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）控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對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)，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，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。◆把上述脈沖序列利用相同數(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。■PWM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計算法和調(diào)制法■計算法

◆根據(jù)逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)，將PWM波形中各脈沖的寬度和間隔準(zhǔn)確計算出來，按照計算結(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，這種方法稱之為計算法。

◆計算法是很繁瑣的，當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時，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，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過信號波的調(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，uo=Ud?！蘓4關(guān)斷時，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，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時使V4導(dǎo)通，V3關(guān)斷，

uo=Ud。

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

uo=-Ud?！坍?dāng)ur>uc時使V3關(guān)斷，V4導(dǎo)通，

uo=0。

7.2.1計算法和調(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ur和載波信號uc的交點(diǎn)時刻控制各開關(guān)器件的通斷。

?在ur的半個周期內(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，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。

√當(dāng)ur>uc時，V1和V4導(dǎo)通，V2和V3關(guān)斷，這時如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，V2和V3導(dǎo)通，V1和V4關(guān)斷，這時如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控制通常公用一個三角波載波uc，三相的調(diào)制信號urU、urV和urW依次相差120°。

7.2.1計算法和調(diào)制法◆電路工作過程（U相為例）

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

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

?V1和V4的驅(qū)動信號始終是互補(bǔ)的。

?當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號時，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，uUV=Ud。

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

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

7.2.1計算法和調(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

◆是計算法中一種較有代表性的方法。

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

◆以三相橋式PWM型逆變電路中的uUN’波形為例

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

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

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

?同時滿足式(7-1)和式(7-2)的波形稱為四分之一周期對稱波形，這種波形可用傅里葉級數(shù)表示為式中，an為(7-1)(7-2)(7-3)7.2.1計算法和調(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稱的，所以在一個周期內(nèi)的12個開關(guān)時刻（不包括0和時刻）中，能夠獨(dú)立控制的只有1、2和3共3個時刻，該波形的an為

(7-4)7.2.1計算法和調(diào)制法?在三相對稱電路的線電壓中，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，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)制信號頻率fr之比N=fc/fr稱為載波比，根據(jù)載波和信號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

◆載波信號和調(diào)制信號不保持同步的調(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)信號波頻率fr變化時，載波比N是變化的。

◆在信號波的半個周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。

◆當(dāng)fr較低時，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小，PWM波形接近正弦波。

◆當(dāng)fr增高時，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大，輸出PWM波和正弦波的差異變大，對于三相PWM型逆變電路來說，三相輸出的對稱性也變差。

◆在采用異步調(diào)制方式時，希望采用較高的載波頻率，以使在信號波頻率較高時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)，并在變頻時使載波和信號波保持同步的方式稱為同步調(diào)制。

◆fr變化時載波比N不變，信號波一個周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的?！粼谌郟WM逆變電路中，通常公用一個三角波載波，為了使三相輸出波形嚴(yán)格對稱和一相的PWM波正負(fù)半周鏡對稱，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，同步調(diào)制時的fc也很低，fc過低時由調(diào)制帶來的諧波不易濾除，當(dāng)負(fù)載為電動機(jī)時也會帶來較大的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲；當(dāng)逆變電路輸出頻率很高時，同步調(diào)制時的fc會過高，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范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內(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，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采用異步調(diào)制方式，而在高頻輸出時切換到同步調(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的切換頻率虛線表示輸出頻率降低時的切換頻率

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?！鲆?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