PWM 控制技术

图15 SPWM 的谐波分析
5.7 异步调制和同步调制
异步调制 载波和信号波不保持同步的调制方式称为异步调制 。 保持载波频率fc固定不变，因而当调制波频率fr变化时，载波比N是变化的。 在信号波的半个周期内，PWM的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半 周期的脉冲可能不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也可能不对称。 同步调制 载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步 调制。 三相SPWM逆变电路中，通常公用一个三角载波，且取载波比N为3的整数 倍，以使三相输出波形严格对称，为了保证双极性调制时每相波形的正、 负半波对称，N应取奇数。 信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。 分段同步调制 将异步调制和同步调制结合起来，成为分段同步调制方式。 在不同的频率段采用异步，在同一频段采用同步，结合了异步和同步的优 点。
V1m =
Vdc ×m 2
FFT window: 2 of 6 cycles of selected signal 100 50 0 -50 -100
0.07
0.075
0.08 0.085 Time (s)
0.09
0.095
0.07
0.075
0.08 0.085 Time (s)
0.09
0.095
Fundamental (60Hz) = 158.7 , THD= 137.34%
图3 SPWM的原理
5.3 SPWM 控制方法
计算法：实时在线计算困难 调制法（三角波交点法） 把希望输出的波形作为调制波， 等腰三角形作为载波，通过对载 波的调制得到希望输出的PWM波 形。 1）单极性调制：三角波载波在半个 周期内只在1个方向变化，所得 的PWM波形也只能在单极性范围 内变化。 优点：电压电流波动小，开关器 件的电压、电流应力小 缺点：生成困难 2）双极性调制：三角波载波在半个 周期内在正负2个方向变化，所 得的PWM波形也在2个方向变化。 缺点：电压电流波动较大，器件 缺点 电压、电流应力较大 优点：生成容易 优点
0 .0 7
0 .0 7 5
0 .0 8 0 .0 8 5 T im e (s )
0 .0 9
0 .0 9 5
F u n d a m e n t a l (6 0 H z ) = 1 8 . 5 5 , T H D = 7 . 6 7 % 100 Mag (% of Fundamental) 80 60 40 20 0
图2 PWM的分类
5.2 SPWM
SPWM
把逆变器的正弦输出分割成若 干个周期相同的部分； 根据冲量等效原理，一个期望 的目标函数总可以由一列等幅 不等宽的脉冲来替代（生成） 周期相同的、面积不相等的被 分割波形可以用等幅不等宽的 脉冲等效！只要使这些脉冲的 宽度按照正弦函数分布 改变脉冲的宽度就可改变正弦 波的幅值；改变调制周期就可 以改变正弦输出的频率
PWM 控制技术
课件5
5.1 概述
PWM（Pulse Width Modulation）：按照某种规律,对可控开关 器件门极驱动脉冲的宽度进行控制，以改变电力电子开关器件的 导通时间，实现对输出的有效调节。 冲量（面积）等效原理： 冲量（面积）等效原理：大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于 惯性系统时，只要他们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用 效果基本相同。（伏秒平衡，感性负载；安秒平衡，容性负载）
分段同步调制： 分段同步调制：把整个变频范围划分成若干个频段，对 不同的频段取不同的N值（异步调制）；在每个频段内 都维持载波比N恒定（同步调制），以保持输出波形对 称的优点。
0
1000
2000 3000 F re q u e n c y (H z )
4000
5000
图13 SPWM 的仿真波形图（三相双极性， 1kHz ）
5.6 PWM逆变器的谐波分析 逆变器的谐波分析
单相
nωc±kωr 式中，n=1,3,5,… k=0,2,4,6,…； n=2,4,6,…时， k=1,3,5,… 最低次的主要谐波： ωc±2ωr、±4ωr
图4 SPWM的生成
单相单极性SPWM
图4 单相单极性 SPWM 的生成
三相双极性SPWM
公用一个三角调制波 三相调制信号分别调制三角 波得出各个桥臂的开关信号 uUN’、 uVN’和uWN’的PWM波 形都只有±Ud/2两种电平 输出线电压PWM波由±Ud和 0三种电平构成 负载相电压的PWM波由 ±(2/3) Ud 、±(1/3) Ud和0五 种电平组成
Байду номын сангаас
5.5 SPWM逆变器仿真 逆变器仿真
DC/AC Bipolar Inverter:
V2 fundam ental: = m/2*Vdc V peak = 0.8/2*400 = 160 V
Vdc/2 = 200 V
+ g A
Discrete PWM Generator 2 pulses
Pulses
+
i -
I2 Scope2 1 ohm 5 mH
+ v -
V2
Vdc/2 = 200 V
Universal Bridge 1 arm
DC/AC Monopolar Inverter:
V3 fundam ental: = m*Vdc V peak = 0.8*400 = 320 V
Discrete PWM Generator 4 pulses
0.07
0.075
0.08 0.085 Time (s)
0.09
0.095
0.07
0.075
0.08 0.085 Time (s)
0.09
0.095
Fundamental (60Hz) = 292.8 , THD= 75.17% 100 Mag (% of Fundamental) 80 60 40 20 0 Mag (% of Fundamental) 100 80 60 40 20 0
图1 面积等效原理示意图
PWM调制的目的：
1）灵活方便地获得幅值、频率、相位不同的所需波形； 2）有效的谐波抑制； 3）动态响应好，效率高。
PWM调制的应用：应用于几乎所有的电力电子变
换，包括整流、逆变、直流变换等，是目前最广泛使 用的波形调制技术。
PWM控制的分类：
1）单脉宽调制 2）等宽脉冲调制（直流斩波、 直流电机调速） 3）可变脉宽调制 （SPWM、SVPWM、 SHEPWM等）
0
0 -100
-500
0.035
0.04
0.045
0.05 Time (s)
0.055
0.06
0.065
-200
0.035
0.04
0.045
0.05 Time (s)
0.055
0.06
0.065
Fundamental (60Hz) = 317.4 , THD= 69.24% 100
Mag (% of Fundamental)
图14 SPWM 的谐波分析
三相
n=1,3,5,…时， k=3(2m-1)±1, m=1,2,… ； n=2,4,6,…时， k=6m-1,m=0,1,2 k=6m+1,m=1,2, 最低次的主要谐波： ωc＋4ωr 、ωc－2ωr ωc＋10ωr、 ωc－8ωr nωc±kωr
少了3的倍数次旁瓣谐波！ 少了 的倍数次旁瓣谐波！ 的倍数次旁瓣谐波
Fundamental (60Hz) = 148.7 , THD= 2.01% 100 Mag (% of Fundamental) 80 60 40 20 0
80 60 40 20 0
0
1000
2000 3000 Frequency (Hz)
4000
5000
0
1000
2000 3000 Frequency (Hz)
+ g A B Pulses
+
i -
I3 1 ohm 5 mH
+ v -
Scope3
Vdc = 400 V
V3
Universal Bridge 2 arms
图7 SPWM 的仿真电路图
单相SPWM（双极性） （双极性） 单相
FFT window: 2 of 6 cycles of selected signal 400 200 0 -200 -400
Fundamental (60Hz) = 74.38 , THD= 7.31% 100
100 Mag (% of Fundamental)
Mag (% of Fundamental)
0 1000 2000 3000 Frequency (Hz) 4000 5000
80 60 40 20 0
80 60 40 20 0
Universal Bridge 3 arms
Pulses
208V /208V 1kVA Transformer A B C
Vab_load1 1 kW 0.5 kvar @ 208V
Discrete PWM Generator 6 pulses
图9 SPWM 的仿真电路图（三相双极性）
图10 SPWM 的调制波、载波，1、3、5脉冲（三相双极性，1kHz）
图5 三相双极性 SPWM 的生成
SPWM的基波电压
定义： 为调制比m 定义：M=Urm/Ucm为调制比 输出基波幅值和调制比m成正比 定义： N＝ 为载波比N 定义： N＝fc/fr为载波比N 输出波形的谐波含量和载波比成 反比。 SPWM基波电压 SPWM逆变器输出脉冲序列的 基波电压正是调制时所要求的等 效正弦波 u1m＝m×ud（单极性） u1m＝1/2×m×ud（双极性） 本质是一个线性放大器