PWM逆变电路

PWM逆变电路4.3PWM逆变技术•引言PWM(PulseWidthModulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。4.3PWM逆变技术•引言PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路大都采用了PWM技术，因此...

4.3PWM逆变技术•引言PWM(PulseWidthModulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。4.3PWM逆变技术•引言PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路大都采用了PWM技术，因此，将PWM控制技术和逆变电路相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。4.3.1PWM控制的基本思想1）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形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数 f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)4.3.1PWM控制的基本思想b)冲量相等的各种窄脉冲的响应波形具体的实例说明 “面积等效原理”a）e(t)－电压窄脉冲，是电路的输入。i(t)－输出电流，是电路的响应。Ouωt>SPWM波4.3.1PWM控制的基本思想Ouωt>如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ouωt>4.3.1PWM控制的基本思想若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。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ouωt>4.3.1PWM控制的基本思想OwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。4.3.1PWM控制的基本思想等幅PWM波输入电源是恒定直流第3章的直流斩波电路本节的PWM逆变电路不等幅PWM波输入电源是交流或不是恒定的直流OwtUd-UdUoωt4.3.1PWM控制的基本思想PWM波可等效的各种波形直流斩波电路直流波形SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:所需波形等效的PWM波4.3.2PWM逆变电路及其控制方法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。PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种。实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。(1）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。本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。Ouωt>Ouωt>4.3.2PWM逆变电路及其控制方法工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。(2）调制法单相桥式PWM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4.3.2PWM逆变电路及其控制方法单相桥式PWM逆变电路Uo正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断。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。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可得-Ud和零两种电平。(2）调制法4.3.2PWM逆变电路及其控制方法(2)调制法-单极性控制方式urucuOwtOwtuouofUd-Ud在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。4.3.2PWM逆变电路及其控制方法(2)调制法-单极性控制方式ur正半周，V1保持通，V2保持断。当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud。当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud。当uruc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。当ur0，VD2和VD3通，uo=-Ud。图7-7双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。4.3.2PWM逆变电路及其控制方法(2)调制法-双极性控制方式（单相桥）双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。4.3.2PWM逆变电路及其控制方法(2)调制法1）用模拟器件实现，称为模拟控制方法；2）用数字器件实现，称为数字控制方法。数字控制方法有分为三种：a.微处理机通过软件生成SPWM波；b.使用专门用于SPWM控制的集成电路芯片产生SPWM波形；c.采用微处理机和专用集成电路相结合的方法，共同完成控制功能。目前，SPWM控制大多使用后两种方法。SPWM波形的生成方法分为：4.3.2PWM逆变电路及其控制方法模拟电子电路4.3.2PWM逆变电路及其控制方法三相桥式PWM型逆变电路三相的PWM控制公用三角波载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°(2)调制法-双极性控制方式（三相桥逆变）4.3.2PWM逆变电路及其控制方法ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVOttttt?t4.3.2PWM逆变电路及其控制方法输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。防直通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。ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud三相桥式PWM型逆变电路三相桥式PWM逆变电路波形4.3.2PWM逆变电路及其控制方法4.3.3异步调制和同步调制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。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，脉冲不对称。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载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr1）异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式4.3.3异步调制和同步调制2）同步调制——载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud同步调制三相PWM波形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。4.3.3异步调制和同步调制3）分段同步调制——异步调制和同步调制的综合应用。把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的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。分段同步调制方式举例3）分段同步调制载波比N值的选定与逆变器的输出频率、功率开关器件的允许工作频率以及所用的控制手段都有关系。为了使逆变器的输出尽量接近正弦波，应尽可能增大载波比，但若从逆变器本身看，载波比又不能太大，应受到下述关系式的限制，即分段同步调制虽然比较麻烦，但在微电子技术迅速发展的今天，这种调制方式是很容易实现的。当利用微机生成SPWM脉冲波形时，还应注意使三角载波的周期大于微机的采样计算周期。4.3.3异步调制和同步调制4）混合调制可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。但实现较容易。4.3.3异步调制和同步调制4.3.4PWM逆变电路的谐波分析使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量。谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一。分析以双极性SPWM波形为准。同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制方式。分析过程复杂，但结论简单而直观。4.3.4PWM逆变电路的谐波分析c+kr)角频率(nww1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅0.20.40.70.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0不同调制度 a时单相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图。1）单相的分析结果谐波角频率为:式中，n=1,3,5,…时，k=0,2,4,…；n=2,4,6,…时，k=1,3,5,…PWM波中不含低次谐波，只含wc及其附近的谐波以及2wc、3wc等及其附近的谐波。单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图4.3.4PWM逆变电路的谐波分析2）三相的分析结果公用载波信号时的情况输出线电压中的谐波角频率为式中，n=1,3,5,…时，k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；n=2,4,6,…时，1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.70.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率(nwc+kwr)三相逆变电路输出线电压频谱图谐波振幅4.3.4PWM逆变电路的谐波分析1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.70.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0三相逆变电路输出线电压频谱谐波振幅1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅0.20.40.70.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0单相逆变电路输出电压频谱三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率wc整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是wc±2wr和2wc±wr。SPWM波中谐波主要是角频率为wc、2wc及其附近的谐波，很容易滤除。4.3.5PWM跟踪控制技术前面所述的PWM控制技术都是以输出电压近似正弦波为目标的。但是，在交流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。最常用的电流跟踪式PWM逆变器是电流滞环跟踪控制。1)电流跟踪型PWM变流电路滞环比较方式电流跟踪控制举例基本原理电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入。将给定电流i*与输出电流i进行比较，电流偏差i超过时h，经滞环控制器控制逆变器上（或下）桥臂的功率器件动作。V1（或VD1）通时，i增大V2（或VD2）通时，i减小4.3.5PWM跟踪控制技术如果i

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