第六章PWM控制技術(shù)第六章PWM控制技術(shù)引言6.1PWM控制的基本原理6.2PWM逆變電路及其控制方法6.3PWM跟蹤控制技術(shù)6.4PWM整流電路及其控制方法本章小結(jié)第六章PWM控制技術(shù)?引言PWM(PulseWidthModulation)控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)如直流斬波電路、斬控式調(diào)壓電路和矩陣式變頻電路已涉及到PWM控制。全控型器件的發(fā)展使得實(shí)現(xiàn)PWM控制變得十分容易。應(yīng)用十分廣泛，在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。PWM控制技術(shù)在逆變電路中得到成功應(yīng)用，現(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術(shù)，本章和第5章（逆變電路）相結(jié)合，才能使我們對(duì)逆變電路有完整地認(rèn)識(shí)。如何用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波Ouωt面積等效原理6.1PWM控制的基本思想OuωtSPWM波Ouωt>若要改變正弦波幅值按同一比例改變各脈沖寬度即可寬度按正弦規(guī)律變化沖量相等，中點(diǎn)重合6.1

PWM控制的基本思想OwtUd-Ud對(duì)于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形OwtUd-Ud正弦波還可等效為下圖中的PWM波，在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。Uoωt等幅PWM波不等幅PWM波6.2PWM逆變電路及其控制方法6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法6.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制6.2.3規(guī)則采樣法6.2.4PWM逆變電路得諧波分析6.2.5提高直流電壓利用和減少開(kāi)關(guān)次數(shù)6.2.6PWM逆變電路的多重化目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術(shù)。逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)合。本節(jié)內(nèi)容構(gòu)成了本章的主體。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法3）雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）載波有正有負(fù)，PWM波也有正負(fù)，±Ud兩種電平。ur正負(fù)半周，對(duì)各開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律同單極型ur

>uc時(shí)，令V1,4導(dǎo)通，令V23關(guān)斷如io>0，V1,4通；如io<0，VD14通,uo=Ud

ur<uc時(shí)，令V2,3通，令V1,4關(guān)斷。如io<0，V2,3通，如io>0，VD2,3通，uo=-Ud

。雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。ucurUuuUN'uVN'uWN'ttttuUVUd-Udt三相橋式PWM型逆變電路

以U相為例分析控制規(guī)律：urU>uc時(shí),通V1,關(guān)V4,uUN’=Ud/2urU<uc時(shí),通V4,關(guān)V1,uUN’=-Ud/2當(dāng)V14加通信號(hào)時(shí),可能V14通，也可能VD14通6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法Uc--三相的PWM控制公用三角波載波urU、urV、urW--三相的調(diào)制信號(hào)4）雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）負(fù)載相電壓有(±2/3)Ud、

(±1/3)Ud和0共5種電平2UdurVurWuUNt32Ud3UduUN’、uVN’和uWN’

僅±Ud/2兩種電平uUV波形可由uUN’-uVN’得出，有±Ud和0三種電平。在輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各k次，有k個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻可控，可消去k－1個(gè)頻率的特定諧波。k的取值越大，開(kāi)關(guān)時(shí)刻的計(jì)算越復(fù)雜。雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的在信號(hào)波的半周期內(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fr較低時(shí),N較大，一T內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生影響較小fr增高時(shí),N減小,一T內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對(duì)稱的影響變大載波比N=fc/fr1）異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式6.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制urucuOwtuOwt頻率增加uOwt頻率減小低頻性能好2）同步調(diào)制—uc與ur保持同步的調(diào)制方式，變頻時(shí)N=fc/fr等于常數(shù)ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud同步調(diào)制三相PWM波形fr變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。三相電路中公用一個(gè)三角載波，取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱為使PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱,N取奇數(shù)fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除。fr很高時(shí)，fc會(huì)過(guò)高，使開(kāi)關(guān)器件難以承受。6.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制uOwt6.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制3）分段同步調(diào)制—異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用把整個(gè)fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段的N不同。在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過(guò)高；在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過(guò)低。為防止fc在切換點(diǎn)附近來(lái)回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法。同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)?？稍诘皖l輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，和分段同步方式效果接近。3）三相橋逆變電路的情況三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波相位依次差120°同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為dU、dV和dW，脈沖兩邊的間隙寬度分別為d′U、d′

V和d′

W，同一時(shí)刻三相調(diào)制波電壓之和為零，由式(6-6)得

由式(6-7)得利用以上兩式可簡(jiǎn)化三相SPWM波的計(jì)算(6-8)(6-9)6.2.3規(guī)則采樣法6.2.4PWM逆變電路的諧波分析使用載波對(duì)正弦信號(hào)波調(diào)制，會(huì)產(chǎn)生和載波有關(guān)的諧波分量。諧波頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標(biāo)之一。分析以雙極性SPWM波形為準(zhǔn)。同步調(diào)制可看成異步調(diào)制的特殊情況，只分析異步調(diào)制方式。分析方法以載波周期為基礎(chǔ)，再利用貝塞爾函數(shù)推導(dǎo)出PWM波的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式。盡管分析過(guò)程復(fù)雜，但結(jié)論簡(jiǎn)單而直觀。6.2.4PWM逆變電路的諧波分析諧波分析小結(jié)三相和單相比較，共同點(diǎn)是都不含低次諧波，一個(gè)較顯著的區(qū)別是載波角頻率wc整數(shù)倍的諧波沒(méi)有了，諧波中幅值較高的是wc±2wr和2wc±wr。SPWM波中諧波主要是角頻率為wc、2wc及其附近的諧波，很容易濾除。當(dāng)調(diào)制信號(hào)波不是正弦波時(shí)，諧波由兩部分組成：一部分是對(duì)信號(hào)波本身進(jìn)行諧波分析所得的結(jié)果，另一部分是由于信號(hào)波對(duì)載波的調(diào)制而產(chǎn)生的諧波。后者的諧波分布情況和SPWM波的諧波分析一致。ucurUurVurWuuUN'OwtOwtOwtOwtuVN'uUV圖6-15

梯形波為調(diào)制信號(hào)的PWM控制

1）梯形波調(diào)制方法的原理及波形梯形波的形狀用三角化率

s=Ut/Uto描述，Ut為以橫軸為底時(shí)梯形波的高，Uto為以橫軸為底邊把梯形兩腰延長(zhǎng)后相交所形成的三角形的高。s=0時(shí)梯形波變?yōu)榫匦尾?，s=1時(shí)梯形波變?yōu)槿遣āＬ菪尾ê痛沃C波，PWM波含同樣的低次諧波。低次諧波（不包括由載波引起的諧波）產(chǎn)生的波形畸變率為d。6.2.5提高直流電壓利用率和減少開(kāi)關(guān)次數(shù)不論urU1、urV1和urW1幅值的大小，urU、urV、urW總有1/3周期的值和三角波負(fù)峰值相等。在這1/3周期中，不對(duì)調(diào)制信號(hào)值為-1的相進(jìn)行控制，只對(duì)其他兩相進(jìn)行控制，這種控制方式稱為兩相控制方式

。

優(yōu)點(diǎn)（1）在1/3周期內(nèi)器件不動(dòng)作，開(kāi)關(guān)損耗減少1/3。（2）最大輸出線電壓基波幅值為Ud，直流電壓利用率提高。（3）輸出線電壓不含低次諧波，優(yōu)于梯形波調(diào)制方式。6.2.5提高直流電壓利用率和減少開(kāi)關(guān)次數(shù)6.2.6PWM逆變電路的多重化PWM多重化逆變電路，一般目的：提高等效開(kāi)關(guān)頻率、減少開(kāi)關(guān)損耗、減少和載波有關(guān)的諧波分量PWM逆變電路多重化聯(lián)結(jié)方式有變壓器方式和電抗器方式利用電抗器聯(lián)接的二重PWM逆變電路（圖6-20，圖6-21)圖6-20二重PWM型逆變電路

兩個(gè)單元逆變電路的載波信號(hào)相互錯(cuò)開(kāi)180°輸出端相對(duì)于直流電源中點(diǎn)N’的電壓uUN’=(uU1N’+uU2N’)/2,已變?yōu)閱螛O性PWM波6.3PWM跟蹤控制技術(shù)PWM波形生成的第三種方法——跟蹤控制方法。把希望輸出的波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際波形作為反饋信號(hào)，通過(guò)兩者的瞬時(shí)值比較來(lái)決定逆變電路各開(kāi)關(guān)器件的通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤指令信號(hào)變化。常用的有滯環(huán)比較方式和三角波比較方式。6.3.1滯環(huán)比較方式6.3.2三角形比較方式6.3.1滯環(huán)比較方式1)跟蹤型PWM變流電路中，電流跟蹤控制應(yīng)用最多。tOiii*+DIi*-DIi*圖6-23滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流圖6-22滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例基本原理把指令電流i*和實(shí)際輸出電流i的偏差i*-i作為滯環(huán)比較器的輸入。V1（或VD1）通時(shí)，i增大V2（或VD2）通時(shí)，i減小通過(guò)環(huán)寬為2DI的滯環(huán)比較器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*。參數(shù)的影響環(huán)寬過(guò)寬時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過(guò)窄時(shí)，跟蹤誤差小，但開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，開(kāi)關(guān)損耗增大。L大時(shí)，i的變化率小，跟蹤慢；L小時(shí)，i的變化率大，開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高。滯環(huán)環(huán)寬電抗器L的作用6.3.1滯環(huán)比較方式圖6-26電壓跟蹤控制電路舉例4)采用滯環(huán)比較方式實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制把指令電壓u*和輸出電壓u進(jìn)行比較，濾除偏差信號(hào)中的諧波，濾波器的輸出送入滯環(huán)比較器，由比較器輸出控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。6.3.1滯環(huán)比較方式和電流跟蹤控制電路相比，只是把指令和反饋信號(hào)從電流變?yōu)殡妷?。輸出電壓PWM波形中含大量高次諧波，必須用適當(dāng)?shù)臑V波器濾除。u*=0時(shí)，輸出電壓u為頻率較高的矩形波，相當(dāng)于一個(gè)自勵(lì)振蕩電路。u*為直流信號(hào)時(shí)，u產(chǎn)生直流偏移，變?yōu)檎?fù)脈沖寬度不等，正寬負(fù)窄或正窄負(fù)寬的矩形波。u*為交流信號(hào)時(shí)，只要其頻率遠(yuǎn)低于上述自勵(lì)振蕩頻率，從u中濾除由器件通斷產(chǎn)生的高次諧波后，所得的波形就幾乎和u*相同，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。6.3.2三角形比較方式負(fù)載+-iUi*U+-iVi*V+-iWi*WUdC+-C+-C+-三相三角波發(fā)生電路AAA(1)基本原理不是把指令信號(hào)和三角波直接進(jìn)行比較，而是通過(guò)閉環(huán)來(lái)進(jìn)行控制。把指令電流i*U、i*V和i*W和實(shí)際輸出電流iU、iV、iW進(jìn)行比較，求出偏差，通過(guò)放大器A放大后，再去和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波形。放大器A通常具有PI特性或P特性，其系數(shù)直接影響電流跟蹤特性。(2)特點(diǎn)開(kāi)關(guān)頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器設(shè)計(jì)方便。為改善輸出電壓波形，三角波載波常用三相三角波載波。和滯環(huán)比較控制方式相比，這種控制方式輸出電流所含的諧波少。三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路6.3.2三角形比較方式(3)除上述兩種比較方式外，還有定時(shí)比較方式。不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)鐘。以固定采樣周期對(duì)指令信號(hào)和被控制變量進(jìn)行采樣，根據(jù)偏差的極性來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件通斷。在時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)的時(shí)刻，如i<i*，V1通，V2斷，使I增大。如i>i*，V1斷，V2通，使I減小。每個(gè)采樣時(shí)刻的控制作用都使實(shí)際電流與指令電流的誤差減小。采用定時(shí)比較方式時(shí)，器件的最高開(kāi)關(guān)頻率為時(shí)鐘頻率的1/2。和滯環(huán)比較方式相比，電流控制誤差沒(méi)有一定的環(huán)寬，控制的精度低一些。6.4PWM整流電路及其控制方法6.4.1PWM整流電路的工作原理6.4.2PWM整流電路的控制方法實(shí)用的整流電路幾乎都是晶閘管整流或二極管整流。晶閘管相控整流電路：輸入電流滯后于電壓，且其中諧波分量大，因此功率因數(shù)很低。二極管整流電路：雖位移因數(shù)接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)也很低。把逆變電路中SPWM控制技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路?？刂芇WM整流電路，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，也稱單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器。第六章PWM控制技術(shù)?小結(jié)PWM控制技術(shù)的地位在本領(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)的影響器件與PWM技術(shù)的關(guān)系IGBT、電力MOSFET等器件的不斷完善為其提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)。PWM控制技術(shù)用于直流斬波電路直流斬波實(shí)際上就是直流PWM電路，是PWM應(yīng)用較早也成熟較早的一類電路，應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)就構(gòu)