PWM控制原理

负载电流为正的区间，V1 和V4导通时，uo等于Ud 。
图6－4 单相桥式PWM逆变电路
一. 计算法和调制法
2.调制法
V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0 负实载际电上流io从为V负D的1和区V间D4，流过V1，和仍V4有仍u导o=通U，d 。io为负，
VV43关和断VDV13续开流通，后u，o=io0从。 u电o平总。可得到Ud和零两种
求得a1、a2和a3 。
O a1
a2 a3
p
2p
wt
-Ud
图6-9 特定谐波消去法的输出PWM波形
一. 计算法和调制法
在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相
消去互两抵种消。特定频率的谐波
可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程：
a1
2Ud
p
(12cosa1
2cosa2
2cosa3)
a5
2Ud
5p
(12cos5a1
2cos5a2
2cos5a3)
0
（6－5）
a7
2Ud
7p
(12cos7a1
2cos7a2
2cos7a3)
0
给定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1变，a1、a2和a3也相
应改变。
一. 计算法和调制法
一般在输出电压半周期内，器件通、断各k次， 考虑到PWM波四分之一周期对称，k个开关时 刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可
wt
-Ud
-Ud
图6-5 单极性PWM控制方式波形 图6-5 双极性PWM控制方式波形
对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单 极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断 控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。
一. 计算法和调制法
4.双极性PWM控制方式（三相桥逆变）
图6-7 三相桥式PWM型逆变电路
Ud
O
wt
-U d
根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM 波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。
Ud
O
wt
-Ud
第一节 PWM控制的基本思想
等幅PWM波
不等幅PWM波
输入电源是恒定直流
第3章的直流斩波电路 6.2节的PWM逆变电路 6.4节的PWM整流电路
输入电源是交流或不是 恒定的直流
10ms
15ms
20ms
25ms
30ms
所需波形 等效的PWM波
第二节 PWM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。
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，其幅值只有±Ud
两种电平。
u
ur uc
同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻
控制器件的通断。
O
wt
ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。
当ur >uc时，给V1和V4导通信号，给V2和 V3关断信号。
uo Ud
uof uo
如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4
本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位 变化时，结果都要变化。
2.调制法 一. 计算法和调制法
结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明
工作时V1和V2通断互补， V3和V4通断也互补。
以uo正半周为例，V1通， V2断，V3和V4交替通断。
负载电流比电压滞后，在 电压正半周，电流有一段 区间为正，一段区间为负。
第六章 PWM控制技术• 引言
❖ PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得 实现PWM控制变得十分容易。
❖ PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大 大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要 的地位。
❖ PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才 确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种 逆变电路都采用了PWM技术，因此，本章和第5章（逆变 电路）相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。
u UV Ud
O
?t ?t
当给V1(V4)加导通信号时，可 能VD是1(VV1D(V4)4导)导通通。，也可能是
-Ud u UN
O
2Ud
Ud
3
3
?t
图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形
uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形
只有±Ud/2两种电平。
uUV波形可由uUN’-uVN’得出，
当1和6通时，uUV=Ud，当3和4
Ud
2O
?
Ud 2
u WN'
Ud
2
防直通的死区时间
O u UV
Ud
同一相上下两臂的驱动信号互
O
-Ud
补，为防止上下臂直通而造成
u UN O
பைடு நூலகம்
?t ?t ?t ?t
?t
2Ud
Ud
3
3
?t
短路，留一小段上下臂都施加
图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形
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。
f制r很带低来时的，谐fc波也不很易低滤，除由。调
fr很高时，fc会过高，使开 关器件难以承受。
u
urU
uc urV
urW
O
t
uUN'
Ud
2
O
Ud 2
t
uVN'
O
t
uWN'
O
t
图6-10 同步调制三相PWM波形
二. 异步调制和同步调制
3.分段同步调制—— 2.4
异步调制和同步调制的综合应用。 2.0
通时，uUV=－Ud，当1和3或4
和6通时，uUV=0。
图6-7 三相桥式PWM型逆变电路
一. 计算法和调制法 u rU u
u rV
uc
u rW
输电出平线构电成压PWM波由±Ud和0三种
O
u UN'
Ud 2
O
?
Ud 2
负(±载1/相3)电Ud压和P0W共M5种波电由平(±组2成/3)。Ud、
u VN'
4.1节的斩控式交流调压电路 4.4节的矩阵式变频电路
Ud
U
O
wt o
ωt
- Ud
第一节 PWM控制的基本思想
2.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波可等效的各种波形
直流斩波电路
直流波形
SPWM波
正弦波形
等效成其他所需波形，如:
20V
0V
-20V 0s
5ms
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
第一节 PWM控制的基本思想
1.重要理论基础——面积等效原理
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
窄脉冲的面积
效果基本相同
f (t)
f (t)
环节的输出响应波形基本相同
f (t)
f (t)
d (t)
O
tO
tO
tO
t
a)矩形脉冲
b)三角形脉冲 c)正弦半波脉冲 d)单位脉冲函数
通， uo=Ud 。
O
wt
当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和
V4关断信号。
-Ud
如通i，o<u0o，=-VU2d和。V3通，如io>0，VD2和VD3
图6-6 双极性PWM控制方式波形
一. 计算法和调制法
u
uc ur
u
ur uc
O
wt O
wt
uo
uo
Ud
uof
uo
u of
uo
Ud
O
wt O
消去k－1个频率的特定谐波。
k的取值越大，开关时刻的计算越复杂。 除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在 6.3节介绍。
二. 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
为
an
4
p
U a1 d 02
sinnwtdwt
a2 (Ud
a1
2
sinnwt)dwt
U a3 d a2 2
sinnwtdwt
p
2
(Ud
a3
2
sinnwt)dwt
2Ud
np
式中n=1,3,5,…
(12cosna1
uo
2cosna2
2cosna3)
Ud
确两个定不a1的同值的，再令 a就n=可0(建n=三1,个3,5方…程)，，
把整个fr范围划分成若干个频
1.6
段，每个频段内保持N恒定，
1.2
不同频段的N不同。
0.8
fc /kHz 201 147 99
69 45 33
21
在fr高的频段采用较低的N，使 0.4
载 波 频 率 不 致 过 高 ； 在 fr 低 的
u
SPWM波 u
O
ω>t
O
ω> t
u
O
ω>t
第一节 PWM控制的基本思想
如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
uu
SPWM波 u
OO
ω ω>>tt
O
ω> t
u
O
ω>t
若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。
第一节 PWM控制的基本思想
对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM 波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：
图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
第一节 PWM控制的基本思想
具体的实例说明 “面积等效原理”
a）
b) 图6-2 冲量相等的各 种窄脉冲的响应波形
u (t)－电压窄脉冲， 是电路的输入 。 i (t)－输出电流，是 电路的响应。
第一节 PWM控制的基本思想
如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
V3断，uo=Ud 。
O
wt
当 ur<uc 时 使 V4 断 ，
V3通，uo=0 。
ur负半周，请同学们自
uo
uo
Ud
uof
己分析。
O
wt
表示uo的基波分量
-Ud
图6-5 单极性PWM控制方式波形
一. 计算法和调制法
在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。 3.双极性PWM控制方式（单相桥逆变）
内前后1/4周期以π/2为轴线对称
u(wt)u(pwt)
(6-2)
同时满足式（6-1）、（6-2）的波形称为四分之一周
期对称波形，用傅里叶级数表示为
u(wt) ansinnwt
式中，an为
n1,3,5,
an
p4
p
2u(wt)sinwtdwt
0
(6-3)
一. 计算法和调制法
图6-9，能独立控制a1、a 2和a 3共3个时刻。该波形的an
第六章 PWM控制技术• 引言
❖ PWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度 进行调制，来等效的获得所需要的波形（含 形状和幅值)。
❖ 第三、四章已涉及到PWM控制，第三章直流 斩波电路采用的就PWM技术；第四章的第一 节斩控式调压电路和第四节矩阵式变频电路 都涉及到了。
二. 异步调制和同步调制
2. 同步调制
——载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时
使载波与信号波保持同步，即N等于常数。
基时本N不同变步，调信制号方波式一，周fr变期化 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。
一. 计算法和调制法urU
u rV
uc
u rW
u
下面以U相为例分析控制规律：
O
?t
u UN'
Ud
2
O
?
Ud 2
?t
u VN'
当给uVr4U关>u断c时信，号给，Vu1U导N’=通U信d/2号。，
Ud
2O
?
Ud 2
u WN'
Ud
2
?t
O
当urU<uc时，给V4导通信号， 给V1关断信号，uUN’=-Ud/2。
O a1
a2 a3
p
2p
wt
括0和π），共6个开关 时刻可控。
-Ud
为减少谐波并简化控制， 要尽量使波形对称。
图6-9 特定谐波消去法的输出PWM波 形
一. 计算法和调制法
首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，
即
u(wt)u(wtp)
(6-1)
其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期
第二节 PWM逆变电路及其控制方法
一. 计算法和调制法 二. 异步调制和同步调制 三. 规则采样法 四. PWM逆变电路得谐波分析 五. 提高直流电压利用和减少开关次数 六. PWM逆变电路的多重化
一. 计算法和调制法
1.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。
uV通种o1断电负保，平半持。u周断o，可，让得V3V-和U2保Vd和4持交零通替两，
图6－4 单相桥式PWM逆变电 路
一. 计算法和调制法
3.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。
u
uc ur
当 ur>uc 时 使 V4 通 ，
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6-7 三相桥式PWM型逆变电路
一. 计算法和调制法
5.特定谐波消去法
(Selected Harmonic Elimination PWM—
SHEPWM)
uo
这是计算法中一种较有 Ud
代表性的方法。
输出电压半周期内，器 件通、断各3次（不包