电力电子技术WM控制技术
《电力电子技术》 课件 第3章 PWM控制技术
图3.2.2 同步调制三相PWM波形
高时，同步调制时的fc会过高，使开关器件难以承受。
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电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
3.2.2 调制法
3.2 PWM波形的生成
2. SPWM及其基本问题
本章主要讲授PWM基本原理、PWM波形的生成、调制法实现PWM波形、SPWM 谐波问题，其中，空间矢量PWM控制将在第5章逆变电路中讲授。
电 力 电 子电技力术电（“子十技二五术普（通“高十等二教五育普本通科高国等家教级育规本划科教国材家”级）规划教材”）
3
3.1 PWM基本原理
3.1.1 理论基础
ωt
③……加在惯性环节上与标准正弦波效果相等。
做一系列等幅不等宽的矩形波脉冲①②③……： ✓ 脉冲面积与正弦波片段相等； ✓ 中点重合； ✓ 宽度按正弦规律变化；
υab(t)
UD
(b) 正 弦 电 压 T1 T2 T3 T4 T5 T6
θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ6
δ14δ16δ18δ20δ22δ24 δ13δ15δ17δ19δ21δ23 2π
电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
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3.2.2 调制法
3.2 PWM波形的生成
(1) 异步调制 (N＝fc/fr不是常数)
◆载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。 ◆通常保持载波频率fc固定不变，因而当信号波频率fr变化时，载波比N是变化的。 ◆在信号波的半个周期内，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，PWM波形接近 正弦波，谐波分量小。 ◆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，输出PWM波和正 弦波的差异变大，对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。谐波分量大。 ◆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大的载 波比。
电力电子技术总结完整版
电力电子技术总结HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】1、电力电子技术的概念：所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。
2、电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。
3、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。
4、70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。
5、全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。
6、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）。
第二章1、电力电子器件的特征◆所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。
◆为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。
◆由信息电子电路来控制 ,而且需要驱动电路。
◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器2、电力电子器件的功率损耗3、电力电子器件的分类（1）按照能够被控制电路信号所控制的程度◆半控型器件：主要是指晶闸管（Thyristor ）及其大部分派生器件。
器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。
◆全控型器件：目前最常用的是 IGBT 和Power MOSFET 。
通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。
◆不可控器件：电力二极管（Power Diode ） 不能用控制信号来控制其通断。
（2）按照驱动信号的性质◆电流驱动型 ：通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。
通态损耗断态损耗开关损耗 开通损耗关断损耗◆电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。
电力电子 PWM的控制方法
PWM控制方法引言采样控制理论中有一个重要结论：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。
PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。
按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。
直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。
随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。
到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下8类方法。
1 相电压控制PWM1.1 等脉宽PWM法VVVF(V ariable V oltage V ariable Frequency)装置在早期是采用PAM（Pulse Amplitude Modulation）控制技术来实现的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。
等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的，是PWM法中最为简单的一种。
它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。
相对于PAM法，该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时也存在输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。
1.2 随机PWM在上世纪70年代开始至上世纪80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注。
电力电子技术中的电力电子控制技术是什么
电力电子技术中的电力电子控制技术是什么电力电子技术是指将电力和电子技术相结合，用于实现电力的调控、变换和控制的一门学科。
其中，电力电子控制技术则是电力电子技术中的重要组成部分，主要用于控制电力电子设备的工作状态和输出特性，以满足不同的应用需求。
本文将就电力电子控制技术的基本原理、应用领域以及发展趋势等方面展开论述。
一、电力电子控制技术的基本原理电力电子控制技术的基本原理可归纳为以下几点：1. 可控硅技术：可控硅是一种具有开关特性的电子元器件，可通过外部控制信号，实现对电流的控制。
在电力电子应用中，可控硅被广泛应用于交流电压的调制、变换和控制等方面。
2. 双向开关技术：双向开关是指能够实现正向和反向电流流动的电子开关元器件。
双向开关技术常用于直流电源和交流电源之间的转换与控制。
3. 脉宽调制技术：脉宽调制技术是一种通过改变电流或电压的脉冲宽度来控制输出功率的方法。
通过调整脉冲的宽窄，可以实现对输出电压、电流的精确控制。
二、电力电子控制技术的应用领域电力电子控制技术广泛应用于以下几个领域：1. 交流传动系统：在交流传动系统中，电力电子控制技术可用于调节电机的速度、转矩和位置。
例如，变频调速技术可以通过调整电机的频率和电压，实现对电机转速的精确控制。
2. 新能源发电系统：在新能源发电系统中，电力电子控制技术可以用于控制光伏发电系统、风力发电系统和储能系统等。
例如，逆变器技术可将直流电能转换为交流电能，实现与电网的互连。
3. 电力质量控制：电力质量控制是指在电力系统中，通过电力电子控制技术提高电力质量的稳定性和可靠性。
例如，采用无功补偿技术可以减小电压波动和谐波，改善电力系统的供电质量。
三、电力电子控制技术的发展趋势随着科技的不断进步，电力电子控制技术也在不断发展。
未来的发展趋势主要表现在以下几个方面：1. 高效节能：电力电子控制技术将更加注重提高能量的利用效率，减少能源消耗。
例如，采用无感应功率器件和高效控制算法，以提高系统的能源转换效率。
电力电子技术PWM控制技术
PWM控制技术重要理论基础——面积等效原理
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
窄脉冲的面积
效果基本相同
环节的输出响应波形基本相同
输出响应波形
低频段接近，高频段略有差异
SPWM——等效正弦波
a为调制度，0≤a<1
ωr为信号波角频率
得
1asinwrtD 2
/2
Tc / 2
Tc 2
(1asinwrtD)
脉冲间隙宽度'
'1 2TcT 4 c(1asinwrtD)
Tc
u uc A D
ur
B
O
tA tD tB
t
22
uo
'
'
O
t
3. 规则采样法
三相桥式逆变电路
三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120o
2. 异步调制和同步调制
同步调制 fr变化载波比N不变，信号波一周期内脉冲数固定，脉冲 相位固定 分段同步调制
——将fr范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比N为
恒定，不同频段的载波比不同
——fr高频段采用较低的载波比，使fc不致过高 ——fr低频段采用较高的载波比，使fc不致过低 低频可用异步调制，高频用同步调制
1. 计算法和调制法
io
单相桥式逆变电路
V1和V2通断互补，V3和V4通断 互补
在uo正半周，V1导通，V2关断， V3和V4交替通断
io比uo滞后，在uo正半周，io一段区间为正，一段区间为负 ——io为正，V1和V4导通，uo=Ud；V4关断，V1和VD3续流，uo=0
电力电子技术7 PWM控制技术1
uc b a t2 0 t1 ta t ur
uo
T
O
t
16
规则采样法的采样原理
三角波两个正峰值之间为一个采 样周期Tc 在三角波的负峰时刻 tD 对正弦信 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
b)
t O
c)
t O
t d)
效果基本相同指环节的输出响应波形基本相同，低频 图6-1 段非常接近，仅在高频段略有差异
4
i(t) e(t)
面积等效原理的实例验证
f (t) 实验电路 电路输入：窄脉冲e(t) 电路输出：i(t) O i(t) 的上升段略有不同， 但下降段几乎完全相同。 经傅立叶级数分解， i(t) 在 低 频段 的 特 性非 常接近，仅在高频段有 所不同
第7章 PWM控制技术 （I）
丘东元
目 录
引言 7.1 PWM控制的基本原理 7.2 PWM逆变电路及其控制方法
2
引 言
PWM（Pulse Width Modulation）控制 — 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 需要波形（含形状和幅值） 采用PWM控制技术的电路
O a 1 -Ud
t
k=3
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电力电子技术中的PWM调制技术详解
电力电子技术中的PWM调制技术详解在现代工业领域中，电力电子技术扮演着至关重要的角色。
PWM （脉宽调制）技术作为电力电子技术的核心之一，已经广泛应用于各种电源和驱动系统中。
本文将深入探讨PWM调制技术的原理、应用和优势。
1. PWM调制技术的原理PWM调制技术是通过改变脉冲宽度的方式来控制电路输出的一种方法。
其基本原理是将模拟信号转换为脉冲信号，通过调整脉冲的宽度来控制输出电压或电流的大小。
PWM信号的脉冲宽度与所需输出信号的幅值成正比。
在PWM调制技术中，常用的脉冲产生方法包括比较器法、计数器法和改进型PWM等。
其中，比较器法是最常用的一种方法。
该方法通过一个比较器将输入信号与一定频率、恒定幅度的三角波进行比较，从而产生脉冲宽度调制的信号。
2. PWM调制技术的应用PWM调制技术已经广泛应用于各种电力电子设备和系统中。
以下是几个常见的应用领域：2.1 变频调速系统PWM调制技术在变频调速系统中起到了关键作用。
通过调整PWM 信号的脉冲宽度，可以实现对电机转矩和转速的精确控制。
这种技术的应用使得电机的运行更加稳定、高效，并且节省能源。
2.2 电力逆变器电力逆变器是将直流电能转换为交流电能的设备，广泛应用于太阳能发电、风能发电等领域。
PWM调制技术能够有效地控制逆变器的输出波形质量，提高逆变器的效率和稳定性。
2.3 电源管理系统在电源管理系统中，PWM调制技术能够实现电源的高效转换和稳定输出。
通过精确控制PWM信号的脉冲宽度，可以实现电源的输出电压的调节和稳定，以满足不同电器设备的需求。
3. PWM调制技术的优势PWM调制技术相比传统的模拟控制方法具有以下优势：3.1 高精度控制PWM调制技术能够精确调节输出信号的幅度，通过调整脉冲宽度来实现高精度控制。
这种精准性在很多需要精确控制的领域非常重要，比如电机调速系统和逆变器控制系统。
3.2 高效能转换由于PWM调制技术只有两种状态（高电平和低电平），因此能量损耗相对较小，能够实现高效率的能量转换。
PWM控制技术(电力电子技术)
➢ 当urU<uc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN’=Ud/2
➢ 当是V给DV11(V(VD4)4)加导导通通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能 ➢ uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平 ➢ u当U3V和波4形通可时由，uuUUNV’=-－uVUNd’，得当出1，和当3或1和4和6通6通时时，，uuUUVV==U0d， ➢ 输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成 ➢ 负平组载成相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种18电
Ud 2
uWN'
t
Ud
➢ 死区时间的长短主要由
2
O
t
开关器件的关断时间决
uUV Ud
定
O
t
-Ud
➢死区时间会给输出的
uUN O
PWM波带来影响，使其
2Ud
Ud
2
3
t
稍稍偏离正弦波
图6-8
图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形
19
西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作
6.2.1 计算法和调制法 PENEC
➢ 特定谐波消去法(Selected Harmo- uo nic Elimination PWM—SHEPWM) Ud
➢这是计算法中一种较有代表性 的方法，如图6-9
O a1
a2 a3
2 t
➢输出电压半周期内，器件通、 断各3次（不包括0和π），共6
-Ud
个开关时刻可控
图6-9 特定谐波消图去6-法9 的输出PWM波形
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西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作
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图7-8 三相桥式PWM 逆变电路波形
10
7.2.1 计算法和调制法
图7-7 三相桥式PWM 型逆变电路
◆电路工作过程（U相为例）
? 当urU>uc时，上桥臂V1导通，下桥臂V4
关断，则U相相对于直流电源假想中点N' 的
■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。
2
7.1 PWM控制的基本原理
■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，
◆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
图7-3 用PWM 波代替正弦半波
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
4
7.2 PWM逆变电路及其控制方法
7.2.1 计算法和调制法 7.2.2 异步调制和同步调制 7.2.3 规则采样法 7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析
5
7.2.1 计算法和调制法
■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。
◆电路工作过程
阻感负载
? 工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也 互补 ，比如在 u o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，
u o=Ud。
√V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，
u o=0。
图7-4 单相桥式PWM 逆变电路
√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u o=Ud。
√V4关断，V3开通后，io从V3和VD1续流，
u o=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
■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。
图7-6 双极性PWM 控制方式波形
通，如io>0，则VD2和VD3通，不管
哪种情况都是 u o=-Ud。
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7.2.1 计算法和调制法
图7-7 三相桥式PWM 型逆变电路
■三相桥式PWM 逆变电路（调制
法）
◆采用双极性控制方式。
◆U、V和W三相的PWM 控制通
常公用一个三角波载波uc，三相的 调制信号urU、urV和urW依次相差 120°。
◆双极性PWM 控制方式
? 在调制信号ur和载波信号uc的 交点时刻控制各开关器件的通断。
? 在ur的半个周期内，三角波载 波有正有负，所得的PWM 波也是
图7-4 单相桥式PWM 逆变电路
有正有负，在ur的一个周期内，输
u
ur uc
出的PWM 波只有±Ud两种电平。
? 在ur的正负半周，对各开关器
◆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。
6
7.2.1 计算法和调制法
■单相桥式PWM 逆变电路（调制法）
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。
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
3
7.1 PWM控制的基本原理
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
引言
■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。
? 在ur的负半周，V1保持断态，V2保持 通态。
√当ur <u c时使V3导通，V4关断， u o=-Ud。
√当ur >u c时使V3关断，V4导通， u o=0。
图7-4 单相桥式PWM 逆变电路 u uc ur
O
wtuouoUduofO
wt
-Ud 图7-5 单极性PWM 控制方式波形
8
7.2.1 计算法和调制法
7
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 >u c时使V4导通，V3关断， u o=Ud。
√当ur <u c时使V4关断，V3导通， u o=0。
O
wt 件的控制规律相同。
√当u r >u c时，V1和V4导通，V2
uo
u of
uo
和V3关断，这时如 io>0，则V1和V4
Ud
通，如io<0，则VD1和VD4通，不管
O
wt
哪种情况都是 u o=Ud。 √当u r <u c时，V2和V3导通，V1
-U d
和V4关断，这时如io<0，则V2和V3