PWM控制技术

《电力电子技术》第7章PWM控制技术广西大学电气学院电力电子技术引言PWM（PulseWidthModulation）PWM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）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也介绍PWM整流电路■广西大学电气学院电力电子技术7.1PWM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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7-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲■广西大学电气学院电力电子技术7.1PWM控制的基本原理一个实例图7-2a的电路电路输入：u(t)，窄脉冲，如图7-1a、b、c、d所示电路输出：i(t)，图7-2b面积等效原理a)Ob)图6-2tbdcai(t)i(t)e(t)图7-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形■广西大学电气学院电力电子技术7.1PWM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7-3用PWM波代替正弦半波SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的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■广西大学电气学院电力电子技术7.1PWM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输入电源是交流，得到不等幅PWM波基于面积等效原理进行控制，本质是相同的■广西大学电气学院电力电子技术7.1PWM控制的基本原理PWM电流波电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波PWM波形可等效的各种波形直流斩波电路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理■广西大学电气学院电力电子技术7.2PWM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本节内容构成了本章的主体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■广西大学电气学院电力电子技术7.2.1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■广西大学电气学院电力电子技术7.2.1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■广西大学电气学院电力电子技术7.2.1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7-5单极性PWM控制方式波形■信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc广西大学电气学院电力电子技术7.2.1计算法和调制法双极性PWM控制方式（单相桥逆变）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在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件的通断ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同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信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc■图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud图7-6双极性PWM控制方式波形广西大学电气学院电力电子技术7.2.1计算法和调制法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单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud图7-6双极性PWM控制方式波形■信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc广西大学电气学院电力电子技术7.2.1计算法和调制法双极性PWM控制方式（单相桥逆变）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°图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2Ud图7-7三相桥式PWM型逆变电路■广西大学电气学院电力电子技术7.2.1计算法和调制法防直通死区时间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死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波图6-8ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22Ud图7-8三相桥式PWM逆变电路波形■广西大学电气学院电力电子技术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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■广西大学电气学院电力电子技术7.2.2异步调制和同步调制2.同步调制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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图6-10ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud2Ud图7-10同步调制三相PWM波形■广西大学电气学院电力电子技术7.2.3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7-12规则采样法■广西大学电气学院电力电子技术7.2.3规则采样法规则采样法原理图7-12，三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■广西大学电气学院电力电子技术7.2.3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，脉冲宽度taursinr2/22/sin1cDrTta)sin1(2DrctaT(7-6)■图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB''22广西大学电气学院电力电子技术7.2.3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。■广西大学电气学院电力电子技术7.2.4PWM逆变电路的谐波分析使用载波对正弦信号波调制，产生了和载波有关的谐波分量谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一分析双极性SPWM波形同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制方式分析方法不同信号波周期的PWM波不同，无法直接以信号波周期为基准分析以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWM波的傅里叶级数表达式分析过程相当复杂，结论却简单而直观■广西大学电气学院电力电子技术7.2.4PWM逆变电路的谐波分析单相的分析结果图7-13，不同a时单相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图谐波角频率为(6-10)式中，n=1,3,5,…时，k=0,2,4,…；n=2,4,6,…时，k=1,3,5,…rckn1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅图6-13角频率(nc+kr)0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0PWM波中不含低次谐波，只含c及其附近的谐波以及2c、3c等及其附近的谐波图7-13单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图■广西大学电气学院电力电子技术7.2.4PWM逆变电路的谐波分析三相的分析结果公用载波信号时的情况输出线电压中的谐波角频率为式中，n=1,3,5,…时，k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；n=2,4,6,…时，图6-14，输出线电压频谱图。,2,116,1,016mmmmk1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅图6-140.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率(nc+kr)图7-14三相桥式PWM逆变电路输出线电压频谱图(6-11)■rckn广西大学电气学院电力电子技术7.2.6PWM逆变电路的多重化PWM多重化逆变电路，一般目的：提高等效开关频率、减少开关损耗、减少和载波有关的谐波分量PWM逆变电路多重化联结方式有变压器方式和电抗器方式利用电抗器联接的二重PWM逆变电路（图7-20，图7-21)）两个单元的载波信号错开180°输出端相对于直流电源中点N’的电压uUN’=(uU1N’+uU2N’)/2，已变为单极性PWM波图6-20N'U1V1W1U2V2W2uUuVuWUVW2Ud2Ud图7-20二重PWM型逆变电路■广西大学电气学院电力电子技术7.4PWM整流电路及其控制方法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