第6章PWM控制技術

1、PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作2022-7-21電力電子技術電力電子技術電子教案電子教案第第6章章 PWM控制技術控制技術第第6章章 PWM控制技術控制技術 引言引言6.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理6.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法 6.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法 6.2.2 異步調(diào)制和同步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制 6.2.3 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 6.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電

2、路的諧波分析 6.2.5 提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù) 6.2.6 PWM逆變電路的多重化逆變電路的多重化6.3 PWM跟蹤控制技術跟蹤控制技術 6.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式 6.3.2 三角波比較方式三角波比較方式6.4 PWM整流電路及其控制方法整流電路及其控制方法 6.4.1 PWM整流電路的工作原理整流電路的工作原理 6.4.2 PWM整流電路的控制方法整流電路的控制方法 本章小結本章小結PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENEC

3、PENECPENEC) ) )制作制作制作3引言引言 PWM（Pulse Width Modulation）控制）控制脈沖寬度調(diào)制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來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：直流斬波電路采用第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)容本章內(nèi)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控制技術正是有賴于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 PE N E C西安交通大學電力電子與新

4、能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作46.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 理論基礎理論基礎沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同沖量沖量指窄脈沖的面積效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異f (t)(t)tO圖6-1a)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t)圖6-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術

5、研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作56.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 一個實例一個實例 圖6-2a的電路電路輸入：u(t)，窄脈沖，如圖6-1a、b、c、d所示電路輸出：i(t)，圖6-2b 面積等效原理面積等效原理a)Ob)圖6-2tbdcai(t)i(t)e(t)圖6-2 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作66.

6、1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波正弦半波正弦半波N等分等分，可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等寬度按正弦規(guī)律變化tOua)b)圖6-3Out圖6-3 用PWM波代替正弦半波SPWM波形波形脈沖寬度按正弦規(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沖寬度即可 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PEN

7、ECPENECPENEC) ) )制作制作制作76.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 等幅等幅PWM波和不等幅波和不等幅PWM波波由直流電源產(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于面積等效原理進行控制，本質是相同的 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作86.1 PWM控制的

8、基本原理控制的基本原理PWM電流波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，也基于等效面積原理 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作96.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術逆變電路是P

9、WM控制技術最為重要的應用場合本節(jié)內(nèi)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 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作106.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法 計算法計算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)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(diào)制法調(diào)制法輸出波形作

10、調(diào)制信號，進行調(diào)制得到期望的PWM波通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波等腰三角波應用最多，其任一點水平寬度和高度成線性關系且左右對稱 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作116.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法 與任一平緩變化的調(diào)制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求 調(diào)制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波 調(diào)制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波 PE N E

11、 C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作126.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法 結合結合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調(diào)制法進行說單相橋式電壓型逆變電路對調(diào)制法進行說明明 工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補 控制規(guī)律控制規(guī)律uo正半周正半周，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷負載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負負載電流為正的區(qū)間，V1和V4導通時，uo等于UdV4關斷時，負載電流通過V1和VD3續(xù)流，

12、uo=0負載電流為負的區(qū)間， V1和V4仍導通，io為負，實際上io從VD1和VD4流過，仍有uo=Ud PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作136.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法 V4關斷V3開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0 uo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和零兩種電平信號波載波圖6-4調(diào)制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLu

13、ruc圖6-4 單相橋式PWM逆變電路 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作146.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法 單極性單極性PWM控制方式（單相橋逆變）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正半周正半周，V1保持通，V2保持斷當uruc時使V4通，V3斷，uo=Ud當uruc時使V4斷，V3通，uo=0 ur負半周負半周，V1保持斷，V2保持通當uruc時使V3斷，V4通，uo=0虛線uof表示

14、uo的基波分量圖6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud圖6-5 單極性PWM控制方式波形 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作156.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法雙極性雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）控制方式（單相橋逆變）在ur的的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負，所得PWM波也有正有負在ur一周期內(nèi)，輸出PWM波只有Ud兩種電平仍在調(diào)制信號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(guī)律相

15、同當當ur uc時時，給V1和V4導通信號，給V2和V3關斷信號如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通， uo=Ud PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作166.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法 當當uruc時時，給V2和V3導通信號，給V1和V4關斷信號 如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud 單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制圖6-6urucuOtOtuouofuoUd- Ud圖6-6 雙極性PW

16、M控制方式波形 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作176.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法雙極性雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）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)制信號urU、urV和urW依次相差120圖6-7調(diào)制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud圖6-7 三相橋式PWM型逆變電路 PE N E C西安交通大學電力

17、電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作186.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法U相的控制規(guī)律相的控制規(guī)律當ur Uuc時，給V1導通信號，給V4關斷信號，uUN=Ud/2當urUuc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

18、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 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作196.2.1 6.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法防直通死區(qū)時間防直通死區(qū)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(qū)時間死區(qū)時間的長短主要由開關器件的關斷時間決定死 區(qū) 時 間 會 給 輸 出 的PWM波帶

19、來影響，使其稍稍偏離正弦波圖6-8ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd- UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22 Ud圖6-8 三相橋式PWM逆變電路波形 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作206.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法 特定諧波消去法特定諧波消去法(Selected Harmo-nic Elimination PWMSHEPWM)這是計算法中一種較有代表性的方法，如

20、圖6-9輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各3次（不包括0和），共6個開關時刻可控圖6-9OtuoUd-Ud2a1a2a3圖6-9 特定諧波消去法的輸出PWM波形為減少諧波并簡化控制，要盡量使波形對稱首先，為消除偶次諧波，使波形正負兩半周期鏡對稱，即 (6-1)()(tutu PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作216.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法其次，為消除諧波中余弦項，應使波形在正半周期內(nèi)前后1/4周期以/2為軸線對稱 (6-2

21、)同時滿足式（6-1）、（6-2）的波形稱為四分之一周期對稱波形，用傅里葉級數(shù)表示為 (6-3) 式中，an為)()(tutu, 5 , 3 , 1sin)(nntnatu20dsin)(4ttntuan PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作226.2.1 6.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法 圖6-9，能獨立控制a a1、a a 2和a a 3共3個時刻。該波形的 an為 式中n=1,3,5, 確定a1的值，再令兩個不同的an=

22、0，就可建三個方程，求得a a1、a a2和a a3)cos2cos2cos21 (2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211aaaaaaaaannnnUttnUttnUttnUttnUadddddn(6-4) PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作236.2.1 6.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法 消去兩種特定頻率的諧波消去兩種特定頻率的諧波 在三相對稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消

23、，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也相應改變0)7cos27cos27cos21 (720)5cos25cos25cos21 (52)cos2cos2cos21 (2321d7321d5321d1aaaaaaaaaUaUaUa(6-5) PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作246.2.1 6.2.1 計算法和調(diào)制法計算法和調(diào)制法一般，在輸出電壓半周期內(nèi)器件通、斷

24、各k次，考慮PWM波四分之一周期對稱，k個開關時刻可控，除用一個控制基波幅值，可消去k1個頻率的特定諧波k越大，開關時刻的計算越復雜除計算法和調(diào)制法外，還有跟蹤控制方法，在6.3節(jié)介紹 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作256.2.2 異步調(diào)制和同步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制v 載波比載波比載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比，N= fc / frv 根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制

25、同步調(diào)制1. 異步調(diào)制異步調(diào)制 異步調(diào)制異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式 通常保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的 在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱 當fr較低時，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小 當fr增高時，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制

26、作制作266.2.2 異步調(diào)制和同步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制2. 同步調(diào)制同步調(diào)制 同步調(diào)制同步調(diào)制N等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步 基本同步調(diào)制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定 三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數(shù)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(shù) fr很低時，fc也很低，由調(diào)制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6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud圖6-10 同步調(diào)制三相PWM波形 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電

27、力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作276.2.2 異步調(diào)制和同步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制 分段同步調(diào)制分段同步調(diào)制(圖圖6-11）把fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段N不同在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低為防止fc在切換點附近來回跳動，采用滯后切換的方法同步調(diào)制比異步調(diào)制復雜，但用微機控制時容易實現(xiàn)可在低頻輸出時采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點結合起來，和分段同步方式效果接近 PE N E

28、C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作286.2.3 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法v 按SPWM基本原理，自然采樣法自然采樣法v 要求解復雜的超越方程，難以在實時控制中在線計算，工程應用不多 規(guī)則采樣法特點規(guī)則采樣法特點工程實用方法，效果接近自然采樣法，計算量小得多圖6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB22圖6-12 規(guī)則采樣法 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電

29、子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作296.2.3 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 規(guī)則采樣法原理規(guī)則采樣法原理圖6-12，三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc自然采樣法中，脈沖中點不和三角波一周期的中點（即負峰點）重合規(guī)則采樣法使兩者重合，每個脈沖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對正弦信號波采樣得D點，過D作水平直線和三角波分別交于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沖寬度 和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能

30、源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作306.2.3 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 規(guī)則采樣法計算公式推導規(guī)則采樣法計算公式推導 正弦調(diào)制信號波 式中，a稱為調(diào)制度調(diào)制度，0a1；r為信號波角頻率。從圖6-12得 因此可得 三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度taursinr2/22/sin1cDrTta)sin1 (2DrctaT)sin1 (421DrcctaTT(6-6)(6-7) PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( (

31、 (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作316.2.3 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 三相橋逆變電路的情況三相橋逆變電路的情況三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波相位依次差120同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為U、V和W，脈沖兩邊的間隙寬度分別為U、V和W，同一時刻三相調(diào)制波電壓之和為零，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23cWVUT43c W V UT PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENE

32、C) ) )制作制作制作326.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析v 使用載波對正弦信號波調(diào)制，產(chǎn)生了和載波有關的諧波分量v 諧波頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標之一v 分析雙極性SPWM波形v 同步調(diào)制可看成異步調(diào)制的特殊情況，只分析異步調(diào)制方式 分析方法分析方法不同信號波周期的PWM波不同，無法直接以信號波周期為基準分析以載波周期為基礎，再利用貝塞爾函數(shù)推導出PWM波的傅里葉級數(shù)表達式分析過程相當復雜，結論卻簡單而直觀 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( (

33、(PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作336.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 單相的分析結果單相的分析結果 圖6-13，不同a時單相橋式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，k=0,2,4, ；n=2,4,6,時，k=1,3,5, rckn1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅圖6-13角頻率(nc +kr)0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0PWM波中不含低次諧波，只含c及其附近的諧波以及 2c、3c等及其附近的諧波圖6-13 單相PWM

34、橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作346.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 三相的分析結果三相的分析結果 公用載波信號時的情況 輸出線電壓中的諧波角頻率為 式中，n=1,3,5,時， k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,時， 圖6-14，輸出線電壓頻譜圖。, 2 , 116, 1 , 016mmmmk1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅圖6-

35、140.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角頻率 (nc +kr)圖6-14 三相橋式PWM逆變電路輸出線電壓頻譜圖(6-11) rcknPE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作356.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 和單相比較(圖6-13)，共同點是都不含低次諧波，一個較顯著的區(qū)別是載波角頻率c整數(shù)倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是是c2r和2cr SPWM波中諧波主要是角頻率為

36、c、2c及其附近的諧波，很容易濾除 當調(diào)制信號波不是正弦波時，諧波由兩部分組成：一部分是對信號波本身進行諧波分析所得的結果，另一部分是由于信號波對載波的調(diào)制而產(chǎn)生的諧波。后者的諧波分布情況和SPWM波的諧波分析一致 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作366.2.5 提高直流電壓利用率和減少提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)開關次數(shù)v 直流電壓利用率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v 提高直流電壓利

37、用率可提高逆變器的輸出能力v 減少器件的開關次數(shù)可以降低開關損耗v 正弦波調(diào)制的三相PWM逆變電路，調(diào)制度a為1時，輸出線電壓的基波幅值為 ，直流電壓利用率為0.866，實際還更低 梯形波調(diào)制方法的思路梯形波調(diào)制方法的思路 采用梯形波作為調(diào)制信號，可有效提高直流電壓利用率 當梯形波幅值和三角波幅值相等時，梯形波所含的基波分量幅值更大dU)2/3( PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作376.2.5 提高直流電壓利用率和減提高直流電壓利

38、用率和減少開關次數(shù)少開關次數(shù) 梯形波調(diào)制方法的原理及波形梯形波調(diào)制方法的原理及波形 梯形波的形狀用三角化率三角化率s=Ut/Uto描述，Ut為以橫軸為底時梯形波的高，Uto為以橫軸為底邊把梯形兩腰延長后相交所形成的三角形的高s=0時梯形波變?yōu)榫匦尾?，s=1時梯形波變?yōu)槿遣?梯形波含低次諧波，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)生的波形畸變率為圖6-15ucurUurVurWuuUNOtOtOtOtuVNuUV圖6-15 梯形波為調(diào)制信號的PWM控制 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與

39、新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作386.2.5 提高直流電壓利用率和減提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)少開關次數(shù) 圖6-16，和U1m /Ud隨s 變化的情況 圖6-17，s變化時各次諧波分量幅值Unm和基波幅值U1m之比s = 0.4時，諧波含量也較少，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)制的缺點：輸出波形中含5次、7次等低次諧波00.20.40.60.81.0s圖6-160.20.40.60.81.01.2U1mUd,UdU1m圖6-16 s變化時的和直流電壓利用率 0.20.40.60.81.0s圖6-175r00

40、.10.27r11r13rU1mUnm圖6-17 s變化時的各次諧波含量 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作396.2.5 提高直流電壓利用率和提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)減少開關次數(shù) 線電壓控制方式（疊加線電壓控制方式（疊加3次諧波）次諧波）對兩個線電壓進行控制，適當?shù)乩枚嘤嗟囊粋€自由度來改善控制性能目標使輸出線電壓不含低次諧波的同時盡可能提高直流電壓利用率，并盡量減少器件開關次數(shù)圖6-18ucur1uOturur1uOtu

41、r3圖6-18 疊加3次諧波的調(diào)制信號 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作406.2.5 提高直流電壓利用率和提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)減少開關次數(shù) 直接控制手段仍是對相電壓進行控制，但控制目標卻是線電壓 相對線電壓控制方式，控制目標為相電壓時稱為相電壓相電壓控制方式控制方式 在相電壓調(diào)制信號中疊加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。合成線電壓時，3次諧波相互抵消，線電壓為正弦波 鞍形

42、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，也可疊加直流分量，都不會影響線電壓 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作416.2.5 提高直流電壓利用率和提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)減少開關次數(shù) 線電壓控制方式（疊加線電壓控制方式（疊加3倍次諧波和直流分量）倍次諧波和直流分量）（圖圖6-19） 疊加up，既包含3倍次諧波，也包含直流分量，up大小隨正弦信號的大小而變化 設三角波載波幅值為1，三相調(diào)制信號的正弦分別

43、為urU1、urV1和urW1，并令 (6-12) 則三相的調(diào)制信號分別為1),min(rW1rV1rU1puuuuprW1rWprV1rVprU1rUuuuuuuuuu(6-13) PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作426.2.5 提高直流電壓利用率和提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)減少開關次數(shù) 不論urU1、urV1和urW1幅值的大小，urU、urV、urW總有1/3周期的值和三角波負峰值相等。在這1/3周期中，不對調(diào)制信號值

44、為-1的相進行控制，只對其他兩相進行控制，這種控制方式稱為兩相控制方式兩相控制方式 優(yōu)點優(yōu)點 （1）在1/3周期內(nèi)器件不動作，開關損耗減少1/3 （2）最大輸出線電壓基波幅值為Ud，直流電壓利用率 提高 （3）輸出線電壓不含低次諧波，優(yōu)于梯形波調(diào)制方式 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作436.2.6 PWM逆變電路的多重化逆變電路的多重化v 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v

45、 PWM逆變電路多重化聯(lián)結方式有變壓器方式和電抗器方式 利用電抗器聯(lián)接的二重利用電抗器聯(lián)接的二重PWM逆變電路逆變電路（圖6-20，圖 6-21)） 兩個單元的載波信號錯開180 輸出端相對于直流電源中點N的電壓uUN=(uU1N+uU2N)/2，已變?yōu)閱螛O性PWM波圖6-20NU1V1W1U2V2W2uUuVuWUVW2Ud2Ud圖6-20 二重PWM型逆變電路 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作446.2.6 PWM逆變電路的多

46、重化逆變電路的多重化 輸出線電壓共有0、(1/2)Ud、Ud五個電平，比非多重化時諧波有所減少 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nc+kr，但其中n為奇數(shù)時的諧波已全被除去，諧波最低頻率在2c附近，相當于電路的等效載波頻率提高一倍圖6-21Ud- UdOurUurVuc2uc1tuUVuOtOtOtOtOtuU1NuU2NuUNuVN2Ud2Ud圖6-21 二重PWM型逆變電路輸出波形 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中

47、心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作456.3 PWM跟蹤控制技術跟蹤控制技術vPWM波形生成的第三種方法跟蹤控制跟蹤控制 方法方法v把希望輸出的波形作為指令信號，把實際波 形作為反饋信號，通過兩者的瞬時值比較來 決定逆變電路各開關器件的通斷，使實際的 輸出跟蹤指令信號變化v常用的有滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式和三角波比較方式三角波比較方式 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作466.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比

48、較方式v電流跟蹤控制應用最多v基本原理基本原理把指令電流i*和實際輸出電流i的偏差i*-i作為滯環(huán)比較 器的輸入通過比較器的輸出控制器件V1和V2的通斷V1（或VD1）通時，i增大V2（或VD2）通時，i減小通過環(huán)寬為2DI的滯環(huán)比較器的控制，i就在i*+D DI和i*-D DI的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i* PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作476.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式v 參數(shù)的影響參數(shù)的影響 滯環(huán)環(huán)寬對跟蹤性能

49、的影響：環(huán)寬過寬時，開關頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過窄時，跟蹤誤差小，但開關頻率過高，開關損耗增大 電抗器L的作用：L大時，i的變化率小，跟蹤慢 L小時，i的變化率大，開關頻率過高負載L+圖6-22-iii*VD1VD2V1V22Ud2UdO圖6-23tiii*+DIi*-DIi*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 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作486.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較

50、方式v三相的情況三相的情況圖6-24+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVW圖6-25Oti*UOtuABiUi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 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作496.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式v采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM變流電路變流電路有如下特點有如下特點 （1）硬件電路簡單 （

51、2）實時控制，電流響應快 （3）不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波 （4）和計算法及調(diào)制法相比，相同開關頻率時輸出電 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 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作506.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式v采用滯環(huán)比較方式實現(xiàn)電壓跟蹤控制采用滯環(huán)比較方式實現(xiàn)電壓跟蹤控制 把指令電壓u*和輸出電壓u進行比較，濾除偏差信號中的諧波，濾波器的輸出送入滯環(huán)比較器，由比較器

52、輸出控制開關器件的通斷，從而實現(xiàn)電壓跟蹤控制圖6-26濾波器+-uu*u2Ud2Ud圖6-26 電壓跟蹤控制電路舉例 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作516.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式 和電流跟蹤控制電路相比，只是把指令和反饋信號從電流變?yōu)殡妷?輸出電壓PWM波形中含大量高次諧波，必須用適當?shù)臑V波器濾除 u*=0時，輸出電壓u為頻率較高的矩形波，相當于一個自勵振蕩電路 u*為直流信號時，u產(chǎn)生直流偏移，變?yōu)檎撁}沖寬度不等，

53、正寬負窄或正窄負寬的矩形波 u*為交流信號時，只要其頻率遠低于上述自勵振蕩頻率，從u中濾除由器件通斷產(chǎn)生的高次諧波后，所得的波形就幾乎和u* 相同，從而實現(xiàn)電壓跟蹤控制 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作526.3.2 三角波比較方式三角波比較方式v基本原理基本原理 不是把指令信號和三角波直接進行比較，而是通過閉環(huán)來進行控制 把指令電流i*U、i*V和i*W和實際輸出電流iU、iV、iW進行比較，求出偏差，通過放大器A放大后，再去和

54、三角波進行比較，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，其系數(shù)直接影響電流跟蹤特性 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作536.3.2 6.3.2 三角波比較方式三角波比較方式v特點特點 開關頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器設計方便 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負載+-iUi*U+-iVi*V+-iWi*WUdC+-C+-C+-三

55、相三角波發(fā)生電路AAA圖6-27 三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作546.3.2 三角波比較方式三角波比較方式v 定時比較方式定時比較方式 不用滯環(huán)比較器，而是設置一個固定的時鐘 以固定采樣周期對指令信號和被控制變量進行采樣，根據(jù)偏差的極性來控制開關器件通斷 在時鐘信號到來的時刻，如i i*，V1斷，V2通，使i減小 每個采樣時刻的控制作用都使實際電流與指令電流的誤差減小 采用定時比較方式時，器件

56、的最高開關頻率為時鐘頻率的1/2 和滯環(huán)比較方式相比，電流控制誤差沒有一定的環(huán)寬，控制的精度低一些 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作556.4 PWM整流電路及其控制方法整流電路及其控制方法 實用的整流電路幾乎都是晶閘管整流或二極管整流 晶閘管相控整流電路：輸入電流滯后于電壓，且其中諧波分量大，因此功率因數(shù)很低 二極管整流電路：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控制技術用于整流電

57、路，就形成了PWM整流電路整流電路 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，也稱單位功單位功率因數(shù)變流器率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器高功率因數(shù)整流器 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作566.4.1 PWM整流電路的工作原理整流電路的工作原理v PWM整流電路也可分為電壓型和電流型兩大類，目前電壓型的較多1單相單相PWM整流電路整流電路圖6-28a和b分別為單相半橋單相半橋和全橋全橋

58、PWM整流電路半橋電路直流側電容必須由兩個電容串聯(lián)，其中點和交流電源連接全橋電路直流側電容只要一個就可以交流側電感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a)負載b)圖6-28usLsisRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+udusLsRsV1V2VD1VD2ud負載C1C2圖6-28 單相PWM整流電路a) 單相半橋電路 b) 單相全橋電路 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作576.4.1

59、PWM整流電路的工作原理整流電路的工作原理 單相全橋單相全橋PWM整流電路的工作原理整流電路的工作原理正弦信號波和三角波相比較的方法對圖6-28b中的V1V4進行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端AB產(chǎn)生一個SPWM波uABuAB中含有和正弦信號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的頻率很高的諧波，不含有低次諧波由于Ls的濾波作用，諧波電壓只使is產(chǎn)生很小的脈動當正弦信號波頻率和電源頻率相同時，is也為與電源頻率相同的正弦波us一定時，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

60、is與us相位差為所需角度 PE N E C西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心西安交通大學電力電子與新能源技術研究中心( ( (PENECPENECPENEC) ) )制作制作制作586.4.1 PWM整流電路的工作原理整流電路的工作原理 相量圖相量圖（圖6-29）a： 滯后 相角 ， 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 ， 和 反相，逆變狀態(tài)，說明PWM整流電路可實現(xiàn)能量正反兩個方向的流動，這一特點對于需再生制動的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)很重要c： 滯后 相角， 超前 90，電路向交流電源送出無功功率，這時