【正文】 第 7章 PWM控制技術(shù) 《 電力電子技術(shù) 》 電子教案 Power Electronics Technology 第7章 PWM控制技術(shù) 引言 PWM控制的基本原理 PWM逆變電路及其控制方法 計(jì)算法和調(diào)制法 異步調(diào)制和同步調(diào)制 規(guī)則采樣法 PWM逆變電路的諧波分析 提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù) PWM逆變電路的多重化 PWM跟蹤控制技術(shù) 滯環(huán)比較方式 三角波比較方式 PWM整流電路及其控制方法 PWM整流電路的工作原理 PWM整流電路的控制方法 本章小結(jié) 引 言 ? PWM（ Pulse Width Modulation） 控制 —— 脈沖寬度調(diào)制技術(shù) ， 通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制 ， 來等效地獲得所需要波形 （ 含形狀和幅值 ） ? 第 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： ， 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)正是有賴于在逆變電路中的應(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象來介紹 PWM控制技術(shù) ? 也介紹 PWM整流電路 PWM控制的基本原理 理論基礎(chǔ) ? 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(shí) ， 其效果基本相同 ? 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(yīng)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 71 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 ? 一個實(shí)例 圖 72a的電路 ?電路輸入： u(t)， 窄脈沖 ， 如圖 71a、 b、 c、d所示 ?電路輸出： i(t)， 圖 72b a)Ob)圖6 2tbdcai ( t )i ( t )e ( t )圖 72 沖量相同的 各種窄脈沖的響應(yīng)波形 ? 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 N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(diǎn)重合 ， 面積 （ 沖量 ） 相等 ? 寬度按正弦規(guī)律變化 ? tOua)b)圖6 3Ou? t用 PWM波代替正弦半波 ?SPWM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 ?面積等效原理 ? 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 ， PWM整流電路 ?輸入電源是交流 ， 得到不等幅 PWM波 ? ， 陣式變頻電路 ?基于面積等效原理進(jìn)行控制 ， 本質(zhì)是相同的 ?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 ， 也基于等效面積原理 PWM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(shù) ? 逆變電路是 PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場合 ? 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 計(jì)算法和調(diào)制法 ?計(jì)算法 ?根據(jù)正弦波頻率 、 幅值和半周期脈沖數(shù) ， 準(zhǔn)確計(jì)算 PWM波各脈沖寬度和間隔 ， 據(jù)此控制逆變電路開關(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)制法 ?輸出波形作調(diào)制信號，進(jìn)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(yīng)用最多，其任一點(diǎn)水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱 ?與任一平緩變化的調(diào)制信號波相交，在交點(diǎn)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(shí)，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(shí)，也能得到等效的 PWM波 ? 控制規(guī)律 ? 輸出電壓 uo正半周 ， V1通 ， V2斷 ， V3和 V4交替通斷 ? 負(fù)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(fù) ? 負(fù)載電流為正的區(qū)間 ， V1和 V4導(dǎo)通時(shí) ， uo等于 Ud ? V4關(guān)斷時(shí) ， 負(fù)載電流通過 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 ， 仍有 uo=Ud IGBT單相橋式電壓型逆變電路 ?結(jié)合 IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調(diào)制法進(jìn)行說明 工作時(shí) V1和 V2通斷互補(bǔ)， V3和 V4通斷也互補(bǔ) 信號波載波圖6 4調(diào)制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoR Luruc? 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 ， 仍有 uo=Ud ? V4關(guān)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(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 信號波載波圖6 4調(diào)制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoR Luruc? 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)? ? 當(dāng) uruc時(shí)使 V4通 ， V3斷 ， uo=Ud ? 當(dāng) uruc時(shí)使 V4斷 ， V3通 ， uo=0 ? ur負(fù)半周 ， V1保持?jǐn)?， V2保持通 ? 當(dāng) uruc時(shí)使 V3通 ， V4斷 ， uo=Ud ? 當(dāng) uruc時(shí)使 V3斷 ， V4通 ， uo=0 ? 虛線 uof表示 uo的基波分量 圖6 5urucuO? tO? tuouofuoUd Ud圖 75 單極性 PWM控制方式波形 信號波載波圖6 4調(diào)制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoR Luruc單極性 PWM控制方式（單相橋逆變） 雙極性 PWM控制方式（單相橋逆變） ?在 ur的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得PWM波也有正有負(fù) ?在 ur一周期內(nèi)，輸出 PWM波只有 177。 Ud兩種電平 ?仍在調(diào)制信號 ur和載波信號 uc的交點(diǎn)控制器件的通斷 ?ur正負(fù)半周，對各開關(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 ， 給 V2和 V3關(guān)斷信號 ? 如 io0， V1和 V4通 ， 如 io0，VD1和 VD4通 ， uo=Ud ? 當(dāng) uruc時(shí) ， 給 V2和 V3導(dǎo)通信號 ， 給 V1和 V4關(guān)斷信號 ? 如 io0， V2和 V3通 ， 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 6urucuO? tO? tuouofuoUd Ud圖 76 雙極性 PWM控制方式波形 信號波載波圖6 4調(diào)制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoR Luruc? 采用雙極性 PWM控制方式 ? 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 120176。 圖6 7調(diào)制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN39。C+C+urUurVurW2Ud2Ud圖 77 三相橋式 PWM型逆變電路 三相橋式逆變電路 ?U相的控制規(guī)律 圖6 8ucurUurVurWuuU N 39。uV N 39。uW N 39。uUNuUVUd UdO? tOOOOO? t