第7讲PWM原理与控制技术

直接电流控制系统的优点： 由于采用了滞环比较器，使交流电流isk始 终保持在给定电流isk*的附近，不受电网电压 波动和负载变换的影响，系统鲁棒性好，动 态响应快，因而应用比较多。 3、开关器件的逻辑控制 根据变流电路的预期性能，经电流调节器 和输入交流电流的控制得到开关器件的PWM 驱动信号。

7.4.2 三相桥式PWM逆变电路
7.5 PWM逆变电路的其他控制方法
电流跟踪型PWM控制技术、 空间电压矢量PWM控制技术、 直接转矩PWM控制技术等 。
7.5.1 电流跟踪型PWM控制技术 基本思想： 把希望输出的电流波形作为指令信号， 把实际的电流波形作为反馈信号，通过两者 瞬时值的比较来决定逆变电路各开关器件的 通断，使实际输出电流随指令信号的改变而 改变。 方法： 以逆变电路的输出电流为控制量，采用 闭环控制的方法生成PWM波形。
7.3.3 单极性调制和双极性调制
单极性调制：调制信号ur和载波信号uc始终 保持相同的极性。
双极性调制：指在调制波的每半周期内载波 信号uc为双极性，每个开关周期内输出 电压波形都会出现正负两种极性的电平。
7.4 PWM逆变电路 7.4.1 单相桥式PWM逆变电路
双极性控制模式时单相桥式逆变电路波形图
⑴间接电流控制 根据关系式： U s U ABf ( jLs RS ) I S 在电源电压us和阻抗一定的情况下，is的幅 值和相位仅由uABf的幅值及其与us的相位差所 决定，控制uABf的幅值和相位，就能迫使us和 is的相位差为所需要的任意角度。
因此，间接电流控制就是通过控制交流电 s 减去阻抗压降(jωLs+Rs)Is得 源电压us ，由 U 到UAB的调制波，经与三角载波相比较获得开 关器件的通断时刻。
采用滞环比较方式的PWM电流跟踪控制单相 半桥逆变电路
三相滞环比较电流跟踪型PWM逆变电路
7.5.2 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技 术
三相交流电动机在定子绕组上施加三相 对称交流电压，在定子绕组中即产生定子电 流和磁通。在三相绕组共同作用下，在电机 的气隙中产生了合成的旋转磁场。时空变化 的旋转磁场由三相平衡正弦电压产生，为了 描述三相电压与电动机旋转磁场的关系，提 出了电压空间矢量的概念。
并联型有源电力滤波器
串联型有源电力滤波器
统一电能质量调节器
7.10.3 PWM变流电路在风力发电系统中的 应用例 双馈异步风力发电系统
永磁同步低速直驱式风力发电系统
t touPWM来自o解决办法： ①采用梯形波作为调制波
o
t
uPWM
o
t
②采用鞍形波作为调制波
ur
ur
o
t
7.2.3 低次谐波消去法 低次谐波消去法的核心，是通过对 SPWM脉冲位置的合理安排，达到既能控制 输出电压基波的大小，又能有选择地消除逆 变器输出电压中某些低次谐波。 需联立求解的方程 。
反并联二极管后，只要负载两端电压低 于A、B两端电压值，则二极管导通（正半 周期VD1、VD4导通，负半周期VD2、VD3 导通），同时全控型器件被旁路，整流工作 状态与二极管整流电路完全相同，对全控型 器件进行PWM控制失去作用。只有在直流 侧电压Ud 大于A、B两端电压时，二极管不 会自然导通，全控型器件组成的桥式电路才 可以正常工作。

三相桥逆变电路为异步电动机供电原理图

旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹

六状态电压空间矢量

六状态磁链空间矢量

逼近圆形的多边形磁链轨迹

圆形磁链控制原理图
7.6 PWM整流电路 用全控型开关器件取代晶闸管或二极管， 采用PWM控制技术实现交流到直流的变换。 ——PWM整流电路。 PWM整流电路的优点： 电能双向传输、动态响应快、输入电流的波 形正弦、网侧功率因数可达到1等优良性能。 ——也称为高频整流器或四象限变流器
调制法产生SPWM波形
1、自然采样法
直接使用调制波与三角载波相比较，二 者的交点时刻就是脉冲的边沿，这种产生 SPWM脉冲的方法称为自然采样法 。
TC
A B
t
tA t3 t1

tB t4 t2
t
2、规则采样法
3、准正弦波脉冲宽度调制法——提高直流 电压利用率
当SPWM控制的正弦调制波峰值大于三角波的 峰值时，会出现过调制。脉冲宽度不再遵循正弦 调制波的规律。因而三角载波的幅值必须大于正 弦波幅值。 u
脉冲宽度调制（PWM）： 把所变换的波形切割为宽度按要求变化 的一系列脉冲——脉冲宽度调制。 脉冲幅度调制（PAM)： 把所变换的波形切割为宽度恒定、高度 按要求变化的一系列脉冲——输出脉冲等宽 不等高（如斩控式交流调压）。 脉冲频率调制（PFM）： 把所变换的波形切割为脉冲宽度恒定、 频率变化的一系列脉冲——定宽调频控制。
间接电流控制的问题： 该控制方式基于系统的静态模型设计，控 制过程中用到电路参数Ls和Rs，前提条件是 电网电压不能发生畸变。实际上，由于上述 各量的变化，会直接影响控制系统的效果， 且动态特性较差，因而这种方法应用较少。

（2）直接电流控制 直接电流控制直接引入交流电流is作为反馈 量，使交流电流is跟踪给定电流变化，采用电 压外环、电流内环的双闭环控制方式。
7.6.2 PWM整流电路的控制

PWM整流电路的控制方法： 直流电压、交流电流双闭环反馈控制 内环：交流电源电流 外环：负载两端直流电压 三个方面： 输出直流电压控制； 输入交流电流控制； 开关器件的逻辑控制。
1、输出直流电压控制——外环 电压型PWM整流电路的控制目的： ①使输出直流电压稳定在要求的值； 运用反馈控制原理，将直流电压作为被控 制量，构成闭环控制系统完成控制要求。
7.3. PWM控制技术中的基本概念 7.3.1 载波比和调制深度 载波比N：载波信号的频率fc与调制信号的 频率fr之比。 调制深度：正弦调制信号的幅值与三角载波 信号的幅值之比。 7.3.2 同步调制、异步调制和分段同步调制 1、同步调制 使载波信号和调制信号始终保持同步 。
2、异步调制 在调制信号频率变化时保持载波信号频 率不变 。 3、分段同步调制 分段同步调制是将调制波频率分为若干 个频段，在每个频段内都保持载波比N恒定 不变，不同频段则载波比N不同。
电力电子应用技术
第七章 PWM原理与控制技术
变流技术 相位控制： 在一个周期内把原波形切为几块进行重新 组合——如可控整流、相控交流调压、交交 变频、180°和120 °导通型逆变。 周波比控制： 把一定数量周期的波形按比例进行通断控 制——交流调功电路。 斩波控制： 把要变换的波形切碎（切割为许多脉冲） 进行重新组合——比如直流斩波。
当us﹤0时，两个升压斩波电路： VT4、VD2、VD3、LS和VT1、VD3、VD2、LS
PWM整流电路的运行状态
（1）uAB滞后us的相角为δ，is与us同相位， 电路工作于整流状态，且功率因数为1， 能量从交流侧向直流侧传输，这是PWM 变流电路的最基本的工作状态。
（2）uAB超前us的相角为δ，is与us的相位 正好相反，电路工作于有源逆变状 态，能量从直流侧向交流侧传输。
（3）uAB滞后us相角为δ，is超前us 90°,电 路向交流电源输送无功功率，这时的 电路成为静止无功功率发生器 （Static Var Generator--SVG）。
（4）通过对uAB幅值和相位的控制，可以使 is与us之间为任意角度φ，可以是超前 的，也可以是滞后的。
三相PWM整流电路
7.6.1 PWM整流电路的结构和工作原理 只有全控器件组成的单相全桥整流电路
电压型单相全桥PWM整流电路
直流侧负载两端 并联电容可减小直流 电压的脉动，在交流 侧串电感可抑制交流 电流的脉动。但因电 感的存在，当全控型 器件关断时，因电流 突变产生的di/dt很 大，严重威胁器件的 安全，需反并联二极 管为其提供释放能量 的通道。
7.2 SPWM波形生成方法
7.2.1 等面积法——计算法 7.2.2 调制法 调制解调的概念： 调制：源于通信系统，把要传输的信号 附着在另一个信号（载体电波） 上，以利于传输。 解调：把已调制的信号还原为原来的信 号。
载波：载体电波，用于搭载信号波的波。 信号波：要传输的信息波。 调制波：用信号波与载波合成的过程叫 调制过程，实际是用信号波调 制载波，故把信号波也称为调 制波。
用等幅不等宽的矩形脉冲来等效正弦波 把正弦半波看 成N个彼此相连的 等宽脉冲，都等于 π/N，脉冲顶部是 正弦波的一部分。 用相同数量的等幅 不等宽的矩形脉冲 代替，且使二者面 积相等，就是 PWM波形。
SPWM：脉冲宽度按正弦规律变化的一系列 脉冲， 用以等效正弦波。 PWM波形可以等幅，可以不等幅。 等幅便于计算，易于实现。 不等幅计算复杂，实现困难，但必须满 足面积等效原理。
②使供电电源的功率因数达到要求的值， 一般为1和－1。
2、输入交流电流控制——内环 满足第二个目的：功率因数达到要求的值。 采用反馈控制的方法。 电流给定与电流反馈比较，由PI调节器调 节，把输入交流电流控制为希望值。 交流电流控制分两种： 间接电流控制：没有引入输入电流反馈 直接电流控制：引入输入电流反馈
各自特点： PAM：需调节直流电压的值，谐波含量大 PFM：实现相对较难
PWM：分析、控制、实现容易，谐波小
7.1 PWM控制的基本原理 理论依据：面积等效原理 冲量相等而形状不同的窄脉冲作用在惯 性环节上时，其作用效果基本相同，也称面 积等效原理。
（a）
（b）
（c）
（d）
作用对象：惯性环节 作用量：窄脉冲（电压、电流）
实际上，PWM整流电路是按升压斩波电 路工作的。 当us﹥0时，由两个升压斩波电路交替工 作完成能量从交流侧向直流侧的传递。 当us﹤0时，由另外两个升压斩波电路交 替工作完成能量从交流侧向直流侧的传递。
当us﹥0时，两个升压斩波电路： VD1、VT3、VD4、LS和VT2、VD4、VD1、LS
7.8 PWM变流电路在电气传动方面的应用 例—交直交变频器
7.9 PWM变流电路在电源技术方面的应用例 —不间断电源和应急电源 7.9.1 UPS电源 7.9.2 EPS电源
7.10 PWM变流电路在电力系统中的应用例
7.10.1 PWM变流电路在交流输电系统中的 应用例 静止同步串联补偿器 统一潮流控制器 7.10.2 PWM变流电路在交流配电系统中的 应用例 并联型有源电力滤波器 串联型有源电力滤波器 统一电能质量调节器
当开关Sau 导通时，uu＝ua，当开关Sbu 导 通时，uu＝ub,当开关Scu 导通时，uu＝uc,通过 对Sau、Sbu、Scu导通时间的控制。可以构造 uu所需要的波形。这样输出u相电压可以表示 为： uu＝αau ua +αbu ub +αcu uc 三相输出电压与输入电压的关系可以表示为：
7.7 矩阵式变频电路 矩阵式变频电路直接把脉动的交流电通 过斩波控制变换为所需频率的交流电，而不 再对恒定的直流电进行变换，原理仍为分时 切片再进行组合。 通过开关控制截取 三相交流电源的片 段并重新组合，得 到所希望的输出电 压波形。
在任一时刻，输出三相中的任意一相都可 以通过交流开关与三相电源的任一相连接 。 以u相为例，通过Sau、Sbu、Scu 的通断控制 使uu 等于ua、ub或uc，但三个开关同时只能 有一个导通，否则会造成电源短路。 输出量uu 就是由输入电源ua、ub、uc三相 电压的片段组合而成，只要开关频率足够 高，选择合适的导通时刻与合适的导通时 间，uu就可以为希望输出频率的交流电了。