第7章-PWM控制技術(shù)

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

1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）?！龅?章的直流斬波電路實(shí)際上采用的就是PWM技術(shù)。

■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。

27.1PWM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

37.1PWM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

47.2PWM逆變電路及其控制方法

7.2.1計(jì)算法和調(diào)制法

57.2.1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。

67.2.1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?！蘓4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77.2.1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?！坍?dāng)ur>uc時(shí)使V3關(guān)斷，V4導(dǎo)通，

uo=0。

87.2.1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。

97.2.1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°。

107.2.1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

117.2.1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?！坍?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。

127.3PWM跟蹤控制技術(shù)

7.3.1滯環(huán)比較方式

7.3.2三角波比較方式137.3.1滯環(huán)比較方式圖7-24滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例

tOiii*+DIi*-DIi*圖7-25滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流

■跟蹤控制方法：把希望輸出的電流或電壓波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際電流或電壓波形作為反饋信號(hào)，通過兩者的瞬時(shí)值比較來決定逆變電路各功率開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤指令信號(hào)變化■滯環(huán)比較方式

◆電流跟蹤控制應(yīng)用最多。

◆PWM電流跟蹤控制單相半橋式逆變電路?把指令電流i*和實(shí)際輸出電流i的偏差i*-i作為帶有滯環(huán)特性的比較器的輸入，通過其輸出來控制功率器件V1和V2的通斷。

電抗器147.3.1滯環(huán)比較方式?控制規(guī)律

√當(dāng)V1（或VD1）導(dǎo)通時(shí)，i增大。

√當(dāng)V2（或VD2）導(dǎo)通時(shí)，i減小。

√通過環(huán)寬為2?I的滯環(huán)比較器的控制，i就在i*+?I和i*-?I的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*。?環(huán)寬過寬時(shí)，開關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過窄時(shí)，跟蹤誤差小，但開關(guān)頻率過高，開關(guān)損耗增大。?L大時(shí)，i的變化率小，跟蹤慢；L小時(shí)，i的變化率大，開關(guān)頻率過高。圖7-24滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例

tOiii*+DIi*-DIi*圖7-25滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流

157.3.1滯環(huán)比較方式圖7-26三相電流跟蹤型PWM逆變電路

圖7-25滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流

◆三相電流跟蹤型PWM逆變電路

?由三個(gè)單相半橋電路組成，三相電流指令信號(hào)i*U、i*V和i*W依次相差120°。

?在線電壓的正半周和負(fù)半周內(nèi)，都有極性相反的脈沖輸出，這將使輸出電壓中的諧波分量增大，也使負(fù)載的諧波損耗增加?！舨捎脺h(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM變流電路有如下特點(diǎn)

?硬件電路簡(jiǎn)單。

?實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快。

?不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波。

?和計(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率時(shí)輸出電流中高次諧波含量多。?屬于閉環(huán)控制，是各種跟蹤型PWM變流電路的共同特點(diǎn)。167.3.1滯環(huán)比較方式圖7-28電壓跟蹤控制電路舉例

◆電壓跟蹤控制

?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關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。

?輸出電壓PWM波形中含大量高次諧波，必須用適當(dāng)?shù)臑V波器濾除。

?u*=0時(shí)，輸出電壓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*為直流信號(hào)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。177.3.2三角波比較方式圖7-29三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路

■三角波比較方式

◆把指令電流i*U、i*V和i*W和逆變電路實(shí)際輸出的電流iU、iV、iW進(jìn)行比較，求出偏差電流，通過放大器A放大后，再去和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波形。

◆放大器A通常具有比例積分特性或比例特性，其系數(shù)直接影響著逆變電路的電流跟蹤特性。

◆特點(diǎn)

?開關(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三角波載波。

?和滯環(huán)比較控制方式相比，這種控制方式輸出電流所含的諧波少。187.4PWM整流電路及其控制方法

7.4.1PWM整流電路的工作原理

7.4.2PWM整流電路的控制方法197.4PWM整流電路及其控制方法·引言■實(shí)際應(yīng)用的整流電路幾乎都是晶閘管相控整流電路或二極管整流電路。

◆隨著觸發(fā)延遲角

的增大，位移因數(shù)降低?！糨斎腚娏髦兄C波分量相當(dāng)大，功率因數(shù)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。

◆通過對(duì)PWM整流電路的適當(dāng)控制，可以使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為1。

◆也稱為單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器。

207.4.1PWM整流電路的工作原理圖7-30單相PWM整流電路a)單相半橋電路b)單相全橋電路

■可分為電壓型和電流型兩大類，目前研究和應(yīng)用較多的是電壓型PWM整流電路?！鰡蜗郟WM整流電路

◆對(duì)于半橋電路來說，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，對(duì)于全橋電路來說，直流側(cè)電容只要一個(gè)就可以了。

◆工作原理（以全橋電路為例）

?按照正弦信號(hào)波和三角波相比較的方法對(duì)圖7-30b中的V1~V4進(jìn)行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端AB產(chǎn)生一個(gè)SPWM波uAB。

√uAB中含有和正弦信號(hào)波同頻率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波載波有關(guān)的頻率很高的諧波，而不含有低次諧波。

?由于Ls的濾波作用，is脈動(dòng)很小，可以忽略，所以當(dāng)正弦信號(hào)波的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。

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。217.4.1PWM整流電路的工作原理圖7-31PWM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)無功補(bǔ)償運(yùn)行

d)超前角為

?在us一定的情況下，is的幅值和相位僅由uAB中基波分量uABf的幅值及其與us的相位差來決定，改變uABf的幅值和相位，就可以使is和us同相位、反相位，is比us超前90°,或使is與us的相位差為所需要的角度。

√圖a中，滯后的相角為

，和電網(wǎng)電壓完全同相位，電路工作在整流狀態(tài)，且功率因數(shù)為1，是PWM整流電路最基本的工作狀態(tài)。

√圖b中超前的相角為

，和電網(wǎng)電壓的相位正好相反，電路工作在逆變狀態(tài)，說明PWM整流電路可以實(shí)現(xiàn)能量正反兩個(gè)方向的流動(dòng)

。

227.4.1PWM整流電路的工作原理√圖c中滯后的相角為

，超前90°，電路在向交流電源送出無功功率，這時(shí)的電路被稱為靜止無功功率發(fā)生器（StaticVarGenerator—SVG）。√在圖d的情況下，通過對(duì)幅值和相位的控制，可以使比超前或滯后任一角度

。

圖7-31PWM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)無功補(bǔ)償運(yùn)行

d)超前角為

237.4.1PWM整流電路的工作原理圖7-30b)單相全橋電路

?整流運(yùn)行狀態(tài)

√當(dāng)us>0時(shí)，由V2、VD4、VD1、Ls和V3、VD1、VD4、Ls分別組成了兩個(gè)升壓斬波電路。

√以包含V2的升壓斬波電路為例，當(dāng)V2導(dǎo)通時(shí)，us通過V2、VD4向Ls儲(chǔ)能，當(dāng)V2關(guān)斷時(shí)，Ls中儲(chǔ)存的能量通過VD1、VD4向直流側(cè)電容C充電。

√當(dāng)us<0時(shí)，由V1、VD3、VD2、Ls和V4、VD2、VD3、Ls分別組成了兩個(gè)升壓斬波電路，工作原理和us>0時(shí)類似?！綦妷盒蚉WM整流電路是升壓型整流電路，其輸出直流電壓可以從交流電源電壓峰值附近向高調(diào)節(jié)。

247.4.1PWM整流電路的工作原理負(fù)載圖7-32三相橋式PWM整流電路

■三相PWM整流電路

◆是最基本的PWM整流電路之一，其應(yīng)用也最為廣泛。

◆電路的工作原理也和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴(kuò)展到三相。

◆對(duì)電路進(jìn)行SPWM控制，在橋的交流輸入端A、B和C可得到SPWM電壓，對(duì)各相電壓按圖7-31a的相量圖進(jìn)行控制，就可以使各相電流ia、ib、ic為正弦波且和電壓相位相同，功率因數(shù)近似為1。

◆該電路也可以工作在圖7-31b的逆變運(yùn)行狀態(tài)及圖c或d的狀態(tài)。

257.4.2PWM整流電路的控制方法圖7-33間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

■根據(jù)有沒有引入電流反饋可以將這些控制方法分為兩種，沒有引入交流電流反饋的稱為間接電流控制，引入交流電流反饋的稱為直接電流控制?！鲩g接電流控制

◆也稱為相位和幅值控制，按照?qǐng)D7-31a（逆變運(yùn)行時(shí)為圖7-31b）的相量關(guān)系來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。

◆控制系統(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側(cè)電壓控制環(huán)。

三相橋式電路267.4.2PWM整流電路的控制方法圖7-33間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

◆控制原理

?和實(shí)際的直流電壓ud比較后送入PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出為一直流電流信號(hào)id，id的大小和整流器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相對(duì)應(yīng)。

?負(fù)載電流增大時(shí)，C放電而使ud下降，PI的輸入端出現(xiàn)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回升；達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud和相等，PI調(diào)節(jié)器輸入仍恢復(fù)到零，而id則穩(wěn)定為新的較大的值，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)過程和上述過程相反。277.4.2PWM整流電路的控制方法圖7-33間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

?從整流運(yùn)行變?yōu)槟孀冞\(yùn)行時(shí)

√負(fù)載電流反向而向直流側(cè)電容C充電，使ud抬高，PI調(diào)節(jié)器出現(xiàn)負(fù)偏差，其輸出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。

√達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud和仍然相等，PI調(diào)節(jié)器輸入恢復(fù)到零，其輸出id為負(fù)值，并與逆變電流的大小相對(duì)應(yīng)。

287.4.2PWM整流電路的控制方法圖7-33間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

◆控制系統(tǒng)中其余部分的工作原理

?圖中上面的乘法器是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。

?圖中下面的乘法器是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。297.4.2PWM整流電路的控制方法