PWM控制技術(shù)課件

2024-8-121

PWM控制技術(shù)2引言PWM（PulseWidthModulation）控制——脈衝寬度調(diào)製技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈衝的寬度進(jìn)行調(diào)製，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）第3、4章已涉及這方面內(nèi)容第3章：直流斬波電路採(cǎi)用第4章有兩處：4.1節(jié)斬控式交流調(diào)壓電路，4.4節(jié)矩陣式變頻電路本章內(nèi)容PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術(shù)正是有賴(lài)於在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位本章主要以逆變電路為控制對(duì)象來(lái)介紹PWM控制技術(shù)也介紹PWM整流電路■36.1PWM控制的基本原理

理論基礎(chǔ)衝量相等而形狀不同的窄脈衝加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，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(huán)節(jié)的輸出回應(yīng)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■46.1PWM控制的基本原理一個(gè)實(shí)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(yīng)波形■56.1PWM控制的基本原理用一系列等幅不等寬的脈衝來(lái)代替一個(gè)正弦半波正弦半波N等分，可看成N個(gè)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(diǎn)重合，面積（衝量）相等寬度按正弦規(guī)律變化圖6-3用PWM波代替正弦半波SPWM波形——脈衝寬度按正弦規(guī)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■66.1PWM控制的基本原理等幅PWM波和不等幅PWM波由直流電源產(chǎn)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，6.4節(jié)的PWM整流電路輸入電源是交流，得到不等幅PWM波4.1節(jié)講述的斬控式交流調(diào)壓電路，4.4節(jié)的矩陣式變頻電路基於面積等效原理進(jìn)行控制，本質(zhì)是相同的■76.1PWM控制的基本原理PWM電流波電流型逆變電路進(jìn)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■86.2PWM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(cǎi)用PWM技術(shù)逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)合本節(jié)內(nèi)容構(gòu)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(shí)用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路■96.2.1計(jì)算法和調(diào)製法

計(jì)算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半週期脈衝數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈衝寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化調(diào)製法輸出波形作調(diào)製信號(hào)，進(jìn)行調(diào)製得到期望的PWM波通常採(cǎi)用等腰三角波或鋸齒波作為載波等腰三角波應(yīng)用最多，其任一點(diǎn)水準(zhǔn)寬度和高度成線(xiàn)性關(guān)係且左右對(duì)稱(chēng)■106.2.1計(jì)算法和調(diào)製法

與任一平緩變化的調(diào)製信號(hào)波相交，在交點(diǎn)控制器件通斷，就得寬度正比於信號(hào)波幅值的脈衝，符合PWM的要求調(diào)製信號(hào)波為正弦波時(shí)，得到的就是SPWM波調(diào)製信號(hào)不是正弦波，而是其他所需波形時(shí)，也能得到等效的PWM波■116.2.1

計(jì)算法和調(diào)製法

結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對(duì)調(diào)制法進(jìn)行說(shuō)明工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)控制規(guī)律uo正半周，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷負(fù)載電流比電壓滯後，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)負(fù)載電流為正的區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時(shí)，uo等於UdV4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)V1和VD3續(xù)流，uo=0負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間，V1和V4仍導(dǎo)通，io為負(fù)，實(shí)際上io從VD1和VD4流過(guò)，仍有uo=Ud■126.2.1計(jì)算法和調(diào)製法

V4關(guān)斷V3開(kāi)通後，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0uo總可得到Ud和零兩種電平uo負(fù)半周，讓V2保持通，V1保持?jǐn)?，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■136.2.1計(jì)算法和調(diào)製法

單極性PWM控制方式（單相橋逆變）在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)喈?dāng)ur>uc時(shí)使V4通，V3斷，uo=Ud當(dāng)ur<uc時(shí)使V4斷，V3通，uo=0ur負(fù)半周，V1保持?jǐn)?，V2保持通當(dāng)ur<uc時(shí)使V3通，V4斷，uo=-Ud當(dāng)ur>uc時(shí)使V3斷，V4通，uo=0虛線(xiàn)uof表示uo的基波分量圖6-5單極性PWM控制方式波形■146.2.1計(jì)算法和調(diào)製法

雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）在ur的半個(gè)週期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得PWM波也有正有負(fù)在ur一週期內(nèi)，輸出PWM波只有±Ud兩種電平仍在調(diào)製信號(hào)ur和載波信號(hào)uc的交點(diǎn)控制器件的通斷ur正負(fù)半周，對(duì)各開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同當(dāng)ur

>uc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào)如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud■156.2.1計(jì)算法和調(diào)製法

當(dāng)ur<uc時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4關(guān)斷信號(hào)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(cǎi)取單極性調(diào)製，也可採(cǎi)用雙極性調(diào)製圖6-6雙極性PWM控制方式波形■166.2.1計(jì)算法和調(diào)製法

雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）三相的PWM控制公用三角波載波uc三相的調(diào)製信號(hào)urU、urV和urW依次相差120°圖6-7三相橋式PWM型逆變電路■176.2.1計(jì)算法和調(diào)製法

U相的控制規(guī)律當(dāng)urU>uc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，uUN’=Ud/2當(dāng)urU<uc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，uUN’=-Ud/2當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)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(dāng)1和6通時(shí)，uUV=Ud，當(dāng)3和4通時(shí)，uUV=－Ud，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uUV=0輸出線(xiàn)電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成負(fù)載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成■186.2.1計(jì)算法和調(diào)製法

防直通死區(qū)時(shí)間同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間決定死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的PWM波帶來(lái)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■196.2.1計(jì)算法和調(diào)製法

特定諧波消去法(SelectedHarmo-nicEliminationPWM—SHEPWM)這是計(jì)算法中一種較有代表性的方法，如圖6-9輸出電壓半週期內(nèi)，器件通、斷各3次（不包括0和π），共6個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻可控圖6-9特定諧波消去法的輸出PWM波形為減少諧波並簡(jiǎn)化控制，要儘量使波形對(duì)稱(chēng)首先，為消除偶次諧波，使波形正負(fù)兩半週期鏡對(duì)稱(chēng)，即

(6-1)■206.2.1計(jì)算法和調(diào)製法

其次，為消除諧波中余弦項(xiàng)，應(yīng)使波形在正半週期內(nèi)前後1/4週期以π/2為軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)

(6-2)同時(shí)滿(mǎn)足式（6-1）、（6-2）的波形稱(chēng)為四分之一週期對(duì)稱(chēng)波形，用傅裏葉級(jí)數(shù)表示為

(6-3)

式中，an為■216.2.1計(jì)算法和調(diào)製法

圖6-9，能獨(dú)立控制a1、a

2和a

3共3個(gè)時(shí)刻。該波形的

an為

式中n=1,3,5,…

確定a1的值，再令兩個(gè)不同的an=0，就可建三個(gè)方程，求得a1、a2和a3(6-4)■226.2.1計(jì)算法和調(diào)製法

消去兩種特定頻率的諧波在三相對(duì)稱(chēng)電路的線(xiàn)電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消，可考慮消去5次和7次諧波，得如下聯(lián)立方程：

給定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1變，a1、a2和a3也相應(yīng)改變(6-5)■236.2.1計(jì)算法和調(diào)製法

一般，在輸出電壓半週期內(nèi)器件通、斷各k次，考慮PWM波四分之一週期對(duì)稱(chēng)，k個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻可控，除用一個(gè)控制基波幅值，可消去k－1個(gè)頻率的特定諧波k越大，開(kāi)關(guān)時(shí)刻的計(jì)算越複雜除計(jì)算法和調(diào)製法外，還有跟蹤控制方法，在6.3節(jié)介紹■246.2.2非同步調(diào)製和同步調(diào)製

載波比——載波頻率fc與調(diào)製信號(hào)頻率fr之比，N=

fc

/fr根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)製方式分為非同步調(diào)製和同步調(diào)製1.非同步調(diào)製非同步調(diào)製——載波信號(hào)和調(diào)製信號(hào)不同步的調(diào)製方式通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的在信號(hào)波的半週期內(nèi)，PWM波的脈衝個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半週期的脈衝不對(duì)稱(chēng)，半週期內(nèi)前後1/4週期的脈衝也不對(duì)稱(chēng)當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一週期內(nèi)脈衝數(shù)較多，脈衝不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的不利影響都較小當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一週期內(nèi)的脈衝數(shù)減少，PWM脈衝不對(duì)稱(chēng)的影響就變大■256.2.2非同步調(diào)製和同步調(diào)製

2.同步調(diào)製同步調(diào)製——N等於常數(shù)，並在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步基本同步調(diào)製方式，fr變化時(shí)N不變，信號(hào)波一週期內(nèi)輸出脈衝數(shù)固定三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱(chēng)為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱(chēng)，N應(yīng)取奇數(shù)fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)製帶來(lái)的諧波不易濾除fr很高時(shí)，fc會(huì)過(guò)高，使開(kāi)關(guān)器件難以承受圖6-10同步調(diào)製三相PWM波形■266.2.2非同步調(diào)製和同步調(diào)製

分段同步調(diào)製(圖6-11）把fr範(fàn)圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段N不同在fr高的頻段採(cǎi)用較低的N，使載波頻率不致過(guò)高在fr低的頻段採(cǎi)用較高的N，使載波頻率不致過(guò)低為防止fc在切換點(diǎn)附近來(lái)回跳動(dòng)，採(cǎi)用滯後切換的方法同步調(diào)製比非同步調(diào)製複雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)可在低頻輸出時(shí)採(cǎi)用非同步調(diào)製方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)製方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，和分段同步方式效果接近■276.2.3規(guī)則採(cǎi)樣法

按SPWM基本原理，自然採(cǎi)樣法要求解複雜的超越方程，難以在即時(shí)控制中線(xiàn)上計(jì)算，工程應(yīng)用不多規(guī)則採(cǎi)樣法特點(diǎn)工程實(shí)用方法，效果接近自然採(cǎi)樣法，計(jì)算量小得多圖6-12規(guī)則採(cǎi)樣法■286.2.3規(guī)則採(cǎi)樣法規(guī)則採(cǎi)樣法原理圖6-12，三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)採(cǎi)樣週期Tc自然採(cǎi)樣法中，脈衝中點(diǎn)不和三角波一週期的中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合規(guī)則採(cǎi)樣法使兩者重合，每個(gè)脈衝的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對(duì)稱(chēng)，使計(jì)算大為簡(jiǎn)化在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對(duì)正弦信號(hào)波採(cǎi)樣得D點(diǎn)，過(guò)D作水準(zhǔn)直線(xiàn)和三角波分別交於A、B點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制開(kāi)關(guān)器件的通斷脈衝寬度d

和用自然採(cǎi)樣法得到的脈衝寬度非常接近■296.2.3

規(guī)則採(cǎi)樣法規(guī)則採(cǎi)樣法計(jì)算公式推導(dǎo)正弦調(diào)製信號(hào)波

式中，a稱(chēng)為調(diào)製度，0≤a<1；wr為信號(hào)波角頻率。從圖6-12得因此可得三角波一週期內(nèi)，脈衝兩邊間隙寬度(6-6)(6-7)■306.2.3

規(guī)則採(cǎi)樣法三相橋逆變電路的情況三角波載波公用，三相正弦調(diào)製波相位依次差120°同一三角波週期內(nèi)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(shí)刻三相調(diào)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(jiǎn)化三相SPWM波的計(jì)算■316.2.4PWM逆變電路的諧波分析

使用載波對(duì)正弦信號(hào)波調(diào)製，產(chǎn)生了和載波有關(guān)的諧波分量諧波頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標(biāo)之一分析雙極性SPWM波形同步調(diào)製可看成非同步調(diào)製的特殊情況，只分析非同步調(diào)製方式分析方法不同信號(hào)波週期的PWM波不同，無(wú)法直接以信號(hào)波週期為基準(zhǔn)分析以載波週期為基礎(chǔ)，再利用貝塞爾函數(shù)推導(dǎo)出PWM波的傅裏葉級(jí)數(shù)運(yùn)算式分析過(guò)程相當(dāng)複雜，結(jié)論卻簡(jiǎn)單而直觀■326.2.4PWM逆變電路的諧波分析單相的分析結(jié)果圖6-13，不同a時(shí)單相橋式PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖諧波角頻率為

(6-10)

式中，n=1,3,5,…時(shí)，k=0,2,4,…；n=2,4,6,…時(shí)，k=1,3,5,…PWM波中不含低次諧波，只含wc及其附近的諧波以及

2wc、3wc等及其附近的諧波圖6-13單相PWM橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖■336.2.4PWM逆變電路的諧波分析三相的分析結(jié)果公用載波信號(hào)時(shí)的情況輸出線(xiàn)電壓中的諧波角頻率為

式中，n=1,3,5,…時(shí)，

k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；

n=2,4,6,…時(shí)，圖6-14，輸出線(xiàn)電壓頻譜圖圖6-14三相橋式PWM逆變電路輸出線(xiàn)電壓頻譜圖(6-11)■346.2.4PWM逆變電路的諧波分析和單相比較(圖6-13)，共同點(diǎn)是都不含低次諧波，一個(gè)較顯著的區(qū)別是載波角頻率wc整數(shù)倍的諧波沒(méi)有了，諧波中幅值較高的是wc±2wr和2wc±wrSPWM波中諧波主要是角頻率為wc、2wc及其附近的諧波，很容易濾除當(dāng)調(diào)製信號(hào)波不是正弦波時(shí)，諧波由兩部分組成：一部分是對(duì)信號(hào)波本身進(jìn)行諧波分析所得的結(jié)果，另一部分是由於信號(hào)波對(duì)載波的調(diào)製而產(chǎn)生的諧波。後者的諧波分佈情況和SPWM波的諧波分析一致■356.2.5提高直流電壓利用率和減少開(kāi)關(guān)次數(shù)

直流電壓利用率——逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值U1m和直流電壓Ud之比提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸出能力減少器件的開(kāi)關(guān)次數(shù)可以降低開(kāi)關(guān)損耗正弦波調(diào)製的三相PWM逆變電路，調(diào)製度a為1時(shí)，輸出線(xiàn)電壓的基波幅值為，直流電壓利用率為0.866，實(shí)際還更低梯形波調(diào)製方法的思路採(cǎi)用梯形波作為調(diào)製信號(hào)，可有效提高直流電壓利用率當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí)，梯形波所含的基波分量幅值更大■366.2.5

提高直流電壓利用率和減少開(kāi)關(guān)次數(shù)

梯形波調(diào)製方法的原理及波形梯形波的形狀用三角化率s=Ut/Uto描述，Ut為以橫軸為底時(shí)梯形波的高，Uto為以橫軸為底邊把梯形兩腰延長(zhǎng)後相交所形成的三角形的高s=0時(shí)梯形波變?yōu)榫匦尾?，s=1時(shí)梯形波變?yōu)槿遣ㄌ菪尾ê痛沃C波，PWM波含同樣的低次諧波低次諧波（不包括由載波引起的諧波）產(chǎn)生的波形畸變率為d圖6-15梯形波為調(diào)製信號(hào)的PWM控制■376.2.5

提高直流電壓利用率和減少開(kāi)關(guān)次數(shù)圖6-16，d和U1m/Ud隨s

變化的情況圖6-17，s變化時(shí)各次諧波分量幅值Unm和基波幅值U1m之比s

=0.4時(shí)，諧波含量也較少，d約為3.6%，直流電壓利用率為1.03，綜合效果較好梯形波調(diào)製的缺點(diǎn)：輸出波形中含5次、7次等低次諧波圖6-16s

變化時(shí)的d

和直流電壓利用率圖6-17s變化時(shí)的各次諧波含量

■386.2.5

提高直流電壓利用率和減少開(kāi)關(guān)次數(shù)線(xiàn)電壓控制方式（疊加3次諧波）對(duì)兩個(gè)線(xiàn)電壓進(jìn)行控制，適當(dāng)?shù)乩枚囵N的一個(gè)自由度來(lái)改善控制性能目標(biāo)——使輸出線(xiàn)電壓不含低次諧波的同時(shí)盡可能提高直流電壓利用率，並儘量減少器件開(kāi)關(guān)次數(shù)圖6-18疊加3次諧波的調(diào)製信號(hào)■396.2.5

提高直流電壓利用率和減少開(kāi)關(guān)次數(shù)直接控制手段仍是對(duì)相電壓進(jìn)行控制，但控制目標(biāo)卻是線(xiàn)電壓相對(duì)線(xiàn)電壓控制方式，控制目標(biāo)為相電壓時(shí)稱(chēng)為相電壓控制方式在相電壓調(diào)製信號(hào)中疊加3次諧波，使之成為鞍形波，輸出相電壓中也含3次諧波，且三相的三次諧波相位相同。合成線(xiàn)電壓時(shí)，3次諧波相互抵消，線(xiàn)電壓為正弦波鞍形波的基波分量幅值大除疊加3次諧波外，還可疊加其他3倍頻的信號(hào)，也可疊加直流分量，都不會(huì)影響線(xiàn)電壓■406.2.5

提高直流電壓利用率和減少開(kāi)關(guān)次數(shù)線(xiàn)電壓控制方式（疊加3倍次諧波和直流分量）（圖6-19）疊加up，既包含3倍次諧波，也包含直流分量，up大小隨正弦信號(hào)的大小而變化設(shè)三角波載波幅值為1，三相調(diào)製信號(hào)的正弦分別為urU1、urV1和urW1，並令

(6-12)

則三相的調(diào)製信號(hào)分別為(6-13)■416.2.5提高直流電壓利用率和減少開(kāi)關(guān)次數(shù)不論urU1、urV1和urW1幅值的大小，urU、urV、urW總有1/3週期的值和三角波負(fù)峰值相等。在這1/3週期中，不對(duì)調(diào)製信號(hào)值為-1的相進(jìn)行控制，只對(duì)其他兩相進(jìn)行控制，這種控制方式稱(chēng)為兩相控制方式

優(yōu)點(diǎn)（1）在1/3週期內(nèi)器件不動(dòng)作，開(kāi)關(guān)損耗減少1/3

（2）最大輸出線(xiàn)電壓基波幅值為Ud，直流電壓利用率提高（3）輸出線(xiàn)電壓不含低次諧波，優(yōu)於梯形波調(diào)製方式■426.2.6PWM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(kāi)關(guān)頻率、減少開(kāi)關(guān)損耗、減少和載波有關(guān)的諧波分量PWM逆變電路多重化聯(lián)結(jié)方式有變壓器方式和電抗器方式利用電抗器聯(lián)接的二重PWM逆變電路（圖6-20，圖6-21)）兩個(gè)單元的載波信號(hào)錯(cuò)開(kāi)180°輸出端相對(duì)於直流電源中點(diǎn)N’的電壓uUN’=(uU1N’+uU2N’)/2，已變?yōu)閱螛O性PWM波圖6-20二重PWM型逆變電路■436.2.6PWM逆變電路的多重化

輸出線(xiàn)電壓共有0、(±1/2)Ud、±Ud五個(gè)電平，比非多重化時(shí)諧波有所減少電抗器上所加電壓頻率為載波頻率，比輸出頻率高得多，只要很小的電抗器就可以了輸出電壓所含諧波角頻率仍可表示為nwc+kwr，但其中n為奇數(shù)時(shí)的諧波已全被除去，諧波最低頻率在2wc附近，相當(dāng)於電路的等效載波頻率提高一倍圖6-21二重PWM型逆變電路輸出波形■446.3PWM跟蹤控制技術(shù)

PWM波形生成的第三種方法——跟蹤控制方法把希望輸出的波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際波形作為回饋信號(hào)，通過(guò)兩者的暫態(tài)值比較來(lái)決定逆變電路各開(kāi)關(guān)器件的通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤指令信號(hào)變化常用的有滯環(huán)比較方式和三角波比較方式■456.3.1滯環(huán)比較方式

電流跟蹤控制應(yīng)用最多基本原理把指令電流i*和實(shí)際輸出電流i的偏差i*-i作為滯環(huán)比較器的輸入通過(guò)比較器的輸出控制器件V1和V2的通斷V1（或VD1）通時(shí)，i增大V2（或VD2）通時(shí)，i減小通過(guò)環(huán)寬為2DI的滯環(huán)比較器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的範(fàn)圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*■46

6.3.1滯環(huán)比較方式

參數(shù)的影響滯環(huán)環(huán)寬對(duì)跟蹤性能的影響：環(huán)寬過(guò)寬時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過(guò)窄時(shí)，跟蹤誤差小，但開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，開(kāi)關(guān)損耗增大電抗器L的作用：L大時(shí)，i的變化率小，跟蹤慢

L小時(shí)，i的變化率大，開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高圖6-22滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例圖6-23滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流■476.3.1滯環(huán)比較方式

三相的情況圖6-25三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形圖6-24三相電流跟蹤型PWM逆變電路■486.3.1滯環(huán)比較方式

採(cǎi)用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM變流電路有如下特點(diǎn)

（1）硬體電路簡(jiǎn)單（2）即時(shí)控制，電流回應(yīng)快（3）不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波（4）和計(jì)算法及調(diào)製法相比，相同開(kāi)關(guān)頻率時(shí)輸出電流中高次諧波含量多（5）閉環(huán)控制，是各種跟蹤型PWM變流電路的共同特點(diǎn)■496.3.1滯環(huán)比較方式

採(cǎi)用滯環(huán)比較方式實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制把指令電壓u*和輸出電壓u進(jìn)行比較，濾除偏差信號(hào)中的諧波，濾波器的輸出送入滯環(huán)比較器，由比較器輸出控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制圖6-26電壓跟蹤控制電路舉例■506.3.1滯環(huán)比較方式

和電流跟蹤控制電路相比，只是把指令和回饋信號(hào)從電流變?yōu)殡妷狠敵鲭妷篜WM波形中含大量高次諧波，必須用適當(dāng)?shù)臑V波器濾除u*=0時(shí)，輸出電壓u為頻率較高的矩形波，相當(dāng)於一個(gè)自勵(lì)振盪電路u*為直流信號(hào)時(shí)，u產(chǎn)生直流偏移，變?yōu)檎?fù)脈衝寬度不等，正寬負(fù)窄或正窄負(fù)寬的矩形波u*為交流信號(hào)時(shí)，只要其頻率遠(yuǎn)低於上述自勵(lì)振盪頻率，從u中濾除由器件通斷產(chǎn)生的高次諧波後，所得的波形就幾乎和u*

相同，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制■516.3.2三角波比較方式

基本原理不是把指令信號(hào)和三角波直接進(jìn)行比較，而是通過(guò)閉環(huán)來(lái)進(jìn)行控制把指令電流i*U、i*V和i*W和實(shí)際輸出電流iU、iV、iW進(jìn)行比較，求出偏差，通過(guò)放大器A放大後，再去和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波形放大器A通常具有比例積分特性或比例特性，其係數(shù)直接影響電流跟蹤特性■526.3.2三角波比較方式特點(diǎn)開(kāi)關(guān)頻率固定，等於載波頻率，高頻濾波器設(shè)計(jì)方便為改善輸出電壓波形，三角波載波常用三相三角波載波和滯環(huán)比較控制方式相比，這種控制方式輸出電流所含的諧波少圖6-27三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路■536.3.2三角波比較方式定時(shí)比較方式不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)鐘以固定採(cǎi)樣週期對(duì)指令信號(hào)和被控制變數(shù)進(jìn)行採(cǎi)樣，根據(jù)偏差的極性來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件通斷在時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)的時(shí)刻，如i<i*，V1通，V2斷，使i增大如i>i*，V1斷，V2通，使i減小每個(gè)採(cǎi)樣時(shí)刻的控制作用都使實(shí)際電流與指令電流的誤差減小採(cǎi)用定時(shí)比較方式時(shí)，器件的最高開(kāi)關(guān)頻率為時(shí)鐘頻率的1/2和滯環(huán)比較方式相比，電流控制誤差沒(méi)有一定的環(huán)寬，控制的精度低一些■546.4PWM整流電路及其控制方法

實(shí)用的整流電路幾乎都是晶閘管整流或二極體整流晶閘管相控整流電路：輸入電流滯後於電壓，且其中諧波分量大，因此功率因數(shù)很低二極體整流電路：雖位移因數(shù)接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)也很低把逆變電路中的SPWM控制技術(shù)用於整流電路，就形成了PWM整流電路控制PWM整流電路，使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為1，也稱(chēng)單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器■556.4.1PWM整流電路的工作原理

PWM整流電路也可分為電壓型和電流型兩大類(lèi)，目前電壓型的較多1．單相PWM整流電路圖6-28a和b分別為單相半橋和全橋PWM整流電路半橋電路直流側(cè)電容必須由兩個(gè)電容串聯(lián)，其中點(diǎn)和交流電源連接全橋電路直流側(cè)電容只要一個(gè)就可以交流側(cè)電感Ls包括外接電抗器的電感和交流電源內(nèi)部電感，是電路正常工作所必須的圖6-28單相PWM整流電路a)單相半橋電路b)單相全橋電路■566.4.1PWM整流電路的工作原理單相全橋PWM整流電路的工作原理正弦信號(hào)波和三角波相比較的方法對(duì)圖6-28b中的V1~V4進(jìn)行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端AB產(chǎn)生一個(gè)SPWM波uABuAB中含有和正弦信號(hào)波同頻率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波載波有關(guān)的頻率很高的諧波，不含有低次諧波由於Ls的濾波作用，諧波電壓只使is產(chǎn)生很小的脈動(dòng)當(dāng)正弦信號(hào)波頻率和電源頻率相同時(shí)，is也為與電源頻率相同的正弦波us一定時(shí)，is幅值和相位僅由uAB中基波uABf的幅值及其與us的相位差決定改變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與us相位差為所需角度■576.4.1PWM整流電路的工作原理相量圖（圖6-29）a：滯後相角d

，和同相，整流狀態(tài)，功率因數(shù)為1。PWM整流電路最基本的工作狀態(tài)b：超前相角d

，和反相，逆變狀態(tài)，說(shuō)明PWM整流電路可實(shí)現(xiàn)能量正反兩個(gè)方向的流動(dòng)，這一特點(diǎn)對(duì)於需再生制動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)很重要c：滯後相角d，超前90°，電路向交流電源送出無(wú)功功率，這時(shí)稱(chēng)為靜止無(wú)功功率發(fā)生器（StaticVarGenerator—SVG）d：通過(guò)對(duì)幅值和相位的控制，可以使比超前或滯後任一角度j

■586.4.1PWM整流電路的工作原理對(duì)單相全橋PWM整流電路工作原理的進(jìn)一步說(shuō)明

整流狀態(tài)下us>0時(shí)，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分別組成兩個(gè)升壓斬波電路，以（V2、VD4、VD1、Ls）為例V2通時(shí)，us通過(guò)V2、VD4向Ls儲(chǔ)能V2關(guān)斷時(shí)，Ls中的儲(chǔ)能通過(guò)VD1、VD4向C充電■596.4.1PWM整流電路的工作原理us<0時(shí)，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分別組成兩個(gè)升壓斬波電路由於是按升壓斬波電路工作，如控制不當(dāng)，直流側(cè)電容電壓可能比交流電壓峰值高出許多倍，對(duì)器件形成威脅另一方面，如直流側(cè)電壓過(guò)低，例如低於us的峰值，則uAB中就得不到圖6-29a中所需的足夠高的基波電壓幅值，或uAB中含有較大的低次諧波，這樣就不能按需要控制is，is波形會(huì)畸變可見(jiàn)，電壓型PWM整流電路是升壓型整流電路，其輸出直流電壓可從交流電源電壓峰值附近向高調(diào)節(jié)，如要向低調(diào)節(jié)就會(huì)使性能惡化，以至不能工作■606.4.1PWM整流電路的工作原理2．三相PWM整流電路圖6-30，三相橋式PWM整流電路，最基本的PWM整流電路之一，應(yīng)用最廣工作原理和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴(kuò)展到三相進(jìn)行SPWM控制，在交流輸入端A、B和C可得SPWM電壓，按圖6-29a的相量圖控制，可使ia、ib、ic為正弦波且和電壓同相且功率因數(shù)近似為1和單相相同，該電路也可工作在逆變運(yùn)行狀態(tài)及圖c或d的狀態(tài)圖6-30三相橋式PWM整流電路■616.4.2PWM整流電路的控制方法

有多種控制方法，根據(jù)有沒(méi)有引入電流回饋可分為兩種沒(méi)有引入交流電流回饋的——間接電流控制引入交流電流回饋的——直接電流控制1．間接電流控制間接電流控制也稱(chēng)為相位和幅值控制按圖6-29a（逆變時(shí)為圖6-29b）的相量關(guān)係來(lái)控制整流橋交流輸入端電壓，使得輸入電流和電壓同相位，從而得到功率因數(shù)為1的控制效果圖6-31，間接電流控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中的PWM整流電路為圖6-30的三相橋式電路控制系統(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側(cè)電壓控制環(huán)■626.4.2PWM整流電路的控制方法控制原理和實(shí)際直流電壓ud比較後送入PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出為一直流電流信號(hào)id，id的大小和整流器交流輸入電流幅值成正比穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud=，PI調(diào)節(jié)器輸入為零，PI調(diào)節(jié)器的輸出id和負(fù)載電流大小對(duì)應(yīng)，也和交流輸入電流幅值相對(duì)應(yīng)負(fù)載電流增大時(shí)，C放電而使ud下降，PI的輸入端出現(xiàn)正偏差，使其輸出id增大，進(jìn)而使交流輸入電流增大，也使ud回升。達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud和相等，PI調(diào)節(jié)器輸入仍恢復(fù)到零，而id則穩(wěn)定為為新的較大的值，與較大的負(fù)載電流和較大的交流輸入電流對(duì)應(yīng)負(fù)載電流減小時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程和上述過(guò)程相反■636.4.2PWM整流電路的控制方法從整流運(yùn)行向逆變運(yùn)行轉(zhuǎn)換首先負(fù)載電流反向而向C充電，ud抬高，PI調(diào)節(jié)器出現(xiàn)負(fù)偏差，id減小後變?yōu)樨?fù)值，使交流輸入電流相位和電壓相位反相，實(shí)現(xiàn)逆變運(yùn)行穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud和仍然相等，PI調(diào)節(jié)器輸入恢復(fù)到零，id為負(fù)值，並與逆變電流的大小對(duì)應(yīng)圖6-31間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)■646.4.2PWM整流電路的控制方法控制系統(tǒng)中其餘部分的工作原理圖中上面的乘法器是id分別乘以和a、b、c三相相電壓同相位的正弦信號(hào)，再乘以電阻R，得到各相電流在Rs上的壓降uRa、uRb和uRc圖中下面的乘法器是id分別乘以比a、b、c三相相電壓相位超前π/2的余弦信號(hào)，再乘以電感L的感抗，得到各相電流在電感Ls上的壓降uLa、uLb和uLc各相電源相電壓ua、ub、uc分別減去前面求得的輸入電流在電阻R和電感L上的壓降，就可得到所需要的交流輸入端各相的相電壓uA、uB和uC的信號(hào)，用該信號(hào)對(duì)三角波載波進(jìn)行調(diào)製，得到PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)去控制整流橋，就可以得到需要的控制效果?！?56.4.2PWM整流電路的控制方法存在的問(wèn)題在信號(hào)運(yùn)算過(guò)程中用到電路參數(shù)Ls和Rs，當(dāng)Ls和Rs的運(yùn)算值和實(shí)際值有誤差時(shí)，會(huì)影響到控制效果是基於系統(tǒng)的靜態(tài)模型設(shè)計(jì)的，其動(dòng)態(tài)特性較差間接電流控制的系統(tǒng)應(yīng)用較少2直接電流控制通過(guò)運(yùn)算求出交流輸入電流指令值，再引入交流電流回饋，通過(guò)對(duì)交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值，因此稱(chēng)為直接電流控制有不同的電流跟蹤控制方法，圖6-32給出一種最常用的採(cǎi)用電流滯環(huán)比較方式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖■666.4.2PWM整流電路的控制方法控制系統(tǒng)組成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)是直流電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)是交流電流控制環(huán)外環(huán)的結(jié)構(gòu)、工作原理和圖6-31間接電流控制系統(tǒng)相同外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出為id，id分別乘以和a、b、c三相相電壓同相位的正弦信號(hào)，得到三相交流電流的正弦指令信號(hào)，和。，和分別和各自的電源電壓同相位，其幅值和反映負(fù)載電流大小的直流信號(hào)id成正比，這是整流器運(yùn)行時(shí)所需的交流電流指令信號(hào)。指令信號(hào)和實(shí)際交流電流信號(hào)比較後，通過(guò)滯環(huán)對(duì)器件進(jìn)行控制，便可使實(shí)際交流輸入電流跟蹤指令值■676.4.2PWM整流電路的控制方法圖6-32直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖優(yōu)點(diǎn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電流回應(yīng)速度快，系統(tǒng)魯棒性好獲得了較多的應(yīng)用■68本章小結(jié)

PWM控制技術(shù)的地位PWM控制技術(shù)是在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，並對(duì)電力電子技術(shù)產(chǎn)生了十分深遠(yuǎn)影響的一項(xiàng)技術(shù)器件與PWM技術(shù)的關(guān)係IGBT、電力MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM控制技術(shù)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)PWM控制技術(shù)用於直流斬波電路直流斬波電路實(shí)際上就是直流PWM電路，是PWM控制技術(shù)應(yīng)用較早也成熟較早的一類(lèi)電路，應(yīng)用於直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)就構(gòu)成廣泛應(yīng)用的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)■69本章小結(jié)PWM控制技