电力电子技术第7章--PWM控制技术课件.ppt

《电力电子技术第7章--PWM控制技术课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子技术第7章--PWM控制技术课件.ppt（94页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第7章 PWM控制技术 7.1 PWM 控制的基本原理 7.2 PWM 逆变电路及其控制方法 7.3 PWM 跟踪控制技术 7.4 PWM 整流电路及其控制方法 7-1PWM 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5、6章已涉及到PWM控制，第5章直流斩波电路采用的就PWM技术；第6章的6.1斩控式调压电路和6.4矩阵式变频电路都涉及到了。2PWM 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

2、，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4章（逆变电路）相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。37.1 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图7-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲 b)三角形脉冲 c)正弦半波脉冲t O t

3、 O t Of(t)f(t)f(t)47.1 PWM 控制的基本思想b)图7-2 冲量相等的各种窄脉冲的响应波形具体的实例说明“面积等效原理”a）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。5OutSPWM波7.1 PWM 控制的基本思想Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Out67.1 PWM 控制的基本思想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。OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Out7 用PWM 波代替正弦半波 将正弦半波看成是由N 个彼此相连的脉冲宽度为/N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的

4、脉冲序列组成的。把上述脉冲序列利用相同数量的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PWM 波形。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM 波形。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SPWM（Sinusoidal PWM）波形。PWM 波形可分为等幅PWM 波和不等幅PWM 波两种，由直流电源产生的PWM 波通常是等幅PWM 波。基于等效面积原理，PWM 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等。7.1 PWM 控制的基本思想87.1 PWM 控制的基本思

5、想OwtUd-Ud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：OwtUd-Ud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中应用更为广泛。97.1 PWM 控制的基本思想等幅PWM波输入电源是恒定直流 第5章的直流斩波电路 7.2节的PWM逆变电路 7.4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 6.1节的斩控式交流调压电路 6.4节的矩阵式变频电路OwtUd-UdUot107.1 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

6、直流PWM波 直流波形SPWM波 正弦波形等效成其他所需波形，如:l 所需波形 l 等效的PWM波117.2 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。127.2 PWM逆变电路及其控制方法 7.2.1 计算法和调制法 7.2.2 异步调制和同步调制 7.2.3 规则采样法 7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析 7.2.5 提高直流电压利用率 和减少开关次数 7.2.6 空间矢量SVPWM控制 7.2.7 PW

7、M逆变电路的多重化137.2.1 计算法和调制法1）计算法：（PWM波软件生成法）已知：直流电压、希望输出的正弦波频率、幅值和半周期脉冲数；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。由计算机输出个开关器件的驱动信号波形。后面的特定谐波消去法、规则采样法属于计算法。147.2.1 计算法和调制法2）调制法（PWM波硬件生成法）希望输出的波形作调制信号(低频)，与载波(高频)进行调制得到期望的PWM波通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左

8、右对称u平缓变化的调制波与载波相交，在交点处控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求u调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波正弦波发生器三角波发生器+-比较器PWM脉冲图 由模拟电路调制生成PWM脉冲载波调制波ucururuc，PWM为高电平uruc，PWM为低电平157.2.1 计算法和调制法工作时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。2）调制法图7-4 单相桥式PWM逆变电路结合IGBT单

9、相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明167.2.1 计算法和调制法2）调制法图7-4 单相桥式PWM逆变电路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。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。177.2.1 计算法和调制法3）单极性PWM控制方式（单相桥逆变）ur正半周，V1保持通，V2保持断。V3和V4交替通断。当ur uc时使V4通、V3断，uo=Ud。当ur

10、uc时使V4断、V3通，uo=0。ur负半周，请同学们自己分析。图7-5 单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud 表示uo的基波分量在ur的半个周期内，三角载波只有一种极性，所得PWM波也只有一种极性；整周期中其幅值有Ud、0三种电平。在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。18urucuOwtOwtuouofuoUd-Udtttt uG1 uG2 uG3 uG4图 单相桥式PWM逆变电路的单极性控制方式正弦波发生器三角波发生器+-比较器PWM脉冲图 由模拟电路调制生成PWM脉冲表示uo的基波分量uruc，V4通，V3断，uo=Ud；ur0，如io0 197.

11、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的交点时刻控制器件的通断。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当ur uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如io0，V1和V4通，如io0，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io0，VD2和VD3通，uo=-Ud。图7-6 双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud20urucuOwtOwtuouofuoU d

12、-UduG1,uG4uG2,uG3ttoo图11-22 单相桥式PWM逆变电路的双极性控制方式正弦波发生器三角波发生器+-比较器PWM脉冲图 由模拟电路调制生成PWM脉冲217.2.1 计算法和调制法图7-5 双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图7-5 单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud 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。22237.2.1 计算法和调制法4）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）图7-7 三相桥式PWM型逆

13、变电路 三相的PWM控制公用三角载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120247.2.1 计算法和调制法ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2U d2U d?2Ud2U d3Ud32 Ud图7-7 三相桥式PWM型逆变电路 图7-8 三相桥式PWM逆变电路波形 下面以U相为例分析控制规律：当urUuc时，使V1通、V4断，uUN=Ud/2。当urUuc时，使V4通、V1断，uUN=-Ud/2。驱动V1(V4)时，可能V1(V4)通，也可能VD1(VD4)通。uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2两种

14、电平。257.2.1 计算法和调制法ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud267.2.1 计算法和调制法uUV波形可由uUN-uVN得出：当1、6通时，uUV=Ud；当3、4通时，uUV=Ud；当1、3或4、6通时，uUV=0。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。ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2U d2U d?2Ud2U d3Ud32

15、 Ud图7-7 三相桥式PWM型逆变电路 图7-8 三相桥式PWM逆变电路波形 27防直通的死区时间：1.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。2.死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。3.死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。287.2.1 计算法和调制法5）特定谐波消去法(Selected Harmonic Elimination PWMSHEPWM)这是计算法中一种较有代表性的方法。示例：输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和），共6个开关时刻可控。为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。图7-9

16、 特定谐波消去法的输出PWM波形OwtuoUd-Ud2p pa1a2a3297.2.1 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(7-1)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/2为轴线对称(7-2)同时满足式(7-1)、(7-2)的波形称为四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为 式中，an为OwtuoUd-Ud2p pa1a2a3307.2.1 计算法和调制法图7-9，能独立控制a1、a 2和a 3共3个时刻。该波形的an为 式中n=1,3,5,OwtuoUd-Ud2p pa1a2a3确定a1的值，再令两个不同的an=0(n=1,3,5)，就

17、可建三个方程，求得a1、a2和a3。图7-9 特定谐波消去法的输出PWM波形31消去两种特定频率的谐波7.2.1 计算法和调制法在三相对称电路线电压中，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：给定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1变，a1、a2和a3也相应改变。（7-5）327.2.1 计算法和调制法一般：在输出电压半周期内，器件通、断各k次（不包括0和），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k1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7.3节介绍。337

18、.2.2 异步调制和同步调制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。通常保持 fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的缺点：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优点：1、当fr较低时，Tr较大，Tc不变，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；2、器件的开关频率固定。1）异步调制 载波信号和调制信号不同步的调制方式载波比 载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr347.2.2 异步调制和同步调制2）同步调制载波信号和调制信号保持同步的调

19、制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud-2Ud图7-10 同步调制三相PWM波形基本同步调制方式：fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。优：为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。缺：fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。器件开关频率是变化的，过高难以承受。357.2.2 异步调制和同步调制3）分段同步调制异步调制和同步调制的综合应用。把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。波形对称在fr高

20、的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。fc=N fr开关频率范围固定为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。图7-11 分段同步调制方式举例 367.2.3 规则采样法这也是计算法中一种较有代表性的方法。1）自然采样法：按照SPWM控制的基本原理产生的PWM波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。ucuOturTcA DBOtuotAtDtBd d d

21、2d2d图7-12 规则采样法 2）规则采样法 工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。377.2.3 规则采样法已知参量：Tc、tD、N=fc/fr 三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。自然采样法中，脉冲中点不和三角波(负峰点)重合。规则采样法使两者重合，使计算大为减化。如图所示确定A、B点，在tA和tB时刻控制开关器件的通断。脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。规则采样法原理：ucuOturTcA DBOtuotAtDtBd d d 2d2d图7-12 规则采样法 387.2.3 规则采样法规则采样法计算公式推导正弦调制信号波三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度(7-

22、7)a称为调制度，0a1；wr为信号波角频率从图7-12得,(7-6)ucuOturTcA DBOtuotAtDtBd d d 2d2d图7-12 规则采样法 三角波的幅值为1。397.2.3 规则采样法3）三相桥逆变电路的情况三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120同一三角波周期内三相的脉宽分别为dU、dV和dW，脉冲两边的间隙宽度分别为dU、d V和d W，同一时刻三相调制波电压之和为零，由式(7-6)得 由式(7-7)得利用以上两式可简化三相SPWM波的计算(7-8)(7-9)407.2.4 PWM 逆变电路的谐波分析使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量。谐波频率和

23、幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一。分析以双极性SPWM波形为准。同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制方式。分析方法以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWM波的傅里叶级数表达式。尽管分析过程复杂，但结论简单而直观。417.2.4 PWM 逆变电路的谐波分析c+k r)角频率(nw w100 2+-1 2 34+-0 2+-4+-0 1+-3+-5+-谐波振幅0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0图7-13，不同a时单相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图。1）单相的分析结果谐波角频率为:式中，n=1,3,5,时，k=0,2,4,

24、；n=2,4,6,时，k=1,3,5,PWM波中不含低次谐波，只含wc及其附近的谐波以及2wc、3wc等及其附近的谐波。图7-13 单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图例：fc=10000Hz,fr=50Hz时，最低次谐波组10000k*50427.2.4 PWM 逆变电路的谐波分析2）三相的分析结果公用载波信号时的情况输出线电压中的谐波角频率为式中，n=1,3,5,时，k=3(2m 1)1，m=1,2,；n=2,4,6,时，图7-14，不同a时三相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图。公用载波信号时的情况。100 2+-1 2 34+-0 2+-4+-0 1+-3+-5+-0.20.40.60.

25、81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率(nwc+kwr)图7-14 三相桥式PWM逆变电路输出线电压频谱图谐波振幅437.2.4 PWM 逆变电路的谐波分析三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率wc整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是wc2wr和2wcwr。SPWM波中谐波主要是角频率为wc、2wc及其附近的谐波，很容易滤除。当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波分布情况和SPWM波的谐波分析一致。谐波分析小结447.2.5 提高直流电

26、压利用率和减少开关次数直流电压利用率逆变电路输出交流电压基波最大幅值U1m和直流电压Ud之比。提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力。减少器件的开关次数可以降低开关损耗。正弦波调制的三相PWM逆变电路，调制度a为1时，输出线电压的基波幅值为，直流电压利用率为0.866，实际还更低。梯形波调制方法的思路采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用率。当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值更大。45ucurUurVurWuuUNOwtOwtOwtOwtuVNuUV7.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数图7-15 梯形波为调制信号的PWM控制 1）梯形波调制方法的原理及波

27、形梯形波的形状用三角化率s s=Ut/Uto描述，Ut为以横轴为底时梯形波的高，Uto为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高。s=0时梯形波变为矩形波，s=1时梯形波变为三角波。梯形波含低次谐波，PWM波含同样的低次谐波。低次谐波（不包括由载波引起的谐波）产生的波形畸变率为d。467.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数图7-17，s 变化时各次谐波分量幅值Unm和基波幅值U1m之比。0.2 0.4 0.6 0.8 1.0s5wr00.10.27wr11wr13wrU1mUmn图7-17 s 变化时的各次谐波含量 梯形波调制的缺点：输出波形中含5次、7次等低次谐波s=0.4时

28、，谐波含量也较少，约为3.6%，直流电压利用率为1.03，综合效果较好。图7-16，d 和U1m/Ud随s 变化的情况。U,d0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0d0.20.40.60.81.01.21mUdUdU1m图7-16 s 变化时的d 和直流电压利用率 s472）线电压控制方式7.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数uucr1uOwturur1uOwtur3图7-18 叠加3次谐波的调制信号目标使输出线电压不含低次谐波的同时尽可能提高直流电压利用率，并尽量减少器件开关次数。直接控制手段仍是对相电压进行控制，但控制目标却是线电压相对线电压控制方式，控制目标为相电压时称为相电压

29、控制方式。鞍形波的基波分量幅值大。除叠加3次谐波外，还可叠加其他3倍频的信号，也可叠加直流分量，都不会影响线电压。叠加三次谐波例如：在相电压调制信号中叠加3次谐波，成为鞍形波，输出相电压中也含3次谐波，且三相的三次谐波相位相同。合成线电压时，3次谐波相互抵消，线电压为正弦波。487.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数3）线电压控制方式举例（叠加3倍次谐波和直流分量）叠加 up，既包含3倍次谐波，也包含直流分量，up大小随正弦信号的大小而变化。设三角波载波幅值为1，三相调制信号的正弦分别为urU1、urV1和urW1，并令(7-12)则三相的调制信号分别为 图7-19 线电压控制方式举例4

30、9507.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数不论 urU1、urV1和 urW1幅值的大小，urU、urV、urW总有1/3周期的值和三角波负峰值相等。在这1/3周期中，不对调制信号值为-1的相进行控制，只对其他两相进行控制，这种控制方式称为两相控制方式。优点（1）在1/3周期内器件不动作，开关损耗减少1/3。（2）最大输出线电压基波幅值为Ud，直流电压利用率 提高。（3）输出线电压不含低次谐波，优于梯形波调制方式。517.2.6 空间矢量SVPWM控制 空间矢量SVPWM 控制技术广泛运用于变频器中，驱动交流电机时，使电机的磁链成为圆形的旋转磁场，从而使电机产生恒定的电磁转矩。空间矢量

31、SVPWM 控制技术 图4-9 所示的三相电压型桥式逆变电路，采用180 导通方式，共有8种工作状态，即V6、V1、V2通，V1、V2、V3通，V2、V3、V4通，V3、V4、V5通，V4、V5、V6通，V5、V6、V1通，以及V1、V3、V5通和V2、V4、V6通，用“1”表示每相上桥臂开关导通，用“0”表示下桥臂开关导通，则上述8种工作状态可依次表示为100、110、010、011、001、101以及111 和000。前6种状态有输出电压，属有效工作状态，而后两种全部是上管通或下管通，没有输出电压，称之为零工作状态，故对于这种基本的逆变器，称之为6拍逆变器。图4-9 三相电压型桥式逆变电路

32、 527.2.6 空间矢量SVPWM控制图7-20 电压空间矢量六边形 图7-21 空间电压矢量的线形组合 对于6拍逆变器，在每个工作周期中，6种有效工作状态各出现一次，每一种状态持续60，在一个周期中6个电压矢量共转过360，形成一个封闭的正六边形，对于111 和000这两个“零工作状态”，在这里表现为位于原点的零矢量，坐落在正六边形的中心点。采用PWM 控制，就可以使交流电机的磁通尽量接近圆形，工作频率越高，磁通就越接近圆形，需要的电压矢量不是6个基本电压矢量时，可以用两个基本矢量和零矢量的组合来实现。如图7-21 中，所要的矢量为us，用基本矢量u1和u2的线形组合来实现，u1和u2的作

33、用时间一般小于开关周期To的60，不足的时间可用“零矢量”补齐。537.2.7 PWM逆变电路的多重化PWM多重化逆变电路，一般目的：提高等效开关频率、减少开关损耗、减少和载波有关的谐波分量PWM逆变电路多重化联结方式有变压器方式和电抗器方式利用电抗器联接的二重PWM逆变电路（图7-20，图 7-21)图7-22 二重PWM型逆变电路 两个单元逆变电路的载波信号相互错开180输出端相对于直流电源中点N的电压uUN=(uU1N+uU2N)/2,已变为单极性PWM波547.2.6 PWM逆变电路的多重化输出线电压共有0、(1/2)Ud、Ud五个电平，比非多重化时谐波有所减少。电抗器上所加电压频率为

34、载波频率，比输出频率高得多，只要很小的电抗器就可以了。输出电压所含谐波角频率仍可表示为nwc+kwr，但其中n为奇数时的谐波已全被除去，谐波最低频率在2wc附近，相当于电路的等效载波频率提高一倍。图7-23 二重PWM型逆变电路输出波形 557.3 PWM跟踪控制技术PWM波形生成的第三种方法跟踪控制方法。把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为 反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路 各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号 变化。常用的有滞环比较方式和三角波比较方式。567.3 PWM跟踪控制技术 7.3.17.3.1 滞环比较方式滞环比较方式 7.3.27.3.2 三角形比较

35、方式三角形比较方式 577.3.1 滞环比较方式 1)跟踪型PWM变流电路中，电流跟踪控制应用最多。t Oii i*+D I i*-D I i*图7-25 滞环比较方式的指令电流和输出电流图7-24 滞环比较方式电流跟踪控制举例基本原理把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入。V1（或VD1）通时，i增大V2（或VD2）通时，i减小通过环宽为2DI的滞环比较器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*。参数的影响环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。L大时，i的变化率小，跟踪慢；L小时，i

36、的变化率大，开关频率过高。滞环环宽电抗器L的作用58图7-24 滞环比较方式电流跟踪控制举例 i*-i I i i*-I V1通i*-i i*+I V2通eI-I1-1e图7-25 滞环比较方式的指令电流和输出电流t Oii i*+D I i*-D I i*PWM电压波形597.3.1 滞环比较方式2)三相的情况图7-27 三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形图7-26 三相电流跟踪型PWM逆变电路607.3.1 滞环比较方式3)采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路有如下特点。（1）硬件电路简单。（2）实时控制，电流响应快。（3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。（4）和计算法

37、及调制法相比，相同开关频率时输出电流 中高次谐波含量多。（5）闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。617.3.1 滞环比较方式4)采用滞环比较方式实现电压跟踪控制把指令电压u*和输出电压u进行比较，滤除偏差信号中的谐波，滤波器的输出送入滞环比较器，由比较器输出控制开关器件的通断，从而实现电压跟踪控制。图7-26 电压跟踪控制电路举例627.3.1 滞环比较方式和电流跟踪控制电路相比，只是把指令和反馈信号从电流变为电压。输出电压PWM波形中含大量高次谐波，必须用适当的滤波器滤除。u*为直流信号时，u产生直流偏移，变为正负脉冲宽度不等，正宽负窄或正窄负宽的矩形波。u*为交流信号时，只要

38、其频率远低于上述自励振荡频率，从u中滤除由器件通断产生的高次谐波后，所得的波形就几乎和u*相同，从而实现电压跟踪控制。637.3.2 三角形比较方式负载+-iUi*U+-iVi*V+-iWi*WUdC+-C+-C+-三相三角波发生电路AAA(1)基本原理不是把指令信号和三角波直接进行比较，而是通过闭环来进行控制。把指令电流i*U、i*V和i*W和实际输出电流iU、iV、iW进行比较，求出偏差，通过放大器A放大后，再去和三角波进行比较，产生PWM波形。放大器A通常具有比例积分特性或比例特性，其系数直接影响电流跟踪特性。(2)特点开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便。为改善输出电压波形，

39、三角波载波常用三相三角波载波。和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐波少。图7-29 三角波比较方式电流跟踪型逆变电路647.3.2 三角形比较方式不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟。以固定采样周期对指令信号和被控制变量进行采样，根据偏差的极性来控制开关器件通断。在时钟信号到来的时刻，如i i*，V1断，V2通，使i 减小。每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令电流的误差减小。采用定时比较方式时，器件的最高开关频率为时钟频率的1/2。和滞环比较方式相比，电流控制误差没有一定的环宽，控制的精度低一些。(3)除上述两种比较方式外，还有定时比较方式。657.4 PWM 整流电路及

40、其控制方法实用的整流电路几乎都是晶闸管整流或二极管整流。晶闸管相控整流电路缺点：输入电流滞后于电压，且其中谐波分量大，因此功率因数很低。二极管整流电路缺点：虽位移因数接近1，但输入电流中谐波分量很大，所以功率因数也很低。新型整流电路：把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路。优点：控制PWM整流电路，使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1，也称单位功率因数变流器，或高功率因数整流器。667.4 PWM 整流电路及其控制方法 7.4.17.4.1 PWM PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理 7.4.27.4.2 PWM PWM整流电路的

41、控制方法整流电路的控制方法671单相PWM整流电路图7-30 单相PWM整流电路7.4.1 PWM 整流电路的工作原理PWM整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前电压型的较多。半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联，其中点和交流电源连接。单相半桥电路 交流侧电感Ls包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必须的。全桥电路直流侧电容只要一个就可以。单相全桥电路68(1)单相全桥PWM整流电路的工作原理正弦信号波和三角波相比较的方法对图中的T1T4进行SPWM控制，就可以在桥的交流输入端AB产生一个SPWM波uAB。uAB中含有和正弦信号波us同频率且幅值成比例的基波分量uAB1

42、，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，不含有低次谐波。由于Ls 的滤波作用，谐波电压只使is产生很小的脉动。图 AB两点的SPWM电压波形示例OwtuABuAB1 uoUd-Ud7.4.1 PWM 整流电路的工作原理69 当正弦信号波频率和电源频率相同时，is也为与电源频率相同的正弦波。us一定时，is幅值和相位仅由uAB中基波uAB1的幅值及其与us的相位差决定。改变uAB1的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90，或使is与us相位差为所需角度。图 单相桥式PWM整流电路的等值电路usLSisR suAB17.4.1 PWM 整流电路的工作原理图 AB两点的SPWM电压

43、波形示例Owtu ABuAB1 u oU d-UduS-uAB1=uRL=Z is70图7-31 PWM整流电路的运行方式向量图a)整流运行 b)逆变运行c)无功补偿运行d)超前角为j djUsULURUABIsdUsURUABIsULdUsURUABIsULdUsURUABIsULURLURLURL7.4.1 PWM 整流电路的工作原理71a：滞后 相角d，和 同相，整流状态，功率因数为1。PWM整流电路最基本的工作状态。b：超前 相角d，和 反相，逆变状态。说明PWM整流电路可实现能量正反两个方向的流动，这一特点对于需再生制动的交流电动机调速系统很重要usLsisR suAB1a)整流运行

44、dUsULURUABIsURLb)逆变运行dUsURUABIsULURL7.4.1 PWM 整流电路的工作原理72c)无功补偿运行dUsURUABIsULd)超前角为j jdUsURUABIsULc：滞后 相角d，超前 90，电路向交流电源送出无功功率，这时称为静止无功功率发生器（Static Var GeneratorSVG）。d：通过对 幅值和相位的控制，可以使 比 超前或滞后任一角度j。7.4.1 PWM 整流电路的工作原理737.4.1 PWM 整流电路的工作原理(2)对单相全桥PWM整流电路工作原理的进一步说明整流状态下:us 0时，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、V

45、D4、Ls）分别组成两个升压斩波电路，以（V2、VD4、VD1、Ls）为例。V2通时，us通过V2、VD4向Ls储能。V2关断时，Ls中的储能通过VD1、VD4向C充电。us 0时，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分别组成两个升压斩波电路。747.4.1 PWM 整流电路的工作原理2三相PWM整流电路三相桥式PWM整流电路，是最基本的PWM整流电路之一，应用最广。工作原理和前述的单相全桥电路相似，只是从单相扩展到三相。进行SPWM控制，在交流输入端A、B和C可得 SPWM电压，按图7-29a的相量图控制，可使ia、ib、ic为正弦波且和电压同相且功率因数近似为1。

46、运行状态：和单相相同，该电路也可工作在逆变运行状态及图c或d的状态。图7-32 三相桥式PWM整流电路 负载757.4.2 PWM 整流电路的控制方法图7-33 间接电流控制系统结构1)间接电流控制间接电流控制也称为相位和幅值控制。按图7-29a、b的相量关系来控制整流桥交流输入端电压，使得输入电流和电压同相位，从而得到功率因数为1的控制效果。图7-31，间接电流控制的系统结构图主电路：三相桥式电路控制系统的闭环是整流器直流侧电压控制环。有多种控制方法，根据有没有引入电流反馈可分为两种 间接电流控制、直接电流控制。dUsULURUABIsURL767.4.2 PWM 整流电路的控制方法控制原理

47、 和实际的直流电压ud比较后送入PI调节器，PI调节器的输出为一直流电流信号id，id的大小和整流器交流输入电流幅值成正比。稳态时，ud=，PI调节器输入为零，PI调节器的输出id和负载电流大小对应，也和交流输入电流幅值相对应。77 负载电流减小时，调节过程和上述过程相反。负载电流增大时，C放电而使ud下降，PI的输入端出现正偏差，使其输出id增大，进而使交流输入电流增大，也使ud回升。达到新的稳态时，ud和 相等，PI调节器输入仍恢复到零，而id则稳定为新的较大的值，与较大的负载电流和较大的交流输入电流对应。7.4.2 PWM 整流电路的控制方法78从整流运行向逆变运行转换首先负载电流反向而

48、向C充电，ud抬高，PI调节器出现负偏差，id减小后变为负值，使交流输入电流相位和电压相位反相，实现逆变运行。稳态时，ud和 仍然相等，PI调节器输入恢复到零，id为负值，并与逆变电流的大小对应。7.4.2 PWM 整流电路的控制方法797.4.2 PWM 整流电路的控制方法控制系统中其余部分的工作原理图中上面的乘法器是id分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，再乘以电阻R，得到各相电流在Rs上的压降uRa、uRb和uRc。a)整流运行dUsULURUAIsURL80图中下面的乘法器是id分别乘以比a、b、c三相相电压相位超前/2的余弦信号，再乘以电感L的感抗，得到各相电流在电感Ls

49、上的压降uLa、uLb和uLc。a)整流运行dUsULURUAIsURL7.4.2 PWM 整流电路的控制方法81各相电源相电压ua、ub、uc分别减去前面求得的输入电流在电阻R和电感L上的压降，就可得到所需要的交流输入端各相的相电压uA、uB和uC的信号（a相即：uA=ua-uRL)，用该信号对三角波载波进行调制，得到PWM开关信号去控制整流桥，就可以得到需要的控制效果。a)整流运行dUsULURUAIsURL7.4.2 PWM 整流电路的控制方法82ucurAurBurCuuANuBNOttttOOOuCN2Ud-2Ud图 三相PWM波形7.4.2 PWM 整流电路的控制方法83存在的问题

50、在信号运算过程中用到电路参数Ls和Rs，当Ls和Rs的运算值和实际值有误差时，会影响到控制效果。是基于系统的静态模型设计的，其动态特性较差。间接电流控制的系统应用较少。7.4.2 PWM 整流电路的控制方法847.4.2 PWM 整流电路的控制方法2)直接电流控制有不同的电流跟踪控制方法，图7-32给出一种最常用的采用电流滞环比较方式的控制系统结构图。图7-34 直接电流控制系统结构图基本思路：电流跟踪通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。857.4.2 PWM 整流电路的控制方法控制系统组成双闭环控制系统，外环是直流电压控制环，内环