PWM

4-1PWM控制技术《电力电子技术》4-21PWM控制的基本原理2PWM逆变电路及其控制方法3PWM跟踪控制技术4PWM整流电路及其控制方法学习内容4-3负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。（输出电压含大量低次谐波）一、电路图为什么要用PWM调制？4-4什么叫PWM?PWM(PulseWidthModulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。4-56.1PWM控制的基本思想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6-1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)4-66.1PWM控制的基本思想b)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）u(t)－电压窄脉冲，是电路的输入。i(t)－输出电流，是电路的响应。4-7OuωtSPWM波6.1PWM控制的基本思想Ouωt如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ouωt4-86.1PWM控制的基本思想Ouωt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Ouωt如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ouωt4-96.1PWM控制的基本思想OwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。4-106.1PWM控制的基本思想等幅PWM波输入电源是恒定直流第3章的直流斩波电路6.2节的PWM逆变电路6.4节的PWM整流电路不等幅PWM波输入电源是交流或不是恒定的直流4.1节的斩控式交流调压电路4.4节的矩阵式变频电路OwtUd-UdUoωt4-116.2PWM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逆变电路得谐波分析6.2.5提高直流电压利用和减少开关次数6.2.6PWM逆变电路的多重化4-126.2PWM逆变电路及其控制方法目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。4-136.2.1计算法和调制法1）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。本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。4-142）调制法把希望输出的波形(如正弦波)作为调制信号,把接收调制的信号作为载波(如等腰三角波，锯齿波)通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。思考：为么多采用等腰三角波作为载波？宽和高成正比，将高转换成宽6.2.1计算法和调制法4-15工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。以uo正半周为例，V1通，V2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。负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud。6.2.1计算法和调制法图6－4单相桥式PWM逆变电路IGBT单相桥式电压型逆变电路4-16图6－4单相桥式PWM逆变电路V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0负载电流为负的区间，V1和V4仍导通，io为负，实际上io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。6.2.1计算法和调制法4-17。在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断6.2.1计算法和调制法如何得到PWM控制信号？单极性PWM控制方式（单相桥逆变）4-18ur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，请同学们自己分析。图6-5单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量6.2.1计算法和调制法4-193）双极性PWM控制方式（单相桥逆变）当uruc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通，uo=Ud。当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如io0，V2和V3通，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud。6.2.1计算法和调制法4-203）双极性PWM控制方式（单相桥逆变）图6-6双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud6.2.1计算法和调制法4-21根据分析总结：什么是单极性调制？什么是双极性调制？6.2.1计算法和调制法4-226.2.1计算法和调制法图6-5双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图6-5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。4-236.2.1计算法和调制法4）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）图6-7三相桥式PWM型逆变电路三相的PWM控制公用三角波载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°4-246.2.1计算法和调制法图6-8三相桥式PWM逆变电路波形下面以U相为例分析控制规律：当urUuc时，uUN’=Ud/2。当urUuc时，uUN’=-Ud/2。当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平。uUV波形可由uUN’-uVN’得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=－Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。4-256.2.1计算法和调制法输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。图6-8三相桥式PWM逆变电路波形urUddurVurWucuVN'OOOdddduUN’Ud/2-Ud/2Ud/2-Ud/2uVN’Ud/2-Ud/2uWN’uUVUd-UduUN2Ud/3Ud/3ωtωtωtωtωtωt4-266.2.1计算法和调制法5）特定谐波消去法(SelectedHarmonicEliminationPWM—SHEPWM)这是计算法中一种较有代表性的方法。输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和π），共6个开关时刻可控。为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。图6-9特定谐波消去法的输出PWM波形OwtuoUd-Ud2ppa1a2a34-276.2.1计算法和调制法首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即(6-1))()(pwwtutu其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后1/4周期以π/2为轴线对称(6-2))()(tutuwpw同时满足式（6-1）、（6-2）的波形称为四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为(6-3)式中，an为,5,3,1sin)(nntnatuww20dsin)(4p，能独立控制a1、a2和a3共3个时刻。该波形的an为式中n=1,3,5,…)cos2cos2cos21(2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211aaapOwtuoUd-Ud2ppa1a2a3确定a1的值，再令两个不同的an=0(n=1,3,5…)，就可建三个方程，求得a1、a2和a3。图6-9特定谐波消去法的输出PWM波形4-29消去两种特定频率的谐波6.2.1计算法和调制法在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消。可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程：给定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1变，a1、a2和a3也相应改变。0)7cos27cos27cos21(720)5cos25cos25cos21(52)cos2cos2cos21(2321d7321d5321d1aaapaaapaaapUaUaUa（6－5）4-306.2.1计算法和调制法如果在输出电压半周期内，器件通、断各k次，考虑到PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去k－1个频率的特定谐波。k的取值越大，开关时刻的计算越复杂。除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在6.3节介绍。4-316.2.2异步调制和同步调制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。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载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr1）异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式4-326.2.2异步调制和同步调制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6-10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。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。4-336.2.2异步调制和同步调制3）分段同步调制——异步调制和同步调制的综合应用。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。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。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。图6-11分段同步调制方式举例4-346.2.3规则采样法1）自然采样法：按照SPWM控制的基本原理产生的PWM波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d图6-12规则采样法2）规则采样法工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。4-356.2.3规则采样法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(负峰点)重合。规则采样法使两者重合，使计算