电力电子基础

电力电子基础Fundamental

Power

Electronics第六讲

脉宽调制(

)技术1第六讲脉宽调制（）技术6.1.

脉宽调制(

)技术引言控制的基本原理逆变电路及其控制方法控制技术整流电路及其控制方法小结2第六讲脉宽调制（）技术6.1.引言脉宽调制技术(

-Pulse

Width

Modulation)：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效获得所需要的波形（含形状和幅值)。

控制的变流电路主要有：

逆变电路、直流斩波电路、

整流电路、斩控式调压电路。3第六讲脉宽调制（）技术6.1.引言

控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得

控制变得容易实现。

技术的应用使电力电子装置的性能大大提高，在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。

技术在逆变电路中应用最广。本讲主要以逆变电路为控制对象来介绍

控制技术4第六讲脉宽调制（）技术6.2.

控制的基本原理理论基础—面积等效原理面积相等而形状不同的窄脉冲加在具有低通滤波特性的环节上时，该环节的输出响应波形基本相同该环节的输出响应在低频段非常接近，仅在高频段略有差异e(t)=f(t)－电压窄脉冲，f

(t)(t)f

(t)f

(t)f

(t)是电路的输入

。i(t)－输出电流，是电路的响应。Oa)矩形脉冲tO

t

O

t

O

tb)三角形脉冲

c)正弦半波脉冲

d)单位脉冲函数

形状不同而冲量相同的各种窄脉冲5第六讲脉宽调制（）技术6.2控制的基本原理例1：S

调制机理u>Ouωt将正弦半波采样切割成为一系列不等幅等宽窄脉冲>用一系列等幅不等宽的脉冲来等效取代正弦波这些等幅不等宽脉冲与对应的同一采样周期内对应的正弦波面积相等这些等幅不等宽脉冲的宽度按正弦规律变化。若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽Ouωt将不等幅等宽窄脉冲系列转化为等幅不等宽窄脉冲系列度即可。因而称为正弦脉宽调制。S波O>ωt6第六讲脉宽调制（）技术6.2

控制的基本原理Ot用不同的等幅调宽脉冲波形等效 近正弦波可获得不同的S单极性SU

d-U

d双极性SU

dO

t-

U

d7第六讲脉宽调制（）技术6.2

控制的基本原理直流等幅

波和不等幅

波一端为直流电源采用等幅等，如直流斩波电路及幅调制交流逆变、整流电路输入电源是交流时采用不等交流幅

，如斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路本质相同oωtU基于面积等效原理进行控制，不等幅调制8第六讲脉宽调制（）技术6.2

控制的基本原理直流电压、电流波电流型逆变电路进行制，得到的就是控电流波；等幅调制交流但电压型逆变电路进行控制最为普遍波形可用于等效的各种波形直流斩波电路：等效直流波形S

波：等效正弦波形交流还可以等效成其他所需波形，oωt不U等幅如等效所需非正弦交流波形等，调其基本原理仍基于等效面积原制理9第六讲脉宽调制（）技术6.3.

逆变电路及其控制方法计算法和调异步调制和同步调制规则采样法逆变电路得谐波分析提高直流电压利用和减少开关次数逆变电路的多重化10第六讲脉宽调制（）技术6.3.1计算法和调数字计算调根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算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 波形。当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要相应变化11第六讲脉宽调制（）技术6.3.1计算法和调模拟电路调输出波形作调制信号，进行调制得到期望的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12第六讲脉宽调制（）技术6.3.1计算法和调模拟电路调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，符合要求。调制信号波为正弦波时，得到的就是S

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

波。13第六讲脉宽调制（）技术6.3.1计算法和调例1：单相桥式

电压型逆变电路+V1V3VD1VD3RLUdV2V4VD4uoVD2载波调制电路ur信号波uc14第六讲脉宽调制（）技术6.3.1计算法和调uc

uru单相桥式

电压型逆变电路单极性Ot在ur和uc的交点时刻控制

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=0u

负半周，V

保持断，V

保持通uouofuoUdr

1

2Ot当ur<uc时使V3通，V4断，uo=-Ud当ur>uc时使V3断，V4通，uo=0虚线uof表示uo的基波分量-Ud15第六讲脉宽调制（）技术6.3.1计算法和调ru

ucuOt单相桥式 电压型逆变电路双极性在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得

波也有正有负在ur一周期内，输出

波只有±Ud两种电平。仍在调制信号ur和载波信号uc的r交点控制器件的通断。u

正负半周，对各uouofOtuo

Ud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-Ud16第六讲脉宽调制（）技术6.3.1计算法和调例2：双极性三相的控制方式（三相桥逆变）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°V1VD1VD3V3V5VD5VUNN'+CUd22V4VD2VD4V6VD6VW+CU

d2调制电路ucurUurVurW17第六讲脉宽调制（）技术6.3.1计算法和调ucurUurVurWuOtttuUN'Ud

2O

Ud

tu

2WN'Ud

2OU相的控制规律当urU>uc时，给V1

导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2

uVN'2Ud2当urU<uc时，

给V4

导通信号，给

OUdV1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uUVUdOVD4(VD1)导通-UduUNt3Ud2

2Ud

Ot18第六讲脉宽调制（）技术6.3.1计算法和调ucurUurVurWuOtU相的控制规律波形只有tuUN'Ud

2O和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，t

Ud

UV

dUV=0tu

=－U

，当1和3或4和6通时，

u

2u2uUN’、uVN’和uWN’的±Ud/2两种电平uUV

波形可由uUN’-uVN’

得出，

当1

uVN'Ud2OUdWN'Ud2O输出线电压

波由±Ud和0三种电平构成uUVUdO负载相电压 波由(±2/3)Ud、d(±1/3)U

和0共5种电平组成uUN-Udt3Ud2

2Ud

Ot19第六讲脉宽调制（）技术6.3.1

计算法和调防直通死区时间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波带来影响，使其稍稍偏离正弦波20第六讲脉宽调制（）技术6.3.2

异步调制和同步调制异步调制与同步调制载波比——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，调制方式分为异步调制和同步调制21第六讲脉宽调制（）技术6.3.2

异步调制和同步调制异步调制异步调制——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， 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，脉冲不对称的影响就变大22第六讲脉宽调制（）技术6.3.2

异步调制和同步调制同步调制

同步调制——N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步周期内基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号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 波正负半周镜对称，N应取奇数fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受23第六讲脉宽调制（）技术6.3.2

异步调制和同步调制2.0.1.21.6fc

/kHz分段同步调制把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低0.40.80

10

20

30

40

50

60

70

80fr

/Hz24第六讲脉宽调制（）技术6.3.2

异步调制和同步调制分段同步调制为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法2.41.62.01.2fc

/kHz同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步0.40.8调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近0

10

20

30

40

50

60

70

80fr/Hz25第六讲脉宽调制（）技术6.3.3

规则采样法1）自然采样法：TcucuurA

DB按照S

控制的基本原理产生的

波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中

计算，工程应用不多。OttAtDtB222）规则采样法工程实用方法，效果接近自然Otuo

'

'规则采样法采样法，计算量小得多。正弦调制信号波ur

a

sin

rt式中称为调制系数，0≤

<1；

r为信号波角频率。脉冲宽度为

Tc

(1

a

sin

r

tD

)226第六讲脉宽调制（）技术6.3.4

逆变电路的谐波分析使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量。谐波频率和幅值是衡量 逆变电路性能的重要指标之一。分析以双极性S

波形为准。同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制方式。分析方法以载波周期为基础，再利用

函数推导出

波的

级数表达式。尽管分析过程复杂，但结论简单而直观。27第六讲脉宽调制（）技术6.3.4

逆变电路的谐波分析1.41）单相的分析结果不同时单相桥式逆变电路输出电压频谱图。谐波角频率为:1.01.20.60.8谐波振幅0.20.4nc

kra=

.a=0.8a=0.5a=010+-2-+40+-1+-3+-50+-2+-40123角频率(n

c+k

r

)单相 桥式逆变电路输出电压频谱图k式中，n=1,3,5,…时，k=0,2,4,…；nn

,

,

,…

，k=1,3,5,

…波中不含低次谐波，只含c及其附近的谐波以及2c、3c等及其附近的谐波。28第六讲脉宽调制（）技术6.3.4

逆变电路的谐波分析2）三相的分析结果公用1.2a=1.0a=0.8a=0.5a=0谐波振幅1.00.8k

1n载波信号时的情况不同

时三相桥式

逆变电路输出电压频谱图。

0.60.40.2公用载波信号时的情况。输出线电压中的谐波角频率为nc

kr01

20

+-2

+-4

0

+-1

+-3

+-5

0

+-2

+-43角频率(n

c+kr)三相桥式

逆变电路输出线电压频谱图n=2,4,6,…时，k

6m

1式中，n=1,3,5,…时，k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；m

0,1,L6m

1

m

1,2,L。29第六讲脉宽调制（）技术6.3.4

逆变电路的谐波分析谐波分析小结S波中谐波主要是角频率为c、2c及其附近的谐波，很容易滤除。三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率c整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是c±2r和2c±r。当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波分布情况和S

波的谐波分析一致。30第六讲脉宽调制（）技术6.3.5

逆变电路的多重化

多重化逆变电路，一般目的：提高等效开关频率、减少开关损耗、减少和载波有关的谐波分量逆变电路多重化联结方式有变压器方式和电抗器方式利用电抗器联接的二重

逆变电路两个单元逆变电路的载波信号相互错开180°输出端相对于直流电源中点N’的电压uUN’=(uU1N’+uU2N’)/2,已变为单极性

波二重

型逆变电路31第六讲脉宽调制（）技术6.3.5

逆变电路的多重化u

c1

u

c2

u

rU

u

rV

u输出线电压共有0、(±1/2)Ud、±Ud五个电平，比非多重化时谐波有所减少。Ottu

U

1

N

'U

d2OU

d2电抗器上所加电压频率为载波频率，比输出频率高得多，只要很小的电抗器就可以了。输出电压所含谐波角频率仍可Otu

U

2

N

'u

UN

'c

r表示为n

+k

，但其中n为奇数时的谐波已全被除去，谐波OtOtu

VN'

最低频率在2

c附近，相当于电路的等效载波频率提高一倍。u

U

VU

dOtU

d二重型逆变电路输出波形32第六讲脉宽调制（）技术6.3.6

提高直流电压利用率直流电压利用率——逆变电路输出交流电压基波最大幅值U1m和直流电压Ud之比。提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力。正弦波调制的三相出线电压的基波幅值为(逆变电路，调制度a为1时，输3/2)Ud

，直流电压利用率为0.866，实际还更低。梯形波调制方法的思路采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用率。当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值更大。33第六讲脉宽调制（）技术6.3.6提高直流电压利用率uc

urUurVurWuOtuUN'梯形波的形状用三角化率=Ut/Uto描述，Ut为以横轴为底时梯形波的高，Uto为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高。

=0时梯形波变为矩形波，

=1时梯形波变为三角波。OtuVN'OtuUVOt34第六讲脉宽调制（）技术6.3.6提高直流电压利用率梯形波调制方法uc

urUurVurWuOt波梯形波含低次谐波，含同样的低次谐波。低次谐波（不包括由载波引起的谐波）产生的波形畸变率为。uUN'OtuVN'OtuUVOt35第六讲脉宽调制（）技术6.3.7

提高直流电压利用率1.21.00.8U1m

Ud0.25r7r11rUmnU1mU1m

,Ud0.113r0.60.40.20

0.2

0.4

0.6

0.8

1.00

0.2 0.4

0.6

0.8

1.0梯形波调制

=0.4时，谐波含量也较少，约为3.6%，直流电压利用率为1.03，综合效果较好。梯形波调制的缺点：输出波形中含5次、7次等低次谐波

变化时的

和直流电压利用率

变化时的各次谐波含量36第六讲脉宽调制（）技术6.3.7

提高直流电压利用率线电压控制方式ur1u叠加三次谐波目标——使输出线电压不含低次谐波的同时尽可能提高直流电压利用率，Otur3并尽量减少器件开关次数。直接控制仍是对相电压进行控制，但控制目标却是线电压ur

ucur1uOt相对线电压控制方式，控制目标为相电压时称为相电压控制方式。叠加3次谐波的调制信号37第六讲脉宽调制（）技术6.3.7

提高直流电压利用率线电压控制方式ur1u叠加三次谐波Otur3ur

ucur1u在各相电压调制信号中叠加相同的Ot3次谐波，使之成为鞍形波。线电压时，相电压中3次谐波相互抵消，线电压仍为正弦波。直流电压利用率为1。除叠加3次谐波外，还可叠加其他的信号，如直流分量，均不会影响线电压。如要提高直流电压利用率该注入信号必须满足特定要求。叠加3次谐波的调制信号38第六讲脉宽调制（）技术6.3.8

特定谐波消去法—SHE)(Selected

Harmonic

Elimination为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称（波形正负半周镜对uoUd称以及正半周期关于/2轴对称），O2t1a2a

a3特定谐波消去法的输出波形这样输出的谐波和波形就消除偶次-Ud分析中的余弦项。其

表达式为∞u(ωt)

=

∑an

sin

nωt∫24n=1,3,5,Lπna

=u(ωt)sin

nωtdωt0π39第六讲脉宽调制（）技术6.3.8

特定谐波消去法(Selected

Harmonic

Elimination

—SHE)uoUd对应右图波形的an为2tO

a1a2a3-Ud特定谐波消去法的输出波形4

1

U

d1322n22a

sin

nU

2

3

U

d

sin

n

t

)

d

t

t

d

t

2

(

U

d

sin

n

t

)

d

t2

(

d

sin

n

t

d

t

012U

dn

2

3(1

2

c

os

n

2

c

os

n

2

c

os

n

)其

中

n

,

,

...40第六讲脉宽调制（）技术6.3.8

特定谐波消去法(Selected

Harmonic

Elimination

—SHE

)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：da

(1

2

cos

51

2

35(1

2

cos1

2

cos2

2

cos3

)1

2

cos

5

2

cos

5

)

0

2U2Ua

(1

2

cos

7712

3d7

2

cos

7

2

cos

7

)

0

d

52Ua

给定a1，解方程可得1、2和3。a1变，1、2和3也相应改变。但开关角i数目增加时，SHE

的计算就越复杂。41第六讲脉宽调制（）技术6.3.9

滞环比较基本原理把指令电流i*和实际输出电滞环环宽电抗器L的作用滞环比较方式电流

控制举例iii*i*

+

Ii

i*-i器的输入。V1（或VD1）通时，i增大V2（或VD2）通时，i减小tO通过环宽为2I的滞环比较器的控制，i就在i*+I和i*-I的范围内，呈锯齿状地指令电流i*。i*

-

I滞环比较方式的指令电流和输出电流42第六讲脉宽调制（）技术6.3.9

滞环比较参数的影响环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，滞环环宽误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。电抗器L的作用滞环比较方式电流

控制举例ii*i*

+

IL大时，i的变化率小， 慢；

iL小时，i的变化率大，开关频率过高。tOi*

-

I滞环比较方式的指令电流和输出电流43第六讲脉宽调制（）技术6.3.9

滞环比较三相的情况三相电流

型滞环比较方式逆变电路 三相电流

型

逆变电路输出波形变流电路特点:实时控制，电流响应快；不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。44第六讲脉宽调制（）技术6.3.9

滞环比较三相的情况逆变电路 三相电流

型逆变电路输出波形三相电流

型滞环比较方式变流电路特点:

和计算法及调

相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量多；硬件电路简单；闭环控制，是各种

型 变流电路的共同特点。45第六讲脉宽调制（）技术6.3.10

电压空间矢量三相电压型逆变器其开关状态有八种S0~S7,

一关状态对应一电压空间矢量U0~U7。其中U0和U7为零矢量。46第六讲脉宽调制（）技术6.3.10

电压空间矢量空间矢量调制空间矢量分区空间矢量调制算法47第七讲脉宽调制（）技术6.3.10

电压空间矢量三相逆变器的

可以用开关状态来描述T

0

T

7

T1

T

2rSectorSwitching

SequenceIrV0rV1rV2rV0r

rV2

V1rV0OOO

POO

PPO

PPP

PPO

POO

OOOIIrV0rV3rV2rV0rV2rV3rV0OOO

OPO

PPO

PPPPPOOPO

OOOIIIrV0rV3rV4rV0r

rV4

V3rV0OOO

OPO

OPP

PPP

OPP

OPO

OOOIVrV0rV5rV4rV0rV4rV5rV0OOO

OOP

OPP

PPP

OPP

OOP

OOOVrV0rV5rV6rV0rV6rV5rV0OOOOOPPOPPPPPOPOOPOOOVIV0V1V6V0rV6

V1V0OOOPOOPOPPPPPOPPOOOOOssssrU

T

U

0UrUrUrT1T2T748第六讲脉宽调制（）技术6.3.11

整流电路整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前电压型的较多。下面以电压型升压 整流电路为例进行说明。单相全桥电压型整流电路

通过适当控制可以在桥的交流输入端AB产生一个S

波uAB。uAB中含有和正弦信号频率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，不含有低次谐波。49第六讲脉宽调制（）技术6.3.11整流电路单相全桥电压型

整流电路由于Ls的滤波作用，谐波电压只使is产生很小的脉动。当正弦信号波频率和电源频率相同时，is也为与电源频率相同的正弦波。us一定时，is幅值和相位仅由uAB中基波uABf的幅值及其与us的相位差决定。改变uABf的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90°，或使is与us相位差为所需角度。50第六讲脉宽调制（）技术6.3.11整流电路·IU·sU·L·UABs·UAB·IsU·La)整流运