第六章-PWM控制电路

•引言•6.1PWM控制的基本原理•6.2PWM逆变电路及其控制方法•6.2.1计算法和调制法•6.2.2异步调制和同步调制•6.2.3规则采样法•6.2.4PWM逆变电路的谐波分析（以下自学）•6.2.5提高直流电压利用率和减少开关次数•6.2.6PWM逆变电路的多重化•6.3PWM跟踪控制技术6.3.1滞环比较方式6.3.2三角波比较方式•6.4PWM整流电路及其控制方法•6.4.1PWM整流电路的工作原理•6.4.2PWM整流电路的控制方法•本章小结■引言PWM（PulseWidthModulation）控制——脉冲宽度调制技术，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）第3、4章已涉及这方面内容第3章：直流斩波电路采用第4章有两处：4.1节斩控式交流调压电路，4.4节矩阵式变频电路本章内容PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术■6.1PWM控制的基本原理理论基础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冲量指窄脉冲的面积效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同波形基本相同含义：低频段非常接近，仅在高频段略有差异f(t)(t)tO图6-1a)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)图6-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲■6.1PWM控制的基本原理一个实例图6-2a的电路电路输入：u(t)，窄脉冲，如图6-1a、b、c、d所示电路输出：i(t)，图6-2b面积等效原理a)Ob)图6-2tbdcai(t)i(t)e(t)图6-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形■6.1PWM控制的基本原理用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等宽度按正弦规律变化tOua)b)图6-3Out图6-3用PWM波代替正弦半波SPWM（SinusoidalPWM）波形——脉冲宽度按正弦规律变化并且和正弦波等效的PWM波形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■6.1PWM控制的基本原理等幅PWM波和不等幅PWM波由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波如直流斩波电路及本章主要介绍的PWM逆变电路，6.4节的PWM整流电路输入电源是交流，得到不等幅PWM波4.1节讲述的斩控式交流调压电路，4.4节的矩阵式变频电路基于面积等效原理进行控制，本质是相同的■6.2.1计算法和调制法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调制法输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称■6.2.1计算法和调制法与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波■6.2.1计算法和调制法结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补■信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc6.2.1计算法和调制法控制规律uo正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断，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■+-CRLtOtOtOtOtOa)b)图5-7UdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo6.2.1计算法和调制法单极性PWM控制方式（单相桥逆变）在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断ur正半周，V1保持通，V2保持断当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud当uruc时使V4断，V3通，uo=0ur负半周，V1保持断，V2保持通当uruc时使V3通，V4断，uo=-Ud当uruc时使V3断，V4通，uo=0虚线uof表示uo的基波分量图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud图6-5单极性PWM控制方式波形■6.2.2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■6.2.2异步调制和同步调制2.同步调制——N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步基本同步调制方式，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图6-10ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud2Ud图6-10同步调制三相PWM波形■6.2.3规则采样法按SPWM基本原理，自然采样法要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多规则采样法特点工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB''22图6-12规则采样法■6.2.3规则采样法规则采样法原理图6-12，三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近■本章小结6.2.3规则采样法规则采样法计算公式推导正弦调制信号波式中，a称为调制度，0≤a1；r为信号波角频率。从图6-12得因此可得三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度taursinr2/22/sin1cDrTta)sin1(2DrctaT)sin1(421'DrcctaTT(6-6)(6-7)■6.2.3规则采样法三相桥逆变电路的情况三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120°同一三角波周期内三相的脉宽分别为U、V和W，脉冲两边的间隙宽度分别为’U、’V和’W，同一时刻三相调制波电压之和为零，由式(6-6)得(6-8)由式(6-7)得(6-9)利用以上两式可简化三相SPWM波的计算23cWVUT43'''cWVUT■6.3PWM跟踪控制技术（自学）PWM波形生成的第三种方法——跟踪控制方法把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化常用的有滞环比较方式和三角波比较方式■6.3.1滞环比较方式电流跟踪控制应用最多基本原理把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入通过比较器的输出控制器件V1和V2的通断V1（或VD1）通时，i增大V2（或VD2）通时，i减小通过环宽为2DI的滞环比较器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*■6.3.1滞环比较方式参数的影响滞环环宽对跟踪性能的影响：环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大电抗器L的作用：L大时，i的变化率小，跟踪慢L小时，i的变化率大，开关频率过高负载L+图6-22-iii*VD1VD2V1V22Ud2UdO图6-23tiii*+DIi*-DIi*图6-22滞环比较方式电流跟踪控制举例图6-23滞环比较方式的指令电流和输出电流■6.3.1滞环比较方式三相的情况图6-24+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVW图6-25Oti*UOtuABiUi图6-25三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形图6-24三相电流跟踪型PWM逆变电路■6.3.1滞环比较方式采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路有如下特点（1）硬件电路简单（2）实时控制，电流响应快（3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波（4）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量多（5）闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点■6.3.1滞环比较方式采用滞环比较方式实现电压跟踪控制把指令电压u*和输出电压u进行比较，滤除偏差信号中的谐波，滤波器的输出送入滞环比较器，由比较器输出控制开关器件的通断，从而实现电压跟踪控制图6-26滤波器+-uu*u2Ud2Ud图6-26电压跟踪控制电路举例■6.3.1滞环比较方式和电流跟踪控制电路相比，只是把指令和反馈信号从电流变为电压输出电压PWM波形中含大量高次谐波，必须用适当的滤波器滤除u*=0时，输出电压u为频率较高的矩形波，相当于一个自励振荡电路u*为直流信号时，u产生直流偏移，变为正负脉冲宽度不等，正宽负窄或正窄负宽的矩形波u*为交流信号时，只要其频率远低于上述自励振荡频率，从u中滤除由器件通断产生的高次谐波后，所得的波形就几乎和u*相同，从而实现电压跟踪控制■6.3.2三角波比较方式基本原理不是把指令信号和三角波直接进行比较，而是通过闭环来进行控制把指令电流i*U、i*V和i*W和实际输出电流iU、iV、iW进行比较，求出偏差，通过放大器A放大后，再去和三角波进行比较，产生PWM波形放大器A通常具有比例积分特性或比例特性，其系数直接影响电流跟踪特性■6.3.2三角波比较方式特点开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便为改善输出电压波形，三角波载波常用三相三角波载波和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐波少图6-27负载+-iUi*U+-iVi*V+-iWi*WUdC+-C+-C+-三相三角波发生电路AAA图6-27三角波比较方式电流跟踪型逆变电路■6.3.2三角波比较方式定时比较方式不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟以固定采样周期对指令信号和被控制变量进行采样，根据偏差的极性来控制开关器件通断在时钟信号到来的时刻，如ii*，V1通，V2断，使i增大如ii*，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■6.4PWM整流电路及其控制方法（自学）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■6.4.1PWM整流电路的工作原理PWM整流电路也可分