第六章-PWM控制電路課件

引言6.1PWM控制的基本原理6.2PWM逆變電路及其控制方法

6.2.1計算法和調(diào)制法

6.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制

6.2.3規(guī)則采樣法

6.2.4PWM逆變電路的諧波分析（以下自學(xué)）

6.2.5提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)

6.2.6PWM逆變電路的多重化6.3PWM跟蹤控制技術(shù)

6.3.1滯環(huán)比較方式

6.3.2三角波比較方式6.4PWM整流電路及其控制方法

6.4.1PWM整流電路的工作原理

6.4.2PWM整流電路的控制方法本章小結(jié)■2023/8/11引言■2023/7/311引言PWM（PulseWidthModulation）控制——脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，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3、4章已涉及這方面內(nèi)容第3章：直流斬波電路采用第4章有兩處：4.1節(jié)斬控式交流調(diào)壓電路，

4.4節(jié)矩陣式變頻電路本章內(nèi)容PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位本章主要以逆變電路為控制對象來介紹PWM控制技術(shù)■2023/8/12引言PWM（PulseWidthModulation）控6.1PWM控制的基本原理理論基礎(chǔ)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)波形基本相同波形基本相同含義：低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異圖6-1

形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖■2023/8/136.1PWM控制的基本原理理論基礎(chǔ)圖6-1形狀不同而6.1PWM控制的基本原理一個實例圖6-2a的電路電路輸入：u(t)，窄脈沖，如圖6-1a、b、c、d所示電路輸出：i(t)，圖6-2b面積等效原理圖6-2

沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形■2023/8/146.1PWM控制的基本原理一個實例圖6-2沖量相同的6.1PWM控制的基本原理用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波正弦半波N等分，可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等寬度按正弦規(guī)律變化圖6-3

用PWM波代替正弦半波SPWM（SinusoidalPWM）波形——脈沖寬度按正弦規(guī)律變化并且和正弦波等效的PWM波形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■2023/8/156.1PWM控制的基本原理用一系列等幅不等寬的脈沖來代替6.1PWM控制的基本原理等幅PWM波和不等幅PWM波由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波如直流斬波電路及本章主要介紹的PWM逆變電路，6.4節(jié)的PWM整流電路輸入電源是交流，得到不等幅PWM波4.1節(jié)講述的斬控式交流調(diào)壓電路，4.4節(jié)的矩陣式變頻電路基于面積等效原理進(jìn)行控制，本質(zhì)是相同的■2023/8/166.1PWM控制的基本原理等幅PWM波和不等幅PWM波6.2.1計算法和調(diào)制法計算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計算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波形繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化調(diào)制法輸出波形作調(diào)制信號，進(jìn)行調(diào)制得到期望的PWM波通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波等腰三角波應(yīng)用最多，其任一點水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱■2023/8/176.2.1計算法和調(diào)制法計算法■2023/7/3176.2.1計算法和調(diào)制法與任一平緩變化的調(diào)制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求調(diào)制信號波為正弦波時，得到的就是 SPWM波調(diào)制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波■2023/8/186.2.1計算法和調(diào)制法與任一平緩變化的調(diào)制信號波相交，6.2.1

計算法和調(diào)制法

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：工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補■2023/8/196.2.1計算法和調(diào)制法結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變6.2.1

計算法和調(diào)制法控制規(guī)律uo正半周，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷，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■2023/8/1106.2.1計算法和調(diào)制法控制規(guī)律■2023/7/316.2.1計算法和調(diào)制法單極性PWM控制方式（單相橋逆變）在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)喈?dāng)ur>uc時使V4通，V3斷，uo=Ud當(dāng)ur<uc時使V4斷，V3通，uo=0ur負(fù)半周，V1保持?jǐn)?，V2保持通當(dāng)ur<uc時使V3通，V4斷，uo=-Ud當(dāng)ur>uc時使V3斷，V4通，uo=0虛線uof表示uo的基波分量圖6-5單極性PWM控制方式波形■2023/8/1116.2.1計算法和調(diào)制法單極性PWM控制方式（單相橋逆變6.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制載波比——載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比，N=fc/fr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1.異步調(diào)制——載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式通常保持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■2023/8/1126.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制載波比——載波頻率fc與調(diào)制6.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制2.同步調(diào)制——N等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步基本同步調(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，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除fr很高時，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受圖6-10同步調(diào)制三相PWM波形■2023/8/1136.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制2.同步調(diào)制——N等于常數(shù)6.2.3規(guī)則采樣法按SPWM基本原理，自然采樣法要求解復(fù)雜的超越方程，難以在實時控制中在線計算，工程應(yīng)用不多規(guī)則采樣法特點工程實用方法，效果接近自然采樣法，計算量小得多圖6-12規(guī)則采樣法■2023/8/1146.2.3規(guī)則采樣法按SPWM基本原理，自然采樣法圖6-6.2.3規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法原理圖6-12，三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc自然采樣法中，脈沖中點不和三角波一周期的中點（即負(fù)峰點）重合規(guī)則采樣法使兩者重合，每個脈沖的中點都以相應(yīng)的三角波中點為對稱，使計算大為簡化在三角波的負(fù)峰時刻tD對正弦信號波采樣得D點，過D作水平直線和三角波分別交于A、B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制開關(guān)器件的通斷脈沖寬度d

和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近■本章小結(jié)2023/8/1156.2.3規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法原理■本章小結(jié)20236.2.3

規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法計算公式推導(dǎo)正弦調(diào)制信號波

式中，a稱為調(diào)制度，0≤a<1；wr為信號波角頻率。從圖6-12得因此可得三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度(6-6)(6-7)■2023/8/1166.2.3規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法計算公式推導(dǎo)(6-6)(66.2.3

規(guī)則采樣法三相橋逆變電路的情況三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波相位依次差120°同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為dU、dV和dW，脈沖兩邊的間隙寬度分別為d’U、d’V和d’W，同一時刻三相調(diào)制波電壓之和為零，由式(6-6)得

(6-8)

由式(6-7)得

(6-9)

利用以上兩式可簡化三相SPWM波的計算■2023/8/1176.2.3規(guī)則采樣法三相橋逆變電路的情況■2023/6.3PWM跟蹤控制技術(shù)（自學(xué)）PWM波形生成的第三種方法——跟蹤控制方法把希望輸出的波形作為指令信號，把實際波形作為反饋信號，通過兩者的瞬時值比較來決定逆變電路各開關(guān)器件的通斷，使實際的輸出跟蹤指令信號變化常用的有滯環(huán)比較方式和三角波比較方式■2023/8/1186.3PWM跟蹤控制技術(shù)（自學(xué)）PWM波形生成的第三種方6.3.1滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制應(yīng)用最多基本原理把指令電流i*和實際輸出電流i的偏差i*-i作為滯環(huán)比較器的輸入通過比較器的輸出控制器件V1和V2的通斷V1（或VD1）通時，i增大V2（或VD2）通時，i減小通過環(huán)寬為2DI的滯環(huán)比較器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*■2023/8/1196.3.1滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制應(yīng)用最多■20236.3.1滯環(huán)比較方式

參數(shù)的影響滯環(huán)環(huán)寬對跟蹤性能的影響：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)損耗增大電抗器L的作用：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6-22滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例圖6-23滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流■2023/8/1206.3.1滯環(huán)比較方式參數(shù)的影響圖6-22滯環(huán)比較6.3.1滯環(huán)比較方式三相的情況圖6-25三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形圖6-24三相電流跟蹤型PWM逆變電路■2023/8/1216.3.1滯環(huán)比較方式三相的情況圖6-25三相電流跟6.3.1滯環(huán)比較方式采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM變流電路有如下特點

（1）硬件電路簡單（2）實時控制，電流響應(yīng)快（3）不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波（4）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（5）閉環(huán)控制，是各種跟蹤型PWM變流電路的共同特點■2023/8/1226.3.1滯環(huán)比較方式采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM6.3.1滯環(huán)比較方式采用滯環(huán)比較方式實現(xiàn)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)電壓跟蹤控制圖6-26電壓跟蹤控制電路舉例■2023/8/1236.3.1滯環(huán)比較方式采用滯環(huán)比較方式實現(xiàn)電壓跟蹤控制圖6.3.1滯環(huán)比較方式和電流跟蹤控制電路相比，只是把指令和反饋信號從電流變?yōu)殡妷狠敵鲭妷篜WM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■2023/8/1246.3.1滯環(huán)比較方式和電流跟蹤控制電路相比，只是把指令6.3.2三角波比較方式基本原理不是把指令信號和三角波直接進(jìn)行比較，而是通過閉環(huán)來進(jìn)行控制把指令電流i*U、i*V和i*W和實際輸出電流iU、iV、iW進(jìn)行比較，求出偏差，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)直接影響電流跟蹤特性■2023/8/1256.3.2三角波比較方式基本原理■2023/7/316.3.2三角波比較方式特點開關(guān)頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器設(shè)計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圖6-27三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路■2023/8/1266.3.2三角波比較方式特點圖6-27三角波比較方式6.3.2三角波比較方式定時比較方式不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個固定的時鐘以固定采樣周期對指令信號和被控制變量進(jìn)行采樣，根據(jù)偏差的極性來控制開關(guān)器件通斷在時鐘信號到來的時刻，如i<i*，V1通，V2斷，使i增大如i>i*，V1斷，V2通，使i減小每個采樣時刻的控制作用都使實際電流與指令電流的誤差減小采用定時比較方式時，器件的最高開關(guān)頻率為時鐘頻率的1/2和滯環(huán)比較方式相比，電流控制誤差沒有一定的環(huán)寬，控制的精度低一些■2023/8/1276.3.2三角波比較方式定時比較方式■2023/7/6.4PWM整流電路及其控制方法（自學(xué)）實用的整流電路幾乎都是晶閘管整流或二極管整流晶閘管相控整流電路：輸入電流滯后于電壓，且其中諧波分量大，因此功率因數(shù)很低二極管整流電路：雖位移因數(shù)接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)也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整流電路控制PWM整流電路，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，也稱單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器■2023/8/1286.4PWM整流電路及其控制方法（自學(xué)）實用的整流電路幾6.4.1PWM整流電路的工作原理PWM整流電路也可分為電壓型和電流型兩大類，目前電壓型的較多1．單相PWM整流電路圖6-28a和b分別為單相半橋和全橋PWM整流電路半橋電路直流側(cè)電容必須由兩個電容串聯(lián)，其中點和交流電源連接全橋電路直流側(cè)電容只要一個就可以交流側(cè)電感Ls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圖6-28單相PWM整流電路a)單相半橋電路b)單相全橋電路■2023/8/1296.4.1PWM整流電路的工作原理PWM整流電路也可分為6.4.1PWM整流電路的工作原理單相全橋PWM整流電路的工作原理正弦信號波和三角波相比較的方法對圖6-28b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uABuAB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，不含有低次諧波由于Ls的濾波作用，諧波電壓只使is產(chǎn)生很小的脈動當(dāng)正弦信號波頻率和電源頻率相同時，is也為與電源頻率相同的正弦波us一定時，is幅值和相位僅由uAB中基波uABf的幅值及其與us的相位差決定改變uABf的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90°，或使is與us相位差為所需角度■2023/8/1306.4.1PWM整流電路的工作原理單相全橋PWM整流電路本章小結(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)器件與PWM技術(shù)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)■2023/8/131本章小結(jié)PWM控制技術(shù)的地位■2023/7/3131本章小結(jié)PWM控制技術(shù)用于逆變電路PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最具代表性正是由于在逆變電路中廣泛而成功的應(yīng)用，才奠定了PWM控制技術(shù)在電力電子技術(shù)中的突出地位除功率很大的逆變裝置外，不用PWM控制的逆變電路已十分少見第5章因尚未涉及到PWM控制技術(shù)，因此對逆變電路的介紹是不完整的。學(xué)完本章才能對逆變電路有較完整的認(rèn)識■2023/8/132本章小結(jié)PWM控制技術(shù)用于逆變電路■2023/7/313本章小結(jié)PWM控制技術(shù)與相位控制技術(shù)以第2章相控整流電路和第4章交流調(diào)壓電路為代表的相位控制技術(shù)至今在電力電子電路中仍占據(jù)著重要地位以PWM控制技術(shù)為代表的斬波控制技術(shù)正在越來越占據(jù)著主導(dǎo)地位相位控制和斬波控制分別簡稱相控和斬控把兩種技術(shù)對照學(xué)習(xí)，對電力電子電路的控制技術(shù)會有更明晰的認(rèn)識■2023/8/133本章小結(jié)PWM控制技術(shù)與相位控制技術(shù)■2023/7/31作業(yè)P169題1，并結(jié)合第五章中的電壓型逆變電路說明如何實現(xiàn)輸出電壓uo等效正弦波形；畫出輸入電壓Ud，SPWM調(diào)制波形，輸出電壓uo波形。P169題52023/8/134作業(yè)P169題1，并結(jié)合第五章中的電壓型逆變電路說明如何實圖6-5單極性PWM控制方式波形