第六章脈寬調(diào)(PWM)技術(shù)n

第六章PWM控制技術(shù)6.1PWM控制的基本原理6.2PWM逆變電路及其控制方法2023/2/2第六章PWM控制技術(shù)PWM(PulseWidthModulation)脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。第3章直流斬波電路、第4章斬控式調(diào)壓電路采用的就PWM技術(shù)。2023/2/2第六章PWM控制技術(shù)PWM思想源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展使PWM控制獲得技術(shù)支持。PWM技術(shù)應(yīng)用廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高。PWM技術(shù)有賴于在逆變電路中的成功應(yīng)用，在電力電子技術(shù)中地位重要。2023/2/26.1

PWM控制的基本思想1.重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同圖6-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數(shù)f(t)d(t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf(t)f(t)f(t)2023/2/26.1

PWM控制的基本思想b)圖6-2沖量相等的各種窄脈沖的響應(yīng)波形具體的實(shí)例說(shuō)明a）u(t)－電壓窄脈沖，是電路的輸入。

i(t)－輸出電流，是電路的響應(yīng)。

2023/2/2Ouωt>SPWM波6.1

PWM控制的基本思想Ouωt>如何用等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波Ouωt>2023/2/26.1

PWM控制的基本思想按同一比例改變各脈沖寬度，即改變等效輸出正弦波幅值。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波Ouωt>2023/2/26.1

PWM控制的基本思想OwtUd-Ud單極性正弦波PWM波形：OwtUd-Ud雙極性正弦波PWM波形，實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。2023/2/26.1

PWM控制的基本思想不等幅PWM波輸入電源是交流或不是恒定的直流斬控式交流調(diào)壓電路

OwtUd-UdUoωt等幅PWM波輸入電源是恒定直流直流斬波電路 PWM逆變電路

2023/2/26.1

PWM控制的基本思想PWM波可等效的各種波形直流斬波電路直流波形SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:所需波形等效的PWM波2023/2/26.2PWM逆變電路及其控制方法中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術(shù)。逆變電路是PWM控制技術(shù)最重要的應(yīng)用。PWM逆變電路可分為電壓型和電流型，目前實(shí)用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。2023/2/26.2.1

計(jì)算法和調(diào)制法1.計(jì)算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，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，方法繁瑣。2023/2/26.2.1

計(jì)算法和調(diào)制法2.調(diào)制法圖6－4單相橋式PWM逆變電路載波uc：通常為等腰三角波或鋸齒波調(diào)制波：（信號(hào)波ur）在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。2023/2/26.2.1

計(jì)算法和調(diào)制法3.單極性PWM控制方式圖6-5單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud2023/2/2ur（uo）正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)唷3和V4交替通斷。io滯后uo，io一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。當(dāng)ur>uc時(shí)使V4通，V3斷。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud

。當(dāng)ur<uc時(shí)使V4斷，V3通。如io>0，V1和VD3通，如io<0，V3和VD1通，uo=0uo得到Ud和0兩種電平。6.2.1

計(jì)算法和調(diào)制法2023/2/2ur（uo）負(fù)半周，V1保持?jǐn)?，V2保持通。V3和V4交替通斷。io滯后uo，io一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。當(dāng)ur<uc時(shí)使V3通，V4斷，如io<0，V3和V2通，如io>0，VD2和VD3通，

uo=-Ud

。當(dāng)ur>uc時(shí)使V4通，V3斷，如io>0，V4和VD2通，如io<0，V2和VD4通，uo=0uo得到-Ud和0兩種電平。6.2.1

計(jì)算法和調(diào)制法2023/2/26.2.1

計(jì)算法和調(diào)制法4.雙極性PWM控制方式圖6-6雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud2023/2/2當(dāng)ur

>uc時(shí)，給V1和V4通信號(hào)，給V2和V3斷信號(hào)。

如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud

。當(dāng)ur<uc時(shí)，給V2和V3通信號(hào)，給V1和V4斷信號(hào)。

如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud

。在ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波有正、負(fù)，PWM波也有正、負(fù)，幅值有±Ud兩種電平。ur正負(fù)半周，對(duì)各開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同。6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法2023/2/26.2.1

計(jì)算法和調(diào)制法雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud

單相橋式電路可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制，2023/2/26.2.1

計(jì)算法和調(diào)制法5.三相橋雙極性PWM逆變圖6-7三相橋式PWM型逆變電路三相的PWM控制公用三角波載波uc三相的調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW依次相差120°2023/2/26.2.1

計(jì)算法和調(diào)制法ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud圖6-7三相橋式PWM型逆變電路

圖6-8三相橋式PWM逆變電路波形

下面以U相為例分析控制規(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。2023/2/26.2.1

計(jì)算法和調(diào)制法輸出線電壓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。防直通的死區(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。ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud圖6-7三相橋式PWM型逆變電路

圖6-8三相橋式PWM逆變電路波形

2023/2/26.2.1

計(jì)算法和調(diào)制法6.特定諧波消去法(SelectedHarmonicEliminationPWM—SHEPWM)這是計(jì)算法中一種較有代表性的方法。輸出電壓半周期內(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。為減少諧波簡(jiǎn)化控制，要盡量使波形對(duì)稱。圖6-9特定諧波消去法的輸出PWM波形OwtuoUd-Ud2ppa1a2a32023/2/26.2.1

計(jì)算法和調(diào)制法為消除偶次諧波，使波形正負(fù)兩半周期鏡對(duì)稱，即(6-1)為消除諧波中余弦項(xiàng)，應(yīng)使波形在正半周期內(nèi)前后1/4周期以π/2為軸線對(duì)稱

(6-2)同時(shí)滿足式（6-1）、（6-2）的波形稱為四分之一周期對(duì)稱波形，用傅里葉級(jí)數(shù)表示為

(6-3)

式中，an為2023/2/26.2.1

計(jì)算法和調(diào)制法圖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,…OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3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。圖6-9特定諧波消去法的輸出PWM波形2023/2/2消去兩種特定頻率的諧波6.2.1

計(jì)算法和調(diào)制法三相對(duì)稱電路線電壓中，相電壓所含3次諧波相互抵消?？煽紤]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1.

2和

3。a1變，

1、

2和

3也相應(yīng)改變。（6－5）2023/2/26.2.1

計(jì)算法和調(diào)制法一般在輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各k次，考慮到PWM波四分之一周期對(duì)稱，k個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻可控，除用一個(gè)自由度控制基波幅值外，可消去k－1個(gè)頻率的特定諧波。k的取值越大，開(kāi)關(guān)時(shí)刻的計(jì)算越復(fù)雜。除計(jì)算法和調(diào)制法外，還有跟蹤控制方法.2023/2/26.2.2

異步調(diào)制和同步調(diào)制fc不變，fr變化，載波比N是變化的信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響較小當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對(duì)稱的影響變大載波比載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，N=fc/fr1.異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步2023/2/26.2.2

異步調(diào)制和同步調(diào)制2.

同步調(diào)制-載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)保持同步的調(diào)制方式，N等于常數(shù)。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud圖6-10同步調(diào)制三相PWM波形fr變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。三相電路公用一個(gè)三角波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱。為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，N應(yīng)取奇數(shù)。fr很低時(shí)，fc也很低，調(diào)制帶來(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。2023/2/26.2.2

異步調(diào)制和同步調(diào)制3.分段同步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用。把整個(gè)fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段的N不同。在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過(guò)高；在fr低的頻段采用較高的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)，采用滯后切換的方法。同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)?？稍诘皖l輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，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。圖6-11分段同步調(diào)制方式舉例

2023/2/26.2.3規(guī)則采樣法1.自然采樣法：按照SPWM控制的基本原理產(chǎn)生的PWM波的方法，其求解復(fù)雜，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，工程應(yīng)用不多。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖6-12規(guī)則采樣法2.規(guī)則采樣法工程實(shí)用方法，效果接近自然采樣法，計(jì)算量小得多。2023/2/26.2.3規(guī)則采樣法三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc

。自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波(負(fù)峰點(diǎn))重合。規(guī)則采樣法兩者重合，計(jì)算大為減化。在tA和tB時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的通斷。脈沖寬度δ

和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。

規(guī)則采樣法原理ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖6-12規(guī)則采樣法2023/2/26.2.3規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法計(jì)算公式推導(dǎo)正弦調(diào)制信號(hào)波三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度(6-7)a稱為調(diào)制度，0≤a<1；從圖6-12得,

(6-6)ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖6-12規(guī)則采樣法2023/2/26.2.3規(guī)則采樣法3.三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dU、dV和dW，脈沖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)制波電壓之和為零，由式(6-6)得

由式(6-7)得利用以上兩式可簡(jiǎn)化三相SPWM波的計(jì)算(6-8)(6-9)2023/2/26.2.4PWM逆變電路的諧波分析用載波對(duì)正弦信號(hào)調(diào)制，會(huì)產(chǎn)生和載波有關(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)。分析以雙極性SPWM波形為準(zhǔn)。同步調(diào)制可看成異步調(diào)制的特殊情況異步調(diào)制分析方法以載波周期為基礎(chǔ)，再利用貝塞爾函數(shù)推導(dǎo)出PWM波的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式。盡管分析過(guò)程復(fù)雜，但結(jié)論簡(jiǎn)單而直觀。2023/2/26.2.4PWM逆變電路的諧波分析c+kr)角頻率(nww1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0圖6-13，不同a時(shí)單相橋式雙極型PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖。1.單相分析諧波角頻率為: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

、

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2023/2/26.2.4PWM逆變電路的諧波分析2.三相分析輸出線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，不同a時(shí)三相橋式PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖。1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角頻率(nwc+kwr)圖6-14三相橋式PWM逆變電路輸出線電壓頻譜圖諧波振幅2023/2/26.2.4PWM逆變電路的諧波分析無(wú)載波角頻率wc整數(shù)倍的諧波，諧波幅值較高的是wc±2wr和2wc±wr。總之，PWM波中諧波主要是角頻率為wc、2wc及其附近的諧波（wc>>wr

）

，易濾除。當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為非正弦波時(shí)，諧波由兩部分組成：其一信號(hào)波本身諧波分析的結(jié)果，其二信號(hào)波對(duì)載波的調(diào)制而產(chǎn)生的諧波。2023/2/26.2.5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)制的三相PWM逆變電路，調(diào)制度a為1時(shí)，輸出線電壓的基波幅值為，直流電壓利用率為0.866，實(shí)際還更低。梯形波調(diào)制方法的思路梯形波作為調(diào)制信號(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大于三角波幅值。2023/2/2ucurUurVurWuuUN'OwtOwtOwtOwtuVN'uUV6.2.5提高直流電壓利用率和減少開(kāi)關(guān)次數(shù)圖6-15梯形波為調(diào)制信號(hào)的PWM控制1.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s=Ut/Uto描述，Ut梯形波的高，Uto梯形兩腰延長(zhǎng)后三角形的高。梯形波含低次諧波，PWM波含同樣的低次諧波。低次諧波（非載波引起的諧波）產(chǎn)生的波形畸變率為d

。2023/2/26.2.5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。U,d00.20.40.60.81.0d0.20.40.60.8