第七章,PWM控制技术,本章主要内容,7.1PWM控制的基本原理 7.2PWM逆变电路及其控制方法 7.3PWM跟踪控制技术 7.4PWM整流电路及其控制方法,概述,PWM (Pulse Width Modulation) 控制技术就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形(含形状和幅值) 直流斩波电路、斩控式交流调压电路采用了PWM技术 PWM控制技术在逆变电路中应用最为广泛，对逆变电路影响最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路,7.1PWM控制的基本原理,PWM控制技术重要理论基础面积等效原理 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同,7.1PWM控制的基本原理,SPWM等效正弦波 第一步：将正弦半波等效为N个相连的脉冲序列 宽度为/N，幅值顶部是曲线，大小按正弦规律变化 第二步：利用数量相同的等幅而不等宽的矩形脉冲代替脉冲序列 使矩形脉冲中点与正弦波部分中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，即为PWM波 正弦波负半周可得到类似PWM波形 定义：脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,7.1PWM控制的基本原理,等幅PWM波 输入电源是恒定直流，如直流斩波、 PWM逆变 不等幅PWM波 输入电源是交流或不是恒定的直流，如斩控式交流调压,7.2PWM逆变电路及其控制方法,计算法和调制法 异步调制和同步调制 规则采样法 PWM逆变电路的谐波分析 提高直流电压利用率和减少开关次数 空间矢量PWM控制 PWM逆变电路的多重化,7.2PWM逆变电路及其控制方法,1. 计算法和调制法,计算法 根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形 本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化,7.2PWM逆变电路及其控制方法,1. 计算法和调制法,调制法 把希望波形作为调制信号，将接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多 除正弦波外，其他波形也适用,7.2PWM逆变电路及其控制方法,1. 计算法和调制法,单相桥式逆变电路 V1和V2通断互补，V3和V4通断互补 在uo正半周，V1导通，V2关断，V3和V4交替通断,io比uo滞后，在uo正半周，io一段区间为正，一段区间为负 io为正，V1和V4导通，uo=Ud；V4关断，V1和VD3续流，uo=0 io为负，V1和V4仍导通，io从VD1和VD4流过，uo=Ud；V4关断，V3开通，V3和VD1续流，uo=0 uo包括Ud和0两种电平 在uo负半周，V2导通，V1关断，V3和V4交替通断，uo包括-Ud和0两种电平,io,7.2PWM逆变电路及其控制方法,1. 计算法和调制法,单极性PWM控制方式 调制信号ur为正弦波，载波uc在ur正半周为正极性三角波，在负半周为负极性三角波 在ur正半周，V1导通，V2关断 uruc，导通V4，关断V3，uo=Ud uruc，关断V3，导通V4，uo=0,io,7.2PWM逆变电路及其控制方法,1. 计算法和调制法,双极性PWM控制方式 仍然在ur和uc的交点，控制各开关器件通断 在ur半个周期内， uc有正有负，PWM波也有正有负，在ur一个周期内，PWM波只有Ud两种电平 在ur正负半周各开关控制规律相同 uruc，V1和V4导通，V2和V3关断。io0，V1和V4通；io0，VD2和VD3 通，uo=-Ud,io,7.2PWM逆变电路及其控制方法,1. 计算法和调制法,三相桥式PWM逆变电路 采用双极性控制方式 U、V和W三相公用一个三角波载波uc，三相调制信号urU、urV和urW依次相差120o 工作过程 urUuc，V1导通，V4关断，uUN=Ud/2 urUuc，V4导通，V1关断，uUN=-Ud/2 V1和V4的驱动信号始终互补 给V1(V4)加导通信号时，V1(V4)或者 VD1(VD4)导通，由阻感负载中电流方向决定,7.2PWM逆变电路及其控制方法,1. 计算法和调制法,工作过程 uUN、uVN和uWN的PWM波只有Ud/2两种电平 输出线电压PWM波包括Ud和0三种电平：臂1和6导通，uUV=Ud 臂3和4导通，uUV=-Ud臂1和3或4和6导通，uUV=0 负载相电压uUN 负载相电压PWM波包括(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平 为防止上下臂直通造成短路，在两臂通断切换时留一小段都施加关断信号的死区时间,7.2PWM逆变电路及其控制方法,2. 异步调制和同步调制,载波比载波频率fc与调制频率fr之比N= fc/fr 根据载波和信号波是否同步及载波比变化,分为异步和同步调制 异步调制 载波和调制信号不保持同步的调制方式 同步调制 载波和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数,7.2PWM逆变电路及其控制方法,2. 异步调制和同步调制,异步调制 载波和调制信号不保持同步 保持fc不变，当fr变化时，载波比N是变化的 在信号波半个周期内，PWM波脉冲个数不固定，相位不固定，正负半周期脉冲不对称，半周期内前后1/4周期脉冲也不对称 fr较低，N较大，一周期内脉冲数较多，不对称影响都较小，波形接近正弦波 fr增高，N减小，一周期内脉冲数减少，不对称影响变大，波形和正弦波差异变大，三相PWM型逆变电路输出的对称性也差 应采用较高fc，使在fr较高时仍保持较大载波比,7.2PWM逆变电路及其控制方法,2. 异步调制和同步调制,同步调制 fr变化载波比N不变，信号波一周期内脉冲数固定，脉冲相位固定 分段同步调制 将fr范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比N为恒定，不同频段的载波比不同 fr高频段采用较低的载波比，使fc不致过高 fr低频段采用较高的载波比，使fc不致过低 低频可用异步调制，高频用同步调制,7.2PWM逆变电路及其控制方法,3. 规则采样法,自然采样法 在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，生成SPWM波的方法 求解复杂，难以实现在实时控制中的在线计算，工程应用不多 规则采样法 工程实用方法，效果接近自然采样法，但计算量却小得多，近似算法,7.2PWM逆变电路及其控制方法,3. 规则采样法,原理 三角波uc两个正峰值之间为一个采样周期Tc 脉冲中点与三角波对应中点(即负峰点)对称 在tD时刻D点，对ur采样，过D点直线和uc交于A和B点，在tA和tB时刻控制开关器件通断 得到的脉冲宽度和自然采样法非常接近,7.2PWM逆变电路及其控制方法,3. 规则采样法,和的确定 正弦调制信号波ur 得 脉冲间隙宽度,a为调制度，0a1,r为信号波角频率,7.2PWM逆变电路及其控制方法,3. 规则采样法,三相桥式逆变电路 三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120o 同一三角波周期内三相脉冲宽度分别为U、V和W，间隙宽度分别为U、V和W，在同一时刻三相正弦调制波电压之和为零 同理 利用上式可简化三相SPWM波计算,7.2PWM逆变电路及其控制方法,4. PWM逆变电路的谐波分析,载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量，其频率和幅值可衡量PWM逆变电路性能 双极性SPWM波形的谐波分析 同步调制是异步调制的特殊情况，分析异步调制 分析方法 以载波周期为基础，利用贝塞尔函数推导PWM波的傅里叶级数,7.2PWM逆变电路及其控制方法,4. PWM逆变电路的谐波分析,单相桥式PWM逆变电路 不同调制度下谐波角频率 n=1,3,5,时, k=0,2,4, , n=2,4,6,时, k=1,3,5, PWM波不含低次谐波，只含c及其附近的谐波，与2c、3c及其附近的谐波 c谐波分量幅值最高影响最大,7.2PWM逆变电路及其控制方法,4. PWM逆变电路的谐波分析,三相桥式PWM逆变电路 谐波角频率 n=1,3,5,时，k=3(2m- 1)1，m=1,2, n=2,4,6,时, PWM波不含低次谐波,不含c整数倍谐波， c2r和2cr是谐波中幅值较高的,7.2PWM逆变电路及其控制方法,7. PWM逆变电路的多重化,PWM多重化可提高等效开关频率、减少开关损耗、减少和载波有关的谐波分量 PWM逆变电路多重化联结包括变压器方式和电抗器方式 电抗器联接二重PWM逆变电路,两个单元载波信号相互错开180o 输出端相对于N的电压UUN=(uU1N+uU2N)/2,为单极性PWM波 谐波角频率仍为nc+kr，但n为奇数的谐波已被除去，最低频率在2c附近,要点总结,PWM控制原理：面积等效原理、SPWM PWM控制技术：调制法、自然采样法、规则采样法和多重化等，单极性、双极性PWM波，单相PWM逆变和三相PWM逆变特性等,作业,第7章：1、3、5、6(184页),