電機與電力電子技術(shù)-孫冠群第12章 PWM控制技術(shù)-電子課件

第13章PWM控制技術(shù)2■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）。■第11章的直流斬波電路實際上采用的就是PWM技術(shù)。交流調(diào)壓電路中的斬控式交流調(diào)壓電路，以及交交矩陣式變頻電路，也是采用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。

13.2PWM逆變電路及其控制13.1PWM控制基本原理13.4PWM整流電路13.3PWM追蹤控制技術(shù)4■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

13.1PWM控制基本原理5■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?！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，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦波部分的中點重合，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

13.1PWM控制基本原理613.2.1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。

13.2PWM逆變電路及其控制7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，V3和V4通斷也互補，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13.2PWM逆變電路及其控制8urucuOwtOwtuouofuoUd-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。

13.2PWM逆變電路及其控制9urucuOwtOwtuouofuoUd-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。

13.2PWM逆變電路及其控制10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°。

13.2PWM逆變電路及其控制11◆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

13.2PWM逆變電路及其控制12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。

13.2PWM逆變電路及其控制1313.2.2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。

13.2PWM逆變電路及其控制14ucurUurVurWuuUN'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。◆在三相PWM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。

13.2PWM逆變電路及其控制15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在切換點附近的來回跳動，在各頻率切換點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)點結(jié)合起來，和分段同步方式的效果接近。

實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

13.2PWM逆變電路及其控制1613.2.3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)用較廣的工程實用方法，其效果接近自然采樣法，但計算量卻比自然采樣法小得多。

◆方法說明

?取三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc，使每個脈沖的中點都以相應(yīng)的三角波中點（即負(fù)峰點）為對稱。?在三角波的負(fù)峰時刻tD對正弦信號波采樣而得到D點，過D點作一水平直線和三角波分別交于A點和B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制功率開關(guān)器件的通斷。

?可以看出，用這種規(guī)則采樣法得到的脈沖寬度和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。

13.2PWM逆變電路及其控制17ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖7-12規(guī)則采樣法

?和'的確定設(shè)正弦調(diào)制信號波為

式中，a稱為調(diào)制度，0≤a<1；r為正弦信號波角頻率，從圖7-12中可得如下關(guān)系式

因此可得脈沖兩邊的間隙寬度'為

(7-6)(7-7)13.2PWM逆變電路及其控制18?三相橋式逆變電路

√通常三相的三角波載波是公用的，三相正弦調(diào)制波的相位依次相差120°。

√設(shè)在同一三角波周期內(nèi)三相的脈沖寬度分別為U、V和W，脈沖兩邊的間隙寬度分別為'U、'V和'W，由于在同一時刻三相正弦調(diào)制波電壓之和為零，故由式(7-6)可得

同樣，由式(7-7)可得

利用式(7-8)、式(7-9)可以簡化生成三相SPWM波形時的計算。(7-8)(7-9)13.2PWM逆變電路及其控制1913.2.4PWM逆變電路的諧波分析■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，這些諧波分量的頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標(biāo)之一。■雙極性SPWM波形的諧波分析◆同步調(diào)制可以看成異步調(diào)制的特殊情況，因此只分析異步調(diào)制方式?！舴治龇椒?/p>

?以載波周期為基礎(chǔ)，再利用貝塞爾函數(shù)可以推導(dǎo)出PWM波的傅里葉級數(shù)表達(dá)式。

?這種分析過程相當(dāng)復(fù)雜，而其結(jié)論卻是很簡單而直觀的。

13.2PWM逆變電路及其控制20+k)角頻率(nww1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0◆單相橋式PWM逆變電路

?所包含的諧波角頻率為

式中，n=1,3,5,…時，k=0,2,4,…；n=2,4,6,…時，k=1,3,5,…?其PWM波中不含有低次諧波，只含有角頻率為c及其附近的諧波，以及2c、3c等及其附近的諧波。?幅值最高影響最大的是角頻率為c的諧波分量。

(7-10)圖7-13單相PWM橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖

13.2PWM逆變電路及其控制211002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角頻率(nwc+kwr)諧波振幅◆三相橋式PWM逆變電路

?分析應(yīng)用較多的公用載波信號時的情況，在其輸出線電壓中，所包含的諧波角頻率為

式中，n=1,3,5,…時，k=3(2m-1)±1，m=1,2,…；n=2,4,6,…時，

?不含低次諧波。

?載波角頻率c整數(shù)倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是c±2r和2c±r。

(7-11)圖7-14三相橋式PWM逆變電路輸出線電壓頻譜圖

13.2PWM逆變電路及其控制22■諧波分析小結(jié)

◆在實際電路中，由于采樣時刻的誤差以及為避免同一相上下橋臂直通而設(shè)置的死區(qū)的影響，諧波的分布情況將更為復(fù)雜，諧波含量比理想條件下要多一些，甚至還會出現(xiàn)少量的低次諧波。

◆SPWM波形中所含的諧波主要是角頻率為c、2c及其附近的諧波，一般情況下c>>r，是很容易濾除的。

◆當(dāng)調(diào)制信號波不是正弦波，而是其它波形時，其諧波由兩部分組成，一部分是對信號波本身進(jìn)行諧波分析所得的結(jié)果，另一部分是由于信號波對載波的調(diào)制而產(chǎn)生的諧波。

13.2PWM逆變電路及其控制2313.3.1電流追蹤型PWM控制技術(shù)（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，把實際電流或電壓波形作為反饋信號，通過兩者的瞬時值比較來決定逆變電路各功率開關(guān)器件的通斷，使實際的輸出跟蹤指令信號變化■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13.3PWM追蹤控制技術(shù)24?控制規(guī)律

√當(dāng)V1（或VD1）導(dǎo)通時，i增大。

√當(dāng)V2（或VD2）導(dǎo)通時，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，開關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過窄時，跟蹤誤差小，但開關(guān)頻率過高，開關(guān)損耗增大。?L大時，i的變化率小，跟蹤慢；L小時，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

13.3PWM追蹤控制技術(shù)25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

?由三個單相半橋電路組成，三相電流指令信號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

?硬件電路簡單。

?實時控制，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。

?和計算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率時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。13.3PWM追蹤控制技術(shù)2613.3.2電壓追蹤型PWM控制技術(shù)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，輸出電壓u為頻率較高的矩形波，相當(dāng)于一個自勵振蕩電路。

?u*為直流信號時，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*為交流信號時，只要其頻率遠(yuǎn)低于上述自勵振蕩頻率，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，從而實現(xiàn)電壓跟蹤控制。13.3PWM追蹤控制技術(shù)27■實際應(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。

13.4PWM整流電路28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

◆對于半橋電路來說，直流側(cè)電容必須由兩個電容串聯(lián)，其中點和交流電源連接，對于全橋電路來說，直流側(cè)電容只要一個就可以了。

◆工作原理（以全橋電路為例）

?按照正弦信號波和三角波相比較的方法對圖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SPWM波uAB。

√uAB中含有和正弦信號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脈動很小，可以忽略，所以當(dāng)正弦信號波的頻率和電源頻率相同時，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。13.4PWM整流電路13.4.1單相電壓型橋式PWM整流電路29圖7-31PWM整流電路的運行方式相量圖

a)整流運行

b)逆變運行

c)無功補償運行

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整流電路可以實現(xiàn)能量正反兩個方向的流動

。

13.4PWM整流電路30√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，這時的電路被稱為靜