2022年P(guān)WM控制技術(shù)

1、精選精選.精選.PWM控制技術(shù)主要內(nèi)容：PWM控制的根本原理、控制方式與PWM波形的生成方法，PWM逆變電路的諧波分析，PWM整流電路。重點(diǎn)：PWM控制的根本原理、控制方式與PWM波形的生成方法。難點(diǎn)：PWM波形的生成方法，PWM逆變電路的諧波分析。根本要求：掌握PWM控制的根本原理、控制方式與PWM波形的生成方法，了解PWM逆變電路的諧波分析，了解跟蹤型PWM逆變電路，了解PWM整流電路。PWMPulse Width Modulation控制脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形含形狀和幅值。第3、4章已涉及這方面內(nèi)容:第3章：直流斬波電路采用，第4章有兩處

2、： 4.1節(jié)斬控式交流調(diào)壓電路，4.4節(jié)矩陣式變頻電路。本章內(nèi)容PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大局部是PWM型，PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。本章主要以逆變電路為控制對(duì)象來(lái)介紹PWM控制技術(shù)，也介紹PWM整流電路1 PWM控制的根本原理理論根底：精選精選.精選.沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果根本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果根本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形根本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。圖6-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖面積等效原理：分別將如圖6-1所示的電壓窄脈沖加在一階慣

3、性環(huán)節(jié)R-L電路上，如圖6-2a所示。其輸出電流i(t)對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖6-2b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段那么幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，那么響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。圖6-2 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形精選精選.精選.用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積沖量相等，寬度按正弦規(guī)律

4、變化。SPWM波形脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。圖6-3 用PWM波代替正弦半波要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。等幅PWM波和不等幅PWM波：由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波，如直流斬波電路及本章主要介紹的PWM逆變電路，6.4節(jié)的PWM整流電路。輸入電源是交流，得到不等幅PWM波，如4.1節(jié)講述的斬控式交流調(diào)壓電路，4.4節(jié)的矩陣式變頻電路?；诿娣e等效原理，本質(zhì)是相同的。PWM電流波：精選精選.精選.電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波。PWM波形可等效的各種波形：直流斬波電路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形，還可

5、以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其根本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理。2 PWM逆變電路及其控制方法目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術(shù)。逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)合。本節(jié)內(nèi)容構(gòu)成了本章的主體PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)用的幾乎都是電壓型。1計(jì)算法和調(diào)制法1、計(jì)算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。缺點(diǎn)：繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化2、調(diào)制法輸出波形作調(diào)制信號(hào)，進(jìn)行調(diào)制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波

6、或鋸齒波作為載波；等腰三角波應(yīng)用最多，其任一點(diǎn)水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱；與任一平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交，在交點(diǎn)控制器件通斷，就得寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，符合PWM的要求。精選精選.精選.調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，得到的就是SPWM波；調(diào)制信號(hào)不是正弦波，而是其他所需波形時(shí)，也能得到等效的PWM波。結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對(duì)調(diào)制法進(jìn)行說(shuō)明：設(shè)負(fù)載為阻感負(fù)載，工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)?？刂埔?guī)律：uo正半周，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷，負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段為正，一段為負(fù)，負(fù)載電流為正區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時(shí)，uo等于Ud，V4關(guān)

7、斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)V1和VD3續(xù)流，uo=0，負(fù)載電流為負(fù)區(qū)間，io為負(fù)，實(shí)際上從VD1和VD4流過(guò)，仍有uo=Ud，V4斷，V3通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0，uo總可得到Ud和零兩種電平。uo負(fù)半周，讓V2保持通，V1保持?jǐn)啵琕3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平。圖6-4 單相橋式PWM逆變電路單極性PWM控制方式單相橋逆變：精選精選.精選.在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)?，?dāng)uruc時(shí)使V4通，V3斷，uo=Ud，當(dāng)uruc時(shí)使V4斷，V3通，uo=0。ur負(fù)半周，V1保持?jǐn)?，V2保持通，當(dāng)uruc時(shí)使V3斷，V4通，uo=0

8、，虛線uof表示uo的基波分量。波形見(jiàn)圖6-5。圖6-5 單極性PWM控制方式波形雙極性PWM控制方式單相橋逆變：在ur半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得PWM波也有正有負(fù)。在ur一周期內(nèi)，輸出PWM波只有Ud兩種電平，仍在調(diào)制信號(hào)ur和載波信號(hào)uc的交點(diǎn)控制器件通斷。ur正負(fù)半周，對(duì)各開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同，當(dāng)ur uc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào)，如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通， uo=Ud，當(dāng)uruc時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4關(guān)斷信號(hào)，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud。波形見(jiàn)圖6-6。精選精選.精選.單相橋式電路既可采取單極性調(diào)

9、制，也可采用雙極性調(diào)制。圖6-6 雙極性PWM控制方式波形雙極性PWM控制方式三相橋逆變：見(jiàn)圖6-7。三相PWM控制公用uc，三相的調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW依次相差120。U相的控制規(guī)律：當(dāng)urUuc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，uUN=Ud/2，當(dāng)urUuc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，uUN=-Ud/2；當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通。uUN、 圖6-7 三相橋式PWM型逆變電路精選精選.精選.uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2兩種電平，uUV波形可由uUN-uVN得出，當(dāng)1和6通時(shí)，uUV=Ud，當(dāng)3和4通時(shí)，uU

10、V=Ud，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uUV=0。波形見(jiàn)圖6-8。輸出線電壓PWM波由Ud和0三種電平構(gòu)成，負(fù)載相電壓PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5種電平組成。圖6-8 三相橋式PWM逆變電路波形防直通死區(qū)時(shí)間：精選精選.精選.同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由器件關(guān)斷時(shí)間決定。死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出PWM波帶來(lái)影響，使其稍稍偏離正弦波。特定諧波消去法(Selected Harmonic Elimination PWMSHEPWM)：計(jì)算法中一種較有代表性的方法，圖6-9。輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各3次

11、不包括0和，共6個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻可控。為減少諧波并簡(jiǎn)化控制，要盡量使波形對(duì)稱。首先，為消除偶次諧波，使波形正負(fù)兩半周期鏡對(duì)稱，即： (6-1)圖6-9 特定諧波消去法的輸出PWM波形其次，為消除諧波中余弦項(xiàng)，使波形在半周期內(nèi)前后1/4周期以/2為軸線對(duì)稱。 (6-2)四分之一周期對(duì)稱波形，用傅里葉級(jí)數(shù)表示為：精選精選.精選. (6-3)式中，an為 圖6-9，能獨(dú)立控制a1、a2和a3共3個(gè)時(shí)刻。該波形的an為 (6-4)式中n=1,3,5,確定a1的值，再令兩個(gè)不同的an=0，就可建三個(gè)方程，求得a1、a2和a3。消去兩種特定頻率的諧波：在三相對(duì)稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消，可考

12、慮消去5次和7次諧波，得如下聯(lián)立方程： (6-5)給定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1變，a1、a2和a3也相應(yīng)改變。精選精選.精選.一般，在輸出電壓半周期內(nèi)器件通、斷各k次，考慮PWM波四分之一周期對(duì)稱，k個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻可控，除用一個(gè)控制基波幅值，可消去k1個(gè)頻率的特定諧波，k越大，開(kāi)關(guān)時(shí)刻的計(jì)算越復(fù)雜。除計(jì)算法和調(diào)制法外，還有跟蹤控制方法，在6.3節(jié)介紹2異步調(diào)制和同步調(diào)制載波比載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，N= fc / fr。根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制：1、異步調(diào)制異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式。通常保持fc固定

13、不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的。在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱。當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱的不利影響都較小，當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對(duì)稱的影響就變大。因此，在采用異步調(diào)制方式時(shí)，希望采用較高的載波頻率，以使在信號(hào)波頻率較高時(shí)仍能保持較大的載波比。2、同步調(diào)制同步調(diào)制N等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步。根本同步調(diào)制方式，fr變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。三相，公用一個(gè)三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱。為使一

14、相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，N應(yīng)取奇數(shù)。當(dāng)N=9時(shí)的同步調(diào)制三相PWM波形如圖6-10所示。精選精選.精選.fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除，fr很高時(shí)，fc會(huì)過(guò)高，使開(kāi)關(guān)器件難以承受。為了克服上述缺點(diǎn)，可以采用分段同步調(diào)制的方法。3、分段同步調(diào)制把fr范圍劃分成假設(shè)干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段N不同。在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過(guò)高，在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過(guò)低。圖6-11，分段同步調(diào)制一例。為防止fc在切換點(diǎn)附近來(lái)回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法。同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)?？稍诘皖l輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)

15、切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，和分段同步方式效果接近。圖6-10 同步調(diào)制三相PWM波形精選精選.精選.圖6-11 分段同步調(diào)制方式舉例3 規(guī)那么采樣法按SPWM根本原理，自然采樣法中要求解復(fù)雜的超越方程，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，工程應(yīng)用不多。規(guī)那么采樣法特點(diǎn)：工程實(shí)用方法，效果接近自然采樣法，計(jì)算量小得多。規(guī)那么采樣法原理：圖6-12，三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc。自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波一周期中點(diǎn)即負(fù)峰點(diǎn)重合。規(guī)那么采樣法使兩者重合，每個(gè)脈沖中點(diǎn)為相應(yīng)三角波中點(diǎn)，計(jì)算大為簡(jiǎn)化。三角波負(fù)峰時(shí)刻tD對(duì)信號(hào)波采樣得D點(diǎn)，過(guò)D作水平線和三角波交于A、B點(diǎn)，在A點(diǎn)

16、時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制器件的通斷，脈沖寬度 和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。精選精選.精選.圖6-12 規(guī)那么采樣法規(guī)那么采樣法計(jì)算公式推導(dǎo)：正弦調(diào)制信號(hào)波公式中，a稱為調(diào)制度，0a1；r為信號(hào)波角頻率。從圖6-12因此可得： (6-6)三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度 (6-7)三相橋逆變電路的情況：通常三相的三角波載波公用，三相調(diào)制波相位依次差120，同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為U、V和W，脈沖兩邊的間隙寬度分別為u、v和w，同一時(shí)刻三相正弦調(diào)制波電壓之和為零，由式(6-6)得 (6-8)精選精選.精選.由式(6-7)得: (6-9)故由式6-8可得： (6-10)故由式6-

17、9可得： (6-11)利用以上兩式可簡(jiǎn)化三相SPWM波的計(jì)算4PWM逆變電路的諧波分析使用載波對(duì)正弦信號(hào)波調(diào)制，產(chǎn)生了和載波有關(guān)的諧波分量。諧波頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標(biāo)之一。分析雙極性SPWM波形：同步調(diào)制可看成異步調(diào)制的特殊情況，只分析異步調(diào)制方式。分析方法：不同信號(hào)波周期的PWM波不同，無(wú)法直接以信號(hào)波周期為基準(zhǔn)分析，以載波周期為根底，再利用貝塞爾函數(shù)推導(dǎo)出PWM波的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式，分析過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，結(jié)論卻簡(jiǎn)單而直觀。1、單相的分析結(jié)果：不同調(diào)制度a時(shí)的單相橋式PWM逆變電路在雙極性調(diào)制方式下輸出電壓的頻譜圖如圖6-13所示。其中所包含的諧波角頻率為 式中，n1，3，

18、5，時(shí)，k=0，2，4，；n=2，4，6，時(shí)，k=1，3，5，。精選精選.精選.可以看出，PWM波中不含低次諧波，只含有角頻率為c，及其附近的諧波，以及2c、3c等及其附近的諧波。在上述諧波中，幅值最高影響最大的是角頻率為c的諧波分量。圖6-13 單相PWM橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖2、三相的分析結(jié)果：三相橋式PWM逆變電路采用公用載波信號(hào)時(shí)不同調(diào)制度a時(shí)的三相橋式PWM逆變電路輸出線電壓的頻譜圖如圖6-14所示。在輸出線電壓中，所包含的諧波角頻率為式中，n=1，3，5，時(shí)，k=3(2m-1)1，m=1，2，； 6m +1，m =0，1，；n =2，4，6，時(shí)，k = 6m -1，m =1，2

19、，。和單相比較，共同點(diǎn)是都不含低次諧波，一個(gè)較顯著的區(qū)別是載波角頻率c整數(shù)倍的諧波被消去了，諧波中幅值較高的是c2r和2cr。精選精選.精選.圖6-14 三相橋式PWM逆變電路輸出線電壓頻譜圖SPWM波中諧波主要是角頻率為c、2c及其附近的諧波，很容易濾除。當(dāng)調(diào)制信號(hào)波不是正弦波時(shí)，諧波由兩局部組成：一局部是對(duì)信號(hào)波本身進(jìn)行諧波分析所得的結(jié)果，另一局部是由于信號(hào)波對(duì)載波的調(diào)制而產(chǎn)生的諧波。后者的諧波分布情況和SPWM波的諧波分析一致。5 提高直流電壓利用率和減少開(kāi)關(guān)次數(shù)直流電壓利用率逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值U1m和直流電壓Ud之比。提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸出能力；減少器件的開(kāi)

20、關(guān)次數(shù)可以降低開(kāi)關(guān)損耗；正弦波調(diào)制的三相PWM逆變電路，調(diào)制度a為1時(shí)，輸出相電壓的基波幅值為Ud2，輸出線電壓的基波幅值為，即直流電壓利用率僅為0.866。這個(gè)值是比較低的，其原因是正弦調(diào)制信號(hào)的幅值不能超過(guò)三角波幅值，實(shí)際電路工作時(shí)，考慮到功率器件的開(kāi)通和關(guān)斷都需要時(shí)間，如不采取其他措施，調(diào)制度不可能到達(dá)1。采用這種調(diào)制方法實(shí)際能得到的直流電壓利用率比0.866還要低。精選精選.精選.1、梯形波調(diào)制方法的思路采用梯形波作為調(diào)制信號(hào)，可有效提高直流電壓利用率。當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí)，梯形波所含的基波分量幅值更大。梯形波調(diào)制方法的原理及波形，見(jiàn)圖6-15。梯形波的形狀用三角化率s =U

21、t/Uto描述，Ut為以橫軸為底時(shí)梯形波的高，Uto為以橫軸為底邊把梯形兩腰延長(zhǎng)后相交所形成的三角形的高。s =0時(shí)梯形波變?yōu)榫匦尾ǎ瑂 =1時(shí)梯形波變?yōu)槿遣?。梯形波含低次諧波，PWM波含同樣的低次諧波，低次諧波不包括由載波引起的諧波產(chǎn)生的波形畸變率為。圖6-16， 和U1m /Ud隨s 變化的情況。圖6-17，s 變化時(shí)各次諧波分量幅值Unm和基波幅值U1m之比。s = 0.4時(shí)，諧波含量也較少， 約為3.6%，直流電壓利用率為1.03，綜合效果較好。精選精選.精選.圖6-15 梯形波為調(diào)制信號(hào)的PWM控制梯形波調(diào)制的缺點(diǎn)：輸出波形中含5次、7次等低次諧波。實(shí)際使用時(shí)，可以考慮當(dāng)輸出電壓較

22、低時(shí)用正弦波作為調(diào)制信號(hào)，使輸出電壓不含低次諧波；當(dāng)正弦波調(diào)制不能滿足輸出電壓的要求時(shí)，改用梯形波調(diào)制，以提高直流電壓利用率。精選精選.精選. 圖6-16 s 變化時(shí)的d 和直流電壓利用率 圖6-17 s 變化時(shí)的各次諧波含量2、線電壓控制方式疊加3次諧波對(duì)兩個(gè)線電壓進(jìn)行控制，適當(dāng)?shù)乩枚嘤嗟囊粋€(gè)自由度來(lái)改善控制性能。目標(biāo)使輸出線電壓不含低次諧波的同時(shí)盡可能提高直流電壓利用率，并盡量減少器件開(kāi)關(guān)次數(shù)。直接控制手段仍是對(duì)相電壓進(jìn)行控制，但控制目標(biāo)卻是線電壓。相對(duì)線電壓控制方式，控制目標(biāo)為相電壓時(shí)稱為相電壓控制方式。精選精選.精選.在相電壓調(diào)制信號(hào)中疊加3次諧波，使之成為鞍形波，輸出相電壓中也含3

23、次諧波，且三相的三次諧波相位相同。合成線電壓時(shí)，3次諧波相互抵消，線電壓為正弦波。如圖6-18所示。鞍形波的基波分量幅值大。除疊加3次諧波外，還可疊加其他3倍頻的信號(hào)，也可疊加直流分量，都不會(huì)影響線電壓。圖6-18 疊加3次諧波的調(diào)制信號(hào)3、線電壓控制方式疊加3倍次諧波和直流分量：疊加up，既包含3倍次諧波，也包含直流分量，up大小隨正弦信號(hào)的大小而變化。設(shè)三角波載波幅值為1，三相調(diào)制信號(hào)的正弦分別為urU1、urV1和urW1，并令：(6-12)那么三相的調(diào)制信號(hào)分別為 (6-13) 精選精選.精選.圖6-19 線電壓控制方式舉例不管urU1、urV1和urW1幅值的大小，urU、urV、u

24、rW總有1/3周期的值和三角波負(fù)峰值相等。在這1/3周期中，不對(duì)調(diào)制信號(hào)值為-1的相進(jìn)行控制，只對(duì)其他兩相進(jìn)行控制，因此，這種控制方式也稱為兩相控制方式。優(yōu)點(diǎn)：精選精選.精選.1在1/3周期內(nèi)器件不動(dòng)作，開(kāi)關(guān)損耗減少1/32最大輸出線電壓基波幅值為Ud，直流電壓利用率提高3輸出線電壓不含低次諧波，優(yōu)于梯形波調(diào)制方式6 PWM逆變電路的多重化和一般逆變電路一樣，大容量PWM逆變電路也可采用多重化技術(shù)。采用SPWM技術(shù)理論上可以不產(chǎn)生低次諧波，因此，在構(gòu)成PWM多重化逆變電路時(shí)，一般不再以減少低次諧波為目的，而是為了提高等效開(kāi)關(guān)頻率，減少開(kāi)關(guān)損耗，減少和載波有關(guān)的諧波分量。PWM逆變電路多重化聯(lián)結(jié)

25、方式有變壓器方式和電抗器方式，利用電抗器聯(lián)接實(shí)現(xiàn)二重PWM逆變電路的例子如圖6-20所示。電路的輸出從電抗器中心抽頭處引出，圖中兩個(gè)逆變電路單元的載波信號(hào)相互錯(cuò)開(kāi)180，所得到的輸出電壓波形如圖6-21所示。圖中，輸出端相對(duì)于直流電源中點(diǎn)的電壓，已變?yōu)閱螛O性PWM波了。輸出線電壓共有0、1/2Ud、Ud五個(gè)電平，比非多重化時(shí)諧波有所減少。 一般多重化逆變電路中電抗器所加電壓頻率為輸出頻率，因而需要的電抗器較大。而在多重PWM型逆變電路中，電抗器上所加電壓的頻率為載波頻率，比輸出頻率高得多，因此只要很小的電抗器就可以了。二重化后，輸出電壓中所含諧波的角頻率仍可表示為，但其中當(dāng)n奇數(shù)時(shí)的諧波已全部

26、被除去，諧波的最低頻率在附近，相當(dāng)于電路的等效載波頻率提高了一倍。精選精選.精選.圖6-20 二重PWM型逆變電路圖6-21 二重PWM型逆變電路輸出波形精選精選.精選.電抗器上所加電壓頻率為載波頻率，比輸出頻率高得多，很小。輸出電壓所含諧波角頻率仍可表示為nwc+kwr，但其中n為奇數(shù)時(shí)的諧波已全被除去，諧波最低頻率在2wc附近，相當(dāng)于電路的等效載波頻率提高一倍。3 PWM跟蹤控制技術(shù)PWM波形生成的第三種方法跟蹤控制方法。把希望輸出的波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際波形作為反響信號(hào)，通過(guò)兩者的瞬時(shí)值比較來(lái)決定逆變電路各器件的通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤指令信號(hào)變化，常用的有滯環(huán)比較方式和三角波比較方式。

27、1滯環(huán)比較方式1、電流跟蹤控制根本原理：把指令電流i*和實(shí)際輸出電流i的偏差i*-i作為滯環(huán)比較器的輸入，比較器輸出控制器件V1和V2的通斷。V1或VD1通時(shí)，i增大，V2或VD2通時(shí)，i減小。通過(guò)環(huán)寬為2DI的滯環(huán)比較器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*。滯環(huán)環(huán)寬對(duì)跟蹤性能的影響：環(huán)寬過(guò)寬時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過(guò)窄時(shí)，跟蹤誤差小，但開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高。電抗器L的作用：L大時(shí)，i的變化率小，跟蹤慢。L小時(shí)，i的變化率大，開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高。精選精選.精選.圖6-22 滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例圖6-23 滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流三相的情況：圖6-2

28、4 三相電流跟蹤型PWM逆變電路精選精選.精選.圖6-25 三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM變流電路有如下特點(diǎn)1硬件電路簡(jiǎn)單2實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快3不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波4和計(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開(kāi)關(guān)頻率時(shí)輸出電流中高次諧波含量多5閉環(huán)控制，是各種跟蹤型PWM變流電路的共同特點(diǎn)2、電壓跟蹤控制采用滯環(huán)比較方式實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。如圖6-26所示。把指令電壓u*和輸出電壓u進(jìn)行比較，濾除偏差信號(hào)中的諧波，濾波器的輸出送入滯環(huán)比較器，由比較器輸出控制開(kāi)關(guān)通斷，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。和電流跟蹤控制電路相比，只是把指令和反響從電流變?yōu)殡妷骸］敵?/p>

29、電壓PWM波形中含大量高次諧波，必須用適當(dāng)?shù)臑V波器濾除。精選精選.精選.圖6-26 電壓跟蹤控制電路舉例u*=0時(shí)，輸出u為頻率較高的矩形波，相當(dāng)于一個(gè)自勵(lì)振蕩電路。u*為直流時(shí)，u產(chǎn)生直流偏移，變?yōu)檎?fù)脈沖寬度不等，正寬負(fù)窄或正窄負(fù)寬的矩形波。u*為交流信號(hào)時(shí)，只要其頻率遠(yuǎn)低于上述自勵(lì)振蕩頻率，從u中濾除由器件通斷產(chǎn)生的高次諧波后，所得的波形就幾乎和u* 相同，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。2三角波比較方式根本原理：不是把指令信號(hào)和三角波直接進(jìn)行比較，而是閉環(huán)控制。把指令電流i*U、i*V和i*W和實(shí)際輸出電流iU、iV、iW進(jìn)行比較，求出偏差，放大器A放大后，再和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波形。放

30、大器A通常具有比例積分特性或比例特性，其系數(shù)直接影響電流跟蹤特性。精選精選.精選.圖6-27 三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路特點(diǎn)：開(kāi)關(guān)頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器設(shè)計(jì)方便；為改善輸出電壓波形，三角波載波常用三相；和滯環(huán)比較控制方式相比，這種控制方式輸出電流諧波少。定時(shí)比較方式：不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)鐘。以固定采樣周期對(duì)指令信號(hào)和被控量采樣，按偏差的極性來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件通斷。在時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)時(shí)刻，如i i*，令V1斷，V2通，使i減小。每個(gè)采樣時(shí)刻的控制作用都使實(shí)際電流與指令電流的誤差減小。精選精選.精選.采用定時(shí)比較方式時(shí)，器件最高開(kāi)關(guān)頻率為時(shí)鐘頻率的1/2，和滯環(huán)比較方式相

31、比，電流誤差沒(méi)有一定的環(huán)寬，控制的精度低一些。4 PWM整流電路及其控制方法實(shí)用的整流電路幾乎都是晶閘管整流或二極管整流。晶閘管相控整流電路：輸入電流滯后于電壓，且諧波分量大，因此功率因數(shù)很低。二極管整流電路：雖位移因數(shù)接近1，但輸入電流諧波很大，所以功率因數(shù)也很低。把逆變電路中的SPWM控制技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路?？墒蛊漭斎腚娏鞣浅＝咏也ǎ液洼斎腚妷和辔?，功率因數(shù)近似為1，也稱單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器。1PWM整流電路的工作原理PWM整流電路也可分為電壓型和電流型兩大類，目前電壓型的較多1、單相PWM整流電路圖6-28a和b分別為單相半橋和全橋PWM整

32、流電路。半橋電路直流側(cè)電容必須由兩個(gè)電容串聯(lián)，其中點(diǎn)和交流電源連接。全橋電路直流側(cè)電容只要一個(gè)就可以。交流側(cè)電感Ls包括外接電抗器的電感和交流電源內(nèi)部電感，是電路正常工作所必須的。精選精選.精選.圖6-28 單相PWM整流電路a) 單相半橋電路 b) 單相全橋電路單相全橋PWM整流電路的工作原理：正弦信號(hào)波和三角波相比較的方法對(duì)V1V4進(jìn)行SPWM控制，就可在交流輸入端AB產(chǎn)生SPWM波uAB。uAB中含有和信號(hào)波同頻率且幅值成比例的基波、和載波有關(guān)的高頻諧波，不含低次諧波。由于Ls的濾波作用，諧波電壓只使is產(chǎn)生很小的脈動(dòng)。當(dāng)信號(hào)波頻率和電源頻率相同時(shí)，is也為與電源頻率相同的正弦波。us一

33、定時(shí)，is幅值和相位僅由uAB中基波uABf的幅值及其與us的相位差決定。改變uABf的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90，或is與us相位差為所需角度。相量圖圖6-29精選精選.精選.a：滯后相角，Is和Us同相，整流狀態(tài)，功率因數(shù)為1，PWM整流電路最根本的工作狀態(tài)b：超前相角，Is和Us反相，逆變狀態(tài)，說(shuō)明PWM整流電路可實(shí)現(xiàn)能量正反兩方向流動(dòng)，這一特點(diǎn)對(duì)于需再生制動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)很重要。c：滯后相角，Is超前Us90，電路向交流電源送出無(wú)功功率，這時(shí)稱為靜止無(wú)功功率發(fā)送器Static Var GeneratorSVGd：通過(guò)對(duì)幅值和相位的控制，可以使Is比U

34、s超前或滯后任一角度。圖6-29 PWM整流電路的運(yùn)行方式相量圖a)整流運(yùn)行 b)逆變運(yùn)行 c)無(wú)功補(bǔ)償運(yùn)行 d) 超前角為對(duì)單相全橋PWM整流電路工作原理的進(jìn)一步說(shuō)明整流狀態(tài)下，us 0時(shí)，V2、VD4、VD1、Ls和V3、VD1、VD4、Ls分別組成兩個(gè)升壓斬波電路，以V2、VD4、VD1、Ls為例。V2通時(shí)，us通過(guò)V2、VD4向Ls儲(chǔ)能。V2關(guān)斷時(shí)，Ls中的儲(chǔ)能通過(guò)VD1、VD4向C充電。us 0時(shí)，V1、VD3、VD2、Ls和V4、VD2、VD3、Ls分別組成兩個(gè)升壓斬波電路。由于是按升壓斬波電路工作，如控制不當(dāng)，直流側(cè)電容電壓可能比交流電壓峰值高出許多倍，對(duì)器件形成威脅。精選精選.

35、精選.另一方面，如直流側(cè)電壓過(guò)低，例如低于us的峰值，那么uAB中就得不到圖6-29a中所需的足夠高的基波電壓幅值，或uAB中含有較大的低次諧波，這樣就不能按需要控制is，is波形會(huì)畸變。可見(jiàn)，電壓型PWM整流電路是升壓型整流電路，其輸出直流電壓可從交流電源電壓峰值附近向高調(diào)節(jié)，如要向低調(diào)節(jié)就會(huì)使性能惡化，以至不能工作。2、三相PWM整流電路圖6-30，三相橋式PWM整流電路最根本的PWM整流電路之一，應(yīng)用最廣。工作原理和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴(kuò)展到三相進(jìn)行SPWM控制，在交流輸入端A、B和C可得SPWM電壓，按圖6-29a的相量圖控制，可使ia、ib、ic為正弦波且和電壓同相且功

36、率因數(shù)近似為1。和單相相同，該電路也可工作在逆變運(yùn)行狀態(tài)及圖c或d的狀態(tài)。2PWM整流電路的控制方法有多種控制方法，根據(jù)有沒(méi)有引入電流反響可分為兩種：沒(méi)有引入交流電流反響的間接電流控制；引入交流電流反響的直接電流控制。1、間接電流控制間接電流控制也稱為相位和幅值控制。按圖6-29a逆變時(shí)為圖6-29b的相量關(guān)系來(lái)控制整流橋交流輸入端電壓，使得輸入電流和電壓同相位，從而得到功率因數(shù)為1的控制效果。圖6-31，間接電流控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。精選精選.精選.圖中的PWM整流電路為圖6-30的三相橋式電路?？刂葡到y(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側(cè)電壓控制環(huán)?？刂圃恚汉蛯?shí)際直流電壓ud比較后送入PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器

37、的輸出為一直流電流信號(hào)id，id的大小和交流輸入電流幅值成正比。穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud= ，PI調(diào)節(jié)器輸入為零，PI調(diào)節(jié)器的輸出id和負(fù)載電流大小對(duì)應(yīng)，也和交流輸入電流幅值對(duì)應(yīng)。負(fù)載電流增大時(shí)，C放電而使ud下降，PI的輸入端正偏差，使其輸出id增大，進(jìn)而使交流輸入電流增大，也使ud上升。到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud和 相等，id為新的較大的值，與較大的負(fù)載電流和較大的交流輸入電流對(duì)應(yīng)。負(fù)載電流減小時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程和上述過(guò)程相反。從整流運(yùn)行向逆變運(yùn)行轉(zhuǎn)換首先負(fù)載電流反向而向C充電，ud抬高，PI調(diào)節(jié)器負(fù)偏差，id減小后變?yōu)樨?fù)值，使交流輸入電流相位和電壓相位反相，實(shí)現(xiàn)逆變運(yùn)行。穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud和 仍然相等，PI調(diào)節(jié)器輸入恢復(fù)到零，id為負(fù)值，并與逆變電流的大小對(duì)應(yīng)?？刂葡到y(tǒng)中其余局部的工作原理上面的乘法器是id分別乘以和a、b、c三相相電壓同相位的正弦信號(hào)，再乘以電阻R，得到各相電流在Rs上的壓降uRa、uRb和uRc下面的乘法器是id分別乘以比a、b、c三相相電壓相位超前/2的余弦信號(hào)，再乘以電感L的感抗，得到各相電流在電感Ls上的壓降uLa、uLb和uLc。各相電源相電壓ua、ub、uc分別減去前面求得的輸入電流在電阻R和電感L上的壓降，就可得到所需要的交流輸入端各相的相電