脉宽调制讲解

1•PWM(PulseWidthModulation)•脉宽调制技术：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3、4章已涉及PWM控制，但未明确提出PWM控制的概念–第3章：直流斩波电路–第4章：4.1斩控式调压电路4.4矩阵式变频电路•PWM控制技术在四类基本的变流电路（第2-5章）都有应用，因此单独设立一章进行讲述2•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。3引言6.2PWM逆变电路及其控制方法6.3PWM跟踪控制技术6.4PWM整流电路及其控制方法本章小结6.1PWM控制的基本原理46.1PWM控制的基本原理方波窄脉冲三角波窄脉冲单位冲击函数正弦半波窄脉冲f(t)δ(t)tOa)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)图6-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲冲量指窄脉冲的面积指环节的输出响应波形基本相同5PWM控制的基本原理i(t)e(t)•实例6.1以上实例说明了“面积等效原理”电路输入：e(t)电路输出：i(t)6Ouωt•如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波PWM控制的基本原理Ouωt6.1Ouωt7Ouωt•如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波SPWM波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。PWM控制的基本原理OuωtOuωtOuωt6.18•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：PWM控制的基本原理•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。OωtUd-UdOωtUd-Ud6.19PWM控制的基本原理等幅等幅PWMPWM波波不等幅不等幅PWMPWM波波输入电源是恒定直流输入电源是交流或不是恒定的直流第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u0tE4.1节的斩控式交流调压电路4.4节的矩阵式变频电路基于面积等效原理进行控制，本质是相同的uoωtOωtUd-Ud6.110•PWMPWM电流波电流波–电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波PWM控制的基本原理••PWMPWM波形可等效的各种波形波形可等效的各种波形–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:z所需波形z等效的PWM波基于“面积等效原理”0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms-20V0V20V6.111PWM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6.2计算法和调制法¾调制法6.2.1•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¾计算法¾结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明图6-4单相桥式PWM逆变电路工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补‹控制规律：以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断¾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¾负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud¾V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0¾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=Ud¾V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0¾uo总可得到Ud和零两种电平¾uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平计算法和调制法6.2.1‹ur正半周，V1保持通，V2保持断•当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud•当uruc时使V4断，V3通，uo=0urucuOωtOωtuouofuoUd-Ud图6-5单极性PWM控制方式波形¾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负半周，请同学们自己分析表示uo的基波分量计算法和调制法6.2.1¾双极性PWM控制方式（单相桥逆变）‹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uruc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号•如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通，uo=Ud•当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号•如io0，V2和V3通，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud计算法和调制法6.2.1urucuOωtOωtuouofuoUd-Ud图6-6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urucuOωtOωtuouofuoUd-Ud图6-5单极性PWM控制方式波形计算法和调制法6.2.1¾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°计算法和调制法6.2.1下面以U相为例进行分析：图6-8三相桥式PWM逆变电路波形图6-7三相桥式PWM型逆变电路¾当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2¾当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN’=-Ud/2¾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¾uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平¾uUV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=0¾输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成¾负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成计算法和调制法6.2.1z控制规律：z防直通的死区时间1.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2.死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定3.死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波计算法和调制法6.2.1¾这是计算法中一种较有代表性的方法，如图6-9¾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OωtuoUd-Ud2ππa1a2a3¾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z特定谐波消去法(SelectedHarmonicEliminationPWM—SHEPWM)计算法和调制法6.2.1¾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(6-2)¾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(6-3)式中，an为)()(tutuωπω−=∑∞==Λ,5,3,1sin)(nntnatuωω∫=20dsin)(4πωωωπttntuan¾首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即)()(πωω+−=tutu(6-1)计算法和调制法6.2.1¾图6-9，能独立控制α1、α2和α3共3个时刻。该波形的an为式中n=1,3,5,…确定a1的值，再令两个不同的an=0，就可建三个方程，求得α1、α2和α3)cos2cos2cos21(2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211αααπωωωωωωωωππααααααnnnnUttnUttnUttnUttnUadddddn−+−=⎥⎦⎤−++⎢⎣⎡−+=∫∫∫∫计算法和调制法6.2.1OωtuoUd-Ud2ππa1a2a3¾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：给定a1，解方程可得α1、α2和α3。a1变，α1、α2和α3也相应改变⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫=−+−==−+−=−+−=0)7cos27cos27cos21(720)5cos25cos25cos21(52)cos2cos2cos21(2321d7321d5321d1αααπαααπαααπUaUaUa计算法和调制法6.2.1¾一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，可消去k－1个频率的特定谐波¾k的取值越大，开关时刻的计算越复杂¾除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在6.3节介绍计算法和调制法6.2.1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¾通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的¾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¾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¾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6.2.22.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。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud−2Ud图6-10同步调制三相PWM波形讨论：¾基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定¾三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¾为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数¾fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除¾fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受异步调制和同步调制6.2.2图6-11分段同步调制方式举例00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321fr/Hzfc/kHz¾分段同步调制——异步调制和同步调制的综合应用讨论¾把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同¾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¾为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法结论¾同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现¾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异步调制和同步调制6.2.2规则采样法¾自然采样法：按照SPWM控制的基本原理产生的PWM波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多¾规则采样法特点•工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多ucuOturTcADBOtuotAtDtBδδ'δ'2δ2δ图6-12规则采样法6.2.3ucuOturTcADBOtuotAtDtBδδ'δ'2δ2δ图6-12规则采样法z规则采样法原理¾三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc¾自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合¾规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化¾在