第七章 变频电路(第二部分：PWM控制技术

urU u O
urV
uc
urW
t

防直通死区时间
同一相上下两臂的驱动信 号互补，为防止上下臂直 通而造成短路，留一小段 上下臂都施加关断信号的 死区时间 死区时间的长短主要由开 关器件的关断时间决定 死 区 时 间 会 给 输 出 的 PWM波带来影响，使其 稍稍偏离正弦波
uUN'
Ud 2 Ud 2
u
urU
uc urV
urW
O
t
uUN'
Ud 2
O
U d 2
t
uVN' O uW N' O t 图6-10 t
同步调制三相 PWM波形
分段同步调制
把fr范围划成若干个频段,每个频段内保持N恒定,不同频段N不同 在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高
在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低
t O d)
t
形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

一个实例
i(t) i(t) a c e(t) O a) b) d b
t
图6-2 冲量相同的 各种窄脉冲的响应波形
•面积等效原理

u
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替 a) 一个正弦半波 正弦半波N等分，可看成N个彼 O 此相连的脉冲序列，宽度相等， u 但幅值不等 用矩形脉冲代替，等幅，不等宽， b) 中点重合，面积（冲量）相等 O 宽度按正弦规律变化
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PWM波
IGBT单相桥式电压型逆变电路
结合IGBT单相桥式电压 型逆变电路对调制法进行 说明 工作时V1和V2通断 互补，V3和V4通断也互补

V1 Ud + V2 VD2 信号波 载波 ur uc 调制 电路 VD1 R uo V3 L V4 VD4 VD3
调制法
输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM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 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 件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合 PWM的要求 调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波
V1 Ud + V2
VD1 R uo VD2
V3 L V4
VD3
VD4
信号波 载波
ur uc
调制 电路 图6-4


负载电流为负的区间， V1和V4仍导通，io为负，实际上io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总可得到Ud和零两种电平
c
VD4
c
ur
图6-4
t
uo uof
uo Ud
O -Ud
t
单极性PWM控制方式波形 图6-5
双极性PWM控制方式（单相桥逆变）
在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得 PWM波也有正有负
在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平 仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件的 通断 ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同

规则采样法计算公式推导
O
A
D B
ur
正弦调制信号波
tA
tD
tB
t
ur a sin r t
式中，a称为调制度，0≤a<1； r为信号波角频率。从图得
1 a sin r t D 2 /2 Tc / 2
uo

2

2
'

'
t
O
图6-12
因此可得
Tc (1 a sin r t D ) 2
一、 PWM控制的基本原理
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 上时，其效果基本相同 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 低频段非常接近，仅在高频段略有差异
f (t) f (t) f (t) f (t)
(t)
O a)
t O b)
t O c) 图6-1
规则采样法特点
工程实用方法，效果接近自 然采样法，计算量小得多

2

2
uo
'

'
t
O
图6-12
规则采样法原理
三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc 自然采样法--脉冲中点不和三角波一周期的中点(即负峰点)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
点为对称，使计算大为简化
21
10
20
30
40 fr /H z
50
60
70
80
五、 规则采样法


按SPWM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, 这种生成PWM波形的方法 --- 自然采样法 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
Tc u uc A D B O tA tD tB t ur
Ud 2
+
V1 C U
VD1 V3 V
VD3 V5 VD6 W V2
VD5 N VD2
N'
Ud 2
+
C
V4 VD4 V 6
urU urV urW uc
调制 电路 图6-7 三相桥式PWM型逆变电路

•U相的控制规律

urU u O uUN'
Ud 2 Ud 2
urV
uc
urW
t

O
t
uVN'
四、 异步调制和同步调制
载波比——载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr 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 1. 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 通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的 在信号波的半周期内，PWM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 前后1/4周期的脉冲也不对称 当fr 较低时，N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 当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大

PWM电流波
电流型逆变电路进行PWM控制，得到 的就是PWM电流波

PWM波形可等效的各种波形
直流斩波电路：等效直流波形 SPWM波：等效正弦波形 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 SPWM控制相同，也基于等效面积原理
二、 PWM逆变电路及其控制方法

2. 同步调制

同步调制——N等于常数，并在变频 时使载波和信号波保持同步 基本同步调制方式，fr 变化时N不 变, 信号波一周期内输出脉冲数固 定 三相电路中公用一个三角波载波， 且取N为3的整数倍，使三相输出 对称 为使一相的PWM波正负半周镜对 称，N应取奇数 fr 很低时，fc 也很低，由调制带来 的谐波不易滤除 fr 很高时，fc 会过高，使开关器件 难以承受
V1


当ur >uc 时，给V1 和V4 导通 信号，给V2和V3关断信号 如io>0，V1和V4通，如io<0， 信号波 载波 VD1和VD4通， uo=Ud 当ur<uc时，给V2和V3导通信 号，给V1和V4关断信号 如io<0，V2和V3通，如io>0， VD2和VD3通，uo= -Ud 单相桥式电路既可采取单极 性调制,也可采用双极性调制
O
t
uVN'
Ud 2 Ud 2 Ud 2
O
t
uW N' O uUV Ud O -Ud uUN O
t
t
2Ud 2 Ud 3
t
图6-8
Ud 2
+
V1 C U
பைடு நூலகம்VD1 V3 VD4 V V6
VD3 V5 VD6 VW
2
VD5 N VD2
N'
Ud 2
+
C
V4
urU urV urW uc
调制 电路
在三角波的负峰时刻tD对正弦信
u uc A
Tc D B O tA tD tB t ur
号波采样得D点，过D作水平直 线和三角波分别交于A、B点，在 A点时刻tA和B点时刻tB控制开关 器件的通断 脉冲宽度 和用自然采样法得到 的脉冲宽度非常接近

2

2
uo
'

'
t
O
图6-12
Tc u uc

目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术
逆变电路是PWM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 PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种
目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路
三、 计算法和调制法

计算法
根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确 计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆 变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM 波形 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
控制规律
输出电压uo正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断 图6-4 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 负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0 负载电流为负的区间， V1和V4仍导通，io为负，实际上 io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud