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PWM 控制技术控制技术主要内容：PWM 控制的基本原理、控制方式与 PWM 波形的生成方法，PWM 逆变电路的谐波分析，PWM 整流电路。重点：PWM 控制的基本原理、控制方式与 PWM 波形的生成方法。难点：PWM 波形的生成方法，PWM 逆变电路的谐波分析。基本要求：掌握 PWM 控制的基本原理、控制方式与 PWM 波形的生成方法，了解PWM 逆变电路的谐波分析，了解跟踪型 PWM 逆变电路，了解 PWM 整流电路。PWM（Pulse Width Modulation）控制脉冲宽度调制技术，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）。第 3、4 章已涉及这方面内容:第 3 章：直流斩波电路采用，第 4 章有两处： 4.1 节斩控式交流调压电路，4.4 节矩阵式变频电路。本章内容PWM 控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是 PWM 型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。本章主要以逆变电路为控制对象来介绍 PWM 控制技术，也介绍 PWM 整流电路1 PWM 控制的基本原理控制的基本原理理论基础：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。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。图 6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲面积等效原理：分别将如图 6-1 所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L 电路）上，如图 6-2a 所示。其输出电流 i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图 6-2b 所示。从波形可以看出，在 i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各 i(t)响应波形的第 6 章 PWM 控制技术2差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应 i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各 i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。图 6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波 N 等分，看成 N 个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。SPWM 波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形。图 6-3 用 PWM 波代替正弦半波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。等幅 PWM 波和不等幅 PWM 波：由直流电源产生的 PWM 波通常是等幅 PWM 波，如直流斩波电路及本章主要介绍的PWM 逆变电路，6.4 节的 PWM 整流电路。输入电源是交流，得到不等幅 PWM 波，如4.1 节讲述的斩控式交流调压电路，4.4 节的矩阵式变频电路。基于面积等效原理，本质是相同的。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 波形可等效的各种波形：直流斩波电路：等效直流波形SPWM 波：等效正弦波形，还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，也基于等效面积原理。2 PWM 逆变电路及其控制方法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，目前实用的几乎都是电压型。（1）计算法和调制法）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。缺点：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2、调制法输出波形作调制信号，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右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合 PWM 的要求。调制信号波为正弦波时，得到的就是 SPWM 波；调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的 PWM 波。结合 IGBT 单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：设负载为阻感负载，工作时V1和 V2通断互补，V3和 V4通断也互补。控制规律：uo正半周，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，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，V1和 V4导通时，uo等于 Ud，V4关断时，负载电流通过 V1和 VD3续流，uo=0，负载电流为负区间，io为负，实际上从 VD1和VD4流过，仍有 uo=Ud，V4断，V3通后，io从 V3和 VD1续流，uo=0，uo总可得到 Ud和零两种电平。第 6 章 PWM 控制技术4uo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，当 ur>uc时使 V4通，V3断，uo=Ud，当 uruc时使 V3断，V4通，uo=0，虚线 uof表示 uo的基波分量。波形见图 6-5。图 6-5 单极性 PWM 控制方式波形双极性 PWM 控制方式（单相桥逆变）：在 ur半个周期内，三角波载波有正有负，所得 PWM 波也有正有负。在 ur一周期内，输出 PWM 波只有±Ud两种电平，仍在调制信号 ur和载波信号 uc的交点控制器件通断。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 io>0，V1和 V4 通，如 io0，VD2 和 VD3 通，uo=-Ud。波形见图 6-6。单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制。图 6-6 双极性 PWM 控制方式波形双极性 PWM 控制方式（三相桥逆变）：见图 6-7。三相 PWM 控制公用 uc，三相的调制信号 urU、urV和 urW依次相差 120°。U 相的控制规律：当 urU>uc时，给V1导通信号，给 V4关断信号，uUN´=Ud/2，当urU i*，令 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，电流误差没有一定的环宽，控制的精度低一些。4 PWM 整流电路及其控制方法整流电路及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：输入电流滞后于电压，且谐波分量大，因此功率因数很低。二极管整流电路：虽位移因数接近 1，但输入电流谐波很大，所以功率因数也很低。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。可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。（1）PWM 整流电路的工作原理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1、单相 PWM 整流电路图 6-28a 和 b 分别为单相半桥和全桥 PWM 整流电路。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。全桥电路直流侧电容只要一个就可以。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。图 6-28 单相 PWM 整流电路a) 单相半桥电路 b) 单相全桥电路单相全桥 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 V1V4进行 SPWM 控制，就可在交流输入端AB 产生 SPWM 波 uAB。uAB中含有和信号波同频率且幅值成比例的基波、和载波有关的高频谐波，不含低次谐波。由于 Ls的滤波作用，谐波电压只使 is产生很小的脉动。当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 uABf的幅值及其与 us的相位差决定。改变 uABf的幅值和相位，可使 is和us同相或反相，is比 us超前 90°，或 is与 us相位差为所需角度。相量图（图 6-29）第 6 章 PWM 控制技术24a：滞后相角 ，Is和 Us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 ，Is和 Us反相，逆变状态，说明 PWM 整流电路可实现能量正反两方向流动，这一特点对于需再生制动的交流电动机调速系统很重要。c：滞后相角 ，Is超前 Us90°，电路向交流电源送出无功功率，这时称为静止无功功率发送器（Static Var GeneratorSVG）d：通过对幅值和相位的控制，可以使 Is比 Us超前或滞后任一角度 。图 6-29 PWM 整流电路的运行方式相量图a)整流运行 b)逆变运行 c)无功补偿运行 d) 超前角为对单相全桥 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、VD4、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。由于是按升压斩波电路工作，如控制不当，直流侧电容电压可能比交流电压峰值高出许多倍，对器件形成威胁。另一方面，如直流侧电压过低，例如低于 us的峰值，则 uAB中就得不到图 6-29a 中所需的足够高的基波电压幅值，或 uAB中含有较大的低次谐波，这样就不能按需要控制is，is波形会畸变。可见，电压型 PWM 整流电路是升压型整流电路，其输出直流电压可从交流电源电压峰值附近向高调节，如要向低调节就会使性能恶化，以至不能工作。2、三相 PWM 整流电路图 6-30，三相桥式 PWM 整流电路最基本的 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6-29a 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。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。（2）PWM 整流电路的控制方法整流电路的控制方法有多种控制方法，根据有没有引入电流反馈可分为两种：没有引入交流电流反馈的间接电流控制；引入交流电流反馈的直接电流控制。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 6-29a（逆变时为图 6-29b）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 6-31，间接电流控制的系统结构图。图中的 PWM 整流电路为图 6-30 的三相桥式电路。控制系统的闭环是整流器直流侧电压控制环。控制原理：和实际直流电压 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对应。负载电流增大时，C 放电而使 ud下降，PI 的输入端正偏差，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，id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。负载电流减小时，调节过程和上述过程相反。从整流运行向逆变运行转换首先负载电流反向而向 C 充电，ud抬高，PI 调节器负偏差，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。控制系统中其余部分的工作原理上面的乘法器是 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上的压降 uLa、uLb和 uLc。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，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。第 6 章 PWM 控制技术26存在的问题：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；基于系统的静态模型设计，动态特性较差；应用较少。2、直接电流控制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，因此称为直接电流控制。有不同的电流跟踪控制方法，图 6-32，一种最常用的采用电流滞环比较方式的控制系统结构图。控制系统组成双闭环控制系统，外环是直流电压控制环，内环是交流电流控制环外环的结构、工作原理和图 6-31 间接电流控制系统相同。外环 PI 的输出为 id，id分别乘以和 a、b、c 三相相电压同相位的正弦信号，得到三相交流电流的正弦指令信号 ， 和 ， 和 分别和各自的电源电压同相位，其幅值和反映负载电流大小的直流信号 id成正比，指令信号和实际交流电流信号比较后，通过滞环对器件进行控制，便可使实际交流输入电流跟踪指令值。优点：控制系统结构简单，电流响应速度快，系统鲁棒性好；获得了较多的应用。本章小结本章小结a、PWM 控制技术的地位PWM 控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。b、器件与 PWM 技术的关系IGBT、电力 MOSFET 等为代表的全控型器件给 PWM 控制技术提供了强大的物质基础。c、PWM 控制技术用于直流斩波电路直流斩波电路实际上就是直流 PWM 电路，是 PWM 控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统构成广泛应用的直流脉宽调速系统。d、PWM 控制技术用于交流交流变流电路斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是 PWM 控制技术在这类电路中应用的代表,目前应用都还不多,但矩阵式变频电路因其容易实现集成化，可望有良好的发展前景.e、PWM 控制技术用于逆变电路PWM 控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用，奠定了 PWM 控制技术在电力电子技术中的突出地位。除功率很大的外，不用PWM 控制的逆变电路已十分少见。第 5 章因尚未涉及 PWM 控制技术，因此对逆变电路的介绍是不完整的。学完本章才能对逆变电路有较完整的认识。f、PWM 控制技术用于整流电路PWM 控制技术用于整流电路即构成 PWM 整流电路。可看成逆变电路中的 PWM 技术向整流电路的延伸。PWM 整流电路已获得了一些应用，并有良好的应用前景。PWM 整流电路作为对第 2 章的补充，可使我们对整流电路有更全面的认识。g、PWM 控制技术与相位控制技术以第 2 章相控整流电路和第 4 章交流调压电路为代表的相位控制技术至今在电力电子电路中仍占据着重要地位。以 PWM 控制技术为代表的斩波控制技术正在越来越占据着主导地位，分别简称相控和斩控。把两种技术对照学习，对电力电子电路的控制技术会有更明晰的认识。