1、第5章 PWM控制技术 PWM（Pulse Width Modulation）控制 对脉冲的宽度进行调制的技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。优点：功率因数高、有效地进行谐波抑制、动态响应快。缺点：高次谐波、du/dt、电磁干扰5.1 概述 1964年德国人A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。通过改变脉冲的不同宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而同时实现变压和变频。5.1 概述 冲量（面积）等效原理 大小、波形不相同的窄
2、脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。可推广到阻感电路中。f(t)d(t)tOa)b)c)d)tOf(t)tOf(t)tOf(t)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5.1 概述 图a、b、c分别为方波、三角波、正弦半波窄脉冲，图d单位冲击函数（t），面积都等于1。分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。5.1 概述 将正弦波分成N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，可得脉冲序列，即SPWM波形。5.2.1 计算法和调制法 计算法计算法 根
3、据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算根据正弦波频率、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，就可得到所需件的通断，就可得到所需PWM波形。波形。调制法调制法 把希望输出的波形（正弦波）按比例缩小作为调制信把希望输出的波形（正弦波）按比例缩小作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过载波的调制得号，把接受调制的信号作为载波，通过载波的调制得到所期望的到所期望的PWM波形。波形。5.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 调制波调制波 把希望输出的波形作为调制信号，在把希望输出的波形作为调制信号，在SPW
4、M中采用中采用正弦波作为调制波。正弦波作为调制波。载波载波 把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的到所期望的PWM波形波形 载波：三角波或锯齿波载波：三角波或锯齿波 原因：等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线原因：等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系，且左右对称性关系，且左右对称。uOtOtuoUd-Ud5.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 单极性单极性PWM控制方式控制方式 调制信号调制信号ur为正弦为正弦波波 载波载波uc为三角波为三角波 在在ur和和uc的交点时的交点时刻控制刻控制IGBT的通断的通断urucuo5
5、.2.1 计算法和调制法计算法和调制法Ur正半周正半周 当当uruc时，时，uo=Ud 当当 uruc时，时，uo=0 当当 uruc时，驱动时，驱动V1、V4 如如io0，则，则V1和和V4通通 如如io0，VD1和和VD4通通 不管哪种情况不管哪种情况uo=Ud当当uruc时，驱动时，驱动V2、V3 如如io0，VD2和和VD3通通 不管哪种情况不管哪种情况uo=-Ud三相桥逆变电路三相桥逆变电路5.2.1 计算法和调制法双极性双极性PWM控制方式控制方式 三相的三相的PWM控制公用三角波控制公用三角波载波载波uc，三相的调制信号依次，三相的调制信号依次相差相差120。当当urAuc时，时
6、，V4关断，关断，V1或或VD1导通，则导通，则uAN=Ud/2 当当urAuc时，时，V1关断，关断，V4或或VD4导通，则导通，则uUN=-Ud/2图6-8ucurAurBurCuuANuBNuCNuANuABUd-UdOtOOOOOttttt2Ud-2Ud2Ud-2Ud2Ud3Ud32Ud5.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 双极性双极性PWM控制方式控制方式 uAN、uBN和和uCN的的PWM波形只有波形只有Ud/2两种电平两种电平 线电压波形线电压波形uAB的波形的波形可由可由uAN-uBN得出得出 逆变器输出线电压逆变器输出线电压PWM波由波由Ud和和0三种三种电平构成电平构成
7、 负载相电压uAN可由下式求得 负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成3CNBNANANANuuuuu-5.2.1 计算法和调制法5.2.1 计算法和调制法 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，在上下两臂切换时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功率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。5.2.2 SPWM的基波电压 SPWM脉冲电压：脉冲宽度按照正弦规律变化的脉冲电压序列。其基波电压幅值与各段脉宽有着直接关系，改变各个脉冲的宽度，就可以平滑地调节逆变器输出电压基波幅值。脉冲数
8、n足够大时，SPWM逆变器输出脉冲序列的基波电压正是调制时所要求的等效正弦波。5.2.3 脉宽调制的制约条件1.开关频率限制 开关频率越高，SPWM波形的脉冲数越多，其基波越接近期望的正弦波。电力电子器件的开关能力是有限的，因此在应用脉宽调制技术时必然要受到一定条件的制约 载波比：载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr5.2.3 脉宽调制的制约条件2.最小间歇时间与幅值调制比 最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间ton，而最小脉冲间歇大于器件的关断时间toff 幅值调制比 M=Urm/Ucm M=015.2.4 异步调制和同步调制异步调制异步调制 载波信号和调制信号不同步的调制方式，
9、通常保持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，固定不变，当当fr变化时，载波比变化时，载波比N是变化的是变化的 缺点：缺点：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，相位也不固定，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。周期的脉冲也不对称。当信号频率增高时，当信号频率增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，使得输出减小，一周期内的脉冲数减少，使得输出PWM波和正弦波差异变大。波和正弦波差异变大。5.2.4 异步调制和同步调制 同步调制同步调制 在变频（在变频（f
10、r变化）时，载波比变化）时，载波比N不变，载波与信号波保不变，载波与信号波保持同步。持同步。信号波一周期内输出脉冲数是固定，脉冲相位也是固信号波一周期内输出脉冲数是固定，脉冲相位也是固定的。定的。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为为3的整数倍，的整数倍，使三相输出波形严格对称。使三相输出波形严格对称。为使一相的为使一相的PWM波正负半周镜对称，波正负半周镜对称，N应取奇数。应取奇数。5.2.4 异步调制和同步调制 同步调制缺点：当逆变电路输出频率很低时，fc也很低，fc过低时由调制带来的谐波不易滤除。当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高
11、，使开关器件难以承受。5.2.4 异步调制和同步调制 分段同步调制 把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高，限制功率开关器件允许的范围。在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。5.2.5 SPWM控制的实现方法模拟实现方法数字实现方法等效面积算法自然采样法规则采样法SPWM专用集成电路芯片5.2.5 SPWM控制的实现方法模拟实现方法：采用模拟电路实现5.2.5 SPWM控制的实现方法 自然采样法 按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关的通断，这
12、种生成SPWM波形的方法 规则采样法 工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量比自然采样法小得多ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d规则采样法规则采样法 5.2.5 SPWM控制的实现方法 取三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc 使脉冲中点 和三角波一周期的中点（即负峰点）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。ucuOturTcADBOtuotAtDtBd dd d d d 2d d2d d规则采样法规则采样法 5.2.5 SPWM控制的实现方法 在三角波的负峰时刻在三角波的负峰时刻tD对对正弦信号波采样得正弦信号波采样得D点，点，过过D点
13、作一水平直线和三点作一水平直线和三角波分别交于角波分别交于A、B点，在点，在A点时刻点时刻tA和和B点时刻点时刻tB控控制功率开关器件的通断制功率开关器件的通断 规则采样法得到的脉冲宽规则采样法得到的脉冲宽度和用自然采样法得到的度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近脉冲宽度非常接近 设正弦调制信号波为 式中，a称为调制度，0a1；wr为信号波角频率，因此可得 三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度为taursinr2/22/sin1cDrTtad)sin1(2DrctaTd)sin1(421DrcctaTTdd-5.2.5 SPWM控制的实现方法 三相桥逆变电路应形成三相三相桥逆变电路应形成三相SP
14、WM波形，三相的三角波载波形，三相的三角波载 波共用，三相正弦调制波相位依次差波共用，三相正弦调制波相位依次差120 设同一三角波周期内三相的脉宽分别为设同一三角波周期内三相的脉宽分别为U、V和和W，脉，脉冲两边的间隙宽度分别为冲两边的间隙宽度分别为U、V和和W，同一时刻三相，同一时刻三相调制波电压之和为零，得调制波电压之和为零，得 23cWVUTddd43c W V UTddd5.2.5 SPWM控制的实现方法1）单相双极性 谐波角频率为:n=1,3,5,时，k=0,2,4,；n=2,4,6,时，k=1,3,5,SPWM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
15、波。角频率角频率1002+-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=0.5a=05.2 逆变电路的SPWM控制方法rckn5.2 逆变电路的SPWM控制方法2）三相双极性（公用载波信号时的情况）输出线电压中的谐波角频率为n=1,3,5,时，k=3(2m1)1，m=1,2,；rckn1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率角频率谐波振幅谐波振幅-。,2,116,1,016mmmmkn=2,4,6,时，时，谐波分析小结 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wc整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是wc2wr和2wcwr。SPWM波中谐波主要是角频率为wc、2wc及其附近的谐波，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。后者的谐波分布情况和SPWM波的谐波分析一致。5.2 逆变电路的SPWM控制方法
