《WM控制技术》课件.ppt

1、第第7章章 PWM控制技术控制技术电力电子技术电力电子技术电子教案电子教案Power Electronics Technology第第7章章 PWM控控制制技技术术 引言引言7.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理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 7.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制 7.2.3 规则采样法规则采样法 7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析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提高直流电压利用率和减少开关次数 7.2.6 PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化7.3 PWM跟踪

2、控制技术跟踪控制技术 7.3.1 滞环比较方式滞环比较方式 7.3.2 三角波比较方式三角波比较方式7.4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法 7.4.1 PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理 7.4.2 PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法 本章小结本章小结引引 言言PWM（Pulse Width Modulation）控制）控制脉冲宽度调制技脉冲宽度调制技术，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）要波形（含形状和幅值）第第3、4章已涉及这方面内容章已涉及这方面内容第第3章：直流斩波电

3、路采用章：直流斩波电路采用第第4章有两处：章有两处：4.1节斩控式交流调压电路，节斩控式交流调压电路，4.4节矩阵式节矩阵式变频电路变频电路本章内容本章内容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绝大部分是PWM型，型，PWM控制技术正是有赖于在逆变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电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位位本章主要以逆变电路为控制对象来介绍本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术控制技术也介绍也介绍PWM整流电路整流电路7.1 PWM控制的基本原理控制的基本

4、原理理论基础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，其效果基本相同上时，其效果基本相同冲量指窄脉冲的面积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低频段非常接近，仅在高频段略有差异f(t)(t)tO图6-1a)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)图图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一个实例一个实例 图图7-2a的电路的电路电路输入：电路输入：u(t)，窄脉冲，如图，窄脉冲，如图7-1a、b

5、、c、d所示所示电路输出：电路输出：i(t)，图，图7-2ba)Ob)图6-2tbdcai(t)i(t)e(t)图图7-2 冲量相同的冲量相同的各种窄脉冲的响应波形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用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波一个正弦半波正弦半波正弦半波N等分，可看成等分，可看成N个彼个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等但幅值不等用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等中点重合，面积（冲量）相等宽度按正弦规律变化宽度按正弦规律变化tOua)b)图6-3Out用用PWM波代替正弦半波波代

6、替正弦半波SPWM波形波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的等效的PWM波形波形要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲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宽度即可面积等效原理面积等效原理等幅等幅PWM波和不等幅波和不等幅PWM波波由直流电源产生的由直流电源产生的PWM波通常是等幅波通常是等幅PWM波波如直流斩波电路及本章主要介绍的如直流斩波电路及本章主要介绍的PWM逆逆变电路，变电路，7.4节的节的PWM整流电路整流电路输入电源是交流，得到不等幅输入电源是交流，得到不等幅PWM波波4.1节讲述的斩控式交流调压电路，节讲述的斩控式交流

7、调压电路，4.4节的矩节的矩阵式变频电路阵式变频电路基于面积等效原理进行控制，本质是相同的基于面积等效原理进行控制，本质是相同的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，得到控制，得到的就是的就是PWM电流波电流波PWM波形可等效的各种波形波形可等效的各种波形直流斩波电路：等效直流波形直流斩波电路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形波：等效正弦波形还可以等效成其他所需波形，如等效所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控制相同，也基于等效面积原理7.2 PWM逆变电路及其控

8、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逆变电路也可分为电压型和电流型两种逆变电路也可分为电压型和电流型两种 目前实用的目前实用的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7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法计算法计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关

9、器件的通断，就可得到所需变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形波形繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化时，结果都要变化调制法调制法输出波形作调制信号，进行调制得到期望的输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波波通常采用等腰三角波或锯齿波作为载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

10、，符合件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求的要求调制信号波为正弦波时，得到的就是调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波波调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的得到等效的PWM波波控制规律控制规律输出电压输出电压uo正半周，正半周，V1通，通，V2断，断，V3和和V4交替通断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，一段区间为负为正，一段区间为负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UdV4关断时，负载电

11、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=UdIGBT单相桥式电压型逆变电路单相桥式电压型逆变电路结合结合IGBT单相桥式电压单相桥式电压型逆变电路对调制法进行型逆变电路对调制法进行说明说明 工作时工作时V1和和V2通断通断互补，互补，V3和和V4通断也互补通断也互补信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc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

12、际上为负，实际上io从从VD1和和VD4流过，仍有流过，仍有uo=Ud V4关断关断V3开通后，开通后，io从从V3和和VD1续流，续流，uo=0uo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保持断，保持断，V3和和V4交替通断交替通断uo可得可得-Ud和零两种电平和零两种电平信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc在在ur和和uc的交点时刻控制的交点时刻控制IGBT的通断的通断ur正半周，正半周，V1保持通，保持通，V2保持断保持断当当uruc时使时使V4通，通，V3断，断，uo=Ud当当uru

13、c时使时使V4断，断，V3通，通，uo=0ur负半周，负半周，V1保持断，保持断，V2保持通保持通当当uruc时使时使V3断，断，V4通，通，uo=0虚线虚线uof表示表示uo的基波分量的基波分量图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud图图7-5 单极性单极性PWM控制方式波形控制方式波形信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc单极性单极性PWM控制方式（单相桥逆变）控制方式（单相桥逆变）双极性双极性PWM控制方式（单相桥逆变）控制方式（单相桥逆变）在在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PW

14、M波也有正有负波也有正有负在在ur一周期内，输出一周期内，输出PWM波只有波只有Ud两种电平两种电平仍在调制信号仍在调制信号ur和载波信号和载波信号uc的交点控制器件的的交点控制器件的通断通断ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同正负半周，对各开关器件的控制规律相同当当ur uc时，给时，给V1和和V4导通导通信号，给信号，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，给时，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单相桥式电路既可采取单极单相

15、桥式电路既可采取单极性调制性调制,也可采用双极性调制也可采用双极性调制图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud图图7-6 双极性双极性PWM控制方式波形控制方式波形 信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc采用双极性采用双极性PWM控制方式控制方式三相的三相的PWM控制公用三角波载波控制公用三角波载波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120图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud图图7-7 三相桥式三相桥式PWM

16、型逆变电路型逆变电路 三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路U相的控制规律相的控制规律图6-8ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22Ud当当urUuc时，给时，给V1导通信号，给导通信号，给V4关关断信号，断信号，uUN=Ud/2当当urUuc时，给时，给V4导通信号，给导通信号，给V1关关断信号，断信号，uUN=-Ud/2当给当给V1(V4)加导通信号时，可能是加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是导通，也可能是VD1(VD4)导通导通uUN、uVN和和uWN的的PWM波形只有波形只有Ud/2两种电平

17、两种电平uUV波形可由波形可由uUN-uVN得出，当得出，当1和和6通通时，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输出线电压输出线电压PWM波由波由Ud和和0三种电三种电平构成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防直通死区时间防直通死区时间同一相上下两臂的驱动信同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的上下臂都施加关断信号的死区时间死区时间死区时间的长短主要由开死区时间的长短

18、主要由开关器件的关断时间决定关器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PWM波带来影响，使其波带来影响，使其稍稍偏离正弦波稍稍偏离正弦波图6-8ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22 Ud图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud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图图7-9输出电压半周期输出电压半周期内，器件通、断各内，器件通、断各3次次（不包括

19、（不包括0和和）,共共6个个开关时刻可控开关时刻可控图6-9OtuoUd-Ud2a1a2a3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波形波形为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称特定谐波消去法特定谐波消去法SHEPWMSelected Harmonic Elimination PWM同时满足式（同时满足式（7-1）、（）、（7-2）的波形称为）的波形称为四分之一周四分之一周期对称波形期对称波形，用傅里叶级数表示为，用傅里叶级数表示为)()(tutu,5,3,1sin)(nntnatu20dsin)(4ttntuan首先，为消除偶次谐波，使

20、波形正负两半周期镜对称，即首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即(7-1)()(tutu其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后1/4周期以周期以/2为轴线对称为轴线对称(7-2)(7-3)式中，式中，an为为)cos2cos2cos21(2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211nnnnUttnUttnUttnUttnUadddddn(7-4)图图7-9，能独立控制，能独立控制 1、2和和 3 共共3个时刻。个时刻。该波形的该波形的 an为为 根据需要确定根据需要确定a1的值，再令两个不同

21、的的值，再令两个不同的an=0，就可建三个方程，求得，就可建三个方程，求得 1、2和和 3图6-9OtuoUd-Ud2a1a2a3式中式中n=1,3,5,0)7cos27cos27cos21(720)5cos25cos25cos21(52)cos2cos2cos21(2321d7321d5321d1UaUaUa(7-5)在三相对称电路的线电压中在三相对称电路的线电压中,相电压所含的相电压所含的3次谐波相次谐波相互抵消，可考虑消去互抵消，可考虑消去5次和次和7次谐波次谐波,得如下联立方程：得如下联立方程：v给定给定a1，解方程可得，解方程可得 1、2和和 3。va1变，变，1、2和和 3也相应改

22、变也相应改变消去两种特定频率的谐波消去两种特定频率的谐波一般，在输出电压半周期内器件通、断一般，在输出电压半周期内器件通、断各各k次，考虑次，考虑PWM波四分之一周期对称，波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个控制基波幅个开关时刻可控，除用一个控制基波幅值，可消去值，可消去k1个频率的特定谐波个频率的特定谐波k越大，开关时刻的计算越复杂越大，开关时刻的计算越复杂除计算法和调制法外，还有跟踪控制方除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在法，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v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=

23、fc/frv根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，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调制方式分为异步调制和同步调制1.异步调制异步调制异步调制异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式载波信号和调制信号不同步的调制方式通常保持通常保持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，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，半周期内相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后前后1/4周期的脉冲也不对称周期的脉冲也不对称当当fr

24、较低时，较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小对称产生的不利影响都较小当当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脉冲不对称的影响就变大脉冲不对称的影响就变大2.同步调制同步调制同步调制同步调制N等于常数，并在变频等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步时使载波和信号波保持同步基本同步调制方式，基本同步调制方式，fr变化时变化时N不不变变,信号波一周期内输出脉冲数固信号波一周期内输出脉冲数固定定三相电路中公用一个三角波载波，三相电路中公用一个三角波载波，且取且取N为为3的整数倍，使三相输出

25、的整数倍，使三相输出对称对称为使一相的为使一相的PWM波正负半周镜对波正负半周镜对称，称，N应取奇数应取奇数fr很低时，很低时，fc也很低，由调制带来也很低，由调制带来的谐波不易滤除的谐波不易滤除fr很高时，很高时，fc会过高，使开关器件会过高，使开关器件难以承受难以承受图6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud图图7-10 同步调制三同步调制三相相PWM波形波形可在低频输出时采用异步调可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同的优点结合起来，和分段同步方

26、式效果接近步方式效果接近分段同步调制分段同步调制(图图7-11）00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr/Hzfc/kHz把把fr范围划成若干个频段范围划成若干个频段,每个频段内保持每个频段内保持N恒定恒定,不同频段不同频段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为防止为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法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

27、，但用微机控制时容易实现同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现7.2.3 规则采样法规则采样法v按按SPWM基本原理，在正弦波和三角波交点控制基本原理，在正弦波和三角波交点控制功率开关期间的通断功率开关期间的通断,这种生成这种生成PWM波形的方法波形的方法-自然采样法自然采样法v要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多计算，工程应用不多图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB22规则采样法特点规则采样法特点工程实用方法，效果接近自工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多然采样法，计算量小得多图6-12uc

28、uOturTcADBOtuotAtDtB22图图7-12，三角波两个正峰值之间为一个采样周期，三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc自然采样法自然采样法-脉冲中点不和三角波一周期的中点脉冲中点不和三角波一周期的中点(即负峰点即负峰点)重合重合规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化点为对称，使计算大为简化v规则采样法原理规则采样法原理在三角波的负峰时刻在三角波的负峰时刻tD对正弦信对正弦信号波采样得号波采样得D点，过点，过D作水平直线作水平直线和三角波分别交于和三角波分别交于A、B点，在点，在A点时刻点

29、时刻tA和和B点时刻点时刻tB控制开关器控制开关器件的通断件的通断脉冲宽度脉冲宽度 和用自然采样法得到和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近的脉冲宽度非常接近 规则采样法计算公式推导规则采样法计算公式推导 taursinr2/22/sin1cDrTta)sin1(2DrctaT)sin1(421DrcctaTT图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB22正弦调制信号波正弦调制信号波式中，式中，a称为调制度，称为调制度，0a1；r为信号波角频率。从图得为信号波角频率。从图得因此可得因此可得三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度三角波载波公用，三相正弦调制波相

30、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 U、V和和 W，脉冲两边的间隙宽度分别为脉冲两边的间隙宽度分别为 U、V和和 W，同一时刻，同一时刻三相调制波电压之和为零，得三相调制波电压之和为零，得 43c W V UT三相桥逆变电路的情况三相桥逆变电路的情况)sin1(421DrcctaTT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23cWVUT)sin1(2DrctaT7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析v使用载波对正弦信号波调制，产生了和载波有关的谐波分量使用载波对正弦信

31、号波调制，产生了和载波有关的谐波分量v谐波频率和幅值是衡量谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一逆变电路性能的重要指标之一v分析双极性分析双极性SPWM波形波形v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分析方法采用异步调制时采用异步调制时,不同信号波周期的不同信号波周期的PWM波不同，无法直波不同，无法直接以信号波周期为基准分析接以信号波周期为基准分析以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWM波的波的傅里叶级数表达式傅里叶级数表达式分析过程相当复杂，结论却简单而直观

32、分析过程相当复杂，结论却简单而直观 式中，式中，n=1,3,5,时，时，k=0,2,4,n=2,4,6,时，时，k=1,3,5,rckn1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅图6-13角频率(nc+kr)0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0PWM波中不含低次谐波中不含低次谐波，只含波，只含 c及其附近的谐及其附近的谐波以及波以及 2 c、3 c等及其附等及其附近的谐波近的谐波右图，不同右图，不同a时单相桥式时单相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图逆变电路输出电压频谱图谐波角频率为谐波角频率为v单相的分析结果单相的分析结果公

33、用载波信号时的情况公用载波信号时的情况输出线电压中的谐波角输出线电压中的谐波角频率为频率为610,1,611,2,mmkmm1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅图6-140.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率(nc+kr)图图7-14 三相桥式三相桥式PWM逆变逆变电路输出线电压频谱图电路输出线电压频谱图rcknv三相的分析结果三相的分析结果图给出不同调制度图给出不同调制度 时三相桥逆变电路时三相桥逆变电路输出线电压频谱图输出线电压频谱图式中，式中，n=1,3,5,时时,k=3(2m1)1,m=1,2,；n=2,4,6,

34、时，时，和单相比较和单相比较(图图7-13)，共同点是都不含低次谐波，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一个较显著的区别是载波角频率 c整数倍的谐波整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是没有了，谐波中幅值较高的是 c2 r和和2 c rSPWM波中谐波主要是角频率为波中谐波主要是角频率为 c、2 c及其附近及其附近的谐波，很容易滤除的谐波，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：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，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另一部分是由

35、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波。后者的谐波分布情况和SPWM波的谐波分析波的谐波分析一致一致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梯形波调制方法的思路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v直流电压利用率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v提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力v减少器件的开关次数可以降低开关损耗v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0.8

36、66，实际还更低(3/2)dUutut0梯形波的形状用三角化率梯形波的形状用三角化率ss=Ut/Uto描述，描述，Ut为以横轴为为以横轴为底时梯形波的高，底时梯形波的高，Uto为以横为以横轴为底边把梯形两腰延长后轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高相交所形成的三角形的高ss=0时梯形波变为矩形波，时梯形波变为矩形波，ss=1时梯形波变为三角波时梯形波变为三角波梯形波含低次谐波，梯形波含低次谐波，PWM波含同样的低次谐波波含同样的低次谐波低次谐波（不包括由载波引低次谐波（不包括由载波引起的谐波）产生的波形畸变起的谐波）产生的波形畸变率为率为 图6-15ucurUurVurWuuUNOt

37、OtOtOtuVNuUV图图7-15 梯形波为调制信号的梯形波为调制信号的PWM控制控制 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图图7-16，和和U1m/Ud随随ss变化的情况变化的情况图图7-17,ss变化时各次谐波分量幅值变化时各次谐波分量幅值Unm和基波幅值和基波幅值U1m之比之比ss=0.4时，谐波含量也较少，时，谐波含量也较少，约为约为3.6%，直流电压利用，直流电压利用率为率为1.03，综合效果较好，综合效果较好梯形波调制的缺点：输出波形中含梯形波调制的缺点：输出波形中含5次、次、7次等低次谐波次等低次谐波00.20.40.60.81.0s图6-160.20.40.6

38、0.81.01.2U1mUd,UdU1m图图7-16 s s 变化时的变化时的 和直流电压利用率和直流电压利用率 0.20.40.60.81.0s图6-175r00.10.27r11r13rU1mUnm图图7-17 ss变化时的各次谐波含量变化时的各次谐波含量 线电压控制方式（叠加线电压控制方式（叠加3次谐波）次谐波）对两个线电压进行控制，适当地利用多余的一个自由对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度来改善控制性能目标目标使输出线电压不含低次谐波的同时尽可能提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高直流电压利用率，并尽量减少器件

39、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相对线电压控制方式，控制目标为相电压时称为相电压控制方式压控制方式在相电压调制信号中叠加在相电压调制信号中叠加3次谐波，使之成为鞍形波，次谐波，使之成为鞍形波，输出相电压中也含输出相电压中也含3次谐波，且三相的三次谐波相位次谐波，且三相的三次谐波相位相同。合成线电压时，相同。合成线电压时，3次谐波相互抵消，线电压为次谐波相互抵消，线电压为正弦波正弦波鞍形波的基波分量幅值大鞍形波的基波分量幅值大除叠加除叠加3次谐波外，还可叠加其他次谐波

40、外，还可叠加其他3倍频的信号，也可叠倍频的信号，也可叠加直流分量，都不会影响线电压加直流分量，都不会影响线电压图6-18ucur1uOturur1uOtur3prU1rV1rW1min(,)1uuuu r Ur U 1pr Vr V 1pr Wr W1puuuuuuuuu线电压控制方式线电压控制方式 （叠加（叠加3倍次谐波和直流分量）倍次谐波和直流分量）叠加叠加up，既包含，既包含3倍次谐波，也包含直流分量，倍次谐波，也包含直流分量，up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设三角波载波幅值为设三角波载波幅值为1，三相调制信号的正弦分别为，三相调制信号的正弦分别为urU1、urV

41、1和和urW1，并令，并令则三相的调制信号分别为则三相的调制信号分别为图6-19ucurU1urV1urW1uuUNUd-UdOtOurUurVurWucOtOOOOtttttuVNuWNuUVu1-11-1-0.5uP2Ud2Ud不论不论urU1、urV1和和urW1幅值的大小，幅值的大小，urU、urV、urW总有总有1/3周期的值周期的值和三角波负峰值相等。在这和三角波负峰值相等。在这1/3周期中，不对调制信号值为周期中，不对调制信号值为-1的的相进行控制，只对其他两相进行相进行控制，只对其他两相进行控制，这种控制方式称为两相控控制，这种控制方式称为两相控制方式制方式 优点优点 （1）在

42、）在1/3周期内器件不动作，周期内器件不动作，开关损耗减少开关损耗减少1/3 （2）最大输出线电压基波幅值）最大输出线电压基波幅值为为Ud，直流电压利用率提高，直流电压利用率提高 （3）输出线电压不含低次谐波，）输出线电压不含低次谐波，优于梯形波调制方式优于梯形波调制方式图6-19ucurU1urV1urW1uuUNUd-UdOtOurUurVurWucOtOOOOtttttuVNuWNuUVu1-11-1-0.5uP2Ud2Ud7.2.6 PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化vPWM多重化逆变电路，一般目的：提高等效开关频率、减多重化逆变电路，一般目的：提高等效开关频率、减少开关损耗、减少

43、和载波有关的谐波分量少开关损耗、减少和载波有关的谐波分量vPWM逆变电路多重化联结方式有变压器方式和电抗器方式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利用电抗器联接的二重PWM逆变电路逆变电路两个单元的载波信号错开两个单元的载波信号错开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波波图6-20NU1V1W1U2V2W2uUuVuWUVW2Ud2Ud图图 二重二重PWM型逆变电路型逆变电路 输出线电压共有输出线电压共有0、(1/2)Ud、Ud五个电平，比非多重化时五个电平，比非多重

44、化时谐波有所减少谐波有所减少电抗器上所加电压频率为载波电抗器上所加电压频率为载波频率，比输出频率高得多，只频率，比输出频率高得多，只要很小的电抗器就可以了要很小的电抗器就可以了输出电压所含谐波角频率仍可输出电压所含谐波角频率仍可表示为表示为n c+k r，但其中，但其中n为奇为奇数时的谐波已全被除去，谐波数时的谐波已全被除去，谐波最低频率在最低频率在2 c附近，相当于附近，相当于电路的等效载波频率提高一倍电路的等效载波频率提高一倍图6-21Ud-UdOurUurVuc2uc1tuUVuOtOtOtOtOtuU1NuU2NuUNuVN2Ud2Ud图图7-21 二重二重PWM型逆变电路输出波形型逆

45、变电路输出波形 7.3 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术vPWM波形生成的第三种方法波形生成的第三种方法跟踪控制方法跟踪控制方法v把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为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各开关器件的通断,使实际的输出跟踪指令信号变化使实际的输出跟踪指令信号变化常用的跟踪常用的跟踪控制方法控制方法滞环比较方式滞环比较方式三角波比较方式三角波比较方式7.3.1 滞环比较方式滞环比较方式v电流跟踪控制应用最多电流跟踪控制应用最多v基本原理基本原理把指令电流把指令电流i

46、*和实际输出电和实际输出电流流i的偏差的偏差i*-i作为滞环比较作为滞环比较 器的输入器的输入通过比较器的输出控制器件通过比较器的输出控制器件V1和和V2的通断的通断V1（或（或VD1）通时，）通时，i增大增大V2（或（或VD2）通时，）通时，i减小减小通过环宽为通过环宽为2D DI的滞环比较的滞环比较器的控制，器的控制，i就在就在i*+D DI和和i*-D DI的范围内，呈锯齿状地跟的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流踪指令电流i*负载L+图6-22-iii*VD1VD2V1V22Ud2UdO图6-23tiii*+DIi*-DIi*v 参数的影响参数的影响滞环环宽对跟踪性能的影响：环宽过宽时，开

47、关频滞环环宽对跟踪性能的影响：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，开关损耗增大开关频率过高，开关损耗增大电抗器电抗器L的作用：的作用：L大时大时,i的变化率小的变化率小,跟踪慢跟踪慢 L小时小时,i的变化率大的变化率大,开关频率过高开关频率过高O图6-23tiii*+DIi*-DIi*v三相的情况三相的情况v三相电流指令信号依次相差三相电流指令信号依次相差120v在线电压的正半周和负半周都有极性相反的脉在线电压的正半周和负半周都有极性相反的脉冲出现，使谐波增大冲出现，使谐波增大图6-24+-iUi*UV4+-i

48、Vi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVW图6-25Oti*UOtuABiUiv采用滞环比较方式的电流跟踪型采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电变流电路有如下特点路有如下特点 （1）硬件电路简单）硬件电路简单 （2）实时控制，电流响应快）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）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波 （4）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电 流中高次谐波含量多流中高次谐波含量多 （5）闭环控制，是各种跟踪型）闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同变流电路的共同特点特点v采用

49、滞环比较方式实现电压跟踪控制采用滞环比较方式实现电压跟踪控制把指令电压把指令电压u*和输出电压和输出电压u进行比较，滤除偏差信号中进行比较，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出控制开关器件的通断，从而实现电压跟踪控制图6-26滤波器+-uu*u2Ud2Ud图图7-26 电压跟踪控制电路举例电压跟踪控制电路举例和电流跟踪控制电路相比，只是把指令和反馈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信号从电流变为电压输出电压输出电压PWM波形中含大量高次谐波，必须波形中含大量

50、高次谐波，必须用适当的滤波器滤除用适当的滤波器滤除u*=0时，输出电压时，输出电压u为频率较高的矩形波，相为频率较高的矩形波，相当于一个自励振荡电路当于一个自励振荡电路u*为直流信号时，为直流信号时，u产生直流偏移，变为正负产生直流偏移，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，只要其频率远低于上述自励为交流信号时，只要其频率远低于上述自励振荡频率，从振荡频率，从u中滤除由器件通断产生的高次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谐波后，所得的波形就几乎和u*相同，从而实相同，从而实现电压跟踪控制现电压跟踪控制7.3.