1、第第7 7章章 PWMPWM控制技术控制技术 7.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 7.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法 7.3 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术 7.4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法 2/60 引言引言 PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调度进行调制的技术，即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）。制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。第第5章的直流斩波电路实际上采用的就是章的直流斩波电路实际上采用
2、的就是PWM技术，第技术，第6章中涉及到章中涉及到PWM控制技术的地方有两处，一处是第控制技术的地方有两处，一处是第6.1节中的斩控式交流调压电路，另一处是第节中的斩控式交流调压电路，另一处是第6.4节矩阵式变节矩阵式变频电路。频电路。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是大部分都是PWM型逆变电路型逆变电路。3/60 7.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 面积等效原理面积等效原理 是是PWM控制技术的重要理论基础控制技术的重要
3、理论基础。原理内容：原理内容：冲量相等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，其效果基本相同效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。冲量即指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。频段略有差异。实例实例 将图将图7-1a、b、c、d所示的脉冲作为输入，加在图所示的脉冲作为输入，加在图7-2a所示的所示的R-L电路电路上，上，设其电流设其电流i(t)
4、为电路的输出，图为电路的输出，图7-2b给出了不同窄脉冲时给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。的响应波形。图图7-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 图图7-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 4/60 7.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理(电力图书馆电力图书馆公众号公众号)用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 将正弦半波看成是由将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度个彼此相连的脉冲宽度为为/N，但幅值顶部是，但幅值顶部是曲线曲线且大小按且大小按正弦规律变化正弦规律变化的脉冲序列组成的。的脉冲序列组成的。把上述脉冲序列利用
5、相同数量的把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是分面积（冲量）相等，这就是PWM波形波形。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到到PWM波形。波形。脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形）波形。PWM波形可分为波形可分为等幅等幅
6、PWM波波和和不等幅不等幅PWM波波两种，由直流电源产生的两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅波通常是等幅PWM波。波。基于等效面积原理，基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。等。图图7-3 用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 5/60 7.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法 7 7.2 2.1 1 计算法和调制法计算法和调制法 7 7.2 2.2 2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制 7 7.2 2.3 3 规则采样法规则采样法 7 7.2 2.4 4
7、 PWMPWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析 7.2.5 7.2.5 提高直流电压利用率提高直流电压利用率 和减少开关次数和减少开关次数 7.2.6 7.2.6 空间矢量空间矢量SVPWMSVPWM控制控制 7 7.2 2.7 7 PWMPWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化 6/60 7.2.1 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 计算法计算法 根据逆变电路的根据逆变电路的正弦波输出频率正弦波输出频率、幅值幅值和半个周期内和半个周期内的的脉冲数脉冲数，将，将PWM波形中各脉冲的波形中各脉冲的宽度宽度和和间隔间隔准确计算准确计算出来，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，出来
8、，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的就可以得到所需要的PWM波形，这种方法称之为计算法。波形，这种方法称之为计算法。计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。值或相位变化时，结果都要变化。调制法调制法 把希望输出的波形作为把希望输出的波形作为调制信号调制信号，把接受调制的信号，把接受调制的信号作为作为载波载波，通过信号波的调制得到所期望的，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。波形。通常采用通常采用等腰三角波等腰三角波或或锯齿波锯齿波作为载波，其中等腰三作为载波，其中等腰三角波应用最多
9、。角波应用最多。7/60 7.2.1 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 图图7-4 单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆变电路 单相桥式单相桥式PWM逆变电路（调制法）逆变电路（调制法）电路工作过程电路工作过程 工作时工作时V1和和V2通断互补通断互补，V3和和V4通断也互补通断也互补，比如在比如在uo正半周，正半周，V1导通，导通，V2关断，关断，V3和和V4交替通断。交替通断。负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，在负载电流为正的区间，V1和和V4导通时，导通时，uo
10、=Ud。V4关断时，负载电流通过关断时，负载电流通过V1和和VD3续流，续流，uo=0。在负载电流为负的区间，仍为在负载电流为负的区间，仍为V1和和V4导通时，导通时，因因io为负，故为负，故io实际上从实际上从VD1和和VD4流过，仍有流过，仍有uo=Ud。V4关断，关断，V3开通后，开通后，io从从V3和和VD1续流，续流，uo=0。uo总可以得到总可以得到Ud和零两种电平。和零两种电平。在在uo的负半周，让的负半周，让V2保持通态，保持通态，V1保持断态，保持断态，V3和和V4交替通断，负载电压交替通断，负载电压uo可以得到可以得到-Ud和和零零两种两种电平。电平。阻感负载阻感负载 8/
11、60 7.2.1 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 u r u c u O w t O w t u o u of u o U d-U d 图图7-4 单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆变电路 图图7-5 单极性单极性PWM控制方式波形控制方式波形 单极性单极性PWM控制方式控制方式 调制信号调制信号ur为正弦波，载波为正弦波，载波uc在在ur的的正半周为正半周为正极性正极性的三角波，在的三角波，在ur的负半周的负半周为为负极性负极性的三角波。的三角波。在在ur的正半周，的正半周，V1保持通态，保持通态，V2保持保持断态。断态。当当uruc时使时使V4导通，导通，V3关断，关断，uo=Ud
12、。当当uruc时使时使V4关断，关断，V3导通，导通，uo=0。在在ur的负半周，的负半周，V1保持断态，保持断态，V2保持保持通态。通态。当当uruc时使时使V3关断，关断，V4导通，导通，uo=0。9/60 7.2.1 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 u r u c u O w t O w t u o u of u o U d-U d 图图7-4 单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆变电路 图图7-6 双极性双极性PWM控制方式波形控制方式波形 双极性双极性PWM控制方式控制方式 在调制信号在调制信号ur和载波信号和载波信号uc的交点的交点时刻控制各开关器件的通断。时刻控制各开关器件
13、的通断。在在ur的半个周期内，三角波载波有的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的正有负，所得的PWM波也是有正有负，波也是有正有负，在在ur的一个周期内，输出的的一个周期内，输出的PWM波只波只有有Ud两种电平。两种电平。在在ur的正负半周，对各开关器件的的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。控制规律相同。当当uruc时，时，V1和和V4导通，导通，V2和和V3关断，这时如关断，这时如io0，则，则V1和和V4通，如通，如io0，则，则VD1和和VD4通，不管哪种情况都通，不管哪种情况都是是uo=Ud。当当uruc时，时，V2和和V3导通，导通，V1和和V4关断，这时如关断，这时如io0，
14、则，则VD2和和VD3通，不管哪种情况都通，不管哪种情况都是是uo=-Ud。10/60 7.2.1 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 图图7-7 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 图图7-8 三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形 三相桥式三相桥式PWM逆变电路（调制逆变电路（调制法）法）采用双极性控制方式。采用双极性控制方式。U、V和和W三相的三相的PWM控制通控制通常公用一个三角波载波常公用一个三角波载波uc，三相的，三相的调制信号调制信号urU、urV和和urW依次相差依次相差120。11/60 7.2.1 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法(电电 力图力
15、图 书馆书馆公众号公众号)电路工作过程（电路工作过程（U相为例）相为例）当当urUuc时，上桥臂时，上桥臂V1导通，下桥臂导通，下桥臂V4关断，则关断，则U相相对于直流电源假想中点相相对于直流电源假想中点N的的输出电压输出电压uUN=Ud/2。当当urUuc时，时，V4导通，导通，V1关断，则关断，则uUN=-Ud/2。V1和和V4的驱动信号始终是互补的。的驱动信号始终是互补的。当给当给V1(V4)加导通信号时，可能是加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是二极管导通，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通，续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。这要由阻感负载中电流的方向来决定。u
16、UN、uVN和和uWN的的PWM波形都只有波形都只有Ud/2两种电平。两种电平。图图7-7 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 图图7-8 三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形 12/60 7.2.1 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 图图7-7 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 图图7-8 三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形 输出线电压输出线电压PWM波由波由Ud和和0三种电平构成。三种电平构成。当臂当臂1和和6导通时，导通时，uUV=Ud。当臂当臂3和和4导通时，导通时，uUV=Ud。当臂当臂1和和3或臂或臂4和和6导通时，导通时，uUV=0。负载相电压负载相电压uUN可由下式求得可由下式求得 3WNVNUNUNUNuuuuu负载相电压的负载相电压的PWM波由波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和和0共共5种电平组成。种电平组成。为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间死区时间。13/60 7.2.
