1、第十四讲第十四讲 PWMPWM控制技术控制技术14.0 14.0 引言引言14.1 PWM14.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理14.2 PWM14.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法14.3 PWM14.3 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术14.4 PWM14.4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法14.0 14.0 引引 言言 PWM（Pulse Width Modulation）控制）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 本章内容本章内容 PWM控制
2、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14.1 PWM14.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 理论基础理论基础v 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v 冲量冲量指窄脉冲的面积v 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同v 低频段非常接近，仅在高频段略有差异f(t)(t)tO图6-1a)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲14.1 P
3、WM14.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 一个实例一个实例 图6-2a的电路v 电路输入：u(t)，窄脉冲，如图6-1a、b、c、d所示v 电路输出：i(t)，图6-2b 面积等效原理面积等效原理a)Ob)图6-2tbdcai(t)i(t)e(t)图6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形14.1 PWM14.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波个正弦半波v 正弦半波N等分等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等v 用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等v 宽度按正弦规律变化v
4、 SPWM波形波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形v 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tOua)b)图6-3Out图6-3 用PWM波代替正弦半波14.1 PWM14.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 等幅等幅PWM波和不等幅波和不等幅PWM波波由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波v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v如斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路基于面积等效原理进行控制，本质是相同的14.1 PWM14.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理PWM电流波电流波v电流型逆变电路进
5、行PWM控制，得到的就是PWM电流波PWM波形可等效的各种波形波形可等效的各种波形v直流斩波电路：等效直流波形vSPWM波：等效正弦波形v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 PWM14.2 PWM逆变电路及其控制方法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14.2 PWM14.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法14.2.1 1
6、4.2.1 计算法和调制法计算法和调制法14.2.2 14.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制14.2.3 14.2.3 规则采样法规则采样法14.2.4 PWM14.2.4 PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化14.2.1 14.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 计算法计算法v 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v 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 调制法调制法v 输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波v 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波v 等腰三角波应
7、用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称14.2.1 14.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，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 14.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 结合结合IGBT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 控制规律控制规律v uo正半周正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断v 负载电流
8、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v 负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Udv V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0v 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=Ud14.2.1 14.2.1 计算法和调制法计算法和调制法v V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0v uo总可得到Ud和零两种电平v uo负半周负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc图6-4
9、单相桥式PWM逆变电路14.2.1 14.2.1 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（单相桥逆控制方式（单相桥逆变）变）在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断v ur正半周正半周，V1保持通，V2保持断w 当uruc时使V4通，V3断，uo=Udw 当uruc时使V4断，V3通，uo=0v ur负半周负半周，V1保持断，V2保持通w 当uruc时使V3断，V4通，uo=0w 虚线uof表示uo的基波分量图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud图6-5 单极性PWM控制方式波形14.2.1 14.2.1 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（
10、单相桥逆变控制方式（单相桥逆变）v 在ur的的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负v 在ur一周期内，输出PWM波只有Ud两种电平v 仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件的通断v ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同v 当当ur uc时时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号v 如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通，uo=Ud14.2.1 14.2.1 计算法和调制法计算法和调制法v 当当uruc时时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号v 如io0，VD2和VD3通，uo=-Udv 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
11、-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud图6-6 双极性PWM控制方式波形 14.2.1 14.2.1 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（三相桥逆变）控制方式（三相桥逆变）v 三相的PWM控制公用三角波载波ucv 三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud图6-7 三相桥式PWM型逆变电路 14.2.1 14.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 U相的控制规律相的控制规律v 当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN
12、=Ud/2v 当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN=-Ud/2v 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v uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2两种电平v 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=0v 输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成v 负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成14.2.1 14.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 防直通死区时间防直通死区时间v 同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直
13、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v 死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定v 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6-8ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22 Ud图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形 14.2.2 14.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制v 载波比载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/frv 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异步调制和同步调制同步调制1.异步调制异步调
14、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w 通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的w 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w 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w 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14.2.2 14.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制2.同步调制同步调制 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w 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
15、w 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w 为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数w fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除w fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受图6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud图6-10 同步调制三相PWM波形14.2.2 14.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制 分段同步调制分段同步调制(图图6-11）w 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w 在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高w 在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过
16、低w 为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法w 同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现w 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 14.2.3 规则采样法规则采样法 按SPWM基本原理，自然采样法自然采样法w 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 规则采样法特点规则采样法特点w 工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB22图6-12 规则采样法 14.2.3 14.2.3 规则采样法规则采样法 规则采样法原理
17、规则采样法原理w 图6-12，三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tcw 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w 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w 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w 脉冲宽度 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近 14.2.3 14.2.3 规则采样法规则采样法 规则采样法计算公式推导规则采样法计算公式推导 正弦调制信号波 式中，a称为调制度调制度，0a1；r为信号波角频率。从图6-12得 因此可得 三角波一
18、周期内，脉冲两边间隙宽度taursinr2/22/sin1cDrTta)sin1(2DrctaT)sin1(421DrcctaTT(6-6)(6-7)14.2.3 14.2.3 规则采样法规则采样法 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依次差120 同一三角波周期内三相的脉宽分别为U、V和W，脉冲两边的间隙宽度分别为U、V和W，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23cWVUT43c W V UT14.2.4 PWM14.2.4 PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重
19、化v 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、减少和载波有关的谐波分量v 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利用电抗器联接的二重PWM逆变电路逆变电路（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6-20NU1V1W1U2V2W2uUuVuWUVW2Ud2Ud图6-20 二重PWM型逆变电路 14.2.4 PWM14.2.4 PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化 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
20、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nc+kr，但其中n为奇数时的谐波已全被除去，谐波最低频率在2c附近，相当于电路的等效载波频率提高一倍图6-21Ud-UdOurUurVuc2uc1tuUVuOtOtOtOtOtuU1NuU2NuUNuVN2Ud2Ud图6-21 二重PWM型逆变电路输出波形 图图6 6-1 形状不同而冲量相同的各形状不同而冲量相同的各种窄脉冲种窄脉冲f(t)(t)tO图6-1a)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)图图6 6-2 冲量相同的各种窄脉冲冲量相同的各种窄脉冲的响应波形的响应
21、波形 a)Ob)图6-2tbdcai(t)i(t)e(t)图图6-3 6-3 用用PWMPWM波代替正弦半波波代替正弦半波 tOua)b)图6-3Out图图6-4 6-4 单相桥式单相桥式PWMPWM逆变电路逆变电路 信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc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 图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud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 图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud图图6-7 6-7 三相桥式三相桥式PWMPWM型逆变
22、电路型逆变电路 图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud图图6-8 6-8 三相桥式三相桥式PWMPWM逆变逆变电路波形电路波形 图6-8ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud32Ud图图6-10 6-10 同步调制同步调制三相三相PWMPWM波形波形 图6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud图图6-11 6-11 分段同步调制方式举例分段同步调制方式举例 00.40.81.21.6
23、2.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr/Hzfc/kHz图图6-12 6-12 规则采样法规则采样法 图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB22图图6-20 6-20 二重二重PWMPWM型逆变电路型逆变电路 图6-20NU1V1W1U2V2W2uUuVuWUVW2Ud2Ud图图6-21 6-21 二重二重PWMPWM型逆变型逆变电路输电路输出波形出波形 图6-21Ud-UdOurUurVuc2uc1tuUVuOtOtOtOtOtuU1NuU2NuUNuVN2Ud2Ud图图6-28 6-28 单相单相PWMPWM整流电路整流电路a)负载b)图6-28usLsisRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+udusLsRsV1V2VD1VD2ud负载C1C2 单相半桥电路单相半桥电路 单相全桥电路单相全桥电路 图图6-29 PWM6-29 PWM整流电路的运行整流电路的运行方式相量图方式相量图a)b)c)d)图6-29UsULURUABIsUsURUABIsULUsURUABIsULUsURUABIsUL整流运行整流运行逆变运行逆变运行无功补偿运行无功补偿运行 Is s超前角为超前角为j
