PWM（PulseWidthModulation）控制技術(shù)就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。應(yīng)用：DC/DC變流電路直流斬波電路（最早、廣泛）AC/AC變流電路斬控式交流調(diào)壓和矩陣式交交變頻電路（都不多）DC/AC變流電路PWM逆變電路（最多、最具代表性）AC/DC變流電路PWM整流電路（最晚，有良好的應(yīng)用前景）IGBT、電力MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM控制技術(shù)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)。,第7章PWM控制技術(shù),第7章PWM控制技術(shù),7.1PWM控制的基本原理7.3PWM逆變電路及其控制技術(shù)7.4PWM整流電路及其控制技術(shù)7.5PWM控制技術(shù)在AC-AC變換電路中的應(yīng)用本章小結(jié),7.1PWM控制的基本原理,面積等效原理原理內(nèi)容：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。實(shí)例將圖7-1a、b、c、d所示的脈沖作為輸入，加在圖7-2a所示的R-L電路上，設(shè)其電流i(t)為電路的輸出，圖7-2b給出了不同窄脈沖時(shí)i(t)的響應(yīng)波形。,圖7-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖,圖7-2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形,7.1PWM控制的基本原理,圖7-3用PWM波代替正弦半波,用PWM波代替正弦半波將正弦半波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖寬度為/N，但幅值頂部是曲線且大小按正弦規(guī)律變化的脈沖序列組成的。把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是PWM波形。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（SinusoidalPWM）波形?；诘刃娣e原理，PWM波形還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（如矩形波）等。,7.3PWM逆變電路及其控制技術(shù),7.3.1PWM逆變電路7.3.2PWM逆變電路控制技術(shù),計(jì)算法根據(jù)逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，將PWM波形中各脈沖的寬度和間隔準(zhǔn)確計(jì)算出來，按照計(jì)算結(jié)果控制逆變電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形，這種方法稱之為計(jì)算法。計(jì)算法是很繁瑣的，當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。調(diào)制法（實(shí)際中主要采用的方法）1964年，德國(guó)的A.Schonung等人率先把通信系統(tǒng)中的調(diào)制概念推廣應(yīng)用于變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)制法。把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。,7.3.1PWM逆變電路,圖7-11單相橋式PWM逆變電路,單相橋式PWM逆變電路（調(diào)制法）,圖7-12單極性PWM控制方式波形,單極性PWM控制方式調(diào)制信號(hào)ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在ur的負(fù)半周為負(fù)極性的三角波。在ur的正半周，V1保持通態(tài)，V2保持?jǐn)鄳B(tài)。當(dāng)uruc時(shí)使V4導(dǎo)通，V3關(guān)斷，uo=Ud。當(dāng)uruc時(shí)使V3關(guān)斷，V4導(dǎo)通，uo=0。,三角波載波在信號(hào)波正半周期或負(fù)半周期里只有單一的極性，所得的PWM波形在半個(gè)周期中也只在單極性范圍內(nèi)變化，即：正半周為正極性（+Ud）和零；負(fù)半周為負(fù)極性（-Ud）和零單極性控制方式。,7.3.1PWM逆變電路,圖7-11單相橋式PWM逆變電路,圖7-13雙極性PWM控制方式波形,雙極性PWM控制方式三角波載波始終是有正有負(fù)為雙極性的，所得到的輸出PWM波在半個(gè)周期中也是有正、有負(fù)（Ud）的兩種極性的電平雙極性控制方式。在ur的正負(fù)半周，對(duì)各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。當(dāng)uruc時(shí)，V1和V4導(dǎo)通，V2和V3關(guān)斷，這時(shí)如io0，則V1和V4通，如io0，則VD2和VD3通，不管哪種情況都是uo=-Ud。,7.3.1PWM逆變電路,三相橋式PWM逆變電路（調(diào)制法）采用雙極性控制方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角波載波uc，三相的調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW依次相差120。輸出相電壓（相對(duì)于直流電源中心點(diǎn)的電壓）PWM波由E/2兩種電平構(gòu)成。輸出線電壓PWM波由E和0三種電平構(gòu)成。,圖7-14三相SPWM型逆變電路,圖7-15三相雙極性SPWM控制方式工作波形,7.3.1PWM逆變電路,1、同步調(diào)制與異步調(diào)制載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比N=fc/fr稱為載波比，根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式可分為異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種。異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不保持同步的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。通常保持載波頻率fc固定不變，因而當(dāng)信號(hào)波頻率fr變化時(shí)，載波比N是變化的。在信號(hào)波的半個(gè)周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱。當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小，PWM波形接近正弦波。當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對(duì)稱的影響就變大，輸出PWM波和正弦波的差異變大，對(duì)于三相PWM型逆變電路來說，三相輸出的對(duì)稱性也變差。,7.3.2PWM逆變電路控制技術(shù),同步調(diào)制載波比N等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步的方式稱為同步調(diào)制。fr變化時(shí)載波比N不變，信號(hào)波一個(gè)周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。在三相PWM逆變電路中，通常公用一個(gè)三角波載波，為了使三相輸出波形嚴(yán)格對(duì)稱和一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，取N為3的整數(shù)倍且為奇數(shù)。當(dāng)逆變電路輸出頻率很低時(shí)，同步調(diào)制時(shí)的fc也很低，fc過低時(shí)由調(diào)制帶來的諧波不易濾除，當(dāng)負(fù)載為電動(dòng)機(jī)時(shí)也會(huì)帶來較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲；當(dāng)逆變電路輸出頻率很高時(shí)，同步調(diào)制時(shí)的fc會(huì)過高，使開關(guān)器件難以承受。,7.3.2PWM逆變電路控制技術(shù),圖7-16同步調(diào)制和異步調(diào)制,7.3.2PWM逆變電路控制技術(shù),圖7-17分段同步調(diào)制,分段同步調(diào)制把fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)都保持載波比N為恒定，不同頻段的載波比不同。在fr高的頻段采用較低的載波比，以使fc不致過高，限制在功率開關(guān)器件允許的范圍內(nèi)。在fr低的頻段采用較高的載波比，以使fc不致過低而對(duì)負(fù)載產(chǎn)生不利影響。為了防止fc在切換點(diǎn)附近的來回跳動(dòng)，在各頻率切換點(diǎn)采用了滯后切換的方法。有的裝置在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，而在高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣可以把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，和分段同步方式的效果接近。,實(shí)線表示輸出頻率增高時(shí)的切換頻率,虛線表示輸出頻率降低時(shí)的切換頻率,7.3.2PWM逆變電路控制技術(shù),SPWM的模擬控制,7.3.2PWM逆變電路控制技術(shù),2、SPWM波形的生成方法及控制技術(shù),圖7-19由電子電路生成SPWM波形的原理框圖,自然采樣法,7.3.2PWM逆變電路控制技術(shù),圖7-1生成SPWM波形的自然采樣法,（7-3）,在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法稱為自然采樣法。,圖7-21生成SPWM波形的規(guī)則采樣法,規(guī)則采樣法,7.3.2PWM逆變電路控制技術(shù),（7-4）,（7-5）,圖7-23特定諧波消去法電壓波形,特定諧波消去法是計(jì)算法中一種較有代表性的方法?？紤]到PWM波四分之一周期對(duì)稱，如果在輸出電壓波形的四分之一周期內(nèi)，共有n個(gè)值，除去用一個(gè)自由度來控制基波幅值外，可以消去n1個(gè)頻率的特定諧波。,7.3.2PWM逆變電路控制技術(shù),7.3.2PWM逆變電路控制技術(shù),（7-8）,（7-9）,以圖7-23（c）為例，在三相對(duì)稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消，因此通?？梢钥紤]消去5次、7次和11次諧波，根據(jù)需要確定基波分量U1m的值，再令U5m、U7m和U11m等于0，就可以建立四個(gè)方程，聯(lián)立可求得1、2、3和4。,圖7-24疊加3次諧波的SPWM控制,疊加3次諧波的SPWM控制目標(biāo)是使輸出的線電壓波形中不含低次諧波，同時(shí)盡可能提高直流電壓利用率，也應(yīng)盡量減少功率器件的開關(guān)次數(shù)。在相電壓正弦波調(diào)制信號(hào)中疊加適當(dāng)大小的3次諧波，使之成為馬鞍形波，則經(jīng)過PWM調(diào)制后逆變電路輸出的相電壓中也必然包含3次諧波，且三相的三次諧波相位相同，在合成線電壓時(shí)，各相電壓的3次諧波相互抵消，線電壓為正弦波。圖7-24中，調(diào)制信號(hào)ur成為馬鞍形波，基波分量ur1的幅值更大，但ur的最大值不超過三角波載波最大值。,基波ur1正峰值附近恰為3次諧波ur3的負(fù)半波，兩者相互抵消。,7.3.2PWM逆變電路控制技術(shù),PWM跟蹤控制技術(shù),7.3.2PWM逆變電路控制技術(shù),圖7-25電流跟蹤控制框圖,圖7-26具有電流滯環(huán)跟蹤控制的PWM變頻器的一相控制原理圖,圖7-27電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí)的波形,實(shí)際應(yīng)用的整流電路幾乎都是晶閘管相控整流電路或二極管整流電路。隨著觸發(fā)延遲角的增大，位移因數(shù)降低。輸入電流中諧波分量相當(dāng)大，功率因數(shù)很低。把逆變電路中的SPWM控制技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路。通過對(duì)PWM整流電路的適當(dāng)控制，可以使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為1。也稱為單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器?？煞譃殡妷盒秃碗娏餍蛢纱箢悾壳把芯亢蛻?yīng)用較多的是電壓型PWM整流電路。,7.4PWM整流電路及其控制方法,7.4PWM整流電路及其控制方法,7.4.1PWM整流電路7.4.2PWM整流電路的控制方法,PWM整流電路的基本原理,7.4.1PWM整流電路,圖7-36PWM整流電路的原理電路,圖7-37PWM整流電路交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系,7.4.1PWM整流電路,電壓矢量端點(diǎn)在圓軌跡AB和BC上運(yùn)動(dòng)時(shí)，PWM整流電路運(yùn)行于整流狀態(tài)，電能將通過PWM整流電路由電網(wǎng)傳輸至直流負(fù)載。當(dāng)PWM整流電路運(yùn)行在B點(diǎn)時(shí)，則實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流控制；而當(dāng)在A點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，PWM整流電路不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收感性無功功率。當(dāng)PWM整流電路運(yùn)行至C點(diǎn)時(shí)，PWM整流電路將不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收容性無功功率,這時(shí)的電路被稱為靜止無功功率發(fā)生器（StaticVarGeneratorSVG）當(dāng)電壓矢量端點(diǎn)在圓軌跡CD和DA上運(yùn)動(dòng)時(shí)，PWM整流電路運(yùn)行于有源逆變狀態(tài)，電能將從PWM整流電路直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。當(dāng)PWM整流電路運(yùn)行至D點(diǎn)時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變控制。,7.4.1PWM整流電路,單相PWM整流電路,圖7-30單相橋式電壓型PWM整流電路,圖7-31高功率因數(shù)整流器的相量圖和波形圖,（7-12）,按照正弦信號(hào)波和三角波相比較的方法對(duì)VT1VT4進(jìn)行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端產(chǎn)生一個(gè)SPWM波u。,7.4.1PWM整流電路,是最基本的PWM整流電路之一，其應(yīng)用也最為廣泛。電路的工作原理也和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴(kuò)展到三相。對(duì)電路進(jìn)行SPWM控制，在橋的交流輸入端A、B和C可得到SPWM電壓，對(duì)各相電壓按圖7-31a的相量圖進(jìn)行控制，就可以使各相電流ia、ib、ic為正弦波且和電壓相位相同，功率因數(shù)近似為1。,三相PWM整流電路,圖7-32三相橋式電壓型PWM整流電路,7.4.2PWM整流電路的控制方法,圖7-33間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),根據(jù)有沒有引入電流反饋可以將這些控制方法分為兩種，沒有引入交流電流反饋的稱為間接電流控制，引入交流電流反饋的稱為直接電流控制。間接電流控制也稱為相位和幅值控制，按照?qǐng)D7-31a的相量關(guān)系來控制整流橋交流輸入端電壓，使得輸入電流和電壓同相位，從而得到功率因數(shù)為1的控制效果?？刂葡到y(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側(cè)電壓控制環(huán)。,三相橋式電路,7.4.2PWM整流電路的控制方法,圖7-34直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,圖7-34的控制系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其外環(huán)是直流電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)是交流電流控制環(huán)?？刂圃硗猸h(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出為id，id分別乘以和a、b、c三相相電壓同相位的正弦信號(hào)，得到三相交流電流的正弦指令信號(hào)i*a，i*b和i*c。指令信號(hào)和實(shí)際交流電流信號(hào)比較后，通過滯環(huán)對(duì)器件進(jìn)行控制，便可使實(shí)際交流輸入電流跟蹤指令值。,電流滯環(huán)比較方式,直接電流控制,通過運(yùn)算求出交流輸入電流指令值，再引入交流電流反饋，通過對(duì)交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值。,7.5PWM控制技術(shù)在AC-AC變換電路中的應(yīng)用,7.5.1斬控式交流調(diào)壓電路7.5.2矩陣式變頻電路,7.5.1斬控式交流調(diào)壓電路,圖7-35交流斬波調(diào)壓電路原理圖及波形,（7-14）,（7-15）,7.5.2矩陣式變頻電路,圖7-49矩陣式變頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),本章小結(jié),PWM控制技術(shù)的地位PWM控制技術(shù)是在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并對(duì)電力電子技術(shù)產(chǎn)生了十分深遠(yuǎn)影響的一項(xiàng)技術(shù)。PWM技術(shù)與器件的關(guān)系IGBT、電力MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM控制技術(shù)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)。PWM控制技術(shù)用于直流斬