pwm逆变电路的应用要点

《电力电子技术》课程大作业

设计题目： PWM电路的应用

学生所在系部：电子工程系

学生所在专业：自动化

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任课教师姓名：

大作业成绩：

PWM逆变电路的应用

一、摘要

随着控制技术的发展和对设备性能要求的不断提高，许多行业的用电设备不再直接接入交流电网，而是通过电力电子功率变换得到电能，它们的幅值、频率、稳定度及变化形式因用电设备的不同而不尽相同。如通信电源、电弧焊电源、电动机变频调速器、加热电源、绿色照明电源、不间断电源、充电器等等，它们所使用的电能都是通过对电网能进行整流和逆变变换后所得到的。因此，高质量的逆变电路已成为电源技术的重要研究对象。

采样控制理论中有一个重要结论：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。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。

PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

二、基本设计指标：

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。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

图1-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

1. 面积等效原理

分别将如图1-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图1-2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图1-2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

上述原理可以称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。

下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。图1-3可以看到把半波分成N等份，就可以把正弦半波看成N个彼此相连的脉冲序列组成的波形，然后把脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使它们面积相等，就可以得到脉冲序列。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

图1-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

图1-3 用PWM 波代替正弦半波

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。

2.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。

PWM 逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型。

2.1 计算法和调制法

2.1.1 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。

缺点：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

2.1.2 调制法

输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM 波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM 的要求。

调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM 波；调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM 波。

结合IGBT 单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：

设负载为阻感负载，工作时V 1和V 2通断互补，V 3和V 4通断也互补。

控制规律：

0u 正半周，1V 通，2V 断，3V 和4V 交替通断，负载电流比电压滞后，在电压u 正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，1V 和4V 导通时，0u 等于d U ，4V 关断时，负载电流通过1V 和3D V 续流，0u =0，负载电流为负区间，0i 为负，实际上从1D V 和4D V 流过，仍有0u =d U ，4V 断，3V 通后，0i 从3V 和1D V 续流，0u =0，0u 总可得到d U 和零两种电平。

0u 负半周，让2V 保持通，1V 保持断，3V 和4V 交替通断，0u 可得-d U 和零两种电平。

图2-1单相桥式PWM 逆变电路

单极性PWM 控制方式（单相桥逆变）：在r u 和c u 的交点时刻控制IGBT 的通断。r u 正半周，1V 保持通，2V 保持断，当r u >c u 时使4V 通，3V 断，0u =d U ，当r u c u 时使3V 断，4V 通，0u =0，虚线f u 0表示0u 的基波分量。波形见图2-2。

图2-2 单极性PWM 控制方式波形

防直通死区时间：