PWM控制技术课件2

PWM控制技術14.0引言PWM（PulseWidthModulation）控制——脈衝寬度調製技術，通過對一系列脈衝的寬度進行調製，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）直流斬波電路採用斬控式交流調壓電路，矩陣式變頻電路本章內容PWM控制技術在逆變電路中應用最廣，應用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術正是有賴於在逆變電路中的應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位本章主要以逆變電路為控制對象來介紹PWM控制技術也介紹PWM整流電路14.1PWM控制的基本原理理論基礎衝量相等而形狀不同的窄脈衝加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同衝量指窄脈衝的面積效果基本相同，是指環節的輸出回應波形基本相同低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異圖6-1形狀不同而衝量相同的各種窄脈衝14.1PWM控制的基本原理一個實例圖6-2a的電路電路輸入：u(t)，窄脈衝，如圖6-1a、b、c、d所示電路輸出：i(t)，圖6-2b面積等效原理圖6-2衝量相同的各種窄脈衝的回應波形14.1PWM控制的基本原理用一系列等幅不等寬的脈衝來代替一個正弦半波正弦半波N等分，可看成N個彼此相連的脈衝序列，寬度相等，但幅值不等用矩形脈衝代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（衝量）相等寬度按正弦規律變化SPWM波形——脈衝寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈衝寬度即可圖6-3用PWM波代替正弦半波14.1PWM控制的基本原理等幅PWM波和不等幅PWM波由直流電源產生的PWM波通常是等幅PWM波如直流斬波電路及本章主要介紹的PWM逆變電路和PWM整流電路輸入電源是交流，得到不等幅PWM波如斬控式交流調壓電路和矩陣式變頻電路基於面積等效原理進行控制，本質是相同的14.1PWM控制的基本原理PWM電流波電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波PWM波形可等效的各種波形直流斬波電路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基於等效面積原理14.2PWM逆變電路及其控制方法目前中小功率的逆變電路幾乎都採用PWM技術逆變電路是PWM控制技術最為重要的應用場合本節內容構成了本章的主體PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路14.2PWM逆變電路及其控制方法14.2.1計算法和調製法14.2.2非同步調製和同步調製14.2.3規則採樣法14.2.4PWM逆變電路的多重化14.2.1計算法和調製法計算法根據正弦波頻率、幅值和半週期脈衝數，準確計算PWM波各脈衝寬度和間隔，據此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化調製法輸出波形作調製信號，進行調製得到期望的PWM波通常採用等腰三角波或鋸齒波作為載波等腰三角波應用最多，其任一點水準寬度和高度成線性關係且左右對稱14.2.1計算法和調製法與任一平緩變化的調製信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度正比於信號波幅值的脈衝，符合PWM的要求調製信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波調製信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波14.2.1計算法和調製法

結合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調制法進行說明:

工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補控制規律uo正半周，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷負載電流比電壓滯後，在電壓正半周，電流有一段區間為正，一段區間為負負載電流為正的區間，V1和V4導通時，uo等於UdV4關斷時，負載電流通過V1和VD3續流，uo=0負載電流為負的區間，V1和V4仍導通，io為負，實際上io從VD1和VD4流過，仍有uo=Ud14.2.1計算法和調製法V4關斷V3開通後，io從V3和VD1續流，uo=0uo總可得到Ud和零兩種電平uo負半周，讓V2保持通，V1保持斷，V3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平圖6-4單相橋式PWM逆變電路14.2.1計算法和調製法單極性PWM控制方式（單相橋逆變）在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷ur正半周，V1保持通，V2保持斷當ur>uc時使V4通，V3斷，uo=Ud當ur<uc時使V4斷，V3通，uo=0ur負半周，V1保持斷，V2保持通當ur<uc時使V3通，V4斷，uo=-Ud當ur>uc時使V3斷，V4通，uo=0虛線uof表示uo的基波分量圖6-5單極性PWM控制方式波形14.2.1計算法和調製法雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）在ur的半個週期內，三角波載波有正有負，所得PWM波也有正有負在ur一週期內，輸出PWM波只有±Ud兩種電平仍在調製信號ur和載波信號uc的交點控制器件的通斷ur正負半周，對各開關器件的控制規律相同當ur

>uc時，給V1和V4導通信號，給V2和V3關斷信號如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud14.2.1計算法和調製法當ur<uc時，給V2和V3導通信號，給V1和V4關斷信號如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud單相橋式電路既可採取單極性調製，也可採用雙極性調製圖6-6雙極性PWM控制方式波形14.2.1計算法和調製法雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）三相的PWM控制公用三角波載波uc三相的調製信號urU、urV和urW依次相差120°圖6-7三相橋式PWM型逆變電路14.2.1計算法和調製法U相的控制規律當urU>uc時，給V1導通信號，給V4關斷信號，uUN’=Ud/2當urU<uc時，給V4導通信號，給V1關斷信號，uUN’=-Ud/2當給V1(V4)加導通信號時，可能是V1(V4)導通，也可能是VD1(VD4)導通uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平uUV波形可由uUN’-uVN’得出，當1和6通時，uUV=Ud，當3和4通時，uUV=－Ud，當1和3或4和6通時，uUV=0輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構成負載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成14.2.1計算法和調製法防直通死區時間同一相上下兩臂的驅動信號互補，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關斷信號的死區時間死區時間的長短主要由開關器件的關斷時間決定死區時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波圖6-8三相橋式PWM逆變電路波形14.2.2非同步調製和同步調製載波比——載波頻率fc與調製信號頻率fr之比，N=fc

/fr根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調製方式分為非同步調製和同步調製1.非同步調製非同步調製——載波信號和調製信號不同步的調製方式通常保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的在信號波的半週期內，PWM波的脈衝個數不固定，相位也不固定，正負半週期的脈衝不對稱，半週期內前後1/4週期的脈衝也不對稱當fr較低時，N較大，一週期內脈衝數較多，脈衝不對稱產生的不利影響都較小當fr增高時，N減小，一週期內的脈衝數減少，PWM脈衝不對稱的影響就變大14.2.2非同步調製和同步調製2.同步調製同步調製——N等於常數，並在變頻時使載波和信號波保持同步基本同步調製方式，fr變化時N不變，信號波一週期內輸出脈衝數固定三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數倍，使三相輸出對稱為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應取奇數fr很低時，fc也很低，由調製帶來的諧波不易濾除fr很高時，fc會過高，使開關器件難以承受圖6-10同步調製三相PWM波形14.2.2非同步調製和同步調製分段同步調製(圖6-11）把fr範圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持N恒定，不同頻段N不同在fr高的頻段採用較低的N，使載波頻率不致過高在fr低的頻段採用較高的N，使載波頻率不致過低為防止fc在切換點附近來回跳動，採用滯後切換的方法同步調製比非同步調製複雜，但用微機控制時容易實現可在低頻輸出時採用非同步調製方式，高頻輸出時切換到同步調製方式，這樣把兩者的優點結合起來，和分段同步方式效果接近14.2.3規則採樣法按SPWM基本原理，自然採樣法要求解複雜的超越方程，難以在即時控制中線上計算，工程應用不多規則採樣法特點工程實用方法，效果接近自然採樣法，計算量小得多圖6-12規則採樣法14.2.3規則採樣法規則採樣法原理圖6-12，三角波兩個正峰值之間為一個採樣週期Tc自然採樣法中，脈衝中點不和三角波一週期的中點（即負峰點）重合規則採樣法使兩者重合，每個脈衝的中點都以相應的三角波中點為對稱，使計算大為簡化在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波採樣得D點，過D作水準直線和三角波分別交於A、B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制開關器件的通斷脈衝寬度d

和用自然採樣法得到的脈衝寬度非常接近

14.2.3規則採樣法規則採樣法計算公式推導

正弦調製信號波式中，a稱為調製度，0≤a<1；wr為信號波角頻率。從圖6-12得因此可得三角波一週期內，脈衝兩邊間隙寬度(6-6)(6-7)14.2.3規則採樣法三相橋逆變電路的情況三角波載波公用，三相正弦調製波相位依次差120°同一三角波週期內三相的脈寬分別為dU、dV和dW，脈衝兩邊的間隙寬度分別為d’U、d’V和d’W，同一時刻三相調製波電壓之和為零，由式(6-6)得

(6-8)

由式(6-7)得(6-9)

利用以上兩式可簡化三相SPWM波的計算14.2.4PWM逆變電路的多重化PWM多重化逆變電路，一般目的：提高等效開關頻率、減少開關損耗、減少和載波有關的諧波分量PWM逆變電路多重化聯結方式有變壓器方式和電抗器方式利用電抗器聯接的二重PWM逆變電路（圖6-28，圖6-29)兩個單元的載波信號錯開180°輸出端相對於直流電源中點N’的電壓uUN’=(uU1N’+uU2N’)/2，已變為單極性PWM波圖6-20二重PWM型逆變電路14.2.4PWM逆變電路