精品PPT课件--第6章脉宽调PWM技术

代表性的方法。
Ud
输出电压半周期内，器
件通、断各3次（不包 括0和π），共6个开关
O a1
a2 a3
p
2p
wt
时刻可控。
-Ud
为减少谐波并简化控制，
要尽量使波形对称。
图6-9 特定谐波消去法的输出PWM波形
6-22
6.2.1 计算法和调制法
首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，
即
u(wt) u(wt p )
6-11
6.2 PWM逆变电路及其控制方法
6.2.1 计算法和调制法 6.2.2 异步调制和同步调制 6.2.3 规则采样法 6.2.4 PWM逆变电路得谐波分析 6.2.5 提高直流电压利用和减少开关次数 6.2.6 PWM逆变电路的多重化
6-12
6.2.1 计算法和调制法
1）计算法
根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计 算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路 开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。 本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位 变化时，结果都要变化。
uo
u of u o
Ud
O
wt
-Ud
图6-6 双极性PWM控制方式波形
6-17
6.2.1 计算法和调制法
u
uc ur
u
ur uc
O
wt O
wt
uo
uo
Ud
u of
uo
u of
uo
Ud
O
wt O
wt
-Ud
-Ud
图6-5 单极性PWM控制方式波形 图6-5 双极性PWM控制方式波形
对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单 极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断 控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。
图6-9 特定谐波消去法的输出PWM波形
6-24
6.2.1 计算法和调制法
消去两种特定频率的谐波
在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相 互抵消。
可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程：
a12U dp源自(1 2 cosa1

2 cosa2

2 cosa3 )

a5
2U d
5p
(1
2 cos 5a1

2 cos 5a2

2 cos 5a3 )

0
（6－5）
a7
2U d
7p
(1
2 cos 7a1

2 cos 7a2

2 cos 7a3 )

0

给定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1变，a1、a2和a3也相
应改变。
6-25
6.2.1 计算法和调制法
5ms
10ms
• 所需波形
15ms
20ms
25ms
• 等效的PWM波
30ms
6-10
6.2 PWM逆变电路及其控制方法
目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。 逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。 本节内容构成了本章的主体。 PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前 实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。
uo负半周，让V2保持通，V1保 持断，V3和V4交替通断，uo可 得-Ud和零两种电平。
图6－4 单相桥式PWM逆变电路
6-15
6.2.1 计算法和调制法
3）单极性PWM控制方式（单相桥逆变）
在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。
ur正半周，V1保持通，
V2保持断。
u
uc ur
当 ur>uc 时 使 V4 通 ，
死区时间的长短主要由开关器 件的关断时间决定。
死区时间会给输出的PWM波带 来影响，使其稍稍偏离正弦波。
图6-7 三相桥式PWM型逆变电路
6-21
6.2.1 计算法和调制法
5）特定谐波消去法 (Selected Harmonic Elimination PWM—SHEPWM)
这是计算法中一种较有 uo
一般在输出电压半周期内，器件通、断各k次，考虑到 PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一
个自由度控制基波幅值外，可消去k－1个频率的特定谐
波。 k的取值越大，开关时刻的计算越复杂。 除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在6.3节介绍。
6-26
6.2.2 异步调制和同步调制
载波比
载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr
6-18
6.2.1 计算法和调制法
4）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）
三相的PWM控制 公用三角波载波uc 三相的调制信号urU、 urV和urW依次相差 120°
图6-7 三相桥式PWM型逆变电路
6-19
6.2.1 计算法和调制法
下面以U相为例分析控制规律：
当给uVr4U关>u断c时信，号给，Vu1U导N’=通U信d/2号。， 当给uVr1U关<u断c时信，号给，Vu4U导N’=通-U信d/号2。， 当给V1(V4)加导通信号时，可 能VD是1(VV1D(V4)4导)导通通。，也可能是 uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形 只有±Ud/2两种电平。 uUV波形可由uUN’-uVN’得出， 当1和6通时，uUV=Ud，当3和4 通时，uUV=－Ud，当1和3或4 和6通时，uUV=0。
4.1节的斩控式交流调压电路 4.4节的矩阵式变频电路
Ud
U
O
wt o
ωt
- Ud
6-9
6.1 PWM控制的基本思想
2）PWM电流波
电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM 电流波。
PWM波可等效的各种波形
直流斩波电路
直流波形
SPWM波
正弦波形
等效成其他所需波形，如:
20V
0V -20V
0s
u
SPWM波 u
O
ω> t
O
ω> t
u
O
ω> t
6-6
6.1 PWM控制的基本思想
如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
uu
SPWM波 u
OO
ωω>>tt
O
ω> t
u
O
ω> t
若要改变等效输出正弦 波幅值，按同一比例改 变各脉冲宽度即可。
6-7
6.1 PWM控制的基本思想
对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM 波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：
图6－4 单相桥式PWM逆变电路
6-14
6.2.1 计算法和调制法
2）调制法
V4关断时，负载电流通过V1和 VD3续流，uo=0 负载电流为负的区间， V1和 V4仍导通，io为负，实际上io 从VD1和VD4流过，仍有 uo=Ud 。 V4关断V3开通后，io从V3和 VD1续流，uo=0。 uo总可得到Ud和零两种电平。
图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
6-4
6.1 PWM控制的基本思想
具体的实例说明 “面积等效原理”
a）
b) 图6-2 冲量相等的各 种窄脉冲的响应波形
u (t)－电压窄脉冲， 是电路的输入 。 i (t)－输出电流，是 电路的响应。
6-5
6.1 PWM控制的基本思想
如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
u
O
u UN'
Ud
2
O
?
Ud 2
u VN'
Ud
2O
?
Ud 2
u WN'
Ud
2
O
u UV Ud
O -Ud u UN
O
u rU
u rV
uc
u rW
?t
?t
?t
?t
?t
2Ud
Ud
3
3
?t
图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形
图6-7 三相桥式PWM型逆变电路
6-20
6.2.1 计算法和调制法
输出线电压PWM波由±Ud和0三 种电平构成 负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、 (±1/3)Ud和0共5种电平组成。 防直通的死区时间
6-13
6.2.1 计算法和调制法
2）调制法
结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明
工作时V1和V2通断互补， V3和V4通断也互补。
以uo正半周为例，V1通， V2断，V3和V4交替通断。
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。
负载电流为正的区间，V1 和V4导通时，uo等于Ud 。
6-2
第六章 PWM控制技术• 引言
PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实 现PWM控制变得十分容易。 PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大 提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的 地位。 PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确 定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆 变电路都采用了PWM技术，因此，本章和第5章（逆变电 路）相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。
6-3
6.1 PWM控制的基本思想
1）重要理论基础——面积等效原理
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的 环节上时，其效果基本相同。
冲量
窄脉冲的面积
效果基本相同
环节的输出响应波形基本相同
f (t)
f (t)
f (t)
f (t)
d (t)
O
tO
tO
tO
t
a)矩形脉冲
b)三角形脉冲 c)正弦半波脉冲 d)单位脉冲函数
V3断，uo=Ud 。
O
wt
当 ur<uc 时 使 V4 断 ，
V3通，uo=0 。
ur负半周，请同学们自
uo
uo
Ud
u of
己分析。
O
wt
表示uo的基波分量
-Ud
图6-5 单极性PWM控制方式波形
6-16
6.2.1 计算法和调制法
3）双极性PWM控制方式（单相桥逆变）
在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。
同一相上下两臂的驱动信号互 补，为防止上下臂直通而造成 短路，留一小段上下臂都施加 关断信号的死区时间。
u
O
u UN'
Ud
2
O
?
Ud 2
u VN'
Ud
2O
?
Ud 2
u WN'
Ud
2
O
u UV Ud
O -Ud u UN
O
u rU
u rV
uc
u rW
?t
?t
?t
?t
?t
2Ud
Ud
3
3
?t
图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形
2 u(wt)sin nwtdwt
0
(6-3)
6-23
6.2.1 计算法和调制法
图6-9，能独立控制a1、a 2和a 3共3个时刻。该波形的an
为
an

4
p

U a1
d
02
sin nwtdwt
a2 ( U d
a1
2
sin nwt)dwt

U a3 d a2 2
sin nwtdwt
第六章 PWM控制技术
引言 6.1 PWM控制的基本原理 6.2 PWM逆变电路及其控制方法 6.3 PWM跟踪控制技术 6.4 PWM整流电路及其控制方法 本章小结
6-1
第六章 PWM控制技术• 引言
PWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调 制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。 第3、4章已涉及到PWM控制，第3章直流斩波电路 采用的就PWM技术；第4章的4.1斩控式调压电路和 4.4矩阵式变频电路都涉及到了。
Ud
O
wt
-U d
根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM 波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。
Ud
O -Ud
wt
6-8
6.1 PWM控制的基本思想
等幅PWM波
输入电源是恒定直流
第3章的直流斩波电路 6.2节的PWM逆变电路 6.4节的PWM整流电路
不等幅PWM波
输入电源是交流或不是 恒定的直流
p
2
(
U
d
a3
2

sin nwt)dwt

2U d
np
式中n=1,3,5,…
(1 2 cos na1
uo
2 cos na 2
2 cos na3 )
Ud
确两定个a不1的同值的，再令 a就n=可0(建n=三1,个3,5方…程)，，
求得a1、a2和a3 。
O a1
a2 a3
p
2p
wt
-Ud
在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，
所得PWM波也有正有负，其幅值只有±Ud
两种电平。
同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻 u 控制器件的通断。
ur uc
ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。O
wt
当ur >uc时，给V1和V4导通信号，给 V2和V3关断信号。 如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和 VD4通， uo=Ud 。 当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给 V1和V4关断信号。 如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和 VD3通，uo=-Ud 。
当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产 生的不利影响都较小
当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不 对称的影响就变大
6-27
根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，
PWM调制方式分为异步调制和同步调制。
1） 异步调制
载波信号和调制信号不同步的调制方式
通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的
在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也 不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期 的脉冲也不对称
(6-1)
其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期
内前后1/4周期以π/2为轴线对称
u(wt) u(p wt)
(6-2)
同时满足式（6-1）、（6-2）的波形称为四分之一周
期对称波形，用傅里叶级数表示为

u(wt) an sin nwt
式中，an为
n1,3,5,
an

4
p
p