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第6章PWM控制技术•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)。•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。•PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。1、PWM控制的基本原理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d)单位脉冲函数f(t)δ(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)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。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OuωtOuωt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OuωtOωtUd-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：OωtUd-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。双极性PWM控制方式波形urucuOωtOωtuouofuoUd-Ud单极性PWM控制方式波形urucuOωtOωtuouofuoUd-Ud2、单极性PWM控制方式（单相桥逆变）urucuOωtOωtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。PWM波形只在一个方向变化的控制方式2、单极性PWM控制方式（单相桥逆变）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，请同学们自己分析。urucuOωtOωtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量3、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。3）双极性PWM控制方式（单相桥逆变）urucuOωtOωtuouofuoUd-Ud在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有±Ud两种电平。在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。•注意：•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，在一个臂施加关断信号时，留一小段死区时间。•死区时间的长短由开关器件的关断时间。•死区时间会给输出的PWM波形带来影响，使其稍稍偏离正弦波。4、三相桥逆变电路的PWM控制三相的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°下面以U相为例分析控制规律：当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2。当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，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。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。ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud−2Ud2Ud−2Ud2Ud3Ud32UducurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud−2Ud2Ud−2Ud2Ud3Ud32Ud5、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。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。5、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1）异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式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。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。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−2Ud3）分段同步调制——异步调制和同步调制的综合应用。00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321fr/Hzfc/kHz3）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。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。6、规则采样法ucuOturTcADBOtuotAtDtBδδ'δ'2δ2δ工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。所谓采样，就是决定PWM波前后沿出现的时刻，即脉冲宽度与间隔时间。这些时间在正弦波的不同波段是不同的，并且随着正弦波幅值的变化而变化。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，使计算大为减化。如图所示确定A、B点，在tA和tB时刻控制开关器件的通断。脉冲宽度δ和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。规则采样法计算公式推导正弦调制信号波taursinrω=三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度())sin1(421'DrcctaTTωδδ−=−=a称为调制度，0≤a1；ωr为信号波角频率从图得,2/22/sin1cDrTta=+δω)sin1(2DrctaTωδ+=ucuOturTcADBOtuotAtDtBδδ'δ'2δ2δ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δU、δV和δW，脉冲两边的间隙宽度分别为δ´U、δ´V和δ´W，同一时刻三相调制波电压之和为零，由式得由式得23cWVUT=++δδδ43'''cWVUT=++δδδ利用以上两式可简化三相SPWM波的计算