第4章 PWM逆變電路

4.3PWM逆變技術(shù)?引言PWM(PulseWidthModulation)控制就是脈寬調(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)。14.3PWM逆變技術(shù)?引言PWM控制的思想源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展使得實(shí)現(xiàn)PWM控制變得十分容易。PWM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位?，F(xiàn)在使用的各種逆變電路大都采用了PWM技術(shù)，因此，將PWM控制技術(shù)和逆變電路相結(jié)合，才能使我們對逆變電路有完整地認(rèn)識。24.3.1

PWM控制的基本思想1）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(shí)，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)34.3.1

PWM控制的基本思想b)沖量相等的各種窄脈沖的響應(yīng)波形具體的實(shí)例說明“面積等效原理”a）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)。

4Ouωt>SPWM波4.3.1

PWM控制的基本思想Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波Ouωt>54.3.1

PWM控制的基本思想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。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波Ouωt>64.3.1

PWM控制的基本思想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(gè)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(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。74.3.1

PWM控制的基本思想等幅PWM波輸入電源是恒定直流

第3章的直流斬波電路本節(jié)的PWM逆變電路

不等幅PWM波輸入電源是交流或不是恒定的直流

OwtUd-UdUoωt84.3.2PWM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。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種。實(shí)用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。9(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)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。本法較繁瑣，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。Ouωt>Ouωt>4.3.2PWM逆變電路及其控制方法10工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)。(2）調(diào)制法單相橋式PWM逆變電路結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調(diào)制法進(jìn)行說明4.3.2PWM逆變電路及其控制方法11單相橋式PWM逆變電路Uo正半周，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷。

負(fù)載電流為正的區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時(shí)，uo等于Ud

。

V4關(guān)斷時(shí)，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(shí)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)?，V3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平。(2）調(diào)制法4.3.2PWM逆變電路及其控制方法12(2)調(diào)制法-單極性控制方式urucuOwtOwtuouofUd-Ud在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。4.3.2PWM逆變電路及其控制方法13(2)調(diào)制法-單極性控制方式ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)?。?dāng)ur>uc時(shí)使V4通，V3斷，uo=Ud

。當(dāng)ur<uc時(shí)使V4斷，V3通，uo=0。ur負(fù)半周，V2保持通，V1保持?jǐn)唷．?dāng)ur>uc時(shí)使V4通，V3斷，uo=Ud

。當(dāng)ur<uc時(shí)使V4斷，V3通，uo=0。單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofUd-Ud根據(jù)ur的極性控制V1、V2工作，在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制V3、V4的通斷。4.3.2PWM逆變電路及其控制方法14在ur的半個(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)，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(diǎn)時(shí)刻控制器件的通斷。。雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。4.3.2PWM逆變電路及其控制方法(2)調(diào)制法-雙極性控制方式（單相橋逆變）15urucuOwtOwtuouofUd-Ud在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。4.3.2PWM逆變電路及其控制方法(2)調(diào)制法-雙極性控制方式（單相橋）16ur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(shí)，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(shí)，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

。圖7-7雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。4.3.2PWM逆變電路及其控制方法(2)調(diào)制法-雙極性控制方式（單相橋）17雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud

對照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制，由于對開關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。4.3.2PWM逆變電路及其控制方法(2)調(diào)制法181）用模擬器件實(shí)現(xiàn)，稱為模擬控制方法；2）用數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)，稱為數(shù)字控制方法。數(shù)字控制方法有分為三種：a.微處理機(jī)通過軟件生成SPWM波；b.使用專門用于SPWM控制的集成電路芯片產(chǎn)生SPWM波形；c.采用微處理機(jī)和專用集成電路相結(jié)合的方法，共同完成控制功能。

目前，SPWM控制大多使用后兩種方法。SPWM波形的生成方法分為：4.3.2PWM逆變電路及其控制方法19模擬電子電路4.3.2PWM逆變電路及其控制方法20三相橋式PWM型逆變電路三相的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°(2)調(diào)制法-雙極性控制方式（三相橋逆變）4.3.2PWM逆變電路及其控制方法21ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVOttttt?t4.3.2PWM逆變電路及其控制方法22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。防直通的死區(qū)時(shí)間死區(qū)時(shí)間的長短主要由開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間決定。死區(qū)時(shí)間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud三相橋式PWM型逆變電路

三相橋式PWM逆變電路波形

4.3.2PWM逆變電路及其控制方法234.3.3異步調(diào)制和同步調(diào)制根據(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。通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，脈沖不對稱。當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生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脈沖不對稱的影響就變大載波比載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比，N=fc/fr1）異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式244.3.3異步調(diào)制和同步調(diào)制2）

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(shí)使載波與信號波保持同步，即N等于常數(shù)。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud同步調(diào)制三相PWM波形fr變化時(shí)N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱。為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)。fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。fr很高時(shí)，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。254.3.3異步調(diào)制和同步調(diào)制3）分段同步調(diào)制——異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用。把整個(gè)fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)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。分段同步調(diào)制方式舉例

263）分段同步調(diào)制載波比N值的選定與逆變器的輸出頻率、功率開關(guān)器件的允許工作頻率以及所用的控制手段都有關(guān)系。為了使逆變器的輸出盡量接近正弦波，應(yīng)盡可能增大載波比，但若從逆變器本身看，載波比又不能太大，應(yīng)受到下述關(guān)系式的限制，即

分段同步調(diào)制雖然比較麻煩，但在微電子技術(shù)迅速發(fā)展的今天，這種調(diào)制方式是很容易實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)利用微機(jī)生成SPWM脈沖波形時(shí)，還應(yīng)注意使三角載波的周期大于微機(jī)的采樣計(jì)算周期。4.3.3異步調(diào)制和同步調(diào)制274）混合調(diào)制

可在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)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，和分段同步方式效果接近。但實(shí)現(xiàn)較容易。4.3.3異步調(diào)制和同步調(diào)制284.3.4PWM逆變電路的諧波分析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。使用載波對正弦信號波調(diào)制，會產(chǎn)生和載波有關(guān)的諧波分量。分析以雙極性SPWM波形為準(zhǔn)。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。分析過程復(fù)雜，但結(jié)論簡單而直觀。294.3.4PWM逆變電路的諧波分析c+kr)角頻率(nww1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅0.20.40.70.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0不同調(diào)制度a時(shí)單相橋式PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖。1）單相的分析結(jié)果諧波角頻率為:式中，n=1,3,5,…時(shí)，k=0,2,4,…；

n=2,4,6,…時(shí)，k=1,3,5,…PWM波中不含低次諧波，只含wc及其附近的諧波以及2wc、3wc等及其附近的諧波。單相PWM橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖304.3.4PWM逆變電路的諧波分析2）三相的分析結(jié)果公用載波信號時(shí)的情況輸出線電壓中的諧波角頻率為式中，n=1,3,5,…時(shí)，k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；

n=2,4,6,…時(shí)，1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.70.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角頻率(nwc+kwr)三相逆變電路輸出線電壓頻譜圖諧波振幅314.3.4PWM逆變電路的諧波分析1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.70.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0三相逆變電路輸出線電壓頻譜諧波振幅1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅0.20.40.70.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0單相逆變電路輸出電壓頻譜三相和單相比較，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wc整數(shù)倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是wc±2wr和2wc±wr。SPWM波中諧波主要是角頻率為wc、2wc及其附近的諧波，很容易濾除。324.3.5PWM跟蹤控制技術(shù)前面所述的PWM控制技術(shù)都是以輸出電壓近似正弦波為目標(biāo)的。但是，在交流電機(jī)中，實(shí)際需要保證的應(yīng)該是正弦波電流，因?yàn)樵诮涣麟姍C(jī)繞組中只有通入三相平衡的正弦電流才能使合成的電磁轉(zhuǎn)矩為恒定值，不含脈動分量。因此，若能對電流實(shí)行閉環(huán)控制，以保證其正弦波形，顯然將比電壓開環(huán)控制能夠獲得更好的性能。最常用的電流跟蹤式PWM逆變器是電流滯環(huán)跟蹤控制。33

1)電流跟蹤型PWM變流電路滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例基本原理電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為2h。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。將給定電流i*

與輸出電流i進(jìn)行比較，電流偏差i超過時(shí)h，經(jīng)滯環(huán)控制器控制逆變器上（或下）橋臂的功率器件動作。

V1（或VD1）通時(shí)，i增大V2（或VD2）通時(shí)，i減小4.3.5PWM跟蹤控制技術(shù)34

如果i<i*，且i*-i

≥

h，控制器輸出正電平，驅(qū)動V1導(dǎo)通，逆變器輸出正電壓，使i增大。直到達(dá)到i

=i*

+h，i

=–h，使滯環(huán)翻轉(zhuǎn)，控制器輸出負(fù)電平，關(guān)斷V1，并經(jīng)延時(shí)后驅(qū)動V2。但由于電感作用，電流不會反向，而是通過VD2續(xù)流，使V2受到反向鉗位而不能導(dǎo)通。i逐漸減小，直到i

=i*

-h時(shí)，到達(dá)偏差的下限值，控制器再翻轉(zhuǎn)，又重復(fù)使V1導(dǎo)通。V1與VD2交替工作，使輸出電流給定值之間的偏差保持在范圍內(nèi)，在正弦波上下作鋸齒狀變化。輸出電流是十分接近正弦波的。1)電流跟蹤型PWM變流電路圖7-22滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例4.3.5PWM跟蹤控制技術(shù)35

電流跟蹤PWM控制tOiii*+DIi*-DIi*圖7-23滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流圖7-22滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例參數(shù)的影響環(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。滯環(huán)環(huán)寬電抗器L的作用4.3.5PWM跟蹤控制技術(shù)362)三相的情況三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形三相電流跟蹤型PWM逆變電路4.3.5PWM跟蹤控制技術(shù)373)采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PW