ch7PWM控制技術(shù)電力電子

第七章PWM控制技術(shù)12023/2/32023/2/32PWM控制技術(shù)?

引言源于通信技術(shù)■PWM(PulseWidthModulation)控制就是對脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)?！龅?章的直流斬波電路實際上采用的就是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?！鯬WM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。2023/2/33PWM控制技術(shù)?

內(nèi)容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2023/2/347.1PWM控制的基本原理■重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理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。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數(shù)f(t)d(t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf(t)f(t)f(t)2023/2/357.1PWM控制的基本原理沖量相等的各種窄脈沖的響應(yīng)波形■實例說明“面積等效原理”a）b)e(t)－電壓窄脈沖，是電路的輸入。

i(t)－輸出電流，是電路的響應(yīng)。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。2023/2/367.1PWM控制的基本原理Ouωt>SPWM波Ouωt>■如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>2023/2/377.1PWM控制的基本原理Ouωt>SPWM波Ouωt>■如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>若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。2023/2/387.1PWM控制的基本原理OwtUd-Ud◆對于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud◆根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應(yīng)用中更為廣泛。2023/2/397.1PWM控制的基本原理等幅PWM波不等幅PWM波OwtUd-UdUoωt輸入電源是恒定直流輸入電源是交流或不是恒定的直流2023/2/3107.2PWM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，目前實用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。2023/2/3117.2PWM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2023/2/3127.2.1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。

◆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。2023/2/3137.2.1計算法和調(diào)制法■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?！敉ǔ２捎玫妊遣ɑ蜾忼X波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。2023/2/3147.2.1計算法和調(diào)制法單相橋式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)。?以uo正半周為例，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，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。?負(fù)載電流為正的區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時，uo等于Ud。2023/2/3157.2.1計算法和調(diào)制法單相橋式PWM逆變電路■單相橋式PWM逆變電路（調(diào)制法）

◆電路工作過程(續(xù))?V4關(guān)斷時，負(fù)載電流通過V1和VD3續(xù)流，uo=0?負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間，V1和V4仍導(dǎo)通，io為負(fù)，實際上io從VD1和VD4流過，仍有uo=Ud。?V4關(guān)斷V3開通后，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。2023/2/3167.2.1計算法和調(diào)制法■單極性PWM控制方式（單相橋逆變）

◆

ur正半周：V1保持通，V2保持?jǐn)唷rucuOwtOwtuouofuoUd-Ud單極性PWM控制方式波形?當(dāng)ur>uc時：V4通，V3斷，uo=Ud。?當(dāng)ur<uc時：V4斷，V3通，uo=0。2023/2/3177.2.1計算法和調(diào)制法■單極性PWM控制方式（單相橋逆變）

◆

ur負(fù)半周：V1保持?jǐn)?，V2保持通。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud單極性PWM控制方式波形?當(dāng)ur>uc時：V4通，V3斷，uo=0。?當(dāng)ur<uc時：V4斷，V3通，uo=Ud。2023/2/3187.2.1計算法和調(diào)制法■雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）◆在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得PWM波也有正有負(fù)，其幅值只有±Ud兩種電平。◆同樣在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制器件的通斷。◆ur正負(fù)半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud2023/2/3197.2.1計算法和調(diào)制法■雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）◆開關(guān)器件的控制規(guī)律?當(dāng)ur>uc時，給V1和V4導(dǎo)通信號，給V2和V3關(guān)斷信號。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud。?當(dāng)ur<uc時，給V2和V3導(dǎo)通信號，給V1和V4關(guān)斷信號。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud。雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud2023/2/3207.2.1計算法和調(diào)制法雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud2023/2/3217.2.1計算法和調(diào)制法◆三相的PWM控制公用三角波載波uc◆三相的調(diào)制信號urU、urV和urW依次相差120°■三相橋式PWM逆變電路（調(diào)制法）2023/2/3227.2.1計算法和調(diào)制法■三相橋式PWM逆變電路（調(diào)制法）◆控制規(guī)律◆防直通的死區(qū)時間?同一相上下兩臂的驅(qū)動信號互補(bǔ)，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死區(qū)時間。?死區(qū)時間的長短主要由開關(guān)器件的關(guān)斷時間決定。?死區(qū)時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波2023/2/3237.2.1計算法和調(diào)制法■特定諧波消去法(SelectedHarmonicEliminationPWM—SHEPWM)?這是計算法中一種較有代表性的方法。?輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各3次（不包括0和π），共6個開關(guān)時刻可控。?為減少諧波并簡化控制，要盡量使波形對稱。特定諧波消去法的輸出PWM波形OwtuoUd-Ud2ppa1a2a32023/2/3247.2.2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)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式同步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時使載波與信號波保持同步，即N等于常數(shù)。2023/2/3257.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制■同步調(diào)制◆通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時，載波比N是變化的◆在信號波的半周期內(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◆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◆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。2023/2/3267.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制■同步調(diào)制◆基本同步調(diào)制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定?！羧嚯娐分泄靡粋€三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱?！魹槭挂幌嗟腜WM波正負(fù)半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)?！鬴r很低時，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除?！鬴r很高時，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。2023/2/3277.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制■分段同步調(diào)制：異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用。分段同步調(diào)制方式舉例

◆把整個fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段的N不同。?在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高；?在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低。2023/2/328PWM控制技術(shù)?

小結(jié)■PWM控制技術(shù)的地位

◆PWM控制技術(shù)是在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并對電力電子技術(shù)產(chǎn)生了十分深遠(yuǎn)影響的一項技術(shù)?！鯬WM技術(shù)與器件的關(guān)系

◆IGBT、電力MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM控制技術(shù)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)。■PWM控制技術(shù)用于直流斬波電路

◆直流斬波電路實際上就是直流PWM電路，是PWM控制技術(shù)應(yīng)用較早也成熟較早的一類電路，應(yīng)用于直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)就構(gòu)成廣泛應(yīng)用的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。2023/2/329PWM控制技術(shù)?

小結(jié)■PWM控制技術(shù)用于交流—交流變流電路

◆斬控式交流調(diào)壓電路和矩陣式變頻電路是PWM控制技術(shù)在這類電路中應(yīng)用的代表。

◆目前其應(yīng)用都還不多，但矩陣式變頻電路因其容易實現(xiàn)集成化，可望有良好的發(fā)展前景。2023/2/330