电力电子 PWM控制技术
PWM控制的基本原理及相关概念
PWM控制的基本原理及相关概念PWM（Pulse Width Modulation）即脉宽调制，是一种常用的控制技术，广泛应用于电力电子、自动控制和通信等领域。
它通过调整脉冲信号的脉宽来实现对电路、设备或系统的精确控制。
PWM控制的基本原理是利用高电平和低电平的脉冲信号的占空比（即高电平时间与周期时间的比值）来控制输出信号的幅度、频率和相位等参数。
脉冲信号的高电平部分被称为脉宽，低电平部分称为空闲时间，整个脉冲周期的时间为周期。
脉冲信号的频率是指单位时间内脉冲信号的周期数。
PWM控制可以通过改变脉冲信号的占空比来调节输出信号的平均值，从而实现对电路或设备的控制。
占空比越大，输出信号平均值越大，反之则越小。
通过周期性的高低电平的切换，PWM能够提供多种输出级别，具有高效、精确度高等优点。
在PWM控制中，常用的术语包括周期（T）、频率（F）、占空比（Duty Cycle）、调制周期（Modulation Period）等概念。
周期是指脉冲信号一个完整的周期所需要的时间，频率是指单位时间内脉冲信号的周期数。
占空比是指高电平时间与周期时间的比值，通常使用百分比表示。
调制周期是指脉冲信号的一个周期中所包含的波形个数。
例如，当频率为10kHz的PWM信号的调制周期为32，表示每个脉冲周期内有32个波形。
PWM控制的优点之一是其宽广范围的应用。
它可以控制电机的转速、大功率的电磁阀、LED的亮度、音频放大器的音量等。
PWM还可以实现数字-模拟转换（DAC）功能，将数字信号转换为模拟信号输出。
此外，PWM信号的幅度、频率和相位可以通过改变调制器的控制参数来实现，具有很高的灵活性。
PWM控制的实现方式有多种，常用的方法包括基于定时器的PWM控制、比较器型PWM控制、电流型PWM控制等。
其中，基于定时器的PWM控制是最常见的方法。
它通过定时器的计数和比较功能产生PWM信号，可以根据需求来设定周期、占空比等参数，从而实现对输出信号的控制。
电力电子技术中的PWM控制器故障排除与维修方法
电力电子技术中的PWM控制器故障排除与维修方法PWM（脉宽调制）控制器是电力电子技术中常用的一种控制装置，广泛应用于变频器、电机驱动器、直流电源和逆变器等电力设备中。
然而，在实际应用中，PWM控制器也可能出现故障，影响设备的正常运行。
本文将针对PWM控制器的故障排除与维修方法进行探讨。
一、故障排除方法1. 确认故障现象在开始故障排除之前，我们首先需要确认故障现象，例如设备出现异常电流、无输出或者无法启动等问题。
对于PWM控制器的故障排除，首先要观察其输出波形是否正常，判断故障点所在。
2. 检查电路连接PWM控制器的故障有时候可能是由于电路连接不良引起的，因此需要仔细检查电路的连接情况。
检查电源线、信号线、地线等连接是否牢固，是否有松动或者接触不良的情况。
3. 检查电源供应在PWM控制器的正常工作中，电源供应起着至关重要的作用。
因此，我们需要检查电源输入是否正常，包括电压、电流和频率等参数。
另外，还需要检查电源线是否受到干扰或者噪声的影响，如果有的话需要采取相应的屏蔽措施。
4. 检查控制信号PWM控制器通过接收控制信号来调节输出波形的占空比，因此在故障排除过程中需要检查控制信号是否正确。
可以通过示波器或者逻辑分析仪等工具对控制信号进行监测，确保其频率和占空比等参数符合要求。
5. 检查保护电路PWM控制器通常设有过载保护、过流保护、过温保护等功能，以保证设备的安全运行。
在故障排除时，需要检查这些保护电路是否正常工作，是否触发了保护动作。
二、维修方法1. 更换故障元件当确认了PWM控制器的故障点后，可以根据具体情况选择更换故障元件。
例如，如果PWM控制器的驱动芯片损坏了，可以尝试更换新的驱动芯片；如果PWM控制器的电源模块损坏了，可以更换相应的电源模块。
2. 修复电路板如果PWM控制器的故障是由于电路板的损坏引起的，可以尝试修复电路板。
修复电路板的具体方法有很多，可以根据具体情况选择合适的修复方式，例如焊接、替换元件等。
PWM 控制技术
图15 SPWM 的谐波分析
5.7 异步调制和同步调制
异步调制 载波和信号波不保持同步的调制方式称为异步调制 。 保持载波频率fc固定不变，因而当调制波频率fr变化时，载波比N是变化的。 在信号波的半个周期内，PWM的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半 周期的脉冲可能不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也可能不对称。 同步调制 载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步 调制。 三相SPWM逆变电路中，通常公用一个三角载波，且取载波比N为3的整数 倍，以使三相输出波形严格对称，为了保证双极性调制时每相波形的正、 负半波对称，N应取奇数。 信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。 分段同步调制 将异步调制和同步调制结合起来，成为分段同步调制方式。 在不同的频率段采用异步，在同一频段采用同步，结合了异步和同步的优 点。
V1m =
Vdc ×m 2
FFT window: 2 of 6 cycles of selected signal 100 50 0 -50 -100
0.07
0.075
0.08 0.085 Time (s)
0.09
0.095
0.07
0.075
0.08 0.085 Time (s)
0.09
0.095
Fundamental (60Hz) = 158.7 , THD= 137.34%
图3 SPWM的原理
5.3 SPWM 控制方法
计算法：实时在线计算困难 调制法（三角波交点法） 把希望输出的波形作为调制波， 等腰三角形作为载波，通过对载 波的调制得到希望输出的PWM波 形。 1）单极性调制：三角波载波在半个 周期内只在1个方向变化，所得 的PWM波形也只能在单极性范围 内变化。 优点：电压电流波动小，开关器 件的电压、电流应力小 缺点：生成困难 2）双极性调制：三角波载波在半个 周期内在正负2个方向变化，所 得的PWM波形也在2个方向变化。 缺点：电压电流波动较大，器件 缺点 电压、电流应力较大 优点：生成容易 优点
《电力电子技术》(第六七八章)习题答案
第6章 PWM 控制技术1．试说明PWM 控制的基本原理。
答：PWM 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）。
在采样控制理论中有一条重要的结论：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，冲量即窄脉冲的面积。
效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。
上述原理称为面积等效原理以正弦PWM 控制为例。
把正弦半波分成N 等份，就可把其看成是N 个彼此相连的脉冲列所组成的波形。
这些脉冲宽度相等，都等于π/N ，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。
如果把上述脉冲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，就得到PWM 波形。
各PWM 脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。
根据面积等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。
对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM 波形。
可见，所得到的PWM 波形和期望得到的正弦波等效。
2．设图6-3中半周期的脉冲数是5，脉冲幅值是相应正弦波幅值的两倍，试按面积等效原理计算脉冲宽度。
解：将各脉冲的宽度用i（i =1, 2, 3, 4, 5）表示，根据面积等效原理可得1=m5m 2d sin U t t U ⎰πωω=502cos πωt - =0.09549(rad)=0.3040(ms)2=m525m 2d sin U t t U ωϖππ⎰=5252cos ππωt -=0.2500(rad)=0.7958(ms)3=m5352m 2d sin U t t U ωϖππ⎰=53522cos ππωt -=0.3090(rad)=0.9836(ms)4=m5453m 2d sin U t t U ωϖππ⎰=2=0.2500(rad)=0.7958(ms)5=m54m2d sin U tt Uωϖππ⎰=1=0.0955(rad)=0.3040(ms)3. 单极性和双极性PWM 调制有什么区别？三相桥式PWM 型逆变电路中，输出相电压（输出端相对于直流电源中点的电压）和线电压SPWM 波形各有几种电平？答：三角波载波在信号波正半周期或负半周期里只有单一的极性，所得的PWM 波形在半个周期中也只在单极性范围内变化，称为单极性PWM 控制方式。
电力电子技术中的PWM控制器故障排除方法
电力电子技术中的PWM控制器故障排除方法在电力电子技术中，PWM（脉宽调制）控制器是一种常用的电路设备，用于调节电路中的直流电压。
然而，由于各种原因，PWM控制器可能会出现故障，导致设备不正常工作。
本文将介绍一些常见的PWM控制器故障排除方法，帮助读者快速识别和解决问题。
一、PWM控制器无法正常工作1.1 电源问题首先要检查PWM控制器的电源供应是否正常。
可以使用万用表测量电源电压，确保电压值在规定范围内。
1.2 输入信号问题PWM控制器的输入信号可能没有正确连接或者信号源出现故障。
检查输入信号连接是否良好，以及信号源是否正常。
1.3 输出问题若PWM控制器输出电压不稳定或者无法产生脉冲信号，可能是输出电容损坏或者输出负载过大。
尝试更换输出电容，或者降低负载电流。
二、PWM控制器温度过高一些PWM控制器在工作过程中可能会发热，但若温度过高可能会影响设备的性能和寿命。
这里介绍几种排除PWM控制器温度过高的方法：2.1 散热器问题检查PWM控制器散热器是否正常工作。
如果散热器表面有灰尘或者杂物，应及时清理。
并确保散热器与散热风扇之间的连接良好，风扇工作正常。
2.2 过载问题PWM控制器可能在过载情况下工作，导致温度升高。
确保PWM 控制器的输入和输出都在规定电流范围内，并检查负载电流是否超过PWM控制器的额定值。
三、PWM控制器信号失真PWM控制器信号失真可能会导致输出电压波形不正常，进而影响整个电力电子系统的正常运行。
下面是一些解决PWM控制器信号失真问题的方法：3.1 滤波问题检查PWM控制器输出端的滤波电容是否损坏，如有需要可以更换新的滤波电容。
此外，还应检查滤波电容的连接是否良好。
3.2 信号干扰PWM控制器的信号可能受到电磁干扰或者其他干扰源的影响，进而引起信号失真。
在布置电子设备时，应尽量避免与其他电磁源附近的布线接触。
四、PWM控制器保护功能失效PWM控制器通常拥有过流、过压、过温等保护功能，当电路中出现异常时会自动切断电源以避免损坏。
pwm整流原理
pwm整流原理PWM（脉宽调制）整流原理脉宽调制（PWM）是一种常用的电子控制技术，它通过改变电信号的脉冲宽度来实现电能的调节和控制。
PWM整流技术在电力电子领域有着广泛的应用，特别是在直流电源、变频器、逆变器等电力电子设备中。
PWM整流原理是将交流电信号转换为直流电信号的一种方法。
其基本原理是利用开关管（如晶闸管或功率MOS管）控制电流的导通和截止，通过改变开关管的导通时间比例，来控制输出电压和电流的大小。
PWM整流技术的优点之一是能够实现高效的能量转换。
由于开关管在导通状态下具有较低的电压降，因此能够减少能量的损耗。
而且，通过改变开关管的导通时间比例，可以实现对输出电压和电流的精确控制，提高系统的稳定性和精度。
PWM整流技术的另一个优点是能够实现电能的变换和传递。
在PWM整流系统中，输入的交流电经过整流和滤波处理后，被转换为稳定的直流电。
这种直流电可以进一步用于驱动各种电力电子设备，实现电能的变换和传递。
在PWM整流系统中，脉宽调制信号的频率和占空比是两个重要的参数。
频率决定了开关管的开关速度，而占空比则决定了开关管导通和截止的时间比例。
通过合理选择这两个参数，可以实现输出电压和电流的精确控制。
在实际应用中，PWM整流技术通常需要配合控制器或微处理器来实现。
控制器通过对输入信号进行采样和处理，得到脉宽调制信号的频率和占空比，并控制开关管的导通和截止。
这样，就可以实现对输出电压和电流的精确控制。
需要注意的是，PWM整流技术在实际应用中还存在一些问题和挑战。
例如，开关管的导通和截止会产生较大的电压和电流冲击，需要合理设计电路和采取保护措施。
此外，PWM整流系统的稳定性和可靠性也需要进行充分的测试和验证。
PWM整流技术是一种实现电能调节和控制的重要方法。
通过改变开关管的导通和截止时间比例，可以实现对输出电压和电流的精确控制。
同时，PWM整流技术还具有高效能量转换和电能变换传递的优点。
然而，在实际应用中需要充分考虑电路设计和保护措施，以确保系统的稳定性和可靠性。
简述pwm控制技术原理
简述pwm控制技术原理
脉宽调制（PWM）是一种常用的电子控制技术，通过调节信号的占空比来控制输出信号的平均功率。
PWM控制技术常用于电力电子、自动控制、通信等领域。
PWM控制技术的原理如下：
1. 基本原理：PWM控制技术基于周期性的高电平（ON）和低电平（OFF）信号。
在一个固定的时间周期内，通过改变高电平和低电平信号的持续时间比例（即占空比），可以实现对输出信号的平均功率的调节。
2. 信号生成：PWM控制技术需要产生一个周期性的方波信号作为控制信号。
可以使用定时器或计数器来生成这个周期性的信号，根据设定的频率来确定每个周期的时间长度。
3. 调节占空比：在每个周期内，通过改变高电平信号的持续时间来调节占空比。
占空比定义为高电平信号的持续时间与一个周期的总时间之比。
例如，一个占空比为50%的PWM信号表示高电平和低电平信号的时间相等。
4. 输出控制：PWM信号经过一个滤波器，将高频的方波信号转换为模拟信号。
根据PWM 信号的占空比，滤波器输出的模拟信号的平均值相应地调节。
通过控制占空比，可以实现对输出信号的电压、电流或功率进行精确的控制。
PWM控制技术的优点包括高效性、精确性和可靠性。
由于输出信号是由开关器件的开关状态决定的，因此可以快速响应和调节输出信号。
PWM技术广泛应用于电机控制、LED调光、电源变换器等领域，以实现精确的控制和节能的效果。
电力电子第6章 脉宽调(PWM)技术
O
u UN'
Ud
2
O
?
Ud 2
u VN'
Ud
2O
?
Ud 2
u WN'
Ud
2
O
u UV Ud
O -Ud u UN
O
?t ?t ?t ?t
?t
2Ud
Ud
3
3
?t
图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形
死区时间的长短主要由开关器 件的关断时间决定。
工作时V1和V2通断互补， V3和V4通断也互补。
以uo正半周为例，V1通， V2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。
负载电流为正的区间，V1 和V4导通时，uo等于Ud 。
图6－4 单相桥式PWM逆变电路
6-14
6.2.1 计算法和调制法
图6－4 单相桥式PWM逆变电路
6-15
6.2.1 计算法和调制法
3）单极性PWM控制方式（单相桥逆变）
在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。
ur正半周，V1保持通，
V2保持断。
u
uc ur
当 ur>uc 时 使 V4 通 ，
V3断，uo=Ud 。
O
wt
当 ur<uc 时 使 V4 断 ，
V3通，uo=0 。
uo
uof uo
Ud
O
wt
-Ud
图6-6 双极性PWM控制方式波形
6-17
u
uc
ur6.2.1
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■
3
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)
O a)
f (t)
f (t)
tO
tO
b)
图6-1
f (t) (t)
tO c)
■
图6-1 形状不同而冲量 相同的各种窄脉冲
第6章 PWM控制技术
2020/1/29
1
引言
6.1 PWM控制的基本原理 6.2 PWM逆变电路及其控制方法
6.2.1 计算法和调制法 6.2.2 异步调制和同步调制 6.2.3 规则采样法 6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析 6.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数 6.2.6 PWM逆变电路的多重化 6.3 PWM跟踪控制技术
调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波 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
■
11
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
控制规律
uo正半周，V1通，V2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
第3、4章已涉及这方面内容 第3章：直流斩波电路采用 第4章有两处： 4.1节斩控式交流调压电路，4.4节矩阵式
变频电路
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 绝大部分是PWM型，PWM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位
本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术 也介绍PWM整流电路
可得-Ud和零两种电平
V1
Ud + V2
信号波 ur 载波 uc
调制 电路
V3 VD1
RL
uo
V4
VD2
VD3
VD4
图6-4 单相桥式 PWM逆变电路
图6-4
■
13
单极性PWM控制方式（单相桥逆变 ）在ur和uc的交点时刻控制IGBT的u通 uc ur 断
ur正半周，V1保持通，V2保持断 O
单极性PWM控制方式波形
■
14
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 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，VD1和VD4通， uo=Ud
t d)
4
一个实例
图6-2a的电路 电路输入：u(t)，窄脉冲，如图6-1a、b、c、d所示 电路输出：i(t)，图6-2b 面积等效原理
i(t) e(t)
a)
i(t)d aຫໍສະໝຸດ cbO b)
图6-2
图6-2 冲量相同的 t 各种窄脉冲的响应波形
■
5
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个 u
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 i负o从载V电D1流和为V负D4的流区过间，，仍有Vu1和o=UVd4仍导通，io为负，实际上
■
12
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 uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo
■
8
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
■
9
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
7
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
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
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
■
10
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
6.3.1 滞环比较方式 6.3.2 三角波比较方式 6.4 PWM整流电路及其控制方法 6.4.1 PWM整流电路的工作原理 6.4.2 PWM整流电路的控制方法 本章小结
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）
■
6
等幅PWM波和不等幅PWM波 由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波
如直流斩波电路及本章主要介绍的PWM逆变电路，6.4节的PWM 整流电路
输入电源是交流，得到不等幅PWM波
4.1节讲述的斩控式交流调压电路，4.4节的矩阵式变频电路
基于面积等效原理进行控制，本质是相同的
■
t
当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud uo 当ur<uc时使V4断，V3通，uo=0 Ud
uo uof
ur负半周，V1保持断，V2保持通 O
t
当ur<uc时使V3通，V4断，uo=-U-dUd
当虚u线r>uuofc表时示使uVo3的断基，波V分4通量，uo=0图6-5
图6-5
正弦半波
a)
正弦半波N等分，可看成N个彼此相
连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不 O
t
u
等
用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中b)
点重合，面积（冲量）相等
O
t
宽度按正弦规律变化
图6-3 用图6P-W3 M波 代替正弦半波
SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等
效的PWM波形
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