1、電電 力力 電電 子子 技技 術術Power Electronics第第6章章 PWM控制技術控制技術 無源逆變電路無源逆變電路多用于交直交變頻電路中，如下圖所示為電壓型交直交電路： 為使輸出電壓和輸出頻率都得到控制，變頻器通常由一個為使輸出電壓和輸出頻率都得到控制，變頻器通常由一個可控整流電路和一個逆變電路組成。可控整流電路和一個逆變電路組成。 控制整流電路，改變輸出電壓；控制整流電路，改變輸出電壓； 控制逆變電路，改變輸出頻率。控制逆變電路，改變輸出頻率。上述方式存在的缺點：上述方式存在的缺點： 輸出電壓為矩形波，其中含有較多諧波，對負載有不利影響。 用相控方式改變中間直流環節的電壓，輸入

2、功率因數降低。 整流和逆變電路均采用可控功率環節，較為復雜，提高了成本。 中間直流環節有大電容存在，調節電壓時慣性較大，響應緩慢。電流型交直交變頻電路有類似結論。電流型交直交變頻電路有類似結論。為了較好克服以上缺點，提出來脈寬調制技術。采用該技術為了較好克服以上缺點，提出來脈寬調制技術。采用該技術電路通常稱為電路通常稱為PWM變頻電路。變頻電路。第第6章章 PWM控制技術控制技術 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） 直流斬波電路采用 斬控式交流調壓電路，矩陣式變頻電路整流電路采

3、用二極管，可獲得接近于1的功率因數只用一級可控功率環節，電路結構較簡單通過對輸出脈沖寬度的控制就可改變輸出電壓，接近正弦波。動態響應性能較好。第第6章章 PWM控制技術控制技術本章內容本章內容 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。多為電壓型。 也介紹PWM整流電路第第6章章 PWM控制技術控制技術第第6章章 PWM控制技術控制技術 6.1 PWM控制的基本原理 6.2 PWM逆變電路及其控制方法 6.3 PWM跟蹤控制技術 6.4

4、 PWM整流電路及其控制方法6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理1）重要理論基礎面積等效原理面積等效原理沖量沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效效果基本相同果基本相同。沖量沖量窄脈沖的面積效果基本相同效果基本相同環節的輸出響應波形基本相同b)具體的實例說明“面積等效原理面積等效原理”6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理a)矩形脈沖b)三角形脈沖tOtOf (t)f (t)d)單位脈沖函數f (t)d (t)tOc)正弦半波脈沖tOf (t) 對各輸出波形用傅式變換分析后，各i(t)低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 可見，相同面積不同形狀的脈沖加在同一慣性環節上

5、，得到的輸出響應基本相同。這便是面積等效原理，這便是面積等效原理，它是它是PWM控制的理論基礎。控制的理論基礎。6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理OutOutOut如何用一系列等幅不等寬的脈沖等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理寬度相同，幅值正弦變化幅值相同，寬度正弦變化SPWM波形按比例改變脈沖寬度，即可改變等效正弦波幅值OwtUd-Ud 對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud 根據面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。6.1 PW

6、M控制的基本原理控制的基本原理OwtUd-UdOwtUd-Ud6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理等幅等幅PWM波波輸入側是直流電源輸入側是直流電源6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理Uot不等幅不等幅PWM波波輸入電源是交流輸入電源是交流等幅和不等幅等幅和不等幅PWM波的波的本質都是基于面積相等本質都是基于面積相等進行控制的進行控制的。如果電源是電流源，則也可以得到如果電源是電流源，則也可以得到PWM電流波電流波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:l 所需波形 l 等效的PWM波0s5m s10m s15m s20m s25m

7、 s30m s-20V0V20V6.1 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電壓型電壓型PWM逆變電路的控制方法逆變電路的控制方法OwtUd-Ud6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法計算法計算法v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v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OwtUd-Ud6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法規則采樣法規則采樣法 規則采樣法原理規則采樣法原理w 三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc，每個脈沖的中點都

8、以相應的三角波中點為對稱，6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法正弦調制信號波tsinaurrwr為信號波角頻率a a稱為調制度調制度，0auc時，輸出Ud 值時，使V1、V4有開通信號 ur正半周內，ur uc時，輸出-Ud 值時，使V2、V3有開通信號 Ur負半周內控制規律相同 單相橋式電路既可采取單極性調制，也可采用雙極性調制6.2.1 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（三相橋逆變）控制方式（三相橋逆變）v三相的PWM控制公用三角波載波ucv三相的調制信號urU、urV和urW依次相差120圖6-7調制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V

9、5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法圖6-7調制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 防直通的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。死區時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法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

10、對稱，即()()ututww 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()()ututww6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法, 5 , 3 , 1sin)(nntnUtuww1234(1 2cos2cos2cos)dnUUnnnn只要動作時刻恰當，便可消除某些諧波6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法0)7cos27cos27cos21 (740)5cos25cos25cos21 (54)cos2cos2cos21 (4321d7321d5321d1UUUUUU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次諧波，得如下聯

11、立方程：6.2.1 計算法和調制法計算法和調制法特定諧波消去法（Selected Harmonic Elimination PWM SHEPWM）6.2.2 異步調制和同步調制異步調制和同步調制v 實行PWM脈寬調制時，載波比載波比載波頻率fc與調制信號頻率fr之比，N= fc / frv 變頻過程中，即調制信號周期變化過程中， 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載波信號和調制信號不同步的調制方式w 通常保持fc固定不變，fr變化時，載波比N變化w 在信號波

12、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1. 異步調制異步調制當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w 當fr增高時，N減小，一周期內的脈沖數減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大w 因此采用該方式時希望采用較高的fc，即在一個調制信號周期內所包含的三角載波的個數較多，從而彌補脈沖不對稱造成的影響。6.2.2 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，并在變頻等于常數，并在變頻時使載波和信號波保持同步時使載波和信號波保持同步w 基本同步調制方式

13、，fr變化時N不變，信號波一周期內輸出脈沖數固定w 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w 為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應取奇數w fr很低時，fc也很低，由調制帶來的諧波不易濾除w fr很高時，fc會過高，使開關器件難以承受。分段同步調制方式圖6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud6.2.2 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 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6.

14、2.2 異步調制和同步調制異步調制和同步調制 為防止fc在切換點附近時載波比來回跳動，采用滯后切換的方法 在不同頻段內，載波頻率的變化范圍基本一致，fc大約在1.42kHz之間。 總之，同步調制比異步調制復雜，但用微機控制時容易實現 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6.2.2 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6.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 使用載波對正弦信號波調制，會產生和載波有關的諧波分量。 諧波頻率和幅值頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標之一。 分析以雙極性雙極性SPWM波形為準。 同步調制可看成異步調

15、制的特殊特殊情況，只分析異步調制方式。 分析方法 以載波周期為基礎，再利用貝塞爾函數貝塞爾函數推導出PWM波的傅傅里葉級數里葉級數表達式。 盡管分析過程復雜，但結論簡單而直觀。圖中不同a時單相橋式PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖。1）單相的分析結果諧波角頻率為:crnkww式中，n=1,3,5,時，k=0,2,4, ； n=2,4,6,時，k=1,3,5, PWM波中不含低次諧波，只含c及其附近的諧波以及2 c 、3 c等及其附近的諧波。6.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析2）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crnkww式中，n=1,3,5,時，k=

16、3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,時，。,2,116,1 ,016mmmmkl 圖中不同a時三相橋式PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖。l 公用載波信號時的情況。6.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 三相和單相比較都不含低次諧波，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c2 r和2 c r。 SPWM波中諧波主要是角頻率為 c、2 c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波的諧波分析一致。諧

17、波分析小結6.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析上次課主要內容回顧上次課主要內容回顧 PWM控制的基本原理沖量沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效效果基本相同果基本相同。OwtUd-UdOwtUd-Ud上次課主要內容回顧上次課主要內容回顧 PWM逆變電路及其控制方法PWM發生方法：計算法（直接計算法、規則采樣法）調制法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud上次課主要內容回顧上次課主要內容回顧圖6-7調制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud上次課主要內容回顧上次課主要內容回顧

18、異步調制異步調制和同步調制同步調制上次課主要內容回顧上次課主要內容回顧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輸出波形中所含諧波多少是衡量輸出波形中所含諧波多少是衡量PWM控制方法優控制方法優劣的基本標志，但不是唯一標志。劣的基本標志，但不是唯一標志。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。提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸出能力。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。減少器件的開關次數減少器件的開關次數可以降低開關損耗。dU) 2/ 3

19、(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圖6-7調制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud6.2.5 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 提高直流電壓利用率方法 1）梯形波調制方法 思路-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。 采用梯形波作為調制信號，可有效提高直流電壓利用率。梯形波的形狀用三角化率三角化率=Ut/Uto描述。 =0時為矩形波； =1時為三角形波；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

20、波引起的諧波）產生的波形畸變率為圖6-16 變化時的和直流電壓利用率 U,00.20.40.60.81.00.20.40.60.81.01.21mUdUdU1ms0.20.40.60.81.0s5wr00.10.27wr11wr13wrU1mUmn圖6-17 變化時的各次諧波含量 梯形波調制的缺點：輸出波形中含5次、7次等低次諧波 = 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。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2）線電壓控制方式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

21、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。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控制方式相電壓控制方式。疊加3次諧波的調制信號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2）線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，也可疊加直流分量，都不會影響線電壓。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。合成線電壓時，3次諧波相互抵消，線電壓為正弦波。疊加3次諧波的調制信號6.2.5 提高直流電壓利用率和減少開關次數提高

22、直流電壓利用率和減少開關次數3）線電壓控制方式舉例 （疊加（疊加3 3倍次諧波和直流分量）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urU1、urV1和urW1，并令 則三相的調制信號分別為prW1rWprV1rVprU1rUuuuuuuuuu1),min(rW1rV1rU1puuuu6.2.5 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 方兩 相 控 制 方式式 。 優點 （1）在1/3周期內器件不動作，