力M
21、OSFETMOSFET等为代表的全控型器件的不断完等为代表的全控型器件的不断完善给善给PWMPWM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 直流斩波电路实际上就是直流直流斩波电路实际上就是直流PWMPWM电路，是电路，是PWMPWM控制控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统就构成广泛应用的调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。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 斩控式交流调压电路斩控式交流
22、调压电路和和矩阵式变频电路矩阵式变频电路是是PWMPWM控制技控制技术在这类电路中应用的代表。术在这类电路中应用的代表。目前其应用都还不多，但矩阵式变频电路因其容易实现目前其应用都还不多，但矩阵式变频电路因其容易实现集成化，可望有良好的发展前景。集成化，可望有良好的发展前景。54第7章 PWM控制技术 小结PWM控制技术用于逆变电路逆变电路PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用，才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。除功率很大的逆变装置外，不用PWM控制的逆变电路已十分少见。第4章因尚未涉及到PWM控制技术，因此对逆变电路的介绍是不完整的。
23、学完本章才能对逆变电路有较完整的认识。55第7章 PWM控制技术 小结PWM控制技术用于整流电路整流电路PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路。可看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸。PWM整流电路已获得了一些应用，并有良好的应用前景。PWM整流电路作为对第3章的补充，可使我们对整流电路有更全面的认识。56第7章 PWM控制技术 小结PWM控制技术与相位控制技术相位控制技术 以第3章相控整流电路和第6章交流调压电路为代表的相位控制技术相位控制技术至今在电力电子电路中仍占据着重要重要地位。以PWM控制技术为代表的斩波控制技术斩波控制技术正在越来越占据着主导主导地位。相位控制和斩波控制分别简称相控相控和斩控斩控。把两种技术对照学习，对电力电子电路的控制技术会有更明晰的认识。
