1、1/41 第7章 PWM 控制技术 7.1 PWM控制的基本原理 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 7.3 PWM跟踪控制技术 7.4 PWM整流电路及其控制方法 本章小结 2/41 7.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 冲量：指窄脉冲的面积 惯性的环节如：R-L电路、R-C电路 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?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等效原理或面积等效原理 3/41 可互相代替 7.1 PWM 控制的基本原理?理论基础 例如：R-L电路 不同输入 e(t)时 输出响应为 i(t)
2、i(t)的上升段(含高频分量)略有不同，i(t)的下降段(含低频分量)几乎相同；脉冲 e(t)越窄，i(t)的差异越小；4/41 7.1 PWM 控制的基本原理?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；5/41 7.1 PWM 控制的基本原理?用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波?PWM波形可等效其他波形，只要满足面积等效
3、原理即可。6/41 7.2 PWM 逆变电路及其控制方法 7.2.1 计算法和调制法 7.2.2 异步调制和同步调制 7.2.3 规则采样法 7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析 7.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数 7.2.6 空间矢量SVPWM控制 7.2.7 PWM逆变电路的多重化 7/41?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 7.2 PWM 逆变电路及其控制方法 8/41 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法?计
4、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；?程序复杂，对硬件要求高。9/41 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法?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；?与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，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
5、正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效 的PWM波；10/41 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法?单相桥式PWM逆变电路 crfNf?称为称为“载波比载波比”u r u c u O w t O w t u o u of u o U d-U d 11/41 7.2.1 计算法和调制法?单极性PWM控制方法 在调制信号 ur 的半周内，三角形载波 uc 只有正极性或负极性 控制逻辑(由调制电路发出相应的触发信号)调制信号ur正半周：当uc ur时，u0=0；1、3 通、2、4 断 当uc ur时，u0=-Ud；1、4 断，2、3 通 当uc ur时，u0=0；2、4通、1、3断 12/4
6、1 7.2.1 计算法和调制法?单极性PWM控制下的波形 rcUMU?称为“调制度”u r u c u O w t O w t u o u of u o U d-U d 13/41 7.2.1 计算法和调制法?双极性PWM控制方法 在调制信号 ur 的整个周期内，三角形载波 uc 只有正有负 控制逻辑(由调制电路发出相应的触发信号)调制信号ur：当uc ur时，u0=-Ud；1、4 断，2、3 通 14/41 7.2.1 计算法和调制法?双极性PWM控制下的波形 u r u c u O w t O w t u o u of u o U d-U d 15/41 7.2.1 计算法和调制法?三相桥
7、式PWM型逆变电路 调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud调制法 采用双极性控制方式；三相的调制信号urU、urV 和 urW 依次相差120；公用一个三角形载波信号 uc。16/41 7.2.1 计算法和调制法?三相桥式PWM型逆变电路 ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdOwtOOOOOwtwtwtwtwt2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud22Ud17/41 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法?计算法举例?特定谐波消去法(Selected Harmonic Elimin
8、ation PWM)设三相桥式PWM逆变电路中的 uUN 波形如下：为消除偶次谐波，要求输出电压关于p 处镜对称；()()ututwwp?为消除谐波中的余弦项，要求输出电压在每个半波内 关于轴线对称()()ututwpw?这样的波形，称为“四分之一”周期对称波形。O w t u o U d-U d 2 p p a 1 a 2 a 3 18/41 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法?特定谐波消去法(Selected Harmonic Elimination PWM)在半个周期内，器件开通、关断各3次，共有6个开关时刻应给予控制(不包括0和p p 处)；只需计算出a a1、a a2、a a3
9、 即可；由于对称性，其他开关时刻均可依a a1、a a2、a a3 求出；O w t u o U d-U d 2 p p a 1 a 2 a 3 19/41 7.2.1 计算法和调制法?“四分之一”周期对称波形的傅立叶级数分解 1,3,5,()sinnnutan tww?12132324200200242()sin()sin()sin()224sin(4()sin()=()sin()sin()222122Tndddddautn t dtTUUn t dtn t dtUUn t dtn t dutn t dtudUtn tnttapaapaapawwwwwwwpwwwwwwwwwwppp?123
10、cos2cos2cosnnnaaa?20/41 7.2.1 计算法和调制法?“四分之一”周期对称波形的傅立叶级数分解 112351233123972313122(12cos2cos2cos)2(12cos 522(12cos 32cos 32cos 3)2(12ccos52cos 5)052(12cos 72cos 72cos 7)os920cos92c s9)97odddddUUUUUaaaapaaaapaaaapaaaapaaaap?某一需要的值选3个方程，联立求解，即可求出a1、a2、a3；21/41 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法?推论 对于“四分之一”周期对称的PWM波，如
11、果在输出电压半周期内器件通、断各k次，则有k个开关时刻是独立的，其余开关时间均可以推导计算出来；除用一个自由度控制基波幅值外(如以上的a1)，可消去k-1个频率的特定谐波(如以上的a5、a7 等)；O w t u o U d-U d 2 p p a 1 a 2 a 3 22/41 7.2.2 异步调制和同步调制 1、异步调制?载波比N：载波频率 fc 与调制信号频率 fr 之比 反映了一个调制波 周期中包含的载波信号周期的个数；crfNf?改变调制信号频率 fr 时，不改变载波信号频率 fc，则载波比N将发生变化，使得调制信号和载波信号的频率变化不保持同步，这种调制方式称为“异步调制”；23/
12、41 7.2.2 异步调制和同步调制 1、异步调制?特点：fr 越低，一个调制周期中所含载波周期数越多；脉冲越多；一个调制周期中输出脉冲数量不固定，相位也不固定；输出电压的正负半周中输出脉冲不对称；输出电压的半周期中，前后1/4周期的脉冲也不对称；?影响：当 fr 较低时，造成载波比N较大，半周内脉冲数较多，则特点 产生的影响小，输出波形接近正弦波；当 fr 较高时，造成载波比N较小，半周内脉冲数较少，则特点 产生的影响大，输出波形变坏，谐波含量增 大，输出波形的对称性也变差；24/41 7.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制 2、同步调制?变频时，载波频率 fc 与调制信号频率 f
13、r 同时改变，且载波比N保持不变，使调制信号和载波信号的频率变化保持同步，这种调制方式称为“同步调制”；?例如，三相PWM逆变电路中 25/41 7.2.2 异步调制和同步调制 2、同步调制?特点：调频时，调制周期中输出脉冲数量固定，相位也固定；在三相电路中，载波比N为3的倍数时，三相输出波形 对称；载波比N为奇数时，每相输出波形的正负半周为镜对称，可消去偶次谐波；?例如，三相PWM逆变电路中 26/41 7.2.2 异步调制和同步调制 2、同步调制?缺点缺点：为保持同步，当所需的输出频率较低时，则相应的载波频率低，在相同时间段中的脉冲数较少，输出波形中的谐波频率低，不易滤波，使电机产生较大的
14、转矩脉冲和噪声；当所需的输出频率较高时，又会造成载波频率过高，在相同的时间段中的脉冲数较多，而受到开关器件的开关频率的限制；?例如，三相PWM逆变电路中 27/41 7.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制 2、同步调制?改进措施 在输出频率的范围内，采用“分段”的同步调制方法；即把 fr 范围划分成若干个频段，每个频段内部采用同步调制，而不同频段采用不同的载波比；在 fr 高频段，采用低载波比，不致使 fc 过高，而将 fc 限制在开关器件所允许的范围内；在 fr 低频段，采用高载波比，不致使输出脉冲数过少，而将输出信号中的谐波限制在所允许的范围内；输出信号中的谐波限制在所允许的范围
15、内；每个频段中的载波比N 一般取 3 的倍数且为奇数，以便形成四分之一周期对称的输出波形；28/41 7.2.2 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 此频率段的选择，受功率开关器件所允许的最高频率限制；采用单片机控制时，还受单片机计算速度的限制；一般大约在1.42.0kHz之间；在实际使用中，为防止切换频率点处的频率来回突变，常采用“滞后切换”方法。29/41 7.2.3 规则采样法?SPWM波形的生成方法：模拟电路：用比较器对正弦调制波和三角形载波进行比较，以交点确定脉冲的宽度和间隔；微机控制：编辑程序，计算出脉冲的宽度和间隔，有：实时计算法、查表法；专用集成芯片：其中已
16、有固化的程序，可直接输出脉冲宽 度和脉冲间隔可调的PWM信号，一般与 主控元件配套使用。?前面所述：利用正弦波和三角波的自然交点时刻来控制开关 器件的通断的控制方法，成为“自然采样法”；但确定脉宽的方程为超越方程，难以在实时控制 中在线计算，工程应用不多。30/41 7.2.3 规则采样法规则采样法?规则采样法的计算公式以单相为例 设正弦调制信号波为 sinrruatw?调制度M为正弦调制波峰值Ur与三角形载波峰值Uc的比值，在此：rcUMaU?u c u O t u r T c A D B O t u o t A t D t B d d d 2 d 2 d 图6-12 规则采样法 31/41
17、 7.2.3 规则采样法规则采样法?规则采样法的计算公式以单相为例 依据相似三角形 Dc1sin2/2/2ratTw wd d?D(1sin)2crTatdw?cD1(1sin)24crTTatddw?改变调制度a 值，即可改变输出电压 u0 的幅值；?改变调制信号频率w wr，即可改变输出电压u0的频率。u c u O t u r T c A D B O t u o t A t D t B d d d 2 d 2 d 图6-12 规则采样法 32/41 7.2.3 规则采样法规则采样法?规则采样法的计算公式以单相为例 实际计算时，令 D2,1,2,3,.,1rtkknnp pw w?若载波比
18、为 3 的整数倍且为奇数时，只需计算前四分之一周期的数据。u c u O t u r T c A D B O t u o t A t D t B d d d 2 d 2 d 图6-12 规则采样法 33/41 7.2.3 规则采样法规则采样法?三相SPWM波形的生成的规则采样法?DDD(1sin)21sin(120)21sin(120)2cUrcVrcWrTatTatTatdwdwdw?32cUVWTddd?34cUVWTddd?图6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud?2Ud34/41 7.2.4 PWM逆变电路的谐波逆变电路的谐波分析结论?单相桥式PWM逆
19、变电路 双极性调制方式下，谐波角频率为 crcrnkwwww?，n=1,3,5,时，k=0,2,4,，n=2,4,6,时，k=1,3,5,；故：PWM波中不含低次谐波，如 kwr 等；只含有整数倍角频率 wc 及其附近的谐波；幅值最高影响最大的是角频率为wc 的谐波分量。1 0 0 2+-1 2 3 4+-0 2+-4+-0 1+-3+-5+-谐波振幅 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 k n a=1.0 a=0.8 a=0.5 a=0 角频率(n w c +k w r)35/41 7.2.4 PWM逆变电路的谐波逆变电路的谐波分析结论?三相桥式PWM逆变电路 1 0 0
20、 2+-1 2 3 4+-0 2+-4+-0 1+-3+-5+-0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 k n a=1.0 a=0.8 a=0.5 a=0 角频率(n w c +k w r)谐波振幅 公用一个载波信号，双极性调制方式下，谐波角频率为 crcrnkwwww?，610,1,611,2,mmkmm?n=1,3,5,时，k=3(2m-1),m=1,2,，n=2,4,6,时，故：PWM波中不含低次谐波，如 kwr 等；不含有整数倍角频率 wc 的谐波；谐波幅值较高的角频率为 wc2wr和2wcwr。36/41 7.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数?评价PWM控制方法的基本
21、标志 输出电压波形中的谐波含量；直流电压利用率 逆变电路输出交流电压的基波最大值U1m与输入直流 电压Ud之比；一个输出电压周期中功率器件的开关次数；?对于正弦波调制的三相PWM逆变电路 若调制度 a 为 1 时，直流电压利用率 输出相电压基波幅值为 ，直流电压利用率为 0.5；输出线电压基波幅值为 ，直流电压利用率为0.866；若调制度 a 小于 1 时，直流电压利用率更低；/2dU3/2dU37/41 7.4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法 7.4.1 PWM整流电路的工作原理 7.4.2 PWM整流电路的控制方法 38/41 7.4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其
22、控制方法 引言引言?实用的整流电路几乎都是晶闸管整流或二极管整流?晶闸管相控整流电路：输入电流滞后于电压，且其中 谐波分量大，因此功率因数很低?二极管整流电路：虽位移因数接近1，但输入电流中谐 波分量很大，所以功率因数也很低?把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形 成了PWM整流电路?控制PWM整流电路，使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1，也称单位功 率因数变流器，或高功率因数整流器 39/41 本章小结本章小结 PWM控制技术的地位 PWM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。PWM技术与器件的关系 IG
23、BT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础。PWM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PWM电路，是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统就构成广泛应用的直流脉宽调速系统。PWM控制技术用于交流交流变流电路 斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是PWM控制技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集成化，可望有良好的发展前景。40/41 本章小结本章小结 PWM控制技术用于逆变电路 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
24、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，学完本章才能对逆变电路有较完整的认识。PWM控制技术用于整流电路 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。41/41 本章小结本章小结 PWM控制技术与相位控制技术 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至今在电力电子电路中仍占据着重要地位。以PWM控制技术为代表的斩波控制技术正在越来越占据着主导地位。相位控制和斩波控制分别简称相控和斩控。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。
