第六章 PWM控制技术引言引言6.1 6.1 PWMPWM控制的基本原理控制的基本原理6.2 6.2 PWMPWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法6.3 6.3 PWMPWM跟踪控制技术跟踪控制技术6.4 6.4 PWMPWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法本章小结本章小结1第六章 PWM控制技术 引言 PWM (Pulse Width Modulation)控制就是 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)。 第3、4章已涉及到PWM控制，第3章直流斩波电路 采用的就PWM技术；第4章的4.1斩控式调压电路和 4.4矩阵式变频电路都涉及到了。2第六章 PWM控制技术 引言 PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实 现PWM控制变得十分容易。 PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地 位。 PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确 定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变 电路都采用了PWM技术，因此，本章和第5章（逆变电路） 相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。36.1 PWM控制的基本思想1）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。冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f (t) d (t)tO a)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf (t)f (t)f (t)46.1 PWM控制的基本思想b)图6-2 冲量相等的各 种窄脉冲的响应波形具体的实例说明 “面积等效原理”a）u (t)电压窄脉冲， 是电路的输入 。i (t)输出电流，是 电路的响应。 5OutSPWM波6.1 PWM控制的基本思想Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Out66.1 PWM控制的基本思想若要改变等效输出正弦 波幅值，按同一比例改 变各脉冲宽度即可。OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Out76.1 PWM控制的基本思想OwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM 波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM 波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。86.1 PWM控制的基本思想等幅PWM波输入电源是恒定直流第3章的直流斩波电路 6.2节的PWM逆变电路6.4节的PWM整流电路不等幅PWM波输入电源是交流或不是 恒定的直流4.1节的斩控式交流调压电路4.4节的矩阵式变频电路OwtUd-UdUot96.1 PWM控制的基本思想2）PWM电流波电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM 电流波。PWM波可等效的各种波形 直流斩波电路 直流波形 SPWM波 正弦波形 等效成其他所需波形，如:l 所需波形 l 等效的PWM波106.2 PWM逆变电路及其控制方法 目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。 逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。 本节内容构成了本章的主体。 PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。116.2 PWM逆变电路及其控制方法6.2.16.2.1 计算法和调制法计算法和调制法6.2.26.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制6.2.36.2.3 规则采样法规则采样法6.2.46.2.4 PWMPWM逆变电路得谐波分析逆变电路得谐波分析6.2.56.2.5 提高直流电压利用和减少开关次数提高直流电压利用和减少开关次数6.2.66.2.6 PWMPWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化126.2.1 计算法和调制法1）计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计 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。136.2.1 计算法和调制法工作时V1和V2通断互补， V3和V4通断也互补。以uo正半周为例，V1通， V2断，V3和V4交替通断。负载电流比电压滞后，在 电压正半周，电流有一段 区间为正，一段区间为负 。负载电流为正的区间，V1 和V4导通时，uo等于Ud 。2）调制法图64 单相桥式PWM逆变电路结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明146.2.1 计算法和调制法2）调制法图64 单相桥式PWM逆变电路 V4关断时，负载电流通过V1和 VD3续流，uo=0 负载电流为负的区间， V1和 V4仍导通，io为负，实际上io从 VD1和VD4流过，仍有uo=Ud 。 V4关断V3开通后，io从V3和 VD1续流，uo=0。 uo总可得到Ud和零两种电平 。uo负半周，让V2保持通，V1保 持断，V3和V4交替通断，uo可 得-Ud和零两种电平。156.2.1 计算法和调制法3）单极性PWM控制方式（单相桥逆变）ur正半周，V1保持通， V2保持断。当uruc时使V4通， V3断，uo=Ud 。当uruc时，给V1和V4导通信号，给 V2和V3关断信号。 如io0，V1和V4通，如io0，VD2和 VD3通，uo=-Ud 。图6-6 双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuo Ud-Ud在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。176.2.1 计算法和调制法图6-5 双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图6-5 单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuo Ud-Ud对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单 极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断 控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。186.2.1 计算法和调制法4）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）图6-7 三相桥式PWM型逆变电路 三相的PWM控制 公用三角波载波uc 三相的调制信号urU 、urV和urW依次相 差120196.2.1 计算法和调制法ucurUurVurW uuUNuVNuWNuUNuUV Ud-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud 32 Ud图6-7 三相桥式PWM型逆变电路 图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形 下面以U相为例分析控制规律：当urUuc时，给V1导通信号， 给V4关断信号，uUN=Ud/2。 当urU i*，V1断，V2通，使I 减小。 每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令电流的误 差减小。 采用定时比较方式时，器件的最高开关频率为时钟频率 的1/2。 和滞环比较方式相比，电流控制误差没有一定的环宽， 控制的精度低一些。(3) 除上述两种比较方式外，还有定时比较方式。546.4 PWM整流电路及其控制方法实用的整流电路几乎都是晶闸管整流或二极管整流。晶闸管相控整流电路：输入电流滞后于电压，且其中谐 波分量大，因此功率因数很低。二极管整流电路：虽位移因数接近1，但输入电流中谐 波分量很大，所以功率因数也很低。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成 了PWM整流电路。控制PWM整流电路，使其输入电流非常接近正弦波，且 和输入电压同相位，功率因数近似为1，也称单位功率 因数变流器，或高功率因数整流器。556.4 PWM整流电路及其控制方法6.4.1 6.4.1 PWMPWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理6.4.2 6.4.2 PWMPWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法561单相PWM整流电路图6-28 单相PWM整流电路6.4.1 PWM整流电路的工作原理PWM整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前 电压型的较多。半桥电路直流侧电容必须由两 个电容串联，其中点和交流电源 连接。单相半桥电路 交流侧电感Ls包括外接电抗器的 电感和交流电源内部电感，是电 路正常工作所必须的。全桥电路直流侧电容只要一个就 可以。 单相全桥电路576.4.1 PWM整流电路的工作原理(1)单相全桥PWM整流电路的工作原理 正弦信号波和三角波相比较的 方法对图6-28b中的V1V4进行 SPWM控制，就可以在桥的交 流输入端AB产生一个SPWM波 uAB。 uAB中含有和正弦信号波同频率 且幅值成比例的基波分量，以 及和三角波载波有关的频率很 高的谐波，不含有低次谐波。 由于Ls的滤波作用，谐波电压只使is产生很小的脉动。 当正弦信号波频率和电源频率相同时，is也为与电源频率相同的 正弦波。 us一定时，is幅值和相位仅由uAB中基波uABf的幅值及其与us的相 位差决定。 改变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与us相位差为所需角度。586.4.1 PWM整流电路的工作原理图6-29 PWM整流电路的运行方式向量图a)整流运行b)逆变运行c)无功补偿运行d) 超前角为j djUsULURUABIsd UsURUABIsULdUsURUABIsULdUs URUABIsUL596.4.1 PWM整流电路的工作原理b)逆变运行d UsURUABIsULa)整流运行dUsULURUABIsa： 滞后 相角d ， 和 同相，整流状态 ，功率因数为1。PWM整 流电路最基本的工作状态 。b： 超前 相角d ， 和 反相，逆变状态， 说明PWM整流电路可实现 能量正反两个方向的流动 ，这一特点对于需再生制 动的交流电动机调速系统 很重要606.4.1 PWM整流电路的工作原理c)无功补偿运行dUs URUABIsULd) 超前角为j j dUsURUABIsULc： 滞后 相角d， 超前 90，电路向交 流电源送出无功功率， 这时称为静止无功功率 发生器（Static Var GeneratorSVG）。d：通过对 幅值和相位 的控制，可以使 比 超前或滞后任一角度j 。616.4.1 PWM整流电路的工作原理(2)对单相全桥PWM整流电路工作原理的进一步说明整流状态下: us 0时，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分 别组成两个升压斩波电路，以（V2、VD4、VD1、Ls）为例。V2通时，us通过V2、VD4向Ls储能。V2关断时，Ls中的储能通过 VD1、VD4向C充电。us 0时，（V1、VD3、VD2、 Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls ）分别组成两个升压斩波电路 。626.4.1 PWM整流电路的工作原理2三相PWM整流电路三相桥式PWM整流电路，是最基本的PWM整流电路之一，应用 最广。 工作原理和前述的单相全 桥电路相似，只是从单相 扩展到三相。 进行SPWM控制，在交流 输入端A、B和C可得 SPWM电压，按图6-29a 的相量图控制，可使ia、ib 、ic为正弦波且和电压同 相且功率因数近似为1。 和单相相同，该电路也可 工作在逆变运行状态及图c 或d的状态。图6-30 三相桥