电力电子技术7 PWM控制技术1

第7章PWM控制技术（I）丘东元2目录引言7.1PWM控制的基本原理7.2PWM逆变电路及其控制方法3引言PWM（PulseWidthModulation）控制—脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）采用PWM控制技术的电路RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3u1i1O图4-8uoOOtttttOOb)TEiGtontoffuoEV+-MRLVDa)ioEMuoiG+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoioPWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛！47.1PWM控制的基本原理--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冲量指窄脉冲的面积形状不同而冲量相同的各种窄脉冲效果基本相同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f(t)(t)tO图6-1a)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)5面积等效原理的实例验证实验电路电路输入：窄脉冲e(t)电路输出：i(t)i(t)的上升段略有不同，但下降段几乎完全相同。经傅立叶级数分解，i(t)在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同i(t)e(t)f(t)(t)tO图6-1a)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)Otbdcai(t)6正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，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矩形脉冲的宽度按正弦规律变化PWM波形和正弦半波是等效的SPWM波形－－脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形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tOu图6-3Out正弦半波的等效处理7PWM控制的基本原理PWM波形可等效的各种波形直流斩波电路得到的PWM波：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形基于等效面积原理，还可以等效成其他所需波形tOu图6-3OutttOOTEiGtontoffuo8PWM波形的分类等幅PWM波和不等幅PWM波由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波由输入交流电源产生得到的是不等幅PWM波基于面积等效原理进行控制，本质是相同的ttOOTEiGtontoffuou1i1O图4-8uoOOttt97.2PWM逆变电路及其控制方法PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位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PWM逆变电路几乎都是电压型电路OtuoUd-Ud2tuotOtuo+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio107.2.1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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tOuOutUdsindiitTidrtUatt11计算法中一种较有代表性的方法通过安排适当的开关角，在满足输出基波电压的条件下，消除不希望有的谐波分量。以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的，通过计算来确定各个脉冲的开关时刻，目的仍是使输出波形尽可能接近正弦波。用模拟电路难以实现OtuoUd-Ud2a1a2a3特定谐波消去法（SelectedHarmonicEliminationPWM--SHEPWM）12特定谐波消去法的原理为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即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/2为轴线对称()()utut)()(tutuOtuoUd-Ud2a1a2a3四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为式中，an为,5,3,1sin)(nntnatu20dsin)(4ttntuan13输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和），共6个开关时刻可控。波形四分之一周期对称，特定谐波消去法能独立控制a1、a2和a3共3个时刻。该波形的an为121323021234sind()sind22sind()sind222(12cos2cos2cos)ddndddUUanttnttUUnttnttUnnnnaaaaaaaaa特定谐波消去法的原理OtuoUd/22a1a2a3-Ud/214确定a1的值，再令两个不同的an=0，就可建三个方程，求得a1、a2和a3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a1、a2和a3。a1变，a1、a2和a3也相应改变0)7cos27cos27cos21(720)5cos25cos25cos21(52)cos2cos2cos21(2321d7321d5321d1aaaaaaaaaUaUaUa特定谐波消去法的原理15一般，在输出电压半周期内器件通、断各k次，考虑PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个控制基波幅值，可消去k－1个频率的特定谐波k越大，开关时刻的计算越复杂特定谐波消去法的原理OtuoUd-Ud2a1a2a3k=3自然采样法的采样原理ucturOtuoabtat2t10T16等腰三角波的任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称在正弦波与三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，以得到与正弦波等效的PWM信号但采用微机控制时，需要求解复杂的超越方程，需要大量的计算时间，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多1211sinarattattt17规则采样法的采样原理三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB''2218规则采样法计算公式推导正弦调制信号波式中，a称为调制度，0≤a1；r为信号波角频率。因此可得三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度taurrsin2/22/sin1cDrTta)sin1(2DrctaT)sin1(421'DrcctaTT图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB''22CEF规则采样法的工作原理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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规则采样法得到的脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近，且计算量小得多19ucuOturTcADBOtuotAtDtB''22abucuturOtuoabtat2t11020规则采样法在三相桥逆变电路的应用情况三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120°同一三角波周期内三相的脉宽分别为U、V和W，脉冲两边的间隙宽度分别为’U、’V和’W，同一时刻三相调制波电压之和为零，利用以上两式可简化三相SPWM波的计算23cWVUT43'''cWVUT217.2.2调制法把希望输出的波形作调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过调制得到所期望的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—自然采样法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波图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud22单相桥式PWM逆变电路用模拟电路构成三角形载波ur和正弦信号波uc发生电路，用比较器来确定它们的交点在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断，产生SPWM波形工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud23ur－正弦波（调制信号）uc－在ur正半周为正极性的三角波，在ur负半周为负极性的三角波（载波）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=0图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud单极性PWM控制方式信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc24ur负半周，V1保持断，V2保持通当uruc时，使V3通，V4断，uo=-Ud当uruc时，使V3断，V4通，uo=0虚线uof表示uo的基波分量单极性PWM波形－－在ur的半个周期内，PWM波形只在正极性或负极性一种极性范围内变化单极性PWM控制方式图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc25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在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平，没有零电平仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制各开关器件的通断双极性PWM控制方式图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc26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双极性PWM控制方式图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc27采用双极性控制方式三相的PWM控制公用一个三角波载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°各相开关器件的控制规律相同图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2Ud三相桥式PWM逆变器图6-8ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22Ud28U相的控制规律当urUuc时，V1导通，V4关断，uUN’=Ud/2当urUuc时，V4导通，V1关断，uUN’=－Ud/2三相桥式PWM逆变器图6-8ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22Ud图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2Ud29uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平uUV＝uUN’－uVN’，输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成负载相电压uUN的PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共五种电平组成三相桥式PWM逆变器图6-8