PWM整流电路的工作原理课件.ppt

1、第第7 7章章 PWM控制技术控制技术 第7章 PWM控制技术 引言 PWM (Pulse Width Modulation)控制技术就控制技术就是是脉脉宽调制技术宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来获得所需要的等效波形（含形状和幅行调制，来获得所需要的等效波形（含形状和幅值值) )。第第5章章直流斩波电路直流斩波电路第第6章章斩控式调压电路斩控式调压电路第7章 PWM控制技术 引言PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现展使得实现PWM控制变得十分容易。控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使

2、电力电子装置的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。上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在控制技术正是有赖于在逆变电路逆变电路中的成功应中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。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现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术，因技术，因此，本章和第此，本章和第4章章（逆变电路）相结合，才能使我（逆变电路）相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。们对逆变电路有完整地认识。7.1 PWM控制的基本思想控制的

3、基本思想1）重要理论基础重要理论基础面积等效原理面积等效原理冲量冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其的环节上时，其效果基本相同效果基本相同。冲量冲量窄脉冲的面积窄脉冲的面积效果基本相同效果基本相同环节的输出响应波形基本相同环节的输出响应波形基本相同图图7-1 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d)单位脉冲函数单位脉冲函数f (t)d d (t)tOa)矩形脉冲矩形脉冲b)三角形脉冲三角形脉冲c)正弦半波脉冲正弦半波脉冲tOtOtOf (t)f (t)f (t)7.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想b)图图7

4、-2 7-2 冲量相等的各冲量相等的各种窄脉冲的响应波形种窄脉冲的响应波形具体的实例说明具体的实例说明“面积等效原理面积等效原理”a）u (t)电压窄脉冲，电压窄脉冲，是电路的输入是电路的输入 。 i (t)输出电流，是输出电流，是电路的响应。电路的响应。 7.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想若要改变等效输出正弦若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。变各脉冲宽度即可。OutSPWM波波Out如何用一系列如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波来代替一个正弦半波?Out7.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想Ow wtUd-U

5、d对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到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波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：波为：Ow wtUd- -Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的根据面积等效原理，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。波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。7.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想等等幅幅PWM波波输入电源是恒定直流输入电源是恒定直流 第第3章的直流斩波电路章的直流斩波电路 7.2节的节的PWM逆变电路逆变电路 7.4节的节的PWM整流电路整流电路不等幅不等幅PWM波波输

6、入电源是交流或不是输入电源是交流或不是恒定的直流恒定的直流 4.1节的斩控式交流调压电路节的斩控式交流调压电路 4.4节的矩阵式变频电路节的矩阵式变频电路Ow wtUd- -UdUot7.1 PWM控制的基本思想控制的基本思想2）PWM电流波电流波 电流型逆变电路进行电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就控制，得到的就是是PWM电流波。电流波。PWM波可等效的各种波形波可等效的各种波形直流斩波电路得到分的直流斩波电路得到分的PWM波波 直流波形直流波形SPWM波波 正弦波形正弦波形l 所需波形所需波形 l 等效的等效的PWMPWM波波0s5m s10m s15m s20m s25m s30m

7、s-20V0V20V等效成其他所需波形，如等效成其他所需波形，如:7.2 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目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。技术。逆变电路是逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。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。本节内容构成了本章的主体。PWM逆变电路也可分为逆变电路也可分为电压型电压型和和电流型电流型两种，目两种，目前实用的前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。逆变电路几乎都是电压型电路。7.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法1）计算

8、法计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算准确计算PWMPWM波各脉冲宽度和间隔，据此波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需所需PWMPWM波形。波形。本本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。或相位变化时，结果都要变化。7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法工作时工作时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。以以uo正半周为例，正半周为例，V1通，通，V2断，断，V3和和V4交替通断。交替通断。负载

9、电流比电压滞后，在负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。区间为正，一段区间为负。2）调制法调制法图图7 74 4 单相桥式单相桥式PWMPWM逆变电路逆变电路 把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所希望的载波，通过信号波的调制得到所希望的PWM波。波。7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法2）调制法调制法图图7 74 4 单相桥式单相桥式PWMPWM逆变电路逆变电路负载电流为正的区间，负载电流为正的区间，V1和和V4导通时，导通时，uo等于等于Ud 。

10、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负载电流为负的区间，负载电流为负的区间， V1和和V4仍导通，仍导通，io为负，实际上为负，实际上io从从VD1和和VD4流过，仍有流过，仍有uo=Ud 。7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法2）调制法调制法图图7 74 4 单相桥式单相桥式PWMPWM逆变电路逆变电路 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总可得到总可得到Ud和零两种电平。和零两种电平。 uo负半周，让负半周，让V2保持通，保持通，V1保保持断，持断，V3和和V4交替通断，交替通断，uo可可得得-Ud

11、和零两种电平。和零两种电平。7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法3）单极性单极性PWM控制控制方式方式ur正半周正半周，V1保持保持通通，V2保持保持断断。当当uruc时使时使V4通，通，V3断，断，uo=Ud 。当当uruc时时，给，给V1和和V4导通信导通信号，给号，给V2和和V3关断信号。关断信号。如如io0，V1和和V4通，如通，如io0，VD1和和VD4通，通， uo=Ud 。当当uruc时时，给，给V2和和V3导通信导通信号，给号，给V1和和V4关断信号。关断信号。如如io0，VD2和和VD3通，通，uo=-Ud 。图图7-6 7-6 双极性双极性PWMPWM控制方式波形控制方

12、式波形urucuOw wtOw wtuouofuoUd- -Ud7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法图图7-5 7-5 双极性双极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形urucuOw wtOw wtuouofuoUd- -Ud图图7-5 7-5 单极性单极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形urucuOw wtOw wtuouofuoUd- -Ud 对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单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。控制的规律不

13、同，它们的输出波形也有较大的差别。7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法4）双极性双极性PWM控制控制方式方式（三相桥逆变）（三相桥逆变）图图7-7 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 三相三相的的PWM控控制公用三角波载制公用三角波载波波uc三相的调制信号三相的调制信号urU、urV和和urW依次相差依次相差1207.2.1 计算法和调制法计算法和调制法ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd- -UdO? ?tOOOOO? ?t? ?t? ?t? ?t? ?t2Ud? ?2Ud2Ud? ?2Ud2Ud3Ud32 Ud图图7-8 7-8 三相桥式三相桥式PWMPW

14、M逆变电路波形逆变电路波形 下面以下面以U相为例分析相为例分析控制规律控制规律：当当urUuc时，给时，给V1导通信导通信号，给号，给V4关断信号，关断信号，uUN=Ud/2。当当urUuc时，给时，给V4导通信导通信号，给号，给V1关断信号，关断信号，uUN=-Ud/2。当给当给V1(V4)加导通信号时，加导通信号时，可能是可能是V1(V4)导通，也可导通，也可能是能是VD1(VD4)导通。导通。7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd- -UdO? ?tOOOOO? ?t? ?t? ?t? ?t? ?t2Ud? ?2Ud2Ud? ?

15、2Ud2Ud3Ud32 Ud图图7-8 7-8 三相桥式三相桥式PWMPWM逆变电路波形逆变电路波形 下面以下面以U相为例分析相为例分析控制规律控制规律：uUN、uVN和和uWN的的PWM波形只有波形只有Ud/2两种电平。两种电平。uUV波形可由波形可由uUN-uVN得出，得出，当当1和和6通时，通时，uUV=Ud，当，当3和和4通时，通时，uUV=Ud，当，当1和和3或或4和和6通时，通时，uUV=0。7.2.1 计算法和调制法输出线电压输出线电压PWM波由波由Ud和和0三三种电平构成种电平构成负载相电压负载相电压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

16、。防直通的死区时间防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互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补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。件的关断时间决定。死区时间会给输出的死区时间会给输出的PWMPWM波波带来影响，使其稍稍偏离正弦带来影响，使其稍稍偏离正弦波波ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd- UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud图7-7 三相桥式PW

17、M型逆变电路 图7-8 三相桥式PWM逆变电路波形 7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法5）特定谐波消去法特定谐波消去法这是计算法中一种较有这是计算法中一种较有代表性的方法。代表性的方法。输出电压输出电压半半周期内，器周期内，器件通、断各件通、断各3次（不包次（不包括括0和和），共），共6个开关个开关时刻可控。时刻可控。为为减少谐波并简化减少谐波并简化控制，控制，要尽量使波形对称要尽量使波形对称图图7-9 特定谐波消去法的输出特定谐波消去法的输出PWM波波形形Ow wtuoUd- -Ud2p pp pa1a2a37.2.1 计算法和调制法计算法和调制法首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周

18、期镜对称，首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即即(7-1)()(pwwtutu其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后内前后1/4周期以周期以/2为轴线对称为轴线对称 (7-2)()(tutuwpw同时满足式（同时满足式（7-1）、（）、（7-2）的波形称为四分之一周）的波形称为四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为期对称波形，用傅里叶级数表示为 (7-3) 式中，式中，an为为, 5 , 3 , 1sin)(nntnatuww20dsin)(4pwwwpttntuan7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法图图7-9，能独

19、立控制，能独立控制a a1、a a 2和和a a 3共共3个时刻。该波形的个时刻。该波形的an为为 式式中中n=1,3,5,)cos2cos2cos21 (2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211aaapwwwwwwwwppaaaaaannnnUttnUttnUttnUttnUadddddnOw wtuoUd- -Ud2p pp pa1a2a3确定确定a1的值，再令两的值，再令两个不同的个不同的an=0(n=1,3,5)，就可，就可建三个方程，求得建三个方程，求得a a1、a a2和和a a3 。图图7-9 特定谐波消去法的输出特定谐波消去法的输出PWM波形波

20、形消去两种特定频率的谐波消去两种特定频率的谐波7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法在三相对称电路的线电压中，相电压所含的在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相次谐波相互抵消。互抵消。可考虑消去可考虑消去5次和次和7次谐波，得如下联立方程：次谐波，得如下联立方程：给定给定a1，解方程可得，解方程可得a a1、a a2和和a a3。a1变，变，a a1、a a2和和a a3也相也相应改变。应改变。0)7cos27cos27cos21 (720)5cos25cos25cos21 (52)cos2cos2cos21 (2321d7321d5321d1aaapaaapaaapUaUaUa（

21、75）7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法一般在输出电压半周期内，器件通、断各一般在输出电压半周期内，器件通、断各k次，次，考虑到考虑到PWM波四分之一周期对称，波四分之一周期对称，k个开关时个开关时刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去消去k-1个频率的特定谐波。个频率的特定谐波。k的取值越大，开关时刻的计算越复杂。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，在除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在7.3节介绍。节介绍。7.2.2 异步调制和同步调制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，根

22、据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为调制方式分为异步调制异步调制和和同步调制同步调制。通常保持通常保持fc固定不变，当固定不变，当fr变化时，载波比变化时，载波比N是变化的是变化的在信号波的半周期内，在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相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，半周期内前位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后后1/4周期的脉冲也不对称周期的脉冲也不对称当当fr较低时，较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响较小，称产生的不利影响较小，PWM接近正弦波。接近正弦波。

23、当当fr增高时，增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响变大，脉冲不对称的影响变大，PWM偏离正弦波。偏离正弦波。载波比载波比载波频率载波频率fc与调制信号频率与调制信号频率fr之比，之比，N= fc / fr1）异异步调制步调制载波信号和调制信号的频率变化不同步载波信号和调制信号的频率变化不同步OO在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时，仍能保持较高载波比。使在信号波频率较高时，仍能保持较高载波比。7.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制2） 同步调制同步调制

24、当变频时使载波信号与调制信号保当变频时使载波信号与调制信号保持同步，即持同步，即N等于常数。等于常数。ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud图7-10 同步调制三相PWM波形在同步调制方式下，在同步调制方式下，fr变化时变化时N不变，信号波一周期内输出脉不变，信号波一周期内输出脉冲数和相位都固冲数和相位都固定。定。三相逆变电路中通常公三相逆变电路中通常公用一个用一个三角波载波，且取三角波载波，且取N为为3的整数的整数倍，使三相输出对称。倍，使三相输出对称。为使一相的为使一相的PWM波正负半周镜波正负半周镜对称，对称，N应取奇数。应取奇数。fr很低时，很低时，fc

25、也很低，由调制带也很低，由调制带来的谐波不易滤除。来的谐波不易滤除。fr很高时，很高时，fc会过高，使开关器会过高，使开关器件难以承受。件难以承受。7.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制3）分段同步调制分段同步调制 异步调制和同步调制的综合应用异步调制和同步调制的综合应用把整个把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的恒定，不同频段的N不同。不同。在在fr高的频段采用较低的高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；，使载波频率不致过高；在在fr低的频段采用较高的低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。，使载波频率不致过低。7

26、.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制同步调制比异步调制复杂，同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。但用微机控制时容易实现。为防止为防止fc在切换点附近来在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的回跳动，采用滞后切换的方法。方法。实线表示实线表示输出频率输出频率增高时的增高时的切换频率切换频率虚线表示虚线表示输出频率输出频率降低时的降低时的切换频率切换频率 可可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到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。步方式效果接近。7.

27、2.3 规则采样法规则采样法1）自然采样法：）自然采样法： 按照按照SPWM控制的基本原理控制的基本原理产生的产生的PWM波的方法。波的方法。 其求解复杂，难以在实时控其求解复杂，难以在实时控制中在线计算制中在线计算，工程应用不多。，工程应用不多。图图7-5 7-5 双极性双极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形urucuOw wtOw wtuouofuoUd- -Ud7.2.3 规则采样法规则采样法ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d图7-12 规则采样法 2）规则采样法）规则采样法 工程实用方法，效果接近自工程实用方法，效果接近自然采样然采样法，计算法，计算量小

28、得多。量小得多。 规则采样法规则采样法原理原理三角波两个正峰值之间为一个采三角波两个正峰值之间为一个采样周期样周期Tc 。自自然采样法中，脉冲中点不和三然采样法中，脉冲中点不和三角波角波(负峰点负峰点)重合。重合。7.2.3 规则采样法规则采样法 规则采样法使两者重合，使计算规则采样法使两者重合，使计算大大为减化。为减化。 如如图所示确定图所示确定A、B点，在点，在tA和和tB时时刻控制开关器件的通断。刻控制开关器件的通断。 脉脉冲宽度冲宽度d d 和用自然采样法得到和用自然采样法得到的的脉冲宽度非常接近。脉冲宽度非常接近。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d图7-1

29、2 规则采样法 7.2.3 规则采样法规则采样法规则采样法计算公式推导：规则采样法计算公式推导：设正设正弦调制信号波弦调制信号波taursinrw三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度)sin1 (421DrcctaTTwdda称为称为调制度调制度，0a1；w wr为信号波角频率为信号波角频率从右图得从右图得,2/22/sin1cDrTtadw)sin1 (2DrctaTwducuOturTcADBOtuotAtDtBd dd d d d 2d d2d d图图7-12 规则采样法规则采样法 7.2.3 规则采样法规则采样法3）三相桥逆变电路三相桥逆变电路的情况的情况2

30、3cWVUTddd43c W V UTddd利用以上两式可简化三相利用以上两式可简化三相SPWM波的计算。波的计算。WVUddd和、三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差三角波载波公用，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同一三角波周期内三相的脉宽分别为 ，脉，脉冲两边的间隙宽度分别为冲两边的间隙宽度分别为 ，同一时刻三相调，同一时刻三相调制波电压之和为零，则制波电压之和为零，则 W V Uddd和、7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析使使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量。波分量。谐波谐

31、波频率和幅值频率和幅值是衡量是衡量PWM逆变电路性能的重要指逆变电路性能的重要指标之一。标之一。本节主要分析常用的本节主要分析常用的双双极性极性SPWM波形。波形。同步调制可看成异步调制的同步调制可看成异步调制的特殊特殊情况，只分析异步调情况，只分析异步调制方式。制方式。7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析c +kr)角频率 (nww1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅0.20.40.70.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0不不同同a时单相桥式时单相桥式PWM逆变电路输出逆变电路输出电压频谱图。电压频谱图。1）单相的分析

32、结果）单相的分析结果谐波角频率为谐波角频率为:rcwwkn式中，式中，n=1,3,5,时，时，k=0,2,4, ； n=2,4,6,时，时，k=1,3,5, PWM波中不含低次谐波，只含波中不含低次谐波，只含w wc及其附近的谐波（及其附近的谐波（幅值最幅值最高，影响最大高，影响最大）以）以及及2w wc、3w wc等及其附近的谐波。等及其附近的谐波。7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析2）三相的分析结果公三相的分析结果公用载波信号时的情况用载波信号时的情况输出线电压中的谐输出线电压中的谐波角频率为波角频率为rcwwkn式中，式中，n为奇数时，为奇数时，k=3(2m-1)1，

33、m=1,2,； ,2, 116, 1 ,016mmmmk不不同同a时三相桥式时三相桥式PWM逆变电路输出逆变电路输出电压频谱图。电压频谱图。1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.81.01.2kna=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N为偶数时，为偶数时，7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析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，三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显一个较显著的区别著的区别是无载是无载波角频率波角频率w wc整数倍的谐波，整数

34、倍的谐波，谐波中幅值谐波中幅值较高的是较高的是w wc2w wr和和2w wcw wr。SPWM波中的谐波中的谐波主要是角频率为波主要是角频率为w wc、2w wc及其附近的及其附近的谐波。谐波。当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：一部当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：一部分是对分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果信号波本身进行谐波分析所得的结果；另；另一部分一部分是由于是由于信号波对载波的调制而产生的谐波信号波对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波。后者的谐波分布情况和分布情况和SPWM波的谐波分析一致。波的谐波分析一致。谐波分析小结：谐波分析小结：7.2.5 提高直流电压

35、利用率和减少开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数直流电压利用率直流电压利用率逆变电路所输出的交流逆变电路所输出的交流线电压基波线电压基波幅幅值值U1m和直流电压和直流电压Ud之比。之比。减少器件的开关次数可以降低开关损耗。减少器件的开关次数可以降低开关损耗。提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力。提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力。正正弦波调制的三相弦波调制的三相PWM逆变电路，调制度逆变电路，调制度a为为1时，输出时，输出线电压的基波幅值为线电压的基波幅值为0.866Ud，直流电压利用率为，直流电压利用率为0.866，实际还更低。实际还更低。采采用梯形波作为调制信号，可有效提高直

36、流电压利用率。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。波分量幅值更大。ucurUurVurWuuUNOw wtOw wtOw wtOw wtuVNuUV7.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数梯梯形波为调制信号的形波为调制信号的PWM控制控制 1）梯形波调制方法的原理及波形）梯形波调制方法的原理及波形梯形波的形状用梯形波的形状用三角化率三角化率s s =Uto/Ut描述，描述，Ut：以横轴为底时梯形波的高；：以横轴为底时梯形波的高；Uto：以：

37、以横轴为底边把梯形两腰延长横轴为底边把梯形两腰延长后后相交所形成的三角形的高。相交所形成的三角形的高。s s =0时梯形波变为矩形波，时梯形波变为矩形波，s s =1时梯形波变为三角波。时梯形波变为三角波。由于梯形波含低次谐波，则由于梯形波含低次谐波，则PWM波含同样的低次谐波。波含同样的低次谐波。设设梯形波所含梯形波所含低次谐波产低次谐波产生的波生的波形畸变率为形畸变率为d d 。7.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数d d 和和U1m /Ud随随s s 变化的情况。变化的情况。 s s 变化时各次谐波分量幅值变化时各次谐波分量幅值Unm和基波幅值和基波

38、幅值U1m之比。之比。U,d00.20.40.60.81.0d0.20.40.60.81.01.21mUdUdU1ms s 变化时的变化时的d d 和直流电压利用率和直流电压利用率 s0.20.40.60.81.0s5wr00.10.27wr11wr13wrU1mUmns s 变化时的各次谐波含量变化时的各次谐波含量 梯形波调制的缺点：梯形波调制的缺点：输出波形中含输出波形中含5次、次、7次等低次谐波。次等低次谐波。实际应用时，可以考虑将正弦波和梯形波实际应用时，可以考虑将正弦波和梯形波结合使用。结合使用。s s =0.4=0.4时，谐波含量也较少，时，谐波含量也较少， 约约为为3.6%3.6

39、%，直流电，直流电压利用率为压利用率为1.031.03，综合效果较好。，综合效果较好。d2）线电压控制方式）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提高直流电压利用率和减少开关次数 三相逆变时，负载所提供的通常是线电压，在三三相逆变时，负载所提供的通常是线电压，在三个线电压中，独立的只有两个。对个线电压中，独立的只有两个。对两个线电压进行控制，两个线电压进行控制，适当地利用多余的一个自由度来改善控制性能。适当地利用多余的一个自由度来改善控制性能。7.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数线电压控制方式的目标：线电压控制方式的目标：使输出线电压

40、不含低次谐波；使输出线电压不含低次谐波；尽可能提高直流电压利用率；尽可能提高直流电压利用率；尽量减少器件开关次数。尽量减少器件开关次数。线电压控制的直接控制手段：对相电压进行控制，线电压控制的直接控制手段：对相电压进行控制，但控制目标却是线电压。但控制目标却是线电压。相电压控制方式相电压控制方式：相对线电压控制方式，控制目标相对线电压控制方式，控制目标为相电压的控制方式。为相电压的控制方式。7.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数uucr1uOwturur1uOwtur3图7-18 叠加3次谐波的调制信号除叠加除叠加3 3次谐波外，还可叠加次谐波外，还可叠加

41、其他其他3 3倍频的信号，也可叠加倍频的信号，也可叠加直直流分量，都不会影响线电压。流分量，都不会影响线电压。三三次谐波次谐波若在相电压调制信号中叠加若在相电压调制信号中叠加3次次谐波，使调制信号成谐波，使调制信号成为鞍形波，为鞍形波，输出相电压中也含输出相电压中也含3次谐波，且次谐波，且三相的三次谐波相位相同。合成三相的三次谐波相位相同。合成线电压时，线电压时，3次谐波相互抵消，次谐波相互抵消，线电压为正弦波。线电压为正弦波。7.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数3 3）线电压控制方式举例）线电压控制方式举例（叠加（叠加3倍次谐波和直流分量）倍次谐波和直

42、流分量）叠加叠加u up p，既包含，既包含3N3N次次谐波，也包含直流谐波，也包含直流分量，分量，u up p大小随正弦大小随正弦信号的大小而变化。信号的大小而变化。7.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数 设三角波载波幅值为设三角波载波幅值为1 1，三相调，三相调制信制信号的正弦分别为号的正弦分别为u urU1rU1、u urV1rV1和和u urW1rW1，并令，并令 则则三相的调制信号分别为三相的调制信号分别为prW1rWprV1rVprU1rUuuuuuuuuu1),min(rW1rV1rU1puuuu7.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数提

43、高直流电压利用率和减少开关次数不论不论urU1、urV1和和urW1幅值的大幅值的大小，小，urU、urV、urW总有总有1/3周期的周期的值和三角波负峰值相等。值和三角波负峰值相等。 在这在这1/3周期中，不对调制信号周期中，不对调制信号值为值为-1的相进行控制，只对其它的相进行控制，只对其它两相进行控制，这种控制方式称两相进行控制，这种控制方式称为为两相控制两相控制方式方式 。 优点：优点：（1）在）在1/3周期内器件不动作，开关损耗减少周期内器件不动作，开关损耗减少1/3。（2）最大输出线电压基波幅值为）最大输出线电压基波幅值为Ud，和相电压控，和相电压控制方式相比，直流电压利用率提高。

44、制方式相比，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）输出线电压不含低次谐波，优于梯形波调制方式。方式。7.2.6 空间矢量空间矢量PWM控制控制空间矢量空间矢量PWM控制技术控制技术 （ SVPWM ） 下图所示的三相电压型桥式逆变电路，采用下图所示的三相电压型桥式逆变电路，采用180导通方式，导通方式，共有共有8种工作状态，即种工作状态，即V1、V6、V2通，通，V1、V3、V2通，通，V2、V3、V4通，通，V4、V3、V5通，通，V4、V6、V5通，通，V5、V6、V1通，以及通，以及V1、V3、V5通和通和V2、V4、V6通，用通，用“1”表示每相上桥臂开关导

45、通，表示每相上桥臂开关导通，用用“0”表示下桥臂开关导通，则上述表示下桥臂开关导通，则上述8种工作状态可依次表示为种工作状态可依次表示为100、110、010、011、001、101以及以及111和和000。 空间矢量空间矢量PWM控制技术（控制技术（ SVPWM ）广泛运用于变频器中，）广泛运用于变频器中，驱动交流电机时，使电机的磁链成为驱动交流电机时，使电机的磁链成为圆形的旋转磁场圆形的旋转磁场，从而使电机产生恒定的电磁转矩。从而使电机产生恒定的电磁转矩。 tOtOtOuUNuVNuWNUd27.2.6 空间矢量空间矢量PWM控制控制图图7-20 电压空间矢量六边形电压空间矢量六边形 前前

46、6种状态有输出电压，属种状态有输出电压，属有效工状态有效工状态；后两种全部是上管；后两种全部是上管通或下管通，没有输出电压，称之为通或下管通，没有输出电压，称之为零工作状态零工作状态， 故对于这种故对于这种基本的逆变器，称之为基本的逆变器，称之为6拍逆变器拍逆变器。 对于对于111和和000这两个这两个“零工作状态零工作状态”，在这里表现为位于原点，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。的零矢量，坐落在正六边形的中心点。 对于对于6拍逆变器，在每个工作周期拍逆变器，在每个工作周期中，中，6种有效工作状态各出现一次，种有效工作状态各出现一次，每一种状态持续每一种状态持续60，在一

47、个周期中，在一个周期中6个电压矢量共转过个电压矢量共转过360，形成一个，形成一个封闭的正六边形封闭的正六边形。7.2.6 空间矢量空间矢量PWM控制控制图图7-20 电压空间矢量六边形电压空间矢量六边形 图图7-21 空间电压矢量的线形组合空间电压矢量的线形组合 如图如图7-21中，所要的矢量为中，所要的矢量为us，用，用基本矢量基本矢量u1和和u2的线形组合来实现，的线形组合来实现，u1和和u2的作用时间一般小于开关周期的作用时间一般小于开关周期To，不足的时间可用，不足的时间可用“零矢量零矢量”补齐。补齐。 采用采用PWM控制，就可以使交流电控制，就可以使交流电机的磁通尽量接近圆形，工作

48、频率越机的磁通尽量接近圆形，工作频率越高，磁通就越接近圆形。高，磁通就越接近圆形。 当需要的电压矢量不是当需要的电压矢量不是6个基本电个基本电压矢量时，可以用压矢量时，可以用两个基本矢量两个基本矢量和和零零矢量矢量的组合来实现。的组合来实现。7.2.7 PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化PWM多重化逆变电路，一般目的：提高等效开关频率、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逆变电路多重化联结方式有变压器方式和电抗器方式。式。利用电抗器联接的二重利用电抗器联接的

49、二重PWM逆变电路逆变电路图7-22 二重PWM型逆变电路 两个单元逆变电路的载波信号两个单元逆变电路的载波信号相互错开相互错开180输出端相对于直流电源中点输出端相对于直流电源中点N的电压的电压uUN=(uU1N+uU2N)/2,已变为单极性已变为单极性PWM波。波。7.2.7 PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化输出线电压共有输出线电压共有0、(1/2)Ud、Ud五个电平，五个电平，比非多重化时谐波有所减少。比非多重化时谐波有所减少。电电抗器上所加电压频率为载抗器上所加电压频率为载波频率，比输出频率高得多，波频率，比输出频率高得多，只要很小的电抗器就可以了。只要很小的电抗器就可以了。输输

50、出电压所含谐波角频率仍出电压所含谐波角频率仍可表示为可表示为nw wc+kw wr，但其中，但其中n为奇数时的谐波已全被除去，为奇数时的谐波已全被除去，谐波最低频率在谐波最低频率在2w wc附近，附近，相当于电路的等效载波频率相当于电路的等效载波频率提高一倍。提高一倍。图 6-21Ud-UdOurUurVuc2uc1wtuU VuOwtOwtOwtOwtOwtuU 1N uU 2N uU N uV N 2Ud2Ud图7-23 二重PWM型逆变电路输出波形 ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd- -UdO? ?tOOOOO? ?t? ?t? ?t? ?t? ?t2Ud? ?