电力电子技术-PWM控制技术

a1 a5
2U d
p
(1 2 cos a1 2 cos a 2 2 cos a 3 )
2U d 5p 2U d a7 7p
(1 2 cos 5a1 2 cos 5a 2 2 cos 5a 3 ) 0 （6－5） (1 2 cos 7a1 2 cos 7a 2 2 cos 7a 3 ) 0
给定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1变，a1、a2和a3也相 应改变。
电力电子技术
6-25
6.2.1 计算法和调制法
如果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 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
u(w t )
式中，an为
p 2 0
n 1, 3,5,
an sin nw t

(6-3)
4 a n u(w t ) sin nw tdw t p
6-23
电力电子技术
6.2.1 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 为 a U 4 a Ud an sin nw tdw t ( d sin nw t )dw t a p 0 2 2
6-4
电力电子技术
6.1 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。
电力电子技术
6-5
6.1 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
电力电子技术
图6－4 单相桥式PWM逆变电路
6-15
6.2.1 计算法和调制法
3）单极性PWM控制方式
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。 当ur>uc 时使V4 通， V3断，uo=Ud 。 当ur<uc 时使V4 断， V3通，uo=0 。 ur 负半周，请同学们自 己分析。
确定a1的值，再令 两个不同的 an=0(n=1,3,5…)， 就可建三个方程， 求得a1、a2和a3 。
电力电子技术
wt
图6-9 特定谐波消去法的输出PWM波形
6-24
6.2.1 计算法和调制法
消去两种特定频率的谐波
在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相 互抵消。 可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程：
电力电子技术
6-18
6.2.1 计算法和调制法
4）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）
三相的PWM控 制公用三角波载 波uc 三相的调制信号 urU、urV和urW依 次相差120°
图6-7 三相桥式PWM型逆变电路
电力电子技术
6-19
6.2.1 计算法和调制法
下面以U相为例分析控制规律：
当urU>uc时，给V1导通信号， 给V4关断信号，uUN’=Ud/2。 当urU<uc时，给V4导通信号， 给V1关断信号，uUN’=-Ud/2。 当给V1(V4)加导通信号时， 可能是V1(V4)导通，也可能 是VD1(VD4)导通。 uUN’、uVN’和uWN’的PWM波 形只有±Ud/2两种电平。
这是计算法中一种较有 代表性的方法。 输出电压半周期内，器 件通、断各3次（不包 括0和π），共6个开关 时刻可控。 为减少谐波并简化控制， 要尽量使波形对称。
uo Ud O a 1 - Ud
a2 a3
p
2p
wt
图6-9 特定谐波消去法的输出PWM波形
电力电子技术
6-22
6.2.1 计算法和调制法
0V
-20V
0s
5ms
所需波形
10ms
等效的PWM波
15ms
20ms
25ms
30ms
电力电子技术
6-10
6.2 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。 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
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 O
- Ud
U
wt
o
ωt
电力电子技术
6-9
6.1 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
首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称， 即 (6-1) u(wt ) u(wt p ) 其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期 内前后1/4周期以π/2为轴线对称
u(w t ) u(p w t )
(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
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。 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
1 2 1

a3 U
a2
Ud sin nw tdw t ( sin nw t )dw t a3 2 2
d 2
p
Baidu Nhomakorabea
式中n=1,3,5,…
2U d (1 2 cos na1 2 cos na 2 2 cos na 3 ) np u
o
Ud O a 1 - Ud a2 a3 p 2p
Ud
O -U d
wt
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。
U
d
O
-
wt
U
d
电力电子技术
6-8
6.1 PWM控制的基本思想
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
不等幅PWM波
输入电源是交流或不是 恒定的直流
6-12
6.2.1 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。
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。
电力电子技术
6-13
6.2.1 计算法和调制法
2）调制法
同一相上下两臂的驱动信号互补， 为防止上下臂直通而造成短路， 留一小段上下臂都施加关断信号 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。 死区时间会给输出的PWM波带来 影响，使其稍稍偏离正弦波。
电力电子技术
图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形 6-21
6.2.1 计算法和调制法
5）特定谐波消去法 (Selected Harmonic Elimination PWM— SHEPWM)
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。
电力电子技术
6-3
6.1 PWM控制的基本思想
电力电子技术
6-17
在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。
6.2.1 计算法和调制法
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。
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 环节的输出响应波形基本相同
f (t) f (t) d (t)
效果基本相同
f (t) f (t)
O
t t O t O c)正弦半波脉冲 d)单位脉冲函数 a)矩形脉冲 b)三角形脉冲 图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 t O
第6章
引言 6.1 6.2 6.3 6.4
PWM控制技术
PWM控制的基本原理 PWM逆变电路及其控制方法 PWM跟踪控制技术 PWM整流电路及其控制方法
本章小结
电力电子技术
6-1
第6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)。
图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形
uUV波形可由uUN’-uVN’得出，当1和6通时，uUV=Ud， 当3和4通时，uUV=－Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。
电力电子技术
6-20
6.2.1 计算法和调制法
输出线电压PWM波由±Ud和0 三种电平构成 负载相电压PWM波由 (±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种 电平组成。 防直通的死区时间
表示uo的基波分量
图6-5 单极性PWM控制方式波形 电力电子技术
6-16
6.2.1 计算法和调制法
3）双极性PWM控制方式
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。 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。 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。 如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和 VD4通， uo=Ud 。 当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给 V1和V4关断信号。 如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和 图6-6 双极性PWM控制方式波形 VD3通，uo=-Ud 。
6.3节介绍。
电力电子技术
6-26
6.2.2 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 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
电力电子技术
6-14
6.2.1 计算法和调制法
V4关断时，负载电流通过V1和 VD3续流，uo=0 负载电流为负的区间， V1和 V4仍导通，io为负，实际上io 从VD1和VD4流过，仍有 uo=Ud 。 V4关断V3开通后，io从V3和 VD1续流，uo=0。
uo总可得到Ud和零两种电平。
uo负半周，让V2保持通，V1保 持断，V3和V4交替通断，uo可 得-Ud和零两种电平。
第3、4章已涉及到PWM控制，第3章直流斩
波电路采用的就PWM技术；第4章的4.1斩控 式调压电路和4.4矩阵式变频电路都涉及到了。
电力电子技术
6-2
第6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
前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。
电力电子技术
6-11
6.2 PWM逆变电路及其控制方法
6.2.1 计算法和调制法
6.2.2 异步调制和同步调制
6.2.3 规则采样法
6.2.4 PWM逆变电路得谐波分析
6.2.5 提高直流电压利用和减少开关次数
6.2.6 PWM逆变电路的多重化
电力电子技术
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
电力电子技术
6-27
6.2.2 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。
u
SPWM波
ωt
u
O
>
O
>t ω
u
O
ωt
>
电力电子技术
6-6
6.1 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
u
SPWM波
ωt
u
O
>
O
>t ω
u
O
ωt
>
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。
电力电子技术
6-7
6.1 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：