46第7章 PWM控制技术

7.1PWM控制的基本原理7.2.PWM逆变电路及其控制方法7.1PWM控制的基本原理7.2.PWM逆变电路及其控制方法■PWM（PulseWidthModulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。■PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。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。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7-1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)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)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）e(t)－电压窄脉冲，是电路的输入。i(t)－输出电流，是电路的响应。如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波?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。OuωtSPWM波OuωtOuωt■用PWM波代替正弦半波◆将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为/N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。◆把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是PWM波形。◆对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。◆脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（SinusoidalPWM）波形。■PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。等幅PWM波不等幅PWM波OwtUd-UdUoωt■基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。7.1PWM控制的基本原理7.2.PWM逆变电路及其控制方法7.2.1调制法7.2.2异步调制和同步调制7.2.1调制法7.2.2异步调制和同步调制■调制法◆把希望输出的波形作为调制信号，把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。图7-4单相桥式PWM逆变电路阻感负载图7-4单相桥式PWM逆变电路■单相桥式PWM逆变电路（调制法）◆电路工作过程☞工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补，比如在uo正半周，V1导通，V2关断，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。√在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo=Ud。√V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0。图7-4单相桥式PWM逆变电路√在负载电流为负的区间，仍为V1和V4导通时，因io为负，故io实际上从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总可以得到Ud和零两种电平。☞在uo的负半周，让V2保持通态，V1保持断态，V3和V4交替通断，负载电压uo可以得到-Ud和零两种电平。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图7-5单极性PWM控制方式波形◆单极性PWM控制方式☞调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。☞在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态。√当uruc时使V4导通，V3关断，uo=Ud。√当uruc时使V4关断，V3导通，uo=0。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图7-5单极性PWM控制方式波形◆单极性PWM控制方式☞在ur的负半周，V1保持断态，V2保持通态。√当uruc时使V3导通，V4关断，uo=-Ud。√当uruc时使V3关断，V4导通，uo=0。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图7-6双极性PWM控制方式波形◆双极性PWM控制方式☞在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。☞在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的PWM波也是有正有负，在ur的一个周期内，输出的PWM波只有±Ud两种电平。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图7-6双极性PWM控制方式波形◆双极性PWM控制方式☞在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。√当uruc时，V1和V4导通，V2和V3关断，这时如io0，则V1和V4通，如io0，则VD1和VD4通，不管哪种情况都是uo=Ud。√当uruc时，V2和V3导通，V1和V4关断，这时如io0，则V2和V3通，如io0，则VD2和VD3通，不管哪种情况都是uo=-Ud。双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-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。7.2.1调制法7.2.2异步调制和同步调制载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。1）异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的。在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。异步调制和同步调制1）异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小。当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的。在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。2）同步调制——载波信号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。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud图7-10同步调制三相PWM波形基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud图7-10同步调制三相PWM波形为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。3）分段同步调制------异步调制和同步调制的综合应用。在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr/Hzfc/kHz为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。图7-11分段同步调制把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr/Hzfc/kHz图7-11分段同步调制作业P1841，3,5