電力電子技術(shù)第六章課件

第六章PWM控制技術(shù)

引言

6.1PWM控制的基本原理

6.2PWM逆變電路及其控制方法

6.3PWM跟蹤控制技術(shù)

6.4PWM整流電路及其控制方法

本章小結(jié)1最新版整理ppt第六章PWM控制技術(shù)?引言PWM(PulseWidthModulation)控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。第3、4章已涉及到PWM控制，第3章直流斬波電路采用的就PWM技術(shù)；第4章的4.1斬控式調(diào)壓電路和4.4矩陣式變頻電路都涉及到了。2最新版整理ppt第六章PWM控制技術(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都采用了PWM技術(shù)，因此，本章和第5章（逆變電路）相結(jié)合，才能使我們對(duì)逆變電路有完整地認(rèn)識(shí)。3最新版整理ppt6.1

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)波形基本相同圖6-1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)4最新版整理ppt6.1

PWM控制的基本思想b)圖6-2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）u(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)。

5最新版整理pptOuωt>SPWM波6.1

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>6最新版整理ppt6.1

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>7最新版整理ppt6.1

PWM控制的基本思想OwtUd-Ud對(duì)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。8最新版整理ppt6.1

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6.2節(jié)的PWM逆變電路

6.4節(jié)的PWM整流電路不等幅PWM波輸入電源是交流或不是恒定的直流

4.1節(jié)的斬控式交流調(diào)壓電路

4.4節(jié)的矩陣式變頻電路OwtUd-UdUoωt9最新版整理ppt6.1

PWM控制的基本思想2）PWM電流波電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波。PWM波可等效的各種波形直流斬波電路直流波形SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:所需波形等效的PWM波10最新版整理ppt6.2PWM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(shí)用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。11最新版整理ppt6.2PWM逆變電路及其控制方法

6.2.1計(jì)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

6.2.5提高直流電壓利用和減少開關(guān)次數(shù)

6.2.6PWM逆變電路的多重化12最新版整理ppt6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法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。13最新版整理ppt6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)。以u(píng)o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(shí)，uo等于Ud

。2）調(diào)制法圖6－4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(duì)調(diào)制法進(jìn)行說明14最新版整理ppt6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法2）調(diào)制法圖6－4單相橋式PWM逆變電路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。15最新版整理ppt6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法3）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)?。?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，請同學(xué)們自己分析。圖6-5單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。16最新版整理ppt6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法3）雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）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(hào)ur和載波信號(hào)uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制器件的通斷。ur正負(fù)半周，對(duì)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(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào)。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(hào)，給V1和V4關(guān)斷信號(hào)。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud

。圖6-6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。17最新版整理ppt6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法圖6-5雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud圖6-5單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud對(duì)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(duì)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。18最新版整理ppt6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法4）雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）圖6-7三相橋式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(hào)urU、urV和urW依次相差120°19最新版整理ppt6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud圖6-7三相橋式PWM型逆變電路

圖6-8三相橋式PWM逆變電路波形

下面以U相為例分析控制規(guī)律：當(dāng)urU>uc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，uUN’=Ud/2。當(dāng)urU<uc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，uUN’=-Ud/2。當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通。uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平。uUV波形可由uUN’-uVN’得出，當(dāng)1和6通時(shí)，uUV=Ud，當(dāng)3和4通時(shí)，uUV=－Ud，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uUV=0。20最新版整理ppt6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法輸出線電壓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)間同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hào)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(huì)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圖6-7三相橋式PWM型逆變電路

圖6-8三相橋式PWM逆變電路波形

21最新版整理ppt6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法5）特定諧波消去法

(SelectedHarmonicEliminationPWM—SHEPWM)這是計(jì)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(gè)開關(guān)時(shí)刻可控。為減少諧波并簡化控制，要盡量使波形對(duì)稱。圖6-9特定諧波消去法的輸出PWM波形OwtuoUd-Ud2ppa1a2a322最新版整理ppt6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法首先，為消除偶次諧波，使波形正負(fù)兩半周期鏡對(duì)稱，即(6-1)其次，為消除諧波中余弦項(xiàng)，應(yīng)使波形在正半周期內(nèi)前后1/4周期以π/2為軸線對(duì)稱

(6-2)同時(shí)滿足式（6-1）、（6-2）的波形稱為四分之一周期對(duì)稱波形，用傅里葉級(jí)數(shù)表示為

(6-3)

式中，an為23最新版整理ppt6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法圖6-9，能獨(dú)立控制a1、a

2和a

3共3個(gè)時(shí)刻。該波形的an為

式中n=1,3,5,…OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3確定a1的值，再令兩個(gè)不同的an=0(n=1,3,5…)，就可建三個(gè)方程，求得a1、a2和a3。圖6-9特定諧波消去法的輸出PWM波形24最新版整理ppt消去兩種特定頻率的諧波6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法在三相對(duì)稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消?？煽紤]消去5次和7次諧波，得如下聯(lián)立方程：給定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1變，a1、a2和a3也相應(yīng)改變。（6－5）25最新版整理ppt6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法一般在輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各k次，考慮到PWM波四分之一周期對(duì)稱，k個(gè)開關(guān)時(shí)刻可控，除用一個(gè)自由度控制基波幅值外，可消去k－1個(gè)頻率的特定諧波。k的取值越大，開關(guān)時(shí)刻的計(jì)算越復(fù)雜。除計(jì)算法和調(diào)制法外，還有跟蹤控制方法，在6.3節(jié)介紹。26最新版整理ppt6.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制根據(jù)載波和信號(hào)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(hào)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，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)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(duì)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(duì)稱的影響就變大載波比載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，N=fc/fr1）異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式27最新版整理ppt6.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制2）

同步調(diào)制——載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時(shí)使載波與信號(hào)波保持同步，即N等于常數(shù)。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud圖6-10同步調(diào)制三相PWM波形基本同步調(diào)制方式，fr變化時(shí)N不變，信號(hào)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(duì)稱。為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)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(huì)過高，使開關(guān)器件難以承受。28最新版整理ppt6.2.2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。為防止fc在切換點(diǎn)附近來回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法。同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)?？稍诘皖l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。圖6-11分段同步調(diào)制方式舉例

29最新版整理ppt6.2.3規(guī)則采樣法1）自然采樣法：按照SPWM控制的基本原理產(chǎn)生的PWM波的方法，其求解復(fù)雜，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，工程應(yīng)用不多。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖6-12規(guī)則采樣法2）規(guī)則采樣法工程實(shí)用方法，效果接近自然采樣法，計(jì)算量小得多。30最新版整理ppt6.2.3規(guī)則采樣法三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc

。自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波(負(fù)峰點(diǎn))重合。規(guī)則采樣法使兩者重合，使計(jì)算大為減化。如圖所示確定A、B點(diǎn)，在tA和tB時(shí)刻控制開關(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。

規(guī)則采樣法原理ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖6-12規(guī)則采樣法31最新版整理ppt6.2.3規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法計(jì)算公式推導(dǎo)正弦調(diào)制信號(hào)波三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度(6-7)a稱為調(diào)制度，0≤a<1；wr為信號(hào)波角頻率從圖6-12得,(6-6)ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖6-12規(guī)則采樣法32最新版整理ppt6.2.3規(guī)則采樣法3）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(shí)刻三相調(diào)制波電壓之和為零，由式(6-6)得

由式(6-7)得利用以上兩式可簡化三相SPWM波的計(jì)算(6-8)(6-9)33最新版整理ppt6.2.4PWM逆變電路的諧波分析使用載波對(duì)正弦信號(hào)波調(diào)制，會(huì)產(chǎn)生和載波有關(guān)的諧波分量。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。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。分析方法以載波周期為基礎(chǔ)，再利用貝塞爾函數(shù)推導(dǎo)出PWM波的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式。盡管分析過程復(fù)雜，但結(jié)論簡單而直觀。34最新版整理ppt6.2.4PWM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0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0圖6-13，不同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。圖6-13單相PWM橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖35最新版整理ppt6.2.4PWM逆變電路的諧波分析2）三相的分析結(jié)果公用載波信號(hào)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)，圖6-14，不同a時(shí)三相橋式PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖。公用載波信號(hào)時(shí)的情況。1002+-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)圖6-14三相橋式PWM逆變電路輸出線電壓頻譜圖諧波振幅36最新版整理ppt6.2.4PWM逆變電路的諧波分析三相和單相比較，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。當(dāng)調(diào)制信號(hào)波不是正弦波時(shí)，諧波由兩部分組成：一部分是對(duì)信號(hào)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(hào)波對(duì)載波的調(diào)制而產(chǎn)生的諧波。后者的諧波分布情況和SPWM波的諧波分析一致。諧波分析小結(jié)37最新版整理ppt6.2.5提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)直流電壓利用率——逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值U1m和直流電壓Ud之比。提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸出能力。減少器件的開關(guān)次數(shù)可以降低開關(guān)損耗。正弦波調(diào)制的三相PWM逆變電路，調(diào)制度a為1時(shí)，輸出線電壓的基波幅值為，直流電壓利用率為0.866，實(shí)際還更低。梯形波調(diào)制方法的思路采用梯形波作為調(diào)制信號(hào)，可有效提高直流電壓利用率。當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí)，梯形波所含的基波分量幅值更大。38最新版整理pptucurUurVurWuuUN'OwtOwtOwtOwtuVN'uUV6.2.5提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)圖6-15梯形波為調(diào)制信號(hào)的PWM控制1）梯形波調(diào)制方法的原理及波形梯形波的形狀用三角化率s=Ut/Uto描述，Ut為以橫軸為底時(shí)梯形波的高，Uto為以橫軸為底邊把梯形兩腰延長后相交所形成的三角形的高。s=0時(shí)梯形波變?yōu)榫匦尾?，s=1時(shí)梯形波變?yōu)槿遣?。梯形波含低次諧波，PWM波含同樣的低次諧波。低次諧波（不包括由載波引起的諧波）產(chǎn)生的波形畸變率為d。39最新版整理ppt6.2.5提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)圖6-16，d和U1m/Ud隨s

變化的情況。圖6-17，s變化時(shí)各次諧波分量幅值Unm和基波幅值U1m之比。U,d00.20.40.60.81.0d0.20.40.60.81.01.21mUdUdU1m圖6-16s

變化時(shí)的d

和直流電壓利用率

s0.20.40.60.81.0s5wr00.10.27wr11wr13wrU1mUmn圖6-17s變化時(shí)的各次諧波含量梯形波調(diào)制的缺點(diǎn)：輸出波形中含5次、7次等低次諧波s=0.4時(shí)，諧波含量也較少，約為3.6%，直流電壓利用率為1.03，綜合效果較好。40最新版整理ppt2）線電壓控制方式6.2.5提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)uucr1uOwturur1uOwtur3圖6-18疊加3次諧波的調(diào)制信號(hào)對(duì)兩個(gè)線電壓進(jìn)行控制，適當(dāng)?shù)乩枚嘤嗟囊粋€(gè)自由度來改善控制性能。目標(biāo)——使輸出線電壓不含低次諧波的同時(shí)盡可能提高直流電壓利用率，并盡量減少器件開關(guān)次數(shù)。直接控制手段仍是對(duì)相電壓進(jìn)行控制，但控制目標(biāo)卻是線電壓相對(duì)線電壓控制方式，控制目標(biāo)為相電壓時(shí)稱為相電壓控制方式。鞍形波的基波分量幅值大。除疊加3次諧波外，還可疊加其他3倍頻的信號(hào)，也可疊加直流分量，都不會(huì)影響線電壓。疊加三次諧波在相電壓調(diào)制信號(hào)中疊加3次諧波，使之成為鞍形波，輸出相電壓中也含3次諧波，且三相的三次諧波相位相同。合成線電壓時(shí)，3次諧波相互抵消，線電壓為正弦波。41最新版整理ppt6.2.5提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)3）線電壓控制方式舉例（疊加3倍次諧波和直流分量）疊加up，既包含3倍次諧波，也包含直流分量，up大小隨正弦信號(hào)的大小而變化。設(shè)三角波載波幅值為1，三相調(diào)制信號(hào)的正弦分別為urU1、urV1和urW1，并令

(6-12)

則三相的調(diào)制信號(hào)分別為

圖6-19線電壓控制方式舉例42最新版整理ppt6.2.5提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)不論urU1、urV1和urW1幅值的大小，urU、urV、urW總有1/3周期的值和三角波負(fù)峰值相等。在這1/3周期中，不對(duì)調(diào)制信號(hào)值為-1的相進(jìn)行控制，只對(duì)其他兩相進(jìn)行控制，這種控制方式稱為兩相控制方式

。

優(yōu)點(diǎn)（1）在1/3周期內(nèi)器件不動(dòng)作，開關(guān)損耗減少1/3。（2）最大輸出線電壓基波幅值為Ud，直流電壓利用率提高。（3）輸出線電壓不含低次諧波，優(yōu)于梯形波調(diào)制方式。43最新版整理ppt6.2.6PWM逆變電路的多重化PWM多重化逆變電路，一般目的：提高等效開關(guān)頻率、減少開關(guān)損耗、減少和載波有關(guān)的諧波分量PWM逆變電路多重化聯(lián)結(jié)方式有變壓器方式和電抗器方式利用電抗器聯(lián)接的二重PWM逆變電路（圖6-20，圖6-21)圖6-20二重PWM型逆變電路兩個(gè)單元逆變電路的載波信號(hào)相互錯(cuò)開180°輸出端相對(duì)于直流電源中點(diǎn)N’的電壓uUN’=(uU1N’+uU2N’)/2,已變?yōu)閱螛O性PWM波44最新版整理ppt6.2.6PWM逆變電路的多重化輸出線電壓共有0、(±1/2)Ud、±Ud五個(gè)電平，比非多重化時(shí)諧波有所減少。電抗器上所加電壓頻率為載波頻率，比輸出頻率高得多，只要很小的電抗器就可以了。輸出電壓所含諧波角頻率仍可表示為nwc+kwr，但其中n為奇數(shù)時(shí)的諧波已全被除去，諧波最低頻率在2wc附近，相當(dāng)于電路的等效載波頻率提高一倍。圖6-21二重PWM型逆變電路輸出波形

45最新版整理ppt6.3PWM跟蹤控制技術(shù)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(hào)，把實(shí)際波形作為反饋信號(hào)，通過兩者的瞬時(shí)值比較來決定逆變電路各開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤指令信號(hào)變化。常用的有滯環(huán)比較方式和三角波比較方式。46最新版整理ppt6.3PWM跟蹤控制技術(shù)

6.3.1滯環(huán)比較方式

6.3.2三角形比較方式

47最新版整理ppt6.3.1滯環(huán)比較方式1)跟蹤型PWM變流電路中，電流跟蹤控制應(yīng)用最多。tOiii*+DIi*-DIi*圖6-23滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流圖6-22滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例基本原理把指令電流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。V1（或VD1）通時(shí)，i增大V2（或VD2）通時(shí)，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*。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48最新版整理ppt6.3.1滯環(huán)比較方式2)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逆變電路脈寬的變化是隨機(jī)的49最新版整理ppt6.3.1滯環(huán)比較方式3)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(diǎn)。（1）硬件電路簡單。（2）實(shí)時(shí)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(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率時(shí)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(diǎn)。50最新版整理ppt6.3.1滯環(huán)比較方式4)采用滯環(huán)比較方式實(shí)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(hào)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(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。圖6-26電壓跟蹤控制電路舉例51最新版整理ppt6.3.1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(hào)從電流變?yōu)殡妷骸］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(shí)，輸出電壓u為頻率較高的矩形波，相當(dāng)于一個(gè)自勵(lì)振蕩電路。u*為直流信號(hào)時(shí)，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(hào)時(shí)，只要其頻率遠(yuǎn)低于上述自勵(lì)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(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。52最新版整理ppt6.3.2三角形比較方式負(fù)載+-iUi*U+-iVi*V+-iWi*WUdC+-C+-C+-三相三角波發(fā)生電路AAA(1)基本原理不是把指令信號(hào)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(shí)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。(2)特點(diǎn)開關(guān)頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器設(shè)計(jì)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53最新版整理ppt6.3.2三角形比較方式不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)鐘。以固定采樣周期對(duì)指令信號(hào)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(shí)鐘信號(hào)到來的時(shí)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(gè)采樣時(shí)刻的控制作用都使實(shí)際電流與指令電流的誤差減小。采用定時(shí)比較方式時(shí)，器件的最高開關(guān)頻率為時(shí)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。(3)除上述兩種比較方式外，還有定時(shí)比較方式。54最新版整理ppt6.4PWM整流電路及其控制方法實(shí)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?？刂芇WM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。55最新版整理ppt6.4PWM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56最新版整理ppt1．單相PWM整流電路圖6-28單相PWM整流電路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。半橋電路直流側(cè)電容必須由兩個(gè)電容串聯(lián)，其中點(diǎn)和交流電源連接。單相半橋電路

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。全橋電路直流側(cè)電容只要一個(gè)就可以。單相全橋電路57最新版整理ppt6.4.1PWM整流電路的工作原理(1)單相全橋PWM整流電路的工作原理正弦信號(hào)波和三角波相比較的方法對(duì)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(gè)SPWM波uAB。uAB中含有和正弦信號(hào)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(dòng)。當(dāng)正弦信號(hào)波頻率和電源頻率相同時(shí)，is也為與電源頻率相同的正弦波。us一定時(shí)，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。58最新版整理ppt6.4.1PWM整流電路的工作原理圖6-29PWM整流電路的運(yùn)行方式向量圖a)整流運(yùn)行b)逆變運(yùn)行c)無功補(bǔ)償運(yùn)行d)超前角為j

dj·Us·UL·UR·UAB·Isd·Us·UR·UAB·Is·ULd·Us·UR·UAB·Is·ULd·Us·UR·UAB·Is·UL59最新版整理ppt6.4.1PWM整流電路的工作原理b)逆變運(yùn)行d·Us·UR·UAB·Is·ULa)整流運(yùn)行d·Us·UL·UR·UAB·Isa：滯后相角d

，和同相，整流狀態(tài)，功率因數(shù)為1。PWM整流電路最基本的工作狀態(tài)。b：超前相角d

，和反相，逆變狀態(tài)，說明PWM整流電路可實(shí)現(xiàn)能量正反兩個(gè)方向的流動(dòng)，這一特點(diǎn)對(duì)于需再生制動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)很重要60最新版整理ppt6.4.1PWM整流電路的工作原理c)無功補(bǔ)償運(yùn)行d·Us·UR·UAB·Is·ULd)超前角為j

jd·Us·UR·UABIs·ULc：滯后相角d，超前90°，電路向交流電源送出無功功率，這時(shí)稱為靜止無功功率發(fā)生器（StaticVarGenerator—SVG）。d：通過對(duì)幅值和相位的控制，可以使比超前或滯后任一角度j

。61最新版整理ppt6.4.1PWM整流電路的工作原理(2)對(duì)單相全橋PWM整流電路工作原理的進(jìn)一步說明整流狀態(tài)下:us>0時(shí)，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分別組成兩個(gè)升壓斬波電路，以（V2、VD4、VD1、Ls）為例。V2通時(shí)，us通過V2、VD4向Ls儲(chǔ)能。V2關(guān)斷時(shí)，Ls中的儲(chǔ)能通過VD1、VD4向C充電。us<0時(shí)，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分別組成兩個(gè)升壓斬波電路。62最新版整理ppt6.4.1PWM整流電路的工作原理2．三相PWM整流電路三相橋式PWM整流電路，是最基本的PWM整流電路之一，應(yīng)用最廣。工作原理和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴(kuò)展到三相。進(jìn)行SPWM控制，在交流輸入端A、B和C可得SPWM電壓，按圖6-29a的相量圖控制，可使ia、ib、ic為正弦波且和電壓同相且功率因數(shù)近似為1。和單相相同，該電路也可工作在逆變運(yùn)行狀態(tài)及圖c或d的狀態(tài)。圖6-30三相橋式PWM整流電路

負(fù)載63最新版整理ppt6.4.2PWM整流電路的控制方法圖6-31間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1)間接電流控制間接電流控制也稱為相位和幅值控制。按圖6-29a（逆變時(shí)為圖6-29b）的相量關(guān)系來控制整流橋交流輸入端電壓，使得輸入電流和電壓同相位，從而得到功率因數(shù)為1的控制效果。圖6-31，間接電流控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中的PWM整流電路為圖6-30的三相橋式電路控制系統(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側(cè)電壓控制環(huán)。有多種控制方法，根據(jù)有沒有引入電流反饋可分為兩種

間接電流控制、直接電流控制。64最新版整理ppt6.4.2PWM整流電路的控制方法從整流運(yùn)行向逆變運(yùn)行轉(zhuǎn)換首先負(fù)載電流反向而向C充電，ud抬高，PI調(diào)節(jié)器出現(xiàn)負(fù)偏差，id減小后變?yōu)樨?fù)值，使交流輸入電流相位和電壓相位反相，實(shí)現(xiàn)逆變運(yùn)行。穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud和仍然相等，PI調(diào)節(jié)器輸入恢復(fù)到零，id為負(fù)值，并與逆變電流的大小對(duì)應(yīng)?？刂圃砗蛯?shí)際的直流電壓ud比較后送入PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出為一直流電流信號(hào)id，id的大小和整流器交流輸入電流幅值成正比。穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud=，PI調(diào)節(jié)器輸入為零，PI調(diào)節(jié)器的輸出id和負(fù)載電流大小對(duì)應(yīng)，也和交流輸入電流幅值相對(duì)應(yīng)。負(fù)載電流減小時(shí)，調(diào)節(jié)過程和上述過程相反。負(fù)載電流增大時(shí)，C放電而使ud下降，PI的輸入端出現(xiàn)正偏差，使其輸出id增大，進(jìn)而使交流輸入電流增大，也使ud回升。達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud和相等，PI調(diào)節(jié)器輸入仍恢復(fù)到零，而id則穩(wěn)定為新的較大的值，與較大的負(fù)載電流和較大的交流輸入電流對(duì)應(yīng)。65最新版整理ppt6.4.2PWM整流電路的控制方法控制系統(tǒng)中其余部分的工作原理圖中上面的乘法器是id分別乘以和a、b、c三相相電壓同相位的正弦信號(hào)，再乘以電阻R，得到各相電流在Rs上的壓降uRa、uRb和uRc。圖中下面的乘法器是id分別乘以比a、b、c三相相電壓相位超前π/2的余弦信號(hào)，再乘以電感L的感抗，得到各相電流在電感Ls上的壓降uLa、uLb和uLc。各相電源相電壓ua、ub、uc分別減去前面求得的輸入電流在電阻R