朱明zhubob-电力电子技术(第5版)【王兆安】第7章 PWM控制技术
电力电子技术课件(第5版)【王兆安】
1.3 电力电子技术的应用
■电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于 一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信 系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调 等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。 ◆一般工业 ☞工业中大量应用各种交直流电动机，都是用 电力电子装置进行调速的。 ☞一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近 年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。
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1.1 什么是电力电子技术
◆具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件 对电能进行变换和控制的技术。 ☞电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基 础。 ☞变流技术则是电力电子技术的核心。
表1-1 电力变换的种类
输入 输出
交流（AC）
整流
交流电力控制 变频、变相
直流（DC）
直流斩波 逆变
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1.2 电力电子技术的发展史
◆晶闸管时代 ☞晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使 之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且 其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基 础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立 的。 ☞晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不 能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电 路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。 晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实 现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。
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1.1 什么是电力电子技术
☞电力电子技术和控制理论 控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电 子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种 需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技 术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实 现这种接口的一条强有力的纽带。 另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二 者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基 础元件和重要支撑技术。
《电力电子技术》西安交通大学_王兆安_第五版ppt课件
国内国外，通常都把电力电
图1-2 电气工程的双三角形描述
子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传
动是电气工程的一个二级学科。图1-2用两个三角形对电
气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学
科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学
科内各二级学科的关系。
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1.1 什么是电力电子技术
■电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动 电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
检测
控
电路
制
保护
电
电路
路
驱动
电路
V1 LR
V2
主电路
电气隔离
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
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2.1.3 电力电子器件的分类
这一时期，也应用直流发电机组来变流。
☞1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了
电子技术的一场革命。
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1.2 电力电子技术的发展史
◆晶闸管时代
☞晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使
之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且
其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基
础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立
最新课件
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1.2 电力电子技术的发展史
☞把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在 一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表了 电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成 技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成 技术以及系统集成技术。
☞随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子 电路的工作频率也不断提高。与此同时，软开关技 术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗
电力电子技术重点王兆安第五版
实用标准文档第1章绪论1电力电子技术定义：是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术，主要用于电力变换。
2电力变换的种类（1）交流变直流 AC-DC ：整流（2）直流变交流 DC-AC ：逆变（3）直流变直流 DC-DC ：一般通过直流斩波电路实现（4）交流变交流 AC-AC ：一般称作交流电力控制3电力电子技术分类：分为电力电子器件制造技术和变流技术。
第 2 章电力电子器件1电力电子器件与主电路的关系（1）主电路：指能够直接承担电能变换或控制任务的电路。
（2）电力电子器件：指应用于主电路中，能够实现电能变换或控制的电子器件。
2 电力电子器件一般都工作于开关状态，以减小本身损耗。
3电力电子系统基本组成与工作原理（1）一般由主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成。
（2）检测主电路中的信号并送入控制电路，根据这些信号并按照系统工作要求形成电力电子器件的工作信号。
（3）控制信号通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或关断。
（4）同时，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证系统正常可靠运行。
4电力电子器件的分类根据控制信号所控制的程度分类（1）半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。
如 SCR 晶闸管。
（2 ）全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件。
如 GTO、GTR、MOSFET 和 IGBT。
（3）不可控器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。
如电力二极管。
根据驱动信号的性质分类文案大全实用标准文档（1 ）电流型器件：通过从控制端注入或管基极存在驱动电流 I G，NPN晶体管导抽出电流的方式来实现导通或关断的电通，产生集电极电流 I c2。
力电子器件。
如、、。
（3）集电极电流 I c2构成PNP的基极驱动SCR GTO GTR（2 ）电压型器件：通过在控制端和公共电流， PNP 导通，进一步放大产生 PNP 端之间施加一定电压信号的方式来实现集电极电流 I c1。
chapter07 PWM Techniques 《电力电子技术(第5版)》英文版本课件
voltages, then
3 2
Vm
ca
20
Power Electronics
Switching States for 3-phase Voltage Source Inverter
p
ia
va sa
ib
vb
sb
ic
vc
sc
idc Vdc
n
sa sb sc Switching state
idc
Spectrum of 3-phase
PWM inverter
1.0
a=0.8 a=0.5
output voltage
a=0 0.8
No lower order harmonics
No harmonics at c.
The lowest frequency and highest content harmonics are
DC/AC
AC/DC
2
Power Electronics
Outline
7.1 Basic principles 7.2 Some major PWM techniques in DC/AC inverters 7.3 PWM techniques with feedback control 7.4 PWM rectifiers
9
Power Electronics
Triangular-wave natural sampling
In 3-phase VSI
Three-phase bridge inverter can only realize bi-bolar PWM therefore should be controlled by bipolar sampling.
第七章(PWM)控制
tO
tO
t
uo2
uo2
uo2
O
a)
tO
tO
t
b)
c)
a) uc=0
b) uc>0
c) uc<0
第十九页，共44页。
(三) 数字式脉宽调制器
❖ 控制信号是数字，其值确定脉冲的宽度。 ❖ 随控制信号的变化而改变脉冲序列的占空比
τ/T。
❖ 当维持调制脉冲序列的周期不变，通过改变
脉冲的宽度，就能达到改变占空比τ/T的目的。
C
R8 R10
V3
a
R13 V1
R5 R6
∞
- + uP + N2
R7
VDR1 14
b VD2
R15
uo1
V2
V5
R16
R11
R17
V4
uo2
R12
R18
-Ec
第十八页，共44页。
单极性脉宽调制器输出波形
uc-uP
uc-uP
uc-uP
+1.2V O
t
uOk
O t
t
-1.2V
uk
uo1
uo1
uo1
O
第二十页，共44页。
用微处理机来实现数字脉宽调制极其容易，通常的 方法有两种：
❖ 用软件方式来实现，即通过执行软件延时循环程序交 替改变端口某个二进制位输出逻辑状态来产生脉宽调 制信号，设置不同的延时时间得到不同的占空比。 优点：简单、灵活、省硬件 缺点：需要占用CPU许多处理时间，对微处理机的 速度要求很高，于控制不利；
反相积
分器
U om
UR2R 3R3uoR2R 2R3uo1
电力电子技术第五版王兆安课件全
本课件旨在深入浅出地讲解电力电子技术的概念、元器件和应用，介绍电力 电子技术的发展历程及未来趋势。
电力电子技术概述
电力
电力是指电荷在电场中移动， 在载流子作用下（如电子和正 离子）而产生的能量。
电子元器件
电力电子元器件是指用于在电 力电子领域中进行实际应用的 半导体器件、磁性元件、电容 电阻等元器件。
寿命、可靠性
由于功率电子器件工作状 态的特殊性，其寿命、可 靠性十分重要，经常需要 进行多方面的工艺优化。
电力电子应用领域
1
电力系统
通过利用功率电子器件来稳定电力系统的电压，电压变换器用于控制柔性交流输电， 提高电力系统的质量。
2
新能源应用
电力电子技术被广泛应用于新型能源制备和利用系统中，如太阳能、风力发电、燃料 电池、储能系统等。
功率电子元器件
功率电子元器件是电力电子技 术中最重要的组成部分，包括 晶闸管、电力场效应管、IGBT 等。
电力电子器件的特点
高压高电流
功率电子器件频率高、电 压高、电流大、热量大， 因此具有高温、高电压、 高电流、高能损状态特点。
高频率、高速度
功率电子器件具有响应速 度快、开关频率高的特点， 这使得它们非常适合在不 同领域中进行应用。
电力电子技术的未来趋势
1 新型功率电子器件
发展更加高效稳定、高可靠性、符合环保要求的全新型号功率电子器件。
2 应用前景广阔
在电力电子技术的不断发展中，其应用场景、应用情境与需要的功能和性能已经无法估 量。
3 高端智能电网
未来电力电子技术的发展将主要体现在高端智能电网，特别是电池和电能储存技术的应 用上。
电力电子技术第五版王兆安课 件全
电力电子技术第五版(王兆安)课件_全
1.3 电力电子技术的应用
图1-5 中国南方电网公司安顺换流站
图1-6 静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下） 16/21
1.3 电力电子技术的应用
◆电子装置用电源
☞各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。 通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整 流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大 型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也 都采用高频开关电源。 ☞在大型计算机等场合，常常需要不间断电源 （Uninterruptible Power Supply__ UPS）供电，不间断电 源实际就是典型的电力电子装置。
图1-2 电气工程的双三角形描述
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1.1 什么是电力电子技术
☞电力电子技术和控制理论 控制理论使电力电子装置和系统的性能不断满 足人们日益增长的各种需求。 电力电子技术是弱电和强电之间的接口而控制 理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。 控制理论是自动化技术的理论基础，而电力电 子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技 术。
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1.3 电力电子技术的应用
■电力电子技术的应用范围 ◆一般工业
☞工业中大量应用各种交直流电动机，都是用电力电 子装置进行调速的。一些对调速性能要求不高的大型鼓 风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。 避免调速电机起动时的电流冲击的软起动装置。 ☞电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐 水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源 ☞电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频 感应加热电源淬火电源及直流电弧炉电源等场合。
第1章 绪论
1.1 什么是电力电子技术
1.2 电力电子技术的发展史
电力电子技术重点王兆安第五版
实用标准文档第1章绪论1电力电子技术定义：是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术，主要用于电力变换。
2电力变换的种类（1）交流变直流 AC-DC ：整流（2）直流变交流 DC-AC ：逆变（3）直流变直流 DC-DC ：一般通过直流斩波电路实现（4）交流变交流 AC-AC ：一般称作交流电力控制3电力电子技术分类：分为电力电子器件制造技术和变流技术。
第 2 章电力电子器件1电力电子器件与主电路的关系（1）主电路：指能够直接承担电能变换或控制任务的电路。
（2）电力电子器件：指应用于主电路中，能够实现电能变换或控制的电子器件。
2 电力电子器件一般都工作于开关状态，以减小本身损耗。
3电力电子系统基本组成与工作原理（1）一般由主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成。
（2）检测主电路中的信号并送入控制电路，根据这些信号并按照系统工作要求形成电力电子器件的工作信号。
（3）控制信号通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或关断。
（4）同时，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证系统正常可靠运行。
4电力电子器件的分类根据控制信号所控制的程度分类（1）半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。
如 SCR 晶闸管。
（2 ）全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件。
如 GTO、GTR、MOSFET 和 IGBT。
（3）不可控器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。
如电力二极管。
根据驱动信号的性质分类文案大全实用标准文档（1 ）电流型器件：通过从控制端注入或管基极存在驱动电流 I G，NPN晶体管导抽出电流的方式来实现导通或关断的电通，产生集电极电流 I c2。
力电子器件。
如、、。
（3）集电极电流 I c2构成PNP的基极驱动SCR GTO GTR（2 ）电压型器件：通过在控制端和公共电流， PNP 导通，进一步放大产生 PNP 端之间施加一定电压信号的方式来实现集电极电流 I c1。
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图7-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
图7-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
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授人以鱼不如授人以渔
7.1 PWM控制的基本原理
■用PWM波代替正弦半波 ◆将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为 /N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的 脉冲序列组成的。 ◆把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽 的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波 部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部 分面积（冲量）相等，这就是PWM波形。 ◆对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得 到PWM波形。 ◆脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形。 ■PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波 两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM 波。 ■基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其 他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形 等。 授人以鱼不如授人以渔
朱明工作室 zhubob
第 7 章 PWM控制技术
主 讲：朱 明
高级经济师、高级工程师、高级技师 高级国家职业技能考评员 高级技能专业教师
授人以鱼不如授人以渔朱明 个人主页朱明工作室朱明工作室 zhubob
• 知足常乐，历经兵农工商学。 • 历经：兵团开车，地方修车，企业管理：技术、运营、 物流、安全、保卫， • 职任：客运站长、 公司经理， 集团技术总监， 总经理 及法人代表。 (本人教学资料搜索:朱明zhubob(资料内容) • 学历：本科、MBA， • 专业：汽车维修与使用、企业管理、经济管理。 • 职业资格与职称：高级工程师、高级技师、国家经济师、 高级技能专业教师、高级国家职业资格考评员。 管理科 学研究院特约讲师、 管理顾问有限公司高级讲师。客座 任教：大学、 技师学院、国家职业资格培训与考评及企 业内部职业培训。Q号657555589
朱明工作室 zhubob
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授人以鱼不如授人以渔
7.2.1 计算法和调制法
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■计算法 ◆根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内 的脉冲数，将PWM波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算出 来，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就 可以得到所需要的PWM波形，这种方法称之为计算法。 ◆计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅 值或相位变化时，结果都要变化。 ■调制法 ◆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期望的PWM波形。 ◆通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三 角波应用最多。
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授人以鱼不如授人以渔
7.2.1 计算法和调制法
■单相桥式PWM逆变电路（调制法） ◆电路工作过程
阻感负载
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图7-4 单相桥式PWM逆变电路
☞工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补， 比如在uo正半周，V1导通，V2关断，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 一段区间为正，一段区间为负。 √在负载电流为正的区间，V1和V4导通时， uo=Ud。 √V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流， uo=0。 √在负载电流为负的区间，仍为V1和V4导通 时，因io为负，故io实际上从VD1和VD4流过，仍有 uo=Ud。 √V4关断，V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。 √uo总可以得到Ud和零两种电平。 ☞在uo的负半周，让V2保持通态，V1保持断态， V3和V4交替通断，负载电压uo可以得到-Ud和零两种电 平。
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ห้องสมุดไป่ตู้
图7-3 用PWM波代替正弦半波
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7.2 PWM逆变电路及其控制方法
7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 计算法和调制法 异步调制和同步调制 规则采样法 PWM逆变电路的谐波分析 提高直流电压利用率 和减少开关次数 7.2.6 空间矢量SVPWM控制 7.2.7 PWM逆变电路的多重化
授人以鱼不如授人以渔
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第7章 PWM控制技术
7.1 PWM控制的基本原理 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 7.3 PWM跟踪控制技术 7.4 PWM整流电路及其控制方法
授人以鱼不如授人以渔
引言
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■PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽 度进行调制的技术，即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5章的直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术，第6 章中涉及到PWM控制技术的地方有两处，一处是第6.1 节中的斩控式交流调压电路，另一处是第6.4节矩阵式变 频电路。
■PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电 路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝 大部分都是PWM型逆变电路。
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7.1 PWM控制的基本原理
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■面积等效原理 ◆是PWM控制技术的重要理论基础。 ◆原理内容：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。 ☞冲量即指窄脉冲的面积。 ☞效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 ☞如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频 段略有差异。 ◆实例 ☞将图7-1a、b、c、d所示的脉冲作为输入，加在图7-2a所示的R-L电路 上，设其电流i(t)为电路的输出，图7-2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。
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授人以鱼不如授人以渔
7.2.1 计算法和调制法
◆单极性PWM控制方式 ☞调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的 正半周为正极性的三角波，在ur的负半周 为负极性的三角波。 ☞在ur的正半周，V1保持通态，V2保持 断态。 √当ur>uc时使V4导通，V3关断， uo=Ud。 √当ur<uc时使V4关断，V3导通， uo=0。 ☞在ur的负半周，V1保持断态，V2保持 通态。 √当ur<uc时使V3导通，V4关断， uo=-Ud。 √当ur>uc时使V3关断，V4导通， uo=0。