脈寬調制PWM技術第1頁/共46頁現代電力電子及變流技術第三章

脈寬調制(PWM)技術第2頁/共46頁第三章脈寬調制(PWM)技術

引言

3.1PWM的基本原理

3.2SPWM的調制原理

3.3SPWM的調制方法

3.4SPWM的實現

3.5SVPWM的原理及實現本章小結第3頁/共46頁引言說明：PWM的思想源于通信技術，全控型器件的發展促進了PWM技術的應用和完善；PWM技術在逆變電路中的成功應用確定了它在電力電子技術中的重要地位；PWM技術以其對波形調制的靈活性和通用型，在電力電子領域得到了廣泛的應用，成為電力變換器控制的基礎。PWM(PulseWidthModulation)指脈寬調制技術：——通過對一系列脈沖的寬度進行調制，等效出所需要的波形（含形狀和幅值)。第4頁/共46頁3.1PWM的基本原理理論基礎面積等效原理——沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環節的輸出響應波形基本相同圖6-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數第5頁/共46頁3.1PWM的基本原理PWM的調制思想如何用一系列脈沖來代替一個正弦半波？Ouωt>第6頁/共46頁3.1PWM的基本原理PWM的調制原理如何改變正弦波形幅值？SPWM波按同一比例改變各脈沖寬度如何改變正弦波形頻率？在脈沖周期不變的條件下，改變脈沖個數第7頁/共46頁3.1PWM的基本原理SPWM的調制單極性SPWM—對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形。第8頁/共46頁3.1PWM的基本原理小結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波第9頁/共46頁3.2SPWM的調制原理注：

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。

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SPWM波形。SPWM生成的基本思想第10頁/共46頁3.2SPWM的調制原理SPWM生成的計算方法——特定諧波消去法波形設計：輸出電壓半周期內，器件通、斷各3次（不包括0和π），共6個開關時刻可控。為減少諧波并簡化控制，要盡量使波形對稱。OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3一種較有代表性的方法第11頁/共46頁3.2SPWM的調制原理特定諧波消去法——波形計算首先，為消除偶次諧波，使波形正負兩半周期對稱，即其次，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π/2為軸線對稱同時滿足上兩式的波形，用傅里葉級數表示為式中：第12頁/共46頁3.2SPWM的調制原理特定諧波消去法——波形計算能獨立控制a1、a

2和a

3共3個時刻,該波形的an為OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3式中n=1,3,5,…低次諧波幅值大第13頁/共46頁將兩種特定頻率諧波的幅值設計為0，形成兩個獨立方程特定諧波消去法——波形計算在三相對稱電路中，相電壓所含的3次諧波相互抵消。可設計消去5次和7次諧波，則正弦波幅值3.2SPWM的調制原理a1、a2和a3待求解的量？還需要兩個獨立方程可得a1、a2和a3。第14頁/共46頁特定諧波消去法——小結3.2SPWM的調制原理一般在輸出電壓半周期內，器件通、斷各k次，考慮到PWM波四分之一周期對稱，k個開關時刻可控，除用一個自由度控制基波幅值外，可消去k－1個頻率的特定諧波。k的取值越大，消去的特定諧波越多，波形越理想，但開關時刻的計算越復雜。

有沒有更好的產生SPWM的方法？這種方法能夠取很大的k值又無需復雜的計算第15頁/共46頁單極性SPWM的調制方法——單相橋逆變3.3SPWM的調制方法ur正半周，V1保持通，V2保持斷——當ur>uc時，使V4通，V3斷，uo=Ud；——當ur<uc時，使V4斷，V3通，uo=0。ur負半周，V1保持斷，V2保持通——當ur>uc時，使V4通，V3斷，uo=0；——當ur<uc時，使V4斷，V3通，uo=-Ud。在ur和uc交點時刻控制IGBT的通斷第16頁/共46頁雙極性SPWM的調制方法——單相橋逆變3.3SPWM的調制方法當ur>uc時，V1和V4導通，V2和V3關斷——io>0時，V1和V4工作，uo=Ud；——io<0時，VD1和VD4工作，uo=Ud

。當ur>uc時，V2和V3導通，V1和V4關斷——io<0時，V2和V3工作，uo=-Ud

；——io>0時，VD2和VD3工作，uo=-Ud

。第17頁/共46頁雙極性調制和單極性調制的比較3.3SPWM的調制方法第18頁/共46頁3.3SPWM的調制方法三相SPWM的調制方法三相的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°第19頁/共46頁3.3SPWM的調制方法三相SPWM——U相分析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會給輸出的PWM波帶來影響。注：第20頁/共46頁同步調制和異步調制1）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2）同步調制載波信號和調制信號保持同步的調制方式，當變頻時使載波與信號波保持同步3.3SPWM的調制方法第21頁/共46頁規則采樣法為什么提出規則采用法？按照SPWM的基本原理，SPWM波的生成方法被稱為自然采樣法。這種方法最大的問題是：用軟件算法不易實現在工程應用中很少采用自然采樣法工程應用中，采用軟件生成SPWM是主流方向3.4PWM的實現第22頁/共46頁規則采樣法——一種工程實用方法設三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc3.4PWM的實現第23頁/共46頁3.4PWM的實現閉環方法滯環比較方式跟蹤控制方法—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。三角波比較方式第24頁/共46頁3.5SVPWM的原理及實現SVPWM？

空間矢量脈寬調制第25頁/共46頁單相逆變器結構特點電路結構特征：2個橋臂輸出電壓：結構分析：每個橋臂存在2個開關狀態—橋臂上開關通(用Sa=1描述)；—橋臂下開關通(用Sa=0描述)。逆變器共有4種開關狀態—SaSb：00，01，10，11。開關狀態與電壓的關系3.5SVPWM的原理及實現結構特點兩個橋臂電壓Vag和Vbg分別獨立可控——控制存在兩個自由度；由于連接了負載，輸出電壓Vab具有唯一性——只有一個自由度。如何分析兩維的橋臂電壓和一維的輸出電壓之間的聯系？第26頁/共46頁幾何分析方法矢量空間橋臂電壓構成兩維空間，兩個自由度分別代表兩個垂直方向——橋臂電壓空間；輸出電壓只有一個自由度，構成一維空間

——輸出電壓空間。3.5SVPWM的原理及實現橋臂電壓和輸出電壓的聯系采用投影方式建立聯系；開關狀態(00)，(11)形成的兩個橋臂電壓——對應一個輸出電壓(0V)。這一投影具有唯一性第27頁/共46頁投影關系V0是零序電壓逆變器控制方法V0*為一定范圍的任意數注：

V0*取常數（如Vi）時，Vag和Vbg的驅動波形可以設計。例：Vab*取0.5Vi，V0*取ViVag取0.75Vi，Vbg取0.25Vi3.5SVPWM的原理及實現V0*取其他值會怎樣？V0*有沒有一個取值原則？

第28頁/共46頁3.5SVPWM的原理及實現三相逆變器結構特點結構特征：3個橋臂電路特征：結構分析：每個橋臂存在2個開關狀態—橋臂上開關通(用Sa=1描述)；—橋臂下開關通(用Sa=0描述)。逆變器共有8種開關狀態，—SaSb：000，001，010，

011，100，101，110，111。結構特點三個橋臂電壓Vag、Vbg和Vcg分別獨立可控——控制存在三個自由度；由于連接了負載，輸出電壓Van、Vbn和Vcn存在耦合關系——只有兩個自由度。開關狀態與橋臂電壓的關系如何分析三維橋臂電壓和兩維輸出電壓之間的聯系？第29頁/共46頁幾何分析方法矢量空間橋臂電壓構成三維空間，三個自由度分別代表三個垂直方向——橋臂電壓空間；輸出電壓只有兩個自由度，構成兩維空間——輸出電壓空間。3.5SVPWM的原理及實現橋臂電壓和輸出電壓的聯系采用投影方式建立聯系；開關狀態(000)，(111)形成的兩個橋臂電壓——對應一個輸出電壓矢量點(Van,Vbn,Vcn)=(0,0,0)。這一投影具有唯一性第30頁/共46頁投影關系3.5SVPWM的原理及實現根據實際情況自動調整投影比例開關狀態與輸出電壓的關系第31頁/共46頁解耦投影關系(Clark變換)3.5SVPWM的原理及實現V0是零序電壓第32頁/共46頁電壓變換關系逆變器控制方法第33頁/共46頁3.5SVPWM的原理及實現—SVPWM思想開關狀態與電壓矢量的關系電壓矢量的空間位置電壓矢量軌跡第34頁/共46頁3.5SVPWM的原理及實現SVPWM的思想：

對一個給定理想參考電壓矢量，用這8種開關狀態逼近它。電壓矢量如何實現？待解決問題：參考矢量由開關狀態矢量合成—哪幾個開關狀態矢量？—如何合成？—如何實現這種矢量合成？第35頁/共46頁三相SVPWM思想—3號扇區為例

的合成：由、、、合成。相鄰矢量零矢量合成構思：第36頁/共46頁3.5SVPWM的原理及實現待解決問題第37頁/共46頁三相SVPWM的實現——扇區的確定3.5SVPWM的原理及實現沒有111V（6）011III（5）101IV（4）001I（3）110VI（2）010II（1）100沒有000扇區（標識碼）六個扇區由三條直線劃分

第38頁/共46頁三相SVPWM的實現——矢量的分解設：4號矢量（前矢量）作用時間為Tx；

6號矢量（后矢量）作用時間為Ty；零矢量作用時間為T0，周期T。3.5SVPWM的原理及實現注：不同的扇區得到不同的表達式，但這些表達式有一定規律。第39頁/共46頁三相SVPWM的實現——矢量的分解不同扇區相鄰矢量工作時間表達式不同扇區的矢量分解扇區號IIIIIIIVVVITx-ZZX-X-YYTyXY-YZ-Z-X3.5SVPWM的原理及實現第40頁/共46頁三相SVPWM的實現——驅動波形的生成3.5SVPWM的原理及實現根據相鄰矢量工作時間Tx、Ty確定三相比較值確定各相比較值，以3號扇區為例TA為A橋臂導通時間；TB為B橋臂導通時