1、電力電子技術電子教案PWM控制技術1電力電子技術電力電子技術電子教案電子教案第第6章章 PWM控制技術控制技術電力電子技術電子教案PWM控制技術第第6章章 PWM控制技術控制技術 引言引言6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理6.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法 6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 6.2.2 異步調制和同步調制異步調制和同步調制 6.2.3 規則采樣法規則采樣法 6.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 6.2.5 提高直流電壓利用率和減少開關次數提高直流電壓利用率和減少開關次數 6.2.6 PWM逆變電路的多重化逆變電路的多重化6.

2、3 PWM跟蹤控制技術跟蹤控制技術 6.3.1 滯環比較方式滯環比較方式 6.3.2 三角波比較方式三角波比較方式6.4 PWM整流電路及其控制方法整流電路及其控制方法 6.4.1 PWM整流電路的工作原理整流電路的工作原理 6.4.2 PWM整流電路的控制方法整流電路的控制方法 本章小結本章小結電力電子技術電子教案PWM控制技術3引言引言 PWM（Pulse Width Modulation）控制）控制脈沖寬度調制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）第3、4章已涉及這方面內容第3章：直流斬波電路采用第4章有兩處： 4.1節斬控式交流調壓電路，4.4節矩

3、陣式變頻電路 本章內容本章內容PWM控制技術在逆變電路中應用最廣，應用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術正是有賴于在逆變電路中的應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位本章主要以逆變電路為控制對象來介紹PWM控制技術也介紹PWM整流電路電力電子技術電子教案PWM控制技術46.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 理論基礎理論基礎沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同沖量沖量指窄脈沖的面積效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異f (t)(t)tO圖6-1a)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t)圖6-

4、1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖電力電子技術電子教案PWM控制技術56.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 一個實例一個實例 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 面積等效原理面積等效原理a)Ob)圖6-2tbdcai(t)i(t)e(t)圖6-2 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形電力電子技術電子教案PWM控制技術66.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個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正弦半波N等分等分，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

5、，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等寬度按正弦規律變化tOua)b)圖6-3Out圖6-3 用PWM波代替正弦半波SPWM波形波形脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的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電力電子技術電子教案PWM控制技術76.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 等幅等幅PWM波和不等幅波和不等幅PWM波波由直流電源產生的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節的PWM整流電路輸入電源是交流，得到不等幅PWM波4.1節講述的斬控式交流調壓電路，4.4節的矩陣式變頻電路基于面積等效原理進行控制，本質是相

6、同的電力電子技術電子教案PWM控制技術86.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理PWM電流波電流波電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波PWM波形可等效的各種波形波形可等效的各種波形直流斬波電路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理電力電子技術電子教案PWM控制技術96.2 PWM逆變電路及其控制方法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技術逆變電路是PWM控制技術最為重要的應用場合本節內容構成了本章的主體PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實用的

7、PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路電力電子技術電子教案PWM控制技術106.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 計算法計算法根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化 調制法調制法輸出波形作調制信號，進行調制得到期望的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用最多，其任一點水平寬度和高度成線性關系且左右對稱電力電子技術電子教案PWM控制技術116.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 與任一平緩變化的調制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度

8、正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求 調制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波 調制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波電力電子技術電子教案PWM控制技術126.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 結合結合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調制法進行說單相橋式電壓型逆變電路對調制法進行說明明 工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補 控制規律控制規律uo正半周正半周，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷負載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區間為正，一段區間為負負載電流為正的區間，V1和V4導通時，uo等于UdV4關斷時，負載電流通過V1和VD3續流，uo

9、=0負載電流為負的區間， V1和V4仍導通，io為負，實際上io從VD1和VD4流過，仍有uo=Ud電力電子技術電子教案PWM控制技術136.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 V4關斷V3開通后，io從V3和VD1續流，uo=0 uo總可得到Ud和零兩種電平 uo負半周，讓V2保持通，V1保持斷，V3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平信號波載波圖6-4調制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc圖6-4 單相橋式PWM逆變電路電力電子技術電子教案PWM控制技術146.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 單極性單極性PWM控制方式（單相橋逆變）控制方式（單

10、相橋逆變）在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷 ur正半周正半周，V1保持通，V2保持斷當uruc時使V4通，V3斷，uo=Ud當uruc時使V4斷，V3通，uo=0 ur負半周負半周，V1保持斷，V2保持通當uruc時使V3斷，V4通，uo=0虛線uof表示uo的基波分量圖6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud圖6-5 單極性PWM控制方式波形電力電子技術電子教案PWM控制技術156.2.1 計算法和調制法計算法和調制法雙極性雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）控制方式（單相橋逆變）在ur的的半個周期內，三角波載波有正有負，所得PWM波也有正有負在ur一周期內，輸出PWM波只有U

11、d兩種電平仍在調制信號ur和載波信號uc的交點控制器件的通斷ur正負半周，對各開關器件的控制規律相同當當ur uc時時，給V1和V4導通信號，給V2和V3關斷信號如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通， uo=Ud電力電子技術電子教案PWM控制技術166.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 當當uruc時時，給V2和V3導通信號，給V1和V4關斷信號 如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud 單相橋式電路既可采取單極性調制，也可采用雙極性調制圖6-6urucuOtOtuouofuoUd- Ud圖6-6 雙極性PWM控制方式波形 電力電子技術電子教案PWM控制技術176.2.1 計

12、算法和調制法計算法和調制法雙極性雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）控制方式（單相橋逆變）三相的PWM控制公用三角波載波uc三相的調制信號urU、urV和urW依次相差120圖6-7調制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud圖6-7 三相橋式PWM型逆變電路 電力電子技術電子教案PWM控制技術186.2.1 計算法和調制法計算法和調制法U相的控制規律相的控制規律當ur Uuc時，給V1導通信號，給V4關斷信號，uUN=Ud/2當urUuc時，給V4導通信號，給V1關斷信號，uUN=-Ud/2當給V1(V4)加導通信號時

13、，可能是V1(V4)導通，也可能是VD1(VD4)導通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1和6通時，uUV=Ud，當3和4通時，uUV=Ud，當1和3或4和6通時，uUV=0輸出線電壓PWM波由Ud和0三種電平構成負載相電壓PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5種電平組成電力電子技術電子教案PWM控制技術196.2.1 6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法防直通死區時間防直通死區時間同一相上下兩臂的驅動信號互補，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關斷信號的死區時間死區時間的長短主要由開關器件的關斷時間決定死 區

14、 時 間 會 給 輸 出 的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波圖6-8ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd- UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22 Ud圖6-8 三相橋式PWM逆變電路波形 電力電子技術電子教案PWM控制技術206.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 特定諧波消去法特定諧波消去法(Selected Harmo-nic Elimination PWMSHEPWM)這是計算法中一種較有代表性的方法，如圖6-9輸出電壓半周期內，器件通、斷各3次（不包括0和），共6個開關時刻可控圖6-9OtuoUd-Ud2a1a2a3圖6-9

15、特定諧波消去法的輸出PWM波形為減少諧波并簡化控制，要盡量使波形對稱首先，為消除偶次諧波，使波形正負兩半周期鏡對稱，即 (6-1)()(tutu電力電子技術電子教案PWM控制技術216.2.1 計算法和調制法計算法和調制法其次，為消除諧波中余弦項，應使波形在正半周期內前后1/4周期以/2為軸線對稱 (6-2)同時滿足式（6-1）、（6-2）的波形稱為四分之一周期對稱波形，用傅里葉級數表示為 (6-3) 式中，an為)()(tutu, 5 , 3 , 1sin)(nntnatu20dsin)(4ttntuan電力電子技術電子教案PWM控制技術226.2.1 6.2.1 計算法和調制法計算法和調制

16、法 圖6-9，能獨立控制a a1、a a 2和a a 3共3個時刻。該波形的 an為 式中n=1,3,5, 確定a1的值，再令兩個不同的an=0，就可建三個方程，求得a a1、a a2和a a3)cos2cos2cos21 (2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211aaaaaaaaannnnUttnUttnUttnUttnUadddddn(6-4)電力電子技術電子教案PWM控制技術236.2.1 6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 消去兩種特定頻率的諧波消去兩種特定頻率的諧波 在三相對稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消，可考慮消去5次和7次諧

17、波，得如下聯立方程： 給定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1變，a1、a2和a3也相應改變0)7cos27cos27cos21 (720)5cos25cos25cos21 (52)cos2cos2cos21 (2321d7321d5321d1aaaaaaaaaUaUaUa(6-5)電力電子技術電子教案PWM控制技術246.2.1 6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法一般，在輸出電壓半周期內器件通、斷各k次，考慮PWM波四分之一周期對稱，k個開關時刻可控，除用一個控制基波幅值，可消去k1個頻率的特定諧波k越大，開關時刻的計算越復雜除計算法和調制法外，還有跟蹤控制方法，在6.3節介紹電力電

18、子技術電子教案PWM控制技術256.2.2 異步調制和同步調制異步調制和同步調制v 載波比載波比載波頻率fc與調制信號頻率fr之比，N= fc / frv 根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調制方式分為異步調制異步調制和同步調制同步調制1. 異步調制異步調制 異步調制異步調制載波信號和調制信號不同步的調制方式 通常保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的 在信號波的半周期內，PWM波的脈沖個數不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱 當fr較低時，N較大，一周期內脈沖數較多，脈沖不對稱產生的不利影響都較小 當fr增高時，N減小，

19、一周期內的脈沖數減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大電力電子技術電子教案PWM控制技術266.2.2 異步調制和同步調制異步調制和同步調制2. 同步調制同步調制 同步調制同步調制N等于常數，并在變頻時使載波和信號波保持同步 基本同步調制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內輸出脈沖數固定 三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數倍，使三相輸出對稱 為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應取奇數 fr很低時，fc也很低，由調制帶來的諧波不易濾除 fr很高時，fc會過高，使開關器件難以承受圖6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud圖6-10 同步調制三相PW

20、M波形電力電子技術電子教案PWM控制技術276.2.2 異步調制和同步調制異步調制和同步調制 分段同步調制分段同步調制(圖圖6-11）把fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持N恒定，不同頻段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在切換點附近來回跳動，采用滯后切換的方法同步調制比異步調制復雜，但用微機控制時容易實現可在低頻輸出時采用異步調制方式，高頻輸出時切換到同步調制方式，這樣把兩者的優點結合起來，和分段同步方式效果接近電力電子技術電子教案PWM控制技術286.2.3 規則采樣法規則采樣法v 按SPWM基本原理，自然采樣法

21、自然采樣法v 要求解復雜的超越方程，難以在實時控制中在線計算，工程應用不多 規則采樣法特點規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6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB22圖6-12 規則采樣法 電力電子技術電子教案PWM控制技術296.2.3 規則采樣法規則采樣法 規則采樣法原理規則采樣法原理圖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（即負峰點）重合規則采樣法使兩者重合，每個脈沖的中點都以相應的三角波中點為對稱，使計算大為簡化在三角波的負峰時刻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、

22、B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制開關器件的通斷脈沖寬度 和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近 電力電子技術電子教案PWM控制技術306.2.3 規則采樣法規則采樣法 規則采樣法計算公式推導規則采樣法計算公式推導 正弦調制信號波 式中，a稱為調制度調制度，0a1；r為信號波角頻率。從圖6-12得 因此可得 三角波一周期內，脈沖兩邊間隙寬度taursinr2/22/sin1cDrTta)sin1 (2DrctaT)sin1 (421DrcctaTT(6-6)(6-7)電力電子技術電子教案PWM控制技術316.2.3 規則采樣法規則采樣法 三相橋逆變電路的情況三相橋逆變電路的情況三角波載波公用

23、，三相正弦調制波相位依次差120同一三角波周期內三相的脈寬分別為U、V和W，脈沖兩邊的間隙寬度分別為U、V和W，同一時刻三相調制波電壓之和為零，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23cWVUT43c W V UT電力電子技術電子教案PWM控制技術326.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析v 使用載波對正弦信號波調制，產生了和載波有關的諧波分量v 諧波頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標之一v 分析雙極性SPWM波形v 同步調制可看成異步調制的特殊情況，只分析異步調制方式 分析方法分析方法不同信號波周期的PW

24、M波不同，無法直接以信號波周期為基準分析以載波周期為基礎，再利用貝塞爾函數推導出PWM波的傅里葉級數表達式分析過程相當復雜，結論卻簡單而直觀電力電子技術電子教案PWM控制技術336.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 單相的分析結果單相的分析結果 圖6-13，不同a時單相橋式PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖 諧波角頻率為 (6-10) 式中，n=1,3,5,時，k=0,2,4, ；n=2,4,6,時，k=1,3,5, rckn1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅圖6-13角頻率(nc +kr)0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=

25、0.8a=0.5a=0PWM波中不含低次諧波，只含c及其附近的諧波以及 2c、3c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電力電子技術電子教案PWM控制技術346.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 三相的分析結果三相的分析結果 公用載波信號時的情況 輸出線電壓中的諧波角頻率為 式中，n=1,3,5,時， k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,時， 圖6-14，輸出線電壓頻譜圖。, 2 , 116, 1 , 016mmmmk1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅圖6-140.20.40.60.81.01.2kna

26、=1.0a=0.8a=0.5a=0角頻率 (nc +kr)圖6-14 三相橋式PWM逆變電路輸出線電壓頻譜圖(6-11)rckn電力電子技術電子教案PWM控制技術356.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 和單相比較(圖6-13)，共同點是都不含低次諧波，一個較顯著的區別是載波角頻率c整數倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是是c2r和2cr SPWM波中諧波主要是角頻率為c、2c及其附近的諧波，很容易濾除 當調制信號波不是正弦波時，諧波由兩部分組成：一部分是對信號波本身進行諧波分析所得的結果，另一部分是由于信號波對載波的調制而產生的諧波。后者的諧波分布情況和SPWM波的諧波分析一

27、致電力電子技術電子教案PWM控制技術366.2.5 提高直流電壓利用率和減少提高直流電壓利用率和減少開關次數開關次數v 直流電壓利用率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v 提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸出能力v 減少器件的開關次數可以降低開關損耗v 正弦波調制的三相PWM逆變電路，調制度a為1時，輸出線電壓的基波幅值為 ，直流電壓利用率為0.866，實際還更低 梯形波調制方法的思路梯形波調制方法的思路 采用梯形波作為調制信號，可有效提高直流電壓利用率 當梯形波幅值和三角波幅值相等時，梯形波所含的基波分量幅值更大dU)2/3(電力電子技術電子教案PWM控制

28、技術376.2.5 提高直流電壓利用率和減提高直流電壓利用率和減少開關次數少開關次數 梯形波調制方法的原理及波形梯形波調制方法的原理及波形 梯形波的形狀用三角化率三角化率s=Ut/Uto描述，Ut為以橫軸為底時梯形波的高，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時梯形波變為矩形波，s=1時梯形波變為三角波 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）產生的波形畸變率為圖6-15ucurUurVurWuuUNOtOtOtOtuVNuUV圖6-15 梯形波為調制信號的PWM控制 電力電子技術電子教案PWM控制技術386.2.5 提高直流電壓

29、利用率和減提高直流電壓利用率和減少開關次數少開關次數 圖6-16，和U1m /Ud隨s 變化的情況 圖6-17，s變化時各次諧波分量幅值Unm和基波幅值U1m之比s = 0.4時，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 梯形波調制的缺點：輸出波形中含5次、7次等低次諧波00.20.40.60.81.0s圖6-160.20.40.60.81.01.2U1mUd,UdU1m圖6-16 s變化時的和直流電壓利用率 0.20.40.60.81.0s圖6-175r00.10.27r11r13rU1mUnm圖6-17 s變化時的各次諧波含量 電力電子技術電子教案PWM控制技術

30、396.2.5 提高直流電壓利用率和提高直流電壓利用率和減少開關次數減少開關次數 線電壓控制方式（疊加線電壓控制方式（疊加3次諧波）次諧波）對兩個線電壓進行控制，適當地利用多余的一個自由度來改善控制性能目標使輸出線電壓不含低次諧波的同時盡可能提高直流電壓利用率，并盡量減少器件開關次數圖6-18ucur1uOturur1uOtur3圖6-18 疊加3次諧波的調制信號電力電子技術電子教案PWM控制技術406.2.5 提高直流電壓利用率和減提高直流電壓利用率和減少開關次數少開關次數 直接控制手段仍是對相電壓進行控制，但控制目標卻是線電壓 相對線電壓控制方式，控制目標為相電壓時稱為相電壓相電壓控制方式

31、控制方式 在相電壓調制信號中疊加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，3次諧波相互抵消，線電壓為正弦波 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，也可疊加直流分量，都不會影響線電壓電力電子技術電子教案PWM控制技術416.2.5 提高直流電壓利用率和減提高直流電壓利用率和減少開關次數少開關次數 線電壓控制方式（疊加線電壓控制方式（疊加3倍次諧波和直流分量）倍次諧波和直流分量）（圖（圖6-19） 疊加up，既包含3倍次諧波，也包含直流分量，up大小隨正弦信號的大小而變化 設三角波載波幅值為1，三相調制信號的正弦分別為

32、urU1、urV1和urW1，并令 (6-12) 則三相的調制信號分別為1),min(rW1rV1rU1puuuuprW1rWprV1rVprU1rUuuuuuuuuu(6-13)電力電子技術電子教案PWM控制技術426.2.5 提高直流電壓利用率和減提高直流電壓利用率和減少開關次數少開關次數 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峰值相等。在這1/3周期中，不對調制信號值為-1的相進行控制，只對其他兩相進行控制，這種控制方式稱為兩相控制方式兩相控制方式 優點優點 （1）在1/3周期內器件不動作，開關損耗減少1/3 （2）最大輸出線電壓基

33、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，優于梯形波調制方式電力電子技術電子教案PWM控制技術436.2.6 PWM逆變電路的多重化逆變電路的多重化v PWM多重化逆變電路，一般目的：提高等效開關頻率、減少開關損耗、減少和載波有關的諧波分量v PWM逆變電路多重化聯結方式有變壓器方式和電抗器方式 利用電抗器聯接的二重利用電抗器聯接的二重PWM逆變電路逆變電路（圖6-20，圖 6-21)） 兩個單元的載波信號錯開180 輸出端相對于直流電源中點N的電壓uUN=(uU1N+uU2N)/2，已變為單極性PWM波圖6-20NU1V1W1U2V2W2uUuVuWUVW2Ud2Ud

34、圖6-20 二重PWM型逆變電路 電力電子技術電子教案PWM控制技術446.2.6 PWM逆變電路的多重化逆變電路的多重化 輸出線電壓共有0、(1/2)Ud、Ud五個電平，比非多重化時諧波有所減少 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nc+kr，但其中n為奇數時的諧波已全被除去，諧波最低頻率在2c附近，相當于電路的等效載波頻率提高一倍圖6-21Ud- UdOurUurVuc2uc1tuUVuOtOtOtOtOtuU1NuU2NuUNuVN2Ud2Ud圖6-21 二重PWM型逆變電路輸出波形 電力電子技術電子教案PWM控制技

35、術456.3 PWM跟蹤控制技術跟蹤控制技術vPWM波形生成的第三種方法跟蹤控制跟蹤控制 方法方法v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器件的通斷，使實際的 輸出跟蹤指令信號變化v常用的有滯環比較方式滯環比較方式和三角波比較方式三角波比較方式電力電子技術電子教案PWM控制技術466.3.1 滯環比較方式滯環比較方式v電流跟蹤控制應用最多v基本原理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減小通過環寬為2DI的滯

36、環比較器的控制，i就在i*+D DI和i*-D DI的范圍內，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*電力電子技術電子教案PWM控制技術476.3.1 滯環比較方式滯環比較方式v 參數的影響參數的影響 滯環環寬對跟蹤性能的影響：環寬過寬時，開關頻率低，跟蹤誤差大；環寬過窄時，跟蹤誤差小，但開關頻率過高，開關損耗增大 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，開關頻率過高負載L+圖6-22-iii*VD1VD2V1V22Ud2UdO圖6-23tiii*+DIi*-DIi*圖6-22 滯環比較方式電流跟蹤控制舉例圖6-23 滯環比較方式的指令電流和輸出電流電力電子技術電子教案PWM控制

37、技術486.3.1 滯環比較方式滯環比較方式v三相的情況三相的情況圖6-24+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVW圖6-25Oti*UOtuABiUi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逆變電路電力電子技術電子教案PWM控制技術496.3.1 滯環比較方式滯環比較方式v采用滯環比較方式的電流跟蹤型采用滯環比較方式的電流跟蹤型PWM變流電路變流電路有如下特點有如下特點 （1）硬件電路簡單 （2）實時控制，電流響應快 （3）不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波 （4）和計算法及調制法相比，相同開關頻率時輸出電

38、流中高次諧波含量多 （5）閉環控制，是各種跟蹤型PWM變流電路的共同特點電力電子技術電子教案PWM控制技術506.3.1 滯環比較方式滯環比較方式v采用滯環比較方式實現電壓跟蹤控制采用滯環比較方式實現電壓跟蹤控制 把指令電壓u*和輸出電壓u進行比較，濾除偏差信號中的諧波，濾波器的輸出送入滯環比較器，由比較器輸出控制開關器件的通斷，從而實現電壓跟蹤控制圖6-26濾波器+-uu*u2Ud2Ud圖6-26 電壓跟蹤控制電路舉例電力電子技術電子教案PWM控制技術516.3.1 滯環比較方式滯環比較方式 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為電壓 輸出電壓PWM波形中含大量高次諧波，必須

39、用適當的濾波器濾除 u*=0時，輸出電壓u為頻率較高的矩形波，相當于一個自勵振蕩電路 u*為直流信號時，u產生直流偏移，變為正負脈沖寬度不等，正寬負窄或正窄負寬的矩形波 u*為交流信號時，只要其頻率遠低于上述自勵振蕩頻率，從u中濾除由器件通斷產生的高次諧波后，所得的波形就幾乎和u* 相同，從而實現電壓跟蹤控制電力電子技術電子教案PWM控制技術526.3.2 三角波比較方式三角波比較方式v基本原理基本原理 不是把指令信號和三角波直接進行比較，而是通過閉環來進行控制 把指令電流i*U、i*V和i*W和實際輸出電流iU、iV、iW進行比較，求出偏差，通過放大器A放大后，再去和三角波進行比較，產生PW

40、M波形 放大器A通常具有比例積分特性或比例特性，其系數直接影響電流跟蹤特性電力電子技術電子教案PWM控制技術536.3.2 6.3.2 三角波比較方式三角波比較方式v特點特點 開關頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器設計方便 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負載+-iUi*U+-iVi*V+-iWi*WUdC+-C+-C+-三相三角波發生電路AAA圖6-27 三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路電力電子技術電子教案PWM控制技術546.3.2 三角波比較方式三角波比較方式v 定時比較方式定時比較方式 不用滯環比較器，

41、而是設置一個固定的時鐘 以固定采樣周期對指令信號和被控制變量進行采樣，根據偏差的極性來控制開關器件通斷 在時鐘信號到來的時刻，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，器件的最高開關頻率為時鐘頻率的1/2 和滯環比較方式相比，電流控制誤差沒有一定的環寬，控制的精度低一些電力電子技術電子教案PWM控制技術556.4 PWM整流電路及其控制方法整流電路及其控制方法 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，因此功率因數很低 二極管整流電路：雖位移因數接近1，但輸入電

42、流中諧波分量很大，所以功率因數也很低 把逆變電路中的SPWM控制技術用于整流電路，就形成了PWM整流電路整流電路 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，功率因數近似為1，也稱單位功單位功率因數變流器率因數變流器，或高功率因數整流器高功率因數整流器電力電子技術電子教案PWM控制技術566.4.1 PWM整流電路的工作原理整流電路的工作原理v 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單相單相PWM整流電路整流電路圖6-28a和b分別為單相半橋單相半橋和全橋全橋PWM整流電路半橋電路直流側電容必須由兩個電容串聯，其中點和交流電源連接全橋電路直流側電

43、容只要一個就可以交流側電感Ls包括外接電抗器的電感和交流電源內部電感，是電路正常工作所必須的a)負載b)圖6-28usLsisRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+udusLsRsV1V2VD1VD2ud負載C1C2圖6-28 單相PWM整流電路a) 單相半橋電路 b) 單相全橋電路電力電子技術電子教案PWM控制技術576.4.1 PWM整流電路的工作原理整流電路的工作原理 單相全橋單相全橋PWM整流電路的工作原理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V1V4進行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端AB產生一個SPWM波uABuAB中含有和正弦信號波同頻

44、率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波載波有關的頻率很高的諧波，不含有低次諧波由于Ls的濾波作用，諧波電壓只使is產生很小的脈動當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相位差為所需角度電力電子技術電子教案PWM控制技術586.4.1 PWM整流電路的工作原理整流電路的工作原理 相量圖相量圖（圖6-29）a： 滯后 相角 ， 和 同相，整流狀態，功率因數為1。PWM整流電路最基本的工作狀態b： 超前 相角 ，

45、和 反相，逆變狀態，說明PWM整流電路可實現能量正反兩個方向的流動，這一特點對于需再生制動的交流電動機調速系統很重要c： 滯后 相角， 超前 90，電路向交流電源送出無功功率，這時稱為靜止無功功率發生器（Static Var GeneratorSVG）d：通過對 幅值和相位的控制，可以使 比 超前或滯后任一角度jUABsUIssUUABsUIssUUABsUIssUUABIssU電力電子技術電子教案PWM控制技術596.4.1 PWM整流電路的工作原理整流電路的工作原理 對單相全橋對單相全橋PWM整流電路工作原理的進一步說明整流電路工作原理的進一步說明 整流整流狀態下狀態下us 0時時，（V2

46、、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分別組成兩個升壓斬波電路，以（V2、VD4、VD1、Ls）為例V2通時，us通過V2、VD4向Ls儲能V2關斷時，Ls中的儲能通過VD1、VD4向C充電電力電子技術電子教案PWM控制技術606.4.1 PWM整流電路的工作原理整流電路的工作原理 us 0時時，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分別組成兩個升壓斬波電路 由于是按升壓斬波電路工作，如控制不當，直流側電容電壓可能比交流電壓峰值高出許多倍，對器件形成威脅 另一方面，如直流側電壓過低，例如低于us的峰值，則uAB中就得不到圖6-29a中所需的足夠高的基波

47、電壓幅值，或uAB中含有較大的低次諧波，這樣就不能按需要控制is，is波形會畸變 可見，電壓型PWM整流電路是升壓型整流電路，其輸出直流電壓可從交流電源電壓峰值附近向高調節，如要向低調節就會使性能惡化，以至不能工作電力電子技術電子教案PWM控制技術616.4.1 PWM整流電路的工作原理整流電路的工作原理2三相三相PWM整流電路整流電路圖6-30，三相橋式PWM整流電路，最基本的PWM整流電路之一，應用最廣工作原理和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴展到三相進行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

48、近似為1和單相相同，該電路也可工作在逆變運行狀態及圖c或d的狀態負載圖6-30CuaLsiaRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+udCV5VD5V6VD6ubibucic圖6-30 三相橋式PWM整流電路 電力電子技術電子教案PWM控制技術626.4.2 PWM整流電路的控制方法整流電路的控制方法v 有多種控制方法，根據有沒有引入電流反饋可分為兩種 沒有引入交流電流反饋的間接電流控制間接電流控制 引入交流電流反饋的直接電流控制直接電流控制1間接電流控制間接電流控制間接電流控制也稱為相位和幅值控制相位和幅值控制按圖6-29a（逆變時為圖6-29b）的相量關系來控制整流橋交流輸入端電

49、壓，使得輸入電流和電壓同相位，從而得到功率因數為1的控制效果圖6-31，間接電流控制的系統結構圖圖中的PWM整流電路為圖6-30的三相橋式電路控制系統的閉環是整流器直流側電壓控制環電力電子技術電子教案PWM控制技術63 6.4.2 PWM整流電路的控制方法整流電路的控制方法 控制原理控制原理 和實際直流電壓ud比較后送入PI調節器，PI調節器的輸出為一直流電流信號id，id的大小和整流器交流輸入電流幅值成正比穩態時，ud= ，PI調節器輸入為零，PI調節器的輸出id和負載電流大小對應，也和交流輸入電流幅值相對應負載電流增大時，C放電而使ud下降，PI的輸入端出現正偏差，使其輸出id增大，進而使

50、交流輸入電流增大，也使ud回升。達到新的穩態時，ud和 相等，PI調節器輸入仍恢復到零，而id則穩定為為新的較大的值，與較大的負載電流和較大的交流輸入電流對應負載電流減小時，調節過程和上述過程相反*du*du*du電力電子技術電子教案PWM控制技術646.4.2 PWM整流電路的控制方法整流電路的控制方法 從整流運行向逆變運行轉換從整流運行向逆變運行轉換首先負載電流反向而向C充電，ud抬高，PI調節器出現負偏差，id減小后變為負值，使交流輸入電流相位和電壓相位反相，實現逆變運行穩態時，ud和 仍然相等，PI調節器輸入恢復到零，id為負值，并與逆變電流的大小對應圖6-31PI+-負載三角波sin

51、(t+2k/3)(k=0,1,2)cos(t+2k/3)(k=0,1,2)u*dud+-+-+iduRuLXLRuA,B,CudRLua,ub,uc圖6-31 間接電流控制系統結構*du電力電子技術電子教案PWM控制技術656.4.2 PWM整流電路的控制方法整流電路的控制方法 控制系統中其余部分的工作原理控制系統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，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/2的余弦信號，再乘以電感L的感抗，得到各相電流在電感Ls上的壓降uLa

52、、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和電感L上的壓降，就可得到所需要的交流輸入端各相的相電壓uA、uB和uC的信號，用該信號對三角波載波進行調制，得到PWM開關信號去控制整流橋，就可以得到需要的控制效果。電力電子技術電子教案PWM控制技術66 6.4.2 PWM整流電路的控制方法整流電路的控制方法 存在的問題存在的問題在信號運算過程中用到電路參數Ls和Rs，當Ls和Rs的運算值和實際值有誤差時，會影響到控制效果是基于系統的靜態模型設計的，其動態特性較差間接電流控制的系統應用較少2 直接電流控制直接電流控制通過運算求出交流輸入電流指令值，再引入交流電流

53、反饋，通過對交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值，因此稱為直接電流控制直接電流控制有不同的電流跟蹤控制方法，圖6-32給出一種最常用的采用電流滯環比較方式的控制系統結構圖電力電子技術電子教案PWM控制技術67 6.4.2 PWM整流電路的控制方法整流電路的控制方法 控制系統組成控制系統組成雙閉環控制系統，外環是直流電壓控制環，內環是交流電流控制環外環的結構、工作原理和圖6-31間接電流控制系統相同外環PI調節器的輸出為id，id分別乘以和a、b、c三相相電壓同相位的正弦信號，得到三相交流電流的正弦指令信號 ， 和 。 ， 和 分別和各自的電源電壓同相位，其幅值和反映負載電流大小的直流信號id

54、成正比，這是整流器運行時所需的交流電流指令信號。指令信號和實際交流電流信號比較后，通過滯環對器件進行控制，便可使實際交流輸入電流跟蹤指令值*ai*bi*ci*ai*bi*ci電力電子技術電子教案PWM控制技術686.4.2 PWM整流電路的控制方法整流電路的控制方法圖6-32 直接電流控制系統結構圖優點優點控制系統結構簡單，電流響應速度快，系統魯棒性好獲得了較多的應用圖6-32PI負載sin(t+2k/3)(k=0,1,2)u*dud+-+idia,b,cudRLua,ub,uci*a,b,c電力電子技術電子教案PWM控制技術69本章小結本章小結vPWM控制技術的地位控制技術的地位PWM控制技

55、術是在電力電子領域有著廣泛的應用，并對電力電子技術產生了十分深遠影響的一項技術v器件與器件與PWM技術的關系技術的關系IGBT、電力MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM控制技術提供了強大的物質基礎vPWM控制技術用于直流斬波電路控制技術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控制技術應用較早也成熟較早的一類電路，應用于直流電動機調速系統就構成廣泛應用的直流脈寬調速系統直流脈寬調速系統電力電子技術電子教案PWM控制技術70本章小結本章小結vPWM控制技術用于交流控制技術用于交流交流變流電路交流變流電路斬控式交流調壓電路和矩陣式變頻電路是PWM控制技術在這類電路

56、中應用的代表目前其應用都還不多但矩陣式變頻電路因其容易實現集成化，可望有良好的發展前景 電力電子技術電子教案PWM控制技術71本章小結本章小結vPWM控制技術用于逆變電路控制技術用于逆變電路PWM控制技術在逆變電路中的應用最具代表性正是由于在逆變電路中廣泛而成功的應用，才奠定了PWM控制技術在電力電子技術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，因此對逆變電路的介紹是不完整的。學完本章才能對逆變電路有較完整的認識電力電子技術電子教案PWM控制技術72本章小結本章小結vPWM控制技術用于整流電路控制技術用于整流電路PWM控制技術用于整

57、流電路即構成PWM整流電路可看成逆變電路中的PWM技術向整流電路的延伸PWM整流電路已獲得了一些應用，并有良好的應用前景PWM整流電路作為對第2章的補充，可使我們對整流電路有更全面的認識電力電子技術電子教案PWM控制技術73本章小結本章小結vPWM控制技術與相位控制技術控制技術與相位控制技術以第2章相控整流電路和第4章交流調壓電路為代表的相位控制技術相位控制技術至今在電力電子電路中仍占據著重要重要地位以PWM控制技術為代表的斬波控制技術斬波控制技術正在越來越占據著主導主導地位相位控制和斬波控制分別簡稱相控相控和斬控斬控把兩種技術對照學習，對電力電子電路的控制技術會有更明晰的認識電力電子技術電子

58、教案PWM控制技術圖圖6-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 f (t)(t)tO圖6-1a)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t)電力電子技術電子教案PWM控制技術圖圖6-2 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形沖量相同的各種窄脈沖的響應波形 a)Ob)圖6-2tbdcai(t)i(t)e(t)電力電子技術電子教案PWM控制技術圖圖6-3 用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 tOua)b)圖6-3Out電力電子技術電子教案PWM控制技術圖圖6-4 單相橋式單相橋式PWM逆變電路逆變電路 信號波載波圖6-4調制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2V

59、D3VD4uoRLuruc電力電子技術電子教案PWM控制技術圖圖6-5 單極性單極性PWM控制方式波形控制方式波形 圖6-5urucuOtOtuouofuoUd- Ud電力電子技術電子教案PWM控制技術圖圖6-6 雙極性雙極性PWM控制方式波形控制方式波形 圖6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud電力電子技術電子教案PWM控制技術圖圖6-7 三相橋式三相橋式PWM型逆變電路型逆變電路 圖6-7調制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud電力電子技術電子教案PWM控制技術圖圖6-8 三相橋三相橋式式PWM逆變逆

60、變電路波形電路波形 圖6-8ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud32Ud電力電子技術電子教案PWM控制技術圖圖6-9 特定諧波消去法的輸出特定諧波消去法的輸出PWM波形波形 圖6-9OtuoUd-Ud2a1a2a3電力電子技術電子教案PWM控制技術圖圖6-10 同步同步調制三相調制三相PWM波形波形 圖6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud電力電子技術電子教案PWM控制技術圖圖6-11 分段同步調制方式舉例分段同步調制方式舉例 00.40.81.21.62.02.41