1、第六章 PWM控制技术 龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组1第六章 PWM控制技术 引言PWM(Pulse Width Modulation)PWM(Pulse Width Modulation)控制就是控制就是 脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度脉宽调制技术：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（含进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值形状和幅值)。第三、四章已涉及到第三、四章已涉及到PWMPWM控制，第三章直流斩控制，第三章直流斩波电路采用的就波电路采用的就PWMPWM技术；第四章的第一节斩技术；第四章的第一节斩控式调压电路
2、和第四节矩阵式变频电路都涉控式调压电路和第四节矩阵式变频电路都涉及到了。及到了。龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组2 2第六章 PWM控制技术 引言 PWMPWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWMPWM控制变得十分容易。控制变得十分容易。PWMPWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。位。PWMPWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功
3、应用，才确定控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了电路都采用了PWMPWM技术，因此，本章和第技术，因此，本章和第5 5章（逆变电路）章（逆变电路）相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组3 3第一节 PWM控制的基本思想1.1.重要理论基础重要理论基础面积等效原理面积等效原理龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组4 4冲量相等而形状不同的窄
4、脉冲加在具有惯性的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。环节上时，其效果基本相同。冲量冲量窄脉冲的面积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环节的输出响应波形基本相同图图6-1 6-1 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d)单位脉冲函数单位脉冲函数f(t)d d(t)tOa)矩形脉冲矩形脉冲b)三角形脉冲三角形脉冲c)正弦半波脉冲正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)第一节 PWM控制的基本思想龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组5 5b)b)图图6-2 6-2 冲量相等的各冲量
5、相等的各种窄脉冲的响应波形种窄脉冲的响应波形具体的实例说明具体的实例说明“面积等效原理面积等效原理”a a）u u(t)(t)电压窄脉冲，电压窄脉冲，是电路的输入是电路的输入 。i i(t)(t)输出电流，输出电流，是电路的响应。是电路的响应。第一节 PWM控制的基本思想龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组6 6OuttSPWM波波Outt如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Outt第一节 PWM控制的基本思想龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组7 7Ou t若要改变等效输出正弦若要
6、改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。变各脉冲宽度即可。OuttSPWMSPWM波波Outt如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Outt第一节 PWM控制的基本思想龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组8 8Ow wtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWMPWM波波形，因此正弦波一个完整周期的等效形，因此正弦波一个完整周期的等效PWMPWM波为：波为：Ow wtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的根据面积
7、等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWMPWM波，波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。而且这种方式在实际应用中更为广泛。第一节 PWM控制的基本思想龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组9 9等等幅幅PWM波波输入电源是恒定直流输入电源是恒定直流 第第3章的直流斩波电路章的直流斩波电路 6.2节的节的PWM逆变电路逆变电路 6.4节的节的PWM整流电路整流电路不等幅不等幅PWM波波输入电源是交流或不是输入电源是交流或不是恒定的直流恒定的直流 4.1节的斩控式交流调压电路节的斩控式交流调压电路 4.4节的矩阵式变频电路节的矩阵式变频电路Ow wtUd-UdUot第一节
8、 PWM控制的基本思想2.PWM2.PWM电流波电流波 电流型逆变电路进行电流型逆变电路进行PWMPWM控制，得到的就控制，得到的就是是PWMPWM电流波。电流波。龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组1010PWM波可等效的各种波形波可等效的各种波形直流斩波电路直流斩波电路 直流波形直流波形SPWM波波 正弦波形正弦波形等效成其他所需波形，如等效成其他所需波形，如:l 所需波形所需波形 l 等效的等效的PWMPWM波波0s5m s10m s15m s20m s25m s30m s-20V0V20V第二节 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目前
9、中小功率的逆变电路几乎都采用PWMPWM技术。技术。逆变电路是逆变电路是PWMPWM控制技术最为重要的应用场合。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。本节内容构成了本章的主体。PWMPWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的实用的PWMPWM逆变电路几乎都是电压型电路。逆变电路几乎都是电压型电路。龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组1111第二节 PWM逆变电路及其控制方法 一一.龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组1212一.计算法和调制法龙岩学院物理与机电学院电气教研组
10、龙岩学院物理与机电学院电气教研组13131.1.计算法计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算算PWMPWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需关器件的通断，就可得到所需PWMPWM波形。波形。本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。变化时，结果都要变化。一.计算法和调制法龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组1414工作时工作时V V1 1和和V V2 2通断互补，通断互补，V V3
11、3和和V V4 4通断也互补。通断也互补。以以u uo o正半周为例，正半周为例，V V1 1通，通，V V2 2断，断，V V3 3和和V V4 4交替通断。交替通断。负载电流比电压滞后，在负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。区间为正，一段区间为负。负载电流为正的区间，负载电流为正的区间，V V1 1和和V V4 4导通时，导通时，u uo o等于等于U Ud d。2.2.调制法调制法图图6 64 4 单相桥式单相桥式PWMPWM逆变电路逆变电路结合结合IGBTIGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明单相桥式电压型逆变电路对调制法进
12、行说明一.计算法和调制法V V4 4关断时，负载电流通过关断时，负载电流通过V V1 1和和VDVD3 3续流，续流，u uo o=0=0负载电流为负的区间，负载电流为负的区间，V V1 1和和V V4 4仍导通，仍导通，i io o为负，实为负，实际上际上i io o从从VDVD1 1和和VDVD4 4流过，仍有流过，仍有u uo o=U Ud d。V V4 4关断关断V V3 3开通后，开通后，i io o从从V V3 3和和VDVD1 1续流，续流，u uo o=0=0。u uo o总可得到总可得到U Ud d和零两种和零两种电平。电平。u uo o负半周，让负半周，让V V2 2保持通
13、，保持通，V V1 1保持断，保持断，V V3 3和和V V4 4交替交替通断，通断，u uo o可得可得-U Ud d和零两和零两种电平。种电平。龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组15152.2.调制法调制法图图6 64 4 单相桥式单相桥式PWMPWM逆变电逆变电路路一.计算法和调制法 龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组1616u ur r正半周，正半周，V V1 1保持通，保持通，V V2 2保持断保持断。当当u ur r u uc c时使时使V V4 4通，通，V V3 3断，断，u uo o=U Ud d。当当u ur r
14、u uc c时，给时，给V V1 1和和V V4 4导通信号，给导通信号，给V V2 2和和V V3 3关断信号。关断信号。如如i io o00，V V1 1和和V V4 4通，如通，如i io o00，VDVD1 1和和VDVD4 4通，通，u uo o=U Ud d。当当u ur r u uc c时，给时，给V V2 2和和V V3 3导通信号，给导通信号，给V V1 1和和V V4 4关断信号。关断信号。如如i io o000，VDVD2 2和和VDVD3 3通，通，u uo o=-=-U Ud d。图图6-6 6-6 双极性双极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形urucuOw wt
15、Ow wtuouofuoUd-Ud在在u ur r和和u uc c的交点时刻控制的交点时刻控制IGBTIGBT的通断的通断。一.计算法和调制法龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组1818图图6-5 6-5 双极性双极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形urucuOw wtOw wtuouofuoUd-Ud图图6-5 6-5 单极性单极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形urucuOw wtOw wtuouofuoUd-Ud 对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采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，由于对开关器件取单极性调制
16、，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。通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。一.计算法和调制法龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组19194.4.双极性双极性PWMPWM控制方式控制方式（三相桥逆变）（三相桥逆变）图图6-7 6-7 三相桥式三相桥式PWMPWM型逆变电路型逆变电路 一.计算法和调制法龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组2020ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3U
17、d32 Ud图图6-7 6-7 三相桥式三相桥式PWMPWM型逆变电路型逆变电路 图图6-8 6-8 三相桥式三相桥式PWMPWM逆变电路波形逆变电路波形 下面以下面以U U相为例分析控制规律：相为例分析控制规律：当当u urUrU u uc c时，给时，给V V1 1导通信号，导通信号，给给V V4 4关断信号，关断信号，u uUNUN=U Ud d/2/2。当当u urUrU u uc c时，给时，给V V4 4导通信号，导通信号，给给V V1 1关断信号，关断信号，u uUNUN=-=-U Ud d/2/2。当给当给V V1 1(V(V4 4)加导通信号时，可加导通信号时，可能是能是V
18、V1 1(V(V4 4)导通，也可能是导通，也可能是VDVD1 1(VD(VD4 4)导通。导通。u uUNUN、u uVNVN和和u uWNWN的的PWMPWM波形只波形只有有U Ud d/2/2两种电平。两种电平。u uUVUV波形可由波形可由u uUNUN-u uVNVN得出，得出，当当1 1和和6 6通时，通时，u uUVUV=U Ud d，当，当3 3和和4 4通时，通时，u uUVUV=U Ud d，当，当1 1和和3 3或或4 4和和6 6通时，通时，u uUVUV=0=0。一.计算法和调制法输出线电压输出线电压PWMPWM波由波由U Ud d和和0 0三种电三种电平构成平构成负
19、载相电压负载相电压PWMPWM波由波由(2/3)2/3)U Ud d、(1/3)1/3)U Ud d和和0 0共共5 5种电平组成。种电平组成。防直通的死区时间防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，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，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留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。的关断时间决定。死区时间会给输出的死区时间会给输出的PWMPWM波带来影波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。响，使其稍稍偏离正弦波。龙岩学院物理与机电学院电气教
20、研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组2121ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud图图6-7 6-7 三相桥式三相桥式PWMPWM型逆变电路型逆变电路 图图6-8 6-8 三相桥式三相桥式PWMPWM逆变电路波形逆变电路波形 一.计算法和调制法5.5.特定谐波消去法特定谐波消去法 (Selected Harmonic Elimination PWM(Selected Harmonic Elimination PWMSHEPWM)SHEPWM)龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物
21、理与机电学院电气教研组2222这是计算法中一种较有这是计算法中一种较有代表性的方法。代表性的方法。输出电压半周期内，器输出电压半周期内，器件通、断各件通、断各3 3次（不包次（不包括括0 0和和），共），共6 6个开关个开关时刻可控。时刻可控。为减少谐波并简化控制，为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。要尽量使波形对称。图图6-9 特定谐波消去法的输出特定谐波消去法的输出PWM波波形形Ow wtuoUd-Ud2p pp pa1a2a3一.计算法和调制法龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组2323首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，首先，为消除偶次谐波，
22、使波形正负两半周期镜对称，即即(6-1)()(pwwtutu其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后内前后1/4周期以周期以/2为轴线对称为轴线对称 (6-2)()(tutuwpw同时满足式（同时满足式（6-1）、（）、（6-2）的波形称为四分之一周）的波形称为四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为期对称波形，用傅里叶级数表示为 (6-3)式中，式中，an为为,5,3,1sin)(nntnatuww20dsin)(4pwwwpttntuan一.计算法和调制法龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组2424图图6-9
23、，能独立控制，能独立控制a a1、a a 2和和a a 3共共3个时刻。该波形的个时刻。该波形的an为为 式中式中n=1,3,5,)cos2cos2cos21(2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211aaapwwwwwwwwppaaaaaannnnUttnUttnUttnUttnUadddddnOw wtuoUd-Ud2p pp pa1a2a3确定确定a a1 1的值，再令的值，再令两个不同的两个不同的a an n=0(n=1,3,5)=0(n=1,3,5)，就可建三个方程，就可建三个方程，求得求得a a1 1、a a2 2和和a a3 3。图图6-9 6-9
24、 特定谐波消去法的输出特定谐波消去法的输出PWMPWM波形波形一.计算法和调制法消去两种特定频率的谐波消去两种特定频率的谐波龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组2525在三相对称电路的线电压中，相电压所含的在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3 3次谐波相次谐波相互抵消。互抵消。可考虑消去可考虑消去5 5次和次和7 7次谐波，得如下联立方程：次谐波，得如下联立方程：给定给定a a1 1，解方程可得，解方程可得a a1 1、a a2 2和和a a3 3。a a1 1变，变，a a1 1、a a2 2和和a a3 3也相也相应改变。应改变。0)7cos27cos27c
25、os21(720)5cos25cos25cos21(52)cos2cos2cos21(2321d7321d5321d1aaapaaapaaapUaUaUa（65）一.计算法和调制法一般在输出电压半周期内，器件通、断各一般在输出电压半周期内，器件通、断各k k次，次，考虑到考虑到PWMPWM波四分之一周期对称，波四分之一周期对称，k k个开关时刻可个开关时刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去k k1 1个频率的特定谐波。个频率的特定谐波。k k的取值越大，开关时刻的计算越复杂。的取值越大，开关时刻的计算越复杂。除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，
26、在除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在6.36.3节介绍。节介绍。龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组2626二.异步调制和同步调制龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组2727根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWMPWM调制方式分为异步调制和同步调制。调制方式分为异步调制和同步调制。通常保持通常保持f fc c固定不变，当固定不变，当f fr r变化时，载波比变化时，载波比N N是变化的是变化的在信号波的半周期内，在信号波的半周期内，PWMPWM波的脉冲个数不固定，相位也不固波的
27、脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/41/4周期的脉冲周期的脉冲也不对称也不对称当当f fr r较低时，较低时，N N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小的不利影响都较小当当f fr r增高时，增高时，N N减小，一周期内的脉冲数减少，减小，一周期内的脉冲数减少，PWMPWM脉冲不对称脉冲不对称的影响就变大的影响就变大载波比载波比载波频率载波频率fc与调制信号频率与调制信号频率fr之比，之比，N=fc/fr1.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载
28、波信号和调制信号不同步的调制方式二.异步调制和同步调制龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组28282.2.同步调制同步调制载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即使载波与信号波保持同步，即N N等于常数。等于常数。ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud 2Ud图图6-10 同步调制三相同步调制三相PWM波形波形基本同步调制方式，基本同步调制方式，f fr r变变化时化时N N不变，信号波一周期不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。内输出脉冲数固定。三相电路中公用一个
29、三角三相电路中公用一个三角波载波，且取波载波，且取N N为为3 3的整数的整数倍，使三相输出对称。倍，使三相输出对称。为使一相的为使一相的PWMPWM波正负半周波正负半周镜对称，镜对称，N N应取奇数。应取奇数。f fr r很低时，很低时，f fc c也很低，由调也很低，由调制带来的谐波不易滤除。制带来的谐波不易滤除。f fr r很高时，很高时，f fc c会过高，使开会过高，使开关器件难以承受。关器件难以承受。二.异步调制和同步调制龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组29293.3.分段同步调制分段同步调制异步调制和同步调制的综合应用。异步调制和同步调制的综合应用
30、。把整个把整个f fr r范围划分成若干个频范围划分成若干个频段，每个频段内保持段，每个频段内保持N N恒定，恒定，不同频段的不同频段的N N不同。不同。在在f fr r高的频段采用较低的高的频段采用较低的N N，使，使载波频率不致过高；在载波频率不致过高；在f fr r低的低的频段采用较高的频段采用较高的N N，使载波频，使载波频率不致过低。率不致过低。00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr/Hzfc/kHz为防止为防止f fc c在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。
31、同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。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。果接近。图图6-11 6-11 分段同步调分段同步调制方式举例制方式举例 三.规则采样法龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组30301.1.自然采样法：自然采样法：按照按照SPWMSPWM控制的基本原理控制的基本原理产生的产生的PWMPWM波的方法，其求波的方
32、法，其求解复杂，难以在实时控制中解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。在线计算，工程应用不多。ucuOturTcADBOtuotAtDtBd dd d d d 2d d2d d图图6-12 规则采样法规则采样法 2.2.规则采样法规则采样法 工程实用方法，效果接近工程实用方法，效果接近自然采自然采 样法，计算量小得样法，计算量小得多。多。三.规则采样法三角波两个正峰值之间为一个采三角波两个正峰值之间为一个采样周期样周期T Tc c。自然采样法中，脉冲中点不和三自然采样法中，脉冲中点不和三角波角波(负峰点负峰点)重合。重合。规则采样法使两者重合，使计算规则采样法使两者重合，使计算大为减
33、化。大为减化。如图所示确定如图所示确定A A、B B点，在点，在t tA A和和t tB B时刻控制开关器件的通断。时刻控制开关器件的通断。脉冲宽度脉冲宽度d d 和用自然采样法得到和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。的脉冲宽度非常接近。龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组3131 规则采样法原理规则采样法原理ucuOturTcADBOtuotAtDtBd dd d d d 2d d2d d图图6-12 规则采样法规则采样法 三.规则采样法龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组3232规则采样法计算公式推导规则采样法计算公式推导正弦调制信
34、号波正弦调制信号波taursinrw三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度)sin1(421DrcctaTTwdd(6-7)a称为称为调制度调制度，0a1；w wr为信号波角频率为信号波角频率从图从图6-12得得,2/22/sin1cDrTtadw)sin1(2DrctaTwd(6-6)ucuOturTcADBOtuotAtDtBd dd d d d 2d d2d d图图6-12 规则采样法规则采样法 三.规则采样法龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组33333.3.三相桥逆变电路的情况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
35、依次差三角波载波公用，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同一三角波周期内三相的脉宽分别为d dU、d dV和和d dW，脉，脉冲两边的间隙宽度分别为冲两边的间隙宽度分别为d d U、d d V和和d d W，同一时刻三，同一时刻三相调制波电压之和为零，由式相调制波电压之和为零，由式(6-6)得得 由式由式(6-7)得得23cWVUTddd43c W V UTddd利用以上两式可简化三相利用以上两式可简化三相SPWM波的计算波的计算(6-8)(6-9)四.PWM逆变电路的谐波分析使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的
36、谐波分量。波分量。谐波频率和幅值是衡量谐波频率和幅值是衡量PWMPWM逆变电路性能的重要指标之逆变电路性能的重要指标之一。一。分析以双极性分析以双极性SPWMSPWM波形为准。波形为准。同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制方式。制方式。分析方法分析方法 以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWMPWM波的傅里叶波的傅里叶级数表达式。级数表达式。尽管分析过程复杂，但结论简单而直观。尽管分析过程复杂，但结论简单而直观。龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组3434四.PW
37、M逆变电路的谐波分析龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组3535c c+k kr r)角频率角频率(nw ww w1002+-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=0图图6-136-13，不同，不同a a时单时单相桥式相桥式PWMPWM逆变电路逆变电路输出电压频谱图。输出电压频谱图。1.1.单相的分析结果单相的分析结果谐波角频率为谐波角频率为:10)-(6rcwwkn式中，式中，n=1,3,5,时，时，k=0,2,4,；n=2,4,6,时，时，k=1,3,5,PW
38、MPWM波中不含低次谐波，只含波中不含低次谐波，只含w wc c及其附近的谐波以及及其附近的谐波以及2 2w wc c、3 3w wc c等及其附近的谐波。等及其附近的谐波。图图6-13 6-13 单相单相PWMPWM桥式逆变电路输出电压频谱桥式逆变电路输出电压频谱图图四.PWM逆变电路的谐波分析龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组36362.2.三相的分析结果公用三相的分析结果公用载波信号时的情况载波信号时的情况输出线电压中的谐波输出线电压中的谐波角频率为角频率为11)-(6rcwwkn式中，式中，n=1,3,5,时，时，k=3(2m1)1，m=1,2,；n=2,
39、4,6,时，时，。,2,116,1,016mmmmk图图6-14，不同，不同a时三相时三相桥式桥式PWM逆变电路输逆变电路输出电压频谱图。出电压频谱图。公用载波信号时的情公用载波信号时的情况。况。1002+-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(nw wc+kw wr)图图6-14 三相桥式三相桥式PWM逆变电路输出线电压频谱图逆变电路输出线电压频谱图谐波振幅谐波振幅四.PWM逆变电路的谐波分析三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别
40、是载波角频率著的区别是载波角频率w wc c整数倍的谐波没有了，谐波中整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是幅值较高的是w wc c2 2w wr r和和2 2w wc cw wr r。SPWMSPWM波中谐波主要是角频率为波中谐波主要是角频率为w wc c、2 2w wc c及其附近的谐波，及其附近的谐波，很容易滤除。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。后者的谐波是由于信号波对载波的调制而
41、产生的谐波。后者的谐波分布情况和分布情况和SPWMSPWM波的谐波分析一致。波的谐波分析一致。龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组3737谐波分析小结谐波分析小结五.提高直流电压利用率和减少开关次数 直流电压利用率直流电压利用率逆变电路输出交流电压基波最大幅值逆变电路输出交流电压基波最大幅值U U1m1m和直流和直流电压电压U Ud d之比。之比。提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力。提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力。减少器件的开关次数可以降低开关损耗。减少器件的开关次数可以降低开关损耗。正弦波调制的三相正弦波调制的三相PWMPWM逆变电路，调制度逆变电
42、路，调制度a a为为1 1时，输出线电压的基时，输出线电压的基波幅值为波幅值为 ，直流电压利用率为，直流电压利用率为0.8660.866，实际还更低。，实际还更低。梯形波调制方法的思路梯形波调制方法的思路 采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用率。采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用率。当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值更大。更大。龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组3838dU)2/3(可编辑可编辑五.提高直流电压利用率和减少开关次数龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩
43、学院物理与机电学院电气教研组4040ucurUurVurWuuUNOw wtOw wtOw wtOw wtuVNuUV图图6-15 6-15 梯形波为调制信号的梯形波为调制信号的PWMPWM控制控制 1.1.梯形波调制方法的原理及波形梯形波调制方法的原理及波形梯形波的形状用三角化率梯形波的形状用三角化率 s s=U Ut t/U Utoto描述，描述，U Ut t为以横轴为底为以横轴为底时梯形波的高，时梯形波的高，U Utoto为以横轴为底为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高。的三角形的高。s s=0=0时梯形波变为矩形波，时梯形波变为矩形波，s s
44、=1=1时梯形波变为三角波。时梯形波变为三角波。梯形波含低次谐波，梯形波含低次谐波，PWMPWM波含同样波含同样的低次谐波。的低次谐波。低次谐波（不包括由载波引起的低次谐波（不包括由载波引起的谐波）产生的波形畸变率为谐波）产生的波形畸变率为d d。五.提高直流电压利用率和减少开关次数龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组4141图图6-166-16，d d 和和U U1m 1m/U Ud d随随s s 变化的情况。变化的情况。图图6-176-17，s s 变化时各次谐波分量幅变化时各次谐波分量幅值值U Unmnm和基波幅值和基波幅值U U1m1m之比。之比。U,d d
45、00.20.40.60.81.0d d0.20.40.60.81.01.21mUdUdU1m图图6-16 s s 变化时的变化时的d d 和直流电压利用率和直流电压利用率 s s0.20.40.60.81.0s s5w wr00.10.27w wr11w wr13w wrU1mUmn图图6-17 s s 变化时的各次谐波含量变化时的各次谐波含量 梯形波调制的缺点：梯形波调制的缺点：输出波形中含输出波形中含5次、次、7次等低次谐波次等低次谐波s s =0.4=0.4时，谐波含量也较少，时，谐波含量也较少，约为约为3.6%3.6%，直流电压，直流电压利用率为利用率为1.031.03，综合效果较好。
46、，综合效果较好。d五.提高直流电压利用率和减少开关次数龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组42422.2.线电压控制方式线电压控制方式uucr1uOw wturur1uOw wtur3图图6-18 叠加叠加3次谐波的调制信号次谐波的调制信号对两个线电压进行控制，适当地利用多对两个线电压进行控制，适当地利用多余的一个自由度来改善控制性能。余的一个自由度来改善控制性能。目标目标使输出线电压不含低次谐波的使输出线电压不含低次谐波的同时尽可能提高直流电压利用率，并尽同时尽可能提高直流电压利用率，并尽量减少器件开关次数。量减少器件开关次数。直接控制手段仍是对相电压进行控制，直
47、接控制手段仍是对相电压进行控制，但控制目标却是线电压但控制目标却是线电压相对线电压控制方式，控制目标为相电相对线电压控制方式，控制目标为相电压时称为相电压控制方式。压时称为相电压控制方式。鞍形波的基波分量幅值大。鞍形波的基波分量幅值大。除叠加除叠加3 3次谐波外，还可叠加其他次谐波外，还可叠加其他3 3倍频的信号，也可叠加直流分量，倍频的信号，也可叠加直流分量，都不会影响线电压。都不会影响线电压。叠加三次叠加三次谐波谐波在相电压调制信号中叠加在相电压调制信号中叠加3 3次谐波，使之次谐波，使之成为鞍形波，输出相电压中也含成为鞍形波，输出相电压中也含3 3次谐波，次谐波，且三相的三次谐波相位相同
48、。合成线电压且三相的三次谐波相位相同。合成线电压时，时，3 3次谐波相互抵消，线电压为正弦波。次谐波相互抵消，线电压为正弦波。五.提高直流电压利用率和减少开关次数龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组43433.3.线电压控制方式举例线电压控制方式举例（叠加（叠加3 3倍次谐波和直流分量）倍次谐波和直流分量）叠加叠加u up p，既包含，既包含3 3倍次谐波，也包含直流倍次谐波，也包含直流分量，分量，u up p大小随正弦信号的大小而变化。大小随正弦信号的大小而变化。设三角波载波幅值为设三角波载波幅值为1 1，三相调制信号的，三相调制信号的正弦分别为正弦分别为u ur
49、U1rU1、u urV1rV1和和u urW1rW1，并令，并令 (6-12)(6-12)则三相的调制信号分别为则三相的调制信号分别为prW1rWprV1rVprU1rUuuuuuuuuu1),min(rW1rV1rU1puuuu图 6-19ucurU 1urV 1urW 1uuU N Ud-UdOtOurUurVurWucOtOOOOtttttuV N uW N uU Vu1-11-1-0.5uP2Ud2Ud 图图6-19 线电压控制方式举例线电压控制方式举例龙岩学院物理与机电学院电气教研组龙岩学院物理与机电学院电气教研组4444不论不论u urU1rU1、u urV1rV1和和u urW1
50、rW1幅值的大小，幅值的大小，u urUrU、u urVrV、u urWrW总有总有1/31/3周周期的值和三角波负峰值相等。在这期的值和三角波负峰值相等。在这1/31/3周期中，不对调制周期中，不对调制信号值为信号值为-1-1的相进行控制，只对其他两相进行控制，这种的相进行控制，只对其他两相进行控制，这种控制方式称为两相控制方式控制方式称为两相控制方式。优点优点 （1 1）在）在1/31/3周期内器件不动作，开关损耗减少周期内器件不动作，开关损耗减少1/31/3。（2 2）最大输出线电压基波幅值为）最大输出线电压基波幅值为U Ud d，直流电压利用率，直流电压利用率 提高。提高。（3 3）输
