第二章5-PWM调制

1 2i 1 i i n 2 n 2n
i i
1 2
2i 1 1 i 2n 2
1 2i 1 1 i i i 2 2n 2
i
电机控制
脉宽调制（PWM）控制
正弦脉宽调制（SPWM）
1 正弦脉宽调制原理 ■ 方波电压的傅立叶级数分析
电机控制
脉宽调制（PWM）控制
正弦脉宽调制（SPWM）
☆变频时，SPWM输出频率变，要求调制波 uR 频率变。载 波 uT 频率应如何控制？
③调制波与载波的配合控制
（A）异步调制 —— 调制波频率变化，载波频率恒定不变 特点： （a）控制方便 （b）输出电压不稳定
电机控制
脉宽调制（PWM）控制
正弦脉宽调制（SPWM）
电机控制
脉宽调制（PWM）控制
三、脉宽调制型逆变器
☆PWM调制方法（波形生成）
PWM逆变器控制的核心，有三种重要调制方法 ①用开关方式生成一组三相正弦变频电压给电机，而不 关心电机内电流——正弦脉宽调制 ②用开关方式提供一组三相正弦变频电流给电机，不关 心电机内的磁场分布——电流滞环控制 ③确保电机内部形成圆形旋转磁场来综合控制三相电 压——磁链追踪控制
■SCR逆变器开关频率低（SCR每周期换流一次），输出电 压为六阶梯波，电流非正弦，富含低次谐波
电机控制
脉宽调制（PWM）控制
三、脉宽调制型逆变器
■为使输出电压基波含量大、低次谐波含量少且谐波高 频化，必须使逆变器开关器件按一定规律作高频开关——逆 变器高频化 ●一定规律——脉宽调制（PWM）方式 ●高频开关——自关断器件 电流控制型：GTO（kHz），GTR（2~4kHz） 电压控制型：IGBT（20kHz），P—MOSFET（100kHz）
电机控制
脉宽调制（PWM）控制
指定谐波消去法
（2）指定谐波消去法
◆目标：在开关次数少（减少开关损耗）原则下，通过开 关角（开关时刻）优化，消除对调速系统影响最大的某几次 谐波，获得所需正弦电压输出（非谐波高频化的简单处理） ◆方法：[例]1/4周期仅有三个开关角 1 、 2 、 3 的单级性
■载波比
N 载波频率fT 应 3k 调制波频率f R
（ k 1, 2, ）
N 3k 以保证波形
正、负半波(180 ) 三相(120 )对称
■异步调制时 ●低频运行时 N 大，半周期脉冲多，谐波少； ●高频运行时 N 小，半周期脉少，谐波多； ●变频运行中 N 变，不能确保 N 3k，半周期脉冲数变， 甚至正、负半周中的脉冲数也不相同，分解出的基波相位也 变，将造成电机运行不稳定。
U km = 2

2

i 1 n
n
1 2 1 i i 2
i i
Ud sin k1tdt 2
1 1 cos ( ) cos ( i ) k k i i i 2 2 2U d n k i = sin sin k i 2 k i 1 Ud i 1 2k 2U = d k k i (2i 1)k sin sin 2n 2 i 1
电机控制
脉宽调制（PWM）控制
正弦脉宽调制（SPWM）
①单极性控制 特点：（A）正弦调制波 uR 、 三角载波uT 均为单一极性（ 0 ）
电机控制
脉宽调制（PWM）控制
正弦脉宽调制（SPWM）
（B）半周期内，同相上、下桥臂元件中，总是一个阻断， 一个作通、断开关。 （C）正半周内，输出电压 负半周内，输出电压 变 （E）同相总有一桥臂元件阻断，故上、下元件不会直 通，换流可靠，但直流电压利用率低。
(2i 1) (2i 1) U m sin sin 2n 2n i 1 nU d 2U m n 2 (2i 1) = sin n i 1 2n 2U d 2U = m n 1 (2i 1) 1 cos n i 1 2
电机控制
脉宽调制（PWM）控制
正弦脉宽调制（SPWM）
调压变频的实现——以自然采样法为例说明 ■自然采样法：输出频率的正弦“调制波”与高频的等腰 三角形“载波”相交，交点确定出各功率器的开关时刻 ●当某相调制波电压高于载波电压时， 该相上桥臂元件导通，输出U d 0 ●当某相调制波电压低于载波电压时， 该相下桥臂元件通，输出 U d 0 （单极性）
（B）输出的各半周期内，逆变器同相桥臂上、下元件均工 作，作互补通、断 ●当 uR uT 时，上臂元件通、下臂元件断，输出 ●当 uR uT 时，下臂元件通、上通元件断，输出
Ud ； 2 U d； 2
（C）任半周期内，输出电压均有正、负极性——双极性。 保护。
直流电压利用率高，但有上、下桥臂元件直通危险，应设死区
n n
(2i 1) 1 =U m 1 cos =U m n n i 1
i
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脉宽调制（PWM）控制
正弦脉宽调制（SPWM）
2．正弦脉宽调制（SPWM）
◆目标：以开关方式生成三相对称、正弦变化的变频电 压 ◆方法：●自然采样法 ●指定谐波消去法 （1）自然采样法：采用正弦“调制波”与等腰三角形 “载波”相交，交点决定逆变器开关通、断时刻产生出脉宽 调制波 分 单极性控制 方式 双极性控制
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脉宽调制（PWM）控制
三、脉宽调制型逆变器
（2）输入功率因数问题 ■交—直—交变频常采用可控整流——无源逆变变流 方式
低速时低频并配合低压，以维持电机磁路工作点不变 低压时可控整流器触发角 系统输入 cos cos
电机控制
脉宽调制（PWM）控制
三、脉宽调制型逆变器
n
i
电机控制
脉宽调制（PWM）控制
正弦脉宽调制（SPWM）
1 正弦脉宽调制原理 ■ 方波电压的基频分量
sin
i
2
i / 2
k 1
i
U1m
2 U m sin i Ud n
n
2U d
(2i 1) i sin i 1 2n 2
n
U1m


2U d (sin 51 sin 5 2 sin 5 3 ) cos 51t 5 2U d t (sin 71 sin 7 2 sin 7 3 ) cos 71t 7
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脉宽调制（PWM）控制
指定谐波消去法
■按要求
2U d U1m (sin 1 sin 2 sin 3 ) 要求值 2U d (sin 51 sin 2 sin 5 3 ) 0 U 5m 5 2U d U 7m 7 (sin 71 sin 7 2 sin 3 ) 0
（b）低频段N大，以增加脉冲数，减少谐波
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脉宽调制（PWM）控制
正弦脉宽调制（SPWM）
说明：■为使三相对称，N为3的倍数 ■分段及选N时，确保开关频率 f T N R 限定在10~20kHz， 以充分及安全利用IGBT ■低频异步调制，充分利用器件开关频率；
f 50Hz 后， N 1（方波），充分利用直流母线电压
SPWM，要求消除最大的5、7次低次谐波
电机控制
脉宽调制（PWM）控制
指定谐波消去法
■图示PWM作傅立叶级数分析，时间坐标原点取在1/4周 期处，有
u ( t )
U
k 1

km
cos k 1t
其中
U km

2

0
u (1t ) cos k1td (1t )
将图中PWM波形分段描述，代入，则有φuAiA
i0 i0 i0 P0 P0 P0 P0
u0 i0
u0 u 0 u 0
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脉宽调制（PWM）控制
三、脉宽调制型逆变器
（2）输出电压波形 ■逆变器输入电压 U d0 恒定， 为使电机端电压基波成分量大， 则逆变器输出电压波形为 一组幅值恒定、宽度按正弦 规律变化的高频矩形脉冲 ——SPWM波 ■频率分析结果主要成分为基波， 谐波含量少，且为开关频率的 高次谐波
U km 2U d [sin k1 sin k 2 sin k 3 ] k
电机控制
脉宽调制（PWM）控制
指定谐波消去法
■因：PWM波形轴对称，无偶次谐波 三相无中线系统，无3次谐波
k 为无3及倍数次的奇次谐波
1 [sin k1 sin k 2 sin 3 ]cos k1 u (t ) k 1 k 2U d (sin 1 sin 2 sin 3 ) cos 1t 2U d
)]

2n
sin i
2 i U m sin i Ud n
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脉宽调制（PWM）控制
正弦脉宽调制（SPWM）
1 正弦脉宽调制原理 ■ 方波电压的傅立叶级数分析
u(t ) U km sin k1t
k 1
(k 1,3,5,...)
U km


2

0
u (t ) sin k1tdt
■为提高调速系统输入功率因数，采用不控整流器，相当 可控整流器 0 状态。
此时逆变器必须同时承担调压、变频双重任务，为此采 用脉宽调制（PWM）控制来实现
电机控制
脉宽调制（PWM）控制
三、脉宽调制型逆变器
☆PWM逆变器的概念 （1）结构
■直流环节采用大电容滤波，故为电压型逆变器 ■与主开关元件反并联的续流二极管为异步电机无功 电流提供通路
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脉宽调制（PWM）控制
正弦脉宽调制（SPWM）