1、7-14.3 PWM逆變逆變技術技術 引言引言 PWM PWM (Pulse Width Modulation)(Pulse Width Modulation)控制就是控制就是 脈寬調制技術脈寬調制技術：即通過對一系列脈沖的寬度進行：即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅調制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值值) )。7-24.3 PWM逆變技術逆變技術 引言引言 PWMPWM控制的思想源于通信技術，控制的思想源于通信技術，全控型器件全控型器件的發展的發展使得實現使得實現PWMPWM控制變得十分容易。控制變得十分容易。 PWMPWM技術的應用十分廣泛，它使

2、電力電子裝置的技術的應用十分廣泛，它使電力電子裝置的性性能大大提高能大大提高，因此它在電力電子技術的發展史上，因此它在電力電子技術的發展史上占有十分重要的地位。占有十分重要的地位。 PWMPWM控制技術正是有賴于在控制技術正是有賴于在逆變電路逆變電路中的成功應用，中的成功應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位。現在才確定了它在電力電子技術中的重要地位。現在使用的各種逆變電路大都采用了使用的各種逆變電路大都采用了PWMPWM技術，因此，技術，因此，將將PWMPWM控制技術和逆變電路相結合，才能使我們對控制技術和逆變電路相結合，才能使我們對逆變電路有完整地認識。逆變電路有完整地認識。7-34.

3、3.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想1）重要理論基礎重要理論基礎面積等效原理面積等效原理沖量沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其上時，其效果基本相同效果基本相同。沖量沖量窄脈沖的面積窄脈沖的面積效果基本相同效果基本相同環節的輸出響應波形基本相同環節的輸出響應波形基本相同 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數f (t)d (t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf (t)f (t)f (t)7-44.3.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想b) 沖量相等的各種窄脈沖的響應波形沖量相等的各種窄脈沖的響

4、應波形具體的實例說明具體的實例說明“面積等效原理面積等效原理”a）e (t)電壓窄脈沖，是電路的輸入。電壓窄脈沖，是電路的輸入。 i (t)輸出電流，是電路的響應。輸出電流，是電路的響應。 7-5OutSPWM波4.3.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想Out如何用一系列如何用一系列等幅不等寬的脈沖等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波來代替一個正弦半波Out7-64.3.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想Ou t若要改變等效輸出正弦若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。變各脈沖寬度即可。OutSPWM波Out如何用一系列如何用一系列等幅不等寬的脈沖

5、等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波來代替一個正弦半波Out7-74.3.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想OwtUd-Ud對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：波為：OwtUd-Ud根據面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的根據面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。7-84.3.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想等等幅幅PWM波波輸入電源是恒定直流輸入電源是恒定直流 第第3章的直

6、流斬波電路章的直流斬波電路 本節的本節的PWM逆變電路逆變電路 不等幅不等幅PWM波波輸入電源是交流或不是恒定的輸入電源是交流或不是恒定的直流直流 OwtUd-UdUot7-94.3.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法目前目前中小功率中小功率的逆變電路幾乎都采用的逆變電路幾乎都采用PWMPWM技術。逆技術。逆變電路是變電路是PWMPWM控制技術最為重要的應用場合。控制技術最為重要的應用場合。PWMPWM逆變電路也可分為逆變電路也可分為電壓型電壓型和和電流型電流型兩種。兩種。實用的實用的PWMPWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。逆變電路幾乎都是電壓型電路。7-10(1）計算法計算法

7、根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計算算PWMPWM波各脈沖寬度和間隔，據此控制逆變電路波各脈沖寬度和間隔，據此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需開關器件的通斷，就可得到所需PWMPWM波形。波形。本法較繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位本法較繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化。變化時，結果都要變化。OutOut4.3.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法7-11工作時工作時V1和和V2通通斷互補，斷互補，V3和和V4通斷也互補。通斷也互補。(2）調制法單相橋式PWM逆變電路結合結合IGBT單單相橋式電

8、壓型逆變電路對調制法進行說明相橋式電壓型逆變電路對調制法進行說明4.3.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法7-12 單相橋式PWM逆變電路Uo正半周，正半周，V1通，通，V2斷，斷，V3和和V4交替通斷。交替通斷。 負載電流為正的區間負載電流為正的區間，V1和和V4導導通時，通時，uo等于等于Ud 。 V4關斷時，負載關斷時，負載電流通過電流通過V1和和VD3續流，續流，uo=0 負載電流為負的區間負載電流為負的區間， V1和和V4仍仍導通，導通，io為負，實際上為負，實際上io從從VD1和和VD4流過，仍有流過，仍有uo=Ud 。V4關斷關斷V3開開通后，通后，io從從V3和

9、和VD1續流，續流，uo=0。 uo總可得到總可得到Ud和零兩種電平。和零兩種電平。 uo負半周，讓負半周，讓V2保持通，保持通，V1保持斷，保持斷，V3和和V4交替通斷，交替通斷，uo可得可得-Ud和零兩和零兩種電平種電平。(2）調制法4.3.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法7-13(2)調制法調制法-單極性單極性控制控制方式方式u ru cuOwtOwtu ou ofUd- Ud在在ur和和uc的交點時刻控制的交點時刻控制IGBT的通斷。的通斷。4.3.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法7-14(2)調制法調制法-單極性控制方式單極性控制方式ur正半周正半

10、周，V1保持保持通通，V2保持保持斷斷。 當當uruc時使時使V4通，通，V3斷，斷，uo=Ud 。當。當uruc時使時使V4通，通，V3斷，斷，uo=Ud 。當。當uruc時時，給，給V1和和V4導通信導通信號，給號，給V2和和V3關斷信號。關斷信號。如如io0，V1和和V4通，如通，如io0，VD1和和VD4通，通， uo=Ud 。當當uruc時時，給，給V2和和V3導通信導通信號，給號，給V1和和V4關斷信號。關斷信號。如如io0，VD2和和VD3通，通，uo=-Ud 。圖7-7 雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在在ur和和uc的交點時刻控制的交點時

11、刻控制IGBT的通斷。的通斷。4.3.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法(2)調制法調制法-雙極性雙極性控制控制方式（單相橋）方式（單相橋）7-18 雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud 單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud 對照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單對照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調制，也可采用雙極性調制，由于對開關器件通斷極性調制，也可采用雙極性調制，由于對開關器件通斷控制的規律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。控制的規律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。4.3.2 P

12、WM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法(2)調制法調制法7-19 1）用模擬器件實現，稱為模擬控制方法；用模擬器件實現，稱為模擬控制方法； 2 2）用數字器件實現，稱為數字控制方法。數字控）用數字器件實現，稱為數字控制方法。數字控制方法有分為三種：制方法有分為三種： a. a. 微處理機通過軟件生成微處理機通過軟件生成SPWMSPWM波；波； b. b. 使用專門用于使用專門用于SPWMSPWM控制的控制的集成電路芯片集成電路芯片產產生生SPWMSPWM波形；波形； c. c. 采用采用微處理機和專用集成電路微處理機和專用集成電路相結合的方相結合的方法，共同完成控制功能。法，共同完成控制

13、功能。 目前，目前，SPWMSPWM控制大多使用后兩種方法。控制大多使用后兩種方法。SPWMSPWM波形的生成方法分為：波形的生成方法分為：4.3.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法7-20 模擬電子電路模擬電子電路4.3.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法7-21三相橋式PWM型逆變電路 三相三相的的PWM控制公控制公用三角波載波用三角波載波uc三相的調制信號三相的調制信號urU、urV和和urW依次相差依次相差120(2)調制法調制法-雙極性雙極性控制控制方式方式（三相橋逆變）（三相橋逆變）4.3.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法7-22u

14、curUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVOttttt?t4.3.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法7-23輸出線電壓輸出線電壓PWM波由波由Ud和和0三種電平構成三種電平構成負載相電壓負載相電壓PWM波由波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和和0 共共5種電平組成。種電平組成。防直通的死區時間防直通的死區時間 死區時間的長短主要由開關器件死區時間的長短主要由開關器件的關斷時間決定。的關斷時間決定。 死區時間會給輸出的死區時間會給輸出的PWMPWM波帶來波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波影響，使其稍稍偏離正弦波。ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-

15、UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud三相橋式PWM型逆變電路 三相橋式PWM逆變電路波形 4.3.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法7-244.3.3 異步調制和同步調制異步調制和同步調制根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調制方式分為調制方式分為異步調制異步調制和和同步調制同步調制。通常保持通常保持fc固定不變，當固定不變，當fr變化時，載波比變化時，載波比N是變化的是變化的在信號波的半周期內，在信號波的半周期內，PWM波的脈沖個數不固定，相波的脈沖個數不固定，相位

16、也不固定，脈沖不對稱。位也不固定，脈沖不對稱。當當fr較低時，較低時，N較大，一周期內脈沖數較多，脈沖不對較大，一周期內脈沖數較多，脈沖不對稱產生的不利影響都較小稱產生的不利影響都較小當當fr增高時，增高時，N減小，一周期內的脈沖數減少，減小，一周期內的脈沖數減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大脈沖不對稱的影響就變大載波比載波比載波頻率載波頻率fc與調制信號頻率與調制信號頻率fr之比，之比，N= fc / fr1） 異步調制異步調制載波信號和調制信號不同步的調制方式載波信號和調制信號不同步的調制方式7-254.3.3 異步調制和同步調制異步調制和同步調制2） 同步調制同步調制載波信號和調制信號保

17、持同步的調制方式，當變頻時載波信號和調制信號保持同步的調制方式，當變頻時使載波與信號波保持同步，即使載波與信號波保持同步，即N等于常數。等于常數。ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud-2Ud同步調制三相PWM波形fr變化時變化時N不變，信號波一周不變，信號波一周期內輸出脈沖數固定。期內輸出脈沖數固定。三相電路中公用一個三角波三相電路中公用一個三角波載波，且取載波，且取N為為3的整數倍，的整數倍，使三相輸出對稱。為使一相使三相輸出對稱。為使一相的的PWM波正負半周鏡對稱，波正負半周鏡對稱，N應取奇數。應取奇數。fr很很低低時，時，fc也很低，由調制也很低，由調制帶來的

18、諧波不易濾除。帶來的諧波不易濾除。fr很很高高時，時，fc會過高，使開關會過高，使開關器件難以承受。器件難以承受。7-264.3.3 異步調制和同步調制異步調制和同步調制3）分段同步調制分段同步調制異步調制和同步調制的綜異步調制和同步調制的綜合應用。合應用。把整個把整個f fr r范圍劃分成若干個范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持頻段，每個頻段內保持N N恒恒定，不同頻段的定，不同頻段的N N不同。不同。在在f fr r高的頻段采用較低的高的頻段采用較低的N N，使載波頻率不致過高；在使載波頻率不致過高；在f fr r低的頻段采用較高的低的頻段采用較高的N N，使，使載波頻率不致過低。載波頻

19、率不致過低。分段同步調制方式舉例 7-273）分段同步調制分段同步調制 載波比載波比N值的選定與逆變器的輸出頻率、功率開關器值的選定與逆變器的輸出頻率、功率開關器件的允許工作頻率以及所用的控制手段都有關系。為了件的允許工作頻率以及所用的控制手段都有關系。為了使逆變器的輸出盡量接近正弦波，應盡可能增大載波比，使逆變器的輸出盡量接近正弦波，應盡可能增大載波比，但若從逆變器本身看，載波比又不能太大，應受到下述但若從逆變器本身看，載波比又不能太大，應受到下述關系式的限制，即關系式的限制，即信號頻率頻段內最高的正弦參考關頻率功率開關器件的允許開N 分段同步調制雖然比較麻煩，但在微電子技術迅速發展的今分段

20、同步調制雖然比較麻煩，但在微電子技術迅速發展的今天，這種調制方式是很容易實現的。天，這種調制方式是很容易實現的。當利用微機生成當利用微機生成SPWM脈沖波形時，還應注意使三角載波的脈沖波形時，還應注意使三角載波的周期大于微機的采樣計算周期。周期大于微機的采樣計算周期。4.3.3 異步調制和同步調制異步調制和同步調制7-284 4）混合調制）混合調制 可在低頻輸出時采用異步調制方式，高頻可在低頻輸出時采用異步調制方式，高頻輸出時切換到同步調制方式，這樣把兩者的優輸出時切換到同步調制方式，這樣把兩者的優點結合起來，和分段同步方式效果接近。但實點結合起來，和分段同步方式效果接近。但實現較容易。現較容

21、易。4.3.3 異步調制和同步調制異步調制和同步調制7-294.3.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 諧波諧波頻率和幅值頻率和幅值是衡量是衡量PWM逆變電路性能的逆變電路性能的重要指標之一。重要指標之一。 使用載波對正弦信號波調制，會產生和使用載波對正弦信號波調制，會產生和載波有載波有關的諧波分量關的諧波分量。 分析以分析以雙雙極性極性SPWM波形波形為準。為準。 同步調制可看成異步調制的同步調制可看成異步調制的特殊特殊情況，只分析情況，只分析異步調制方式。異步調制方式。 分析過程復雜，但結論簡單而直觀。分析過程復雜，但結論簡單而直觀。7-304.3.4 PWM逆變電路的諧波分析

22、逆變電路的諧波分析c +kr)角頻率角頻率 (nww1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅0.20.40.70.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0不同調制度不同調制度a時單相時單相橋式橋式PWM逆變電路逆變電路輸出電壓頻譜圖。輸出電壓頻譜圖。1）單相的分析結果單相的分析結果諧波角頻率為諧波角頻率為:rcwwkn式中，n=1,3,5,時，k=0,2,4, ； n=2,4,6,時，k=1,3,5, PWM波中不含低次諧波，只含波中不含低次諧波，只含w wc及其附近的諧波以及其附近的諧波以及及2w wc、3w wc等及其附近的諧波。等及其附近的諧

23、波。單相單相PWM橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖7-314.3.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析2）三相的分析結果三相的分析結果公用載波信號時的情況公用載波信號時的情況輸出線電壓中的諧輸出線電壓中的諧波角頻率為波角頻率為rcwwkn式中，式中，n=1,3,5,時，時，k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,時時，-。, 2 , 116, 1 , 016mmmmk1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.70.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角頻率(nwc +kwr)三相逆變電路輸出線電壓頻譜圖

24、三相逆變電路輸出線電壓頻譜圖諧波振幅7-324.3.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.70.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0三相逆變電路輸出線電壓頻譜三相逆變電路輸出線電壓頻譜諧波振幅100 2+-1234+-0 2+-4+-0 1+-3+-5+-諧波振幅0.20.40.70.81.01.21.4kna= 1.0a= 0.8a= 0.5a= 0單相逆變電路輸出電壓頻譜單相逆變電路輸出電壓頻譜 三相和單相比較，共同點是都不含低次諧波，一個較顯著三相和單相比較，共同點是都不含低次諧波，一個較

25、顯著的區別是載波角頻率的區別是載波角頻率wc整數倍的諧波沒有了，諧波中幅值整數倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是較高的是wc2wr和和2wcwr。 SPWM波中諧波主要是角頻率為波中諧波主要是角頻率為wc、2wc及其附近的諧波，及其附近的諧波，很容易濾除。很容易濾除。7-334.3.5 PWM跟蹤控制技術跟蹤控制技術 前面所述的前面所述的PWM控制技術都是以輸出電壓近控制技術都是以輸出電壓近似正弦波為目標的。似正弦波為目標的。 但是，在但是，在交流電機交流電機中，實際需要保證的應該是中，實際需要保證的應該是正弦波電流正弦波電流，因為在交流電機繞組中只有通入，因為在交流電機繞組中只有通入三相平衡

26、的正弦電流才能使合成的電磁轉矩為三相平衡的正弦電流才能使合成的電磁轉矩為恒定值，不含脈動分量。因此，若能恒定值，不含脈動分量。因此，若能對電流實對電流實行閉環控制行閉環控制，以保證其正弦波形，顯然將比電，以保證其正弦波形，顯然將比電壓開環控制能夠獲得更好的性能。壓開環控制能夠獲得更好的性能。 最常用的電流跟蹤式最常用的電流跟蹤式PWM逆變器是電流滯環逆變器是電流滯環跟蹤控制。跟蹤控制。7-34 1)電流跟蹤型電流跟蹤型PWM變流電路變流電路滯環比較方式電流跟蹤控制滯環比較方式電流跟蹤控制舉例舉例基本原理基本原理電流控制器是帶滯環的比較電流控制器是帶滯環的比較器，環寬為器，環寬為2h。把指令電流

27、把指令電流 i* 和實際輸出電和實際輸出電流流i的偏差的偏差 i*-i 作為滯環比較作為滯環比較器的輸入。器的輸入。將給定電流將給定電流 i* 與輸出電流與輸出電流 i進行比較，電流偏差進行比較，電流偏差 i超超過時過時 h，經滯環控制器控，經滯環控制器控制逆變器上（或下）橋臂的制逆變器上（或下）橋臂的功率器件動作功率器件動作。 V1（或（或VD1）通時，）通時，i 增大增大V2（或（或VD2）通時，）通時，i 減小減小4.3.5 PWM跟蹤控制技術跟蹤控制技術7-35 如果如果 i i* ， 且且 i* - i h，控制器輸出正，控制器輸出正電平，驅動電平，驅動V1導通，逆變器輸出正電壓，導

28、通，逆變器輸出正電壓，使使i增大。增大。 直到達到直到達到 i = i* + h ， i = h ，使滯環翻，使滯環翻轉，控制器輸出負電平，關斷轉，控制器輸出負電平，關斷V1 ，并經，并經延時后驅動延時后驅動V2。 但由于電感作用，電流不會反向，而是但由于電感作用，電流不會反向，而是通過通過VD2續流，使續流，使V2受到反向鉗位而不受到反向鉗位而不能導通。能導通。i逐漸減小，直到逐漸減小，直到i = i* - h時，到時，到達偏差的下限值，控制器再翻轉，又重達偏差的下限值，控制器再翻轉，又重復使復使V1導通。導通。 V1與與VD2交替工作，使輸出電流給定值交替工作，使輸出電流給定值之間的偏差保

29、持在范圍內，在正弦波上之間的偏差保持在范圍內，在正弦波上下作鋸齒狀變化。下作鋸齒狀變化。 輸出電流是十分接近正弦波的。輸出電流是十分接近正弦波的。 1)電流跟蹤型電流跟蹤型PWM變流電路變流電路圖圖7-22 滯環比較方式電流跟滯環比較方式電流跟蹤控制舉例蹤控制舉例4.3.5 PWM跟蹤控制技術跟蹤控制技術7-36電流跟蹤電流跟蹤PWM控制控制tOiii*+ Ii*- Ii*圖7-23 滯環比較方式的指令電流和輸出電流圖7-22 滯環比較方式電流跟蹤控制舉例參數的影響參數的影響環寬過寬時，開關頻環寬過寬時，開關頻率低，跟蹤誤差大；率低，跟蹤誤差大；環寬過窄時，跟蹤誤環寬過窄時，跟蹤誤差小，但開關

30、頻率過差小，但開關頻率過高，開關損耗增大。高，開關損耗增大。L大時，大時，i的變化率小，的變化率小，跟蹤慢；跟蹤慢；L小時，小時，i的變的變化率大，開關頻率過化率大，開關頻率過高。高。滯環環寬電抗器L的作用4.3.5 PWM跟蹤控制技術跟蹤控制技術7-372) 三相的情況三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形三相電流跟蹤型PWM逆變電路4.3.5 PWM跟蹤控制技術跟蹤控制技術7-383) 采用滯環比較方式的電流跟蹤型采用滯環比較方式的電流跟蹤型PWMPWM變流電路有如下變流電路有如下特點特點。（1）硬件電路簡單。）硬件電路簡單。 （2）實時控制，電流響應快。）實時控制，電流響應快。 （3）不用

31、載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波。）不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波。 （4）和計算法及調制法相比，相同開關頻率時輸出電流）和計算法及調制法相比，相同開關頻率時輸出電流 中高次諧波含量多。中高次諧波含量多。 （5）閉環控制，是各種跟蹤型閉環控制，是各種跟蹤型PWMPWM變流電路的共同特點。變流電路的共同特點。4.3.5 PWM跟蹤控制技術跟蹤控制技術7-394) 采用滯環比較方式實現電壓跟蹤控制采用滯環比較方式實現電壓跟蹤控制 把指令電壓把指令電壓u*和輸出電壓和輸出電壓u進行比較，濾除偏差信號中進行比較，濾除偏差信號中的諧波，濾波器的輸出送入滯環比較器，由比較器輸的諧波，濾波器的輸出送入滯環比較器，由比較器輸出控制開關器件的通斷，從而實現電壓跟蹤