電力電子技術(shù)及應(yīng)用課件17

第7章PWM控制技術(shù)

7.1PWM控制的基本原理

7.2PWM逆變電路及其控制方法

7.3PWM跟蹤控制技術(shù)

7.4PWM整流電路及其控制方法

引言■PWM（PulseWidthModulation）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。■第5章的直流斬波電路實(shí)際上采用的就是PWM技術(shù)，第6章中涉及到PWM控制技術(shù)的地方有兩處，一處是第6.1節(jié)中的斬控式交流調(diào)壓電路，另一處是第6.4節(jié)矩陣式變頻電路。

■PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻，現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路。

7.1PWM控制的基本原理■面積等效原理

◆是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。

◆原理內(nèi)容：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)，其效果基本相同。

?沖量即指窄脈沖的面積。

?效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。

?如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。

◆實(shí)例

?將圖7-1a、b、c、d所示的脈沖作為輸入，加在圖7-2a所示的R-L電路上，設(shè)其電流i(t)為電路的輸出，圖7-2b給出了不同窄脈沖時(shí)i(t)的響應(yīng)波形。

圖7-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖

圖7-2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形

7.1PWM控制的基本原理■用PWM波代替正弦半波

◆將正弦半波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖寬度為/N，但幅值頂部是曲線且大小按正弦規(guī)律變化的脈沖序列組成的?！舭焉鲜雒}沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是PWM波形。

◆對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。

◆脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（SinusoidalPWM）波形?！鯬WM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種，由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波?！龌诘刃娣e原理，PWM波形還可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。

圖7-3用PWM波代替正弦半波

7.2PWM逆變電路及其控制方法

7.2.1計(jì)算法和調(diào)制法

7.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制

7.2.3規(guī)則采樣法

7.2.4PWM逆變電路的諧波分析

7.2.5提高直流電壓利用率

和減少開關(guān)次數(shù)

7.2.6空間矢量SVPWM控制

7.2.7PWM逆變電路的多重化7.2.1計(jì)算法和調(diào)制法■計(jì)算法

◆根據(jù)逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，將PWM波形中各脈沖的寬度和間隔準(zhǔn)確計(jì)算出來，按照計(jì)算結(jié)果控制逆變電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形，這種方法稱之為計(jì)算法。

◆計(jì)算法是很繁瑣的，當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。

■調(diào)制法

◆把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。

◆通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。

7.2.1計(jì)算法和調(diào)制法圖7-4單相橋式PWM逆變電路

■單相橋式PWM逆變電路（調(diào)制法）

◆電路工作過程

?工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)，比如在uo正半周，V1導(dǎo)通，V2關(guān)斷，V3和V4交替通斷。

?負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。

√在負(fù)載電流為正的區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時(shí)，uo=Ud。√V4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過V1和VD3續(xù)流，uo=0。

√在負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間，仍為V1和V4導(dǎo)通時(shí)，因io為負(fù)，故io實(shí)際上從VD1和VD4流過，仍有uo=Ud?！蘓4關(guān)斷，V3開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0。

√uo總可以得到Ud和零兩種電平。

?在uo的負(fù)半周，讓V2保持通態(tài)，V1保持?jǐn)鄳B(tài)，V3和V4交替通斷，負(fù)載電壓uo可以得到-Ud和零兩種電平。

阻感負(fù)載7.2.1計(jì)算法和調(diào)制法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud圖7-4單相橋式PWM逆變電路

圖7-5單極性PWM控制方式波形

◆單極性PWM控制方式

?調(diào)制信號(hào)ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在ur的負(fù)半周為負(fù)極性的三角波。

?在ur的正半周，V1保持通態(tài)，V2保持?jǐn)鄳B(tài)。

√當(dāng)ur>uc時(shí)使V4導(dǎo)通，V3關(guān)斷，

uo=Ud。

√當(dāng)ur<uc時(shí)使V4關(guān)斷，V3導(dǎo)通，

uo=0。

?在ur的負(fù)半周，V1保持?jǐn)鄳B(tài)，V2保持通態(tài)。

√當(dāng)ur<uc時(shí)使V3導(dǎo)通，V4關(guān)斷，

uo=-Ud。√當(dāng)ur>uc時(shí)使V3關(guān)斷，V4導(dǎo)通，

uo=0。

7.2.1計(jì)算法和調(diào)制法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud圖7-4單相橋式PWM逆變電路

圖7-6雙極性PWM控制方式波形

◆雙極性PWM控制方式

?在調(diào)制信號(hào)ur和載波信號(hào)uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開關(guān)器件的通斷。

?在ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得的PWM波也是有正有負(fù)，在ur的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的PWM波只有±Ud兩種電平。

?在ur的正負(fù)半周，對(duì)各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。

√當(dāng)ur>uc時(shí)，V1和V4導(dǎo)通，V2和V3關(guān)斷，這時(shí)如io>0，則V1和V4通，如io<0，則VD1和VD4通，不管哪種情況都是uo=Ud。

√當(dāng)ur<uc時(shí)，V2和V3導(dǎo)通，V1和V4關(guān)斷，這時(shí)如io<0，則V2和V3通，如io>0，則VD2和VD3通，不管哪種情況都是uo=-Ud。

7.2.1計(jì)算法和調(diào)制法圖7-7三相橋式PWM型逆變電路

圖7-8三相橋式PWM逆變電路波形

■三相橋式PWM逆變電路（調(diào)制法）

◆采用雙極性控制方式。

◆U、V和W三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角波載波uc，三相的調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW依次相差120°。

7.2.1計(jì)算法和調(diào)制法◆電路工作過程（U相為例）

?當(dāng)urU>uc時(shí)，上橋臂V1導(dǎo)通，下橋臂V4關(guān)斷，則U相相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn)N’的輸出電壓uUN’=Ud/2。

?當(dāng)urU<uc時(shí)，V4導(dǎo)通，V1關(guān)斷，則uUN’=-Ud/2。

?V1和V4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。

?當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是二極管VD1(VD4)續(xù)流導(dǎo)通，這要由阻感負(fù)載中電流的方向來決定。?uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形都只有±Ud/2兩種電平。

圖7-7三相橋式PWM型逆變電路

圖7-8三相橋式PWM逆變電路波形

7.2.1計(jì)算法和調(diào)制法圖7-7三相橋式PWM型逆變電路

圖7-8三相橋式PWM逆變電路波形

?輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成。

√當(dāng)臂1和6導(dǎo)通時(shí)，uUV=Ud。

√當(dāng)臂3和4導(dǎo)通時(shí)，uUV=－Ud。√當(dāng)臂1和3或臂4和6導(dǎo)通時(shí)，uUV=0。

?負(fù)載相電壓uUN可由下式求得

負(fù)載相電壓的PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成。

◆為了防止上下兩個(gè)臂直通而造成短路，在上下兩臂通斷切換時(shí)要留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。

7.2.1計(jì)算法和調(diào)制法圖7-9特定諧波消去法的輸出PWM波形

■特定諧波消去法

◆是計(jì)算法中一種較有代表性的方法。

◆如果在輸出電壓半個(gè)周期內(nèi)開關(guān)器件開通和關(guān)斷各k次，考慮到PWM波四分之一周期對(duì)稱，共有k個(gè)開關(guān)時(shí)刻可以控制，除去用一個(gè)自由度來控制基波幅值外，可以消去k－1個(gè)頻率的特定諧波。

◆以三相橋式PWM型逆變電路中的uUN’波形為例

?在輸出電壓的半個(gè)周期內(nèi)，器件開通和關(guān)斷各3次（不包括0和π時(shí)刻），共有6個(gè)開關(guān)時(shí)刻可以控制。

7.2.1計(jì)算法和調(diào)制法?為了消除偶次諧波，應(yīng)使波形正負(fù)兩半周期鏡對(duì)稱，即

?為了消除諧波中的余弦項(xiàng)，簡化計(jì)算過程，應(yīng)使波形在正半周期內(nèi)前后1/4周期以/2為軸線對(duì)稱，即

?同時(shí)滿足式(7-1)和式(7-2)的波形稱為四分之一周期對(duì)稱波形，這種波形可用傅里葉級(jí)數(shù)表示為式中，an為(7-1)(7-2)(7-3)7.2.1計(jì)算法和調(diào)制法圖7-9特定諧波消去法的輸出PWM波形

?因?yàn)閳D7-9的波形是四分之一周期對(duì)稱的，所以在一個(gè)周期內(nèi)的12個(gè)開關(guān)時(shí)刻（不包括0和時(shí)刻）中，能夠獨(dú)立控制的只有1、2和3共3個(gè)時(shí)刻，該波形的an為

(7-4)7.2.1計(jì)算法和調(diào)制法?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，因此通?？梢钥紤]消去5次和7次諧波，根據(jù)需要確定基波分量a1的值，再令a5和a7等于0，就可以建立三個(gè)方程，聯(lián)立可求得1、2和3。

這樣可以消去兩種特定頻率的諧波，對(duì)于給定的基波幅值a1，求解上述方程可得一組1、2和3，基波幅值a1改變時(shí)，1、2和3也相應(yīng)地改變。

(7-5)7.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制■載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比N=fc/fr稱為載波比，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)制方式可分為異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種?！霎惒秸{(diào)制

◆載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不保持同步的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。

◆通常保持載波頻率fc固定不變，因而當(dāng)信號(hào)波頻率fr變化時(shí)，載波比N是變化的。

◆在信號(hào)波的半個(gè)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)稱產(chǎn)生的不利影響都較小，PWM波形接近正弦波。

◆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，輸出PWM波和正弦波的差異變大，對(duì)于三相PWM型逆變電路來說，三相輸出的對(duì)稱性也變差。

◆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。

7.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud圖7-10同步調(diào)制三相PWM波形

■同步調(diào)制

◆載波比N等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步的方式稱為同步調(diào)制。

◆fr變化時(shí)載波比N不變，信號(hào)波一個(gè)周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。◆在三相PWM逆變電路中，通常公用一個(gè)三角波載波，為了使三相輸出波形嚴(yán)格對(duì)稱和一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，取N為3的整數(shù)倍且為奇數(shù)。

◆當(dāng)逆變電路輸出頻率很低時(shí)，同步調(diào)制時(shí)的fc也很低，fc過低時(shí)由調(diào)制帶來的諧波不易濾除，當(dāng)負(fù)載為電動(dòng)機(jī)時(shí)也會(huì)帶來較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲；當(dāng)逆變電路輸出頻率很高時(shí)，同步調(diào)制時(shí)的fc會(huì)過高，使開關(guān)器件難以承受。

7.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制圖7-11分段同步調(diào)制方式舉例

■分段同步調(diào)制

◆把fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)都保持載波比N為恒定，不同頻段的載波比不同。

◆在fr高的頻段采用較低的載波比，以使fc不致過高，限制在功率開關(guān)器件允許的范圍內(nèi)。

◆在fr低的頻段采用較高的載波比，以使fc不致過低而對(duì)負(fù)載產(chǎn)生不利影響。

◆為了防止fc在切換點(diǎn)附近的來回跳動(dòng)，在各頻率切換點(diǎn)采用了滯后切換的方法。

◆有的裝置在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，而在高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣可以把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，和分段同步方式的效果接近。

實(shí)線表示輸出頻率增高時(shí)的切換頻率虛線表示輸出頻率降低時(shí)的切換頻率

7.2.3規(guī)則采樣法ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖7-12規(guī)則采樣法

■在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法稱為自然采樣法。■規(guī)則采樣法

◆是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，其效果接近