第七章 PWM控制 技术电力电子技术

电力电子技术第五版

第7章

PWM控制技术

7.1 PWM控制电压型逆变电路前面介绍的两种逆变电路均采用θg=л的单脉冲控制，虽然控 制电路简单，但从傅立叶级数分析可看出，输出电压中谐波分量 很大，尤其3、5、7次谐波，这些谐波分量的存在将严重影响逆 变器的效率和负载的可靠性，因此，消除谐波是逆变控制电路的

主要任务之一。目前消除谐波的主要办法采用PWM控制。

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根据形成PWM波原理的不同，PWM可分为： 矩形波PWM(或称等宽多脉冲PWM) 正弦波PWM(SPWM) 按谐波抑制原理的PWM(电力有源滤波器) 自适应电流控制PWM

后三种逆变电路具有调压及显著改善输出电压质 量的功能。

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7.1.1采用矩形波调制的单相逆变电路 结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明V1 Ud + V2 VD2 信号波 载波 ur uc 调制 电路 VD1 R uo V3 VD3 L V4 VD4

图7-4 单相桥式PWM 逆变电路

控制规律： 图6-4 工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补 以uo正半周输出为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断 负载电流为正时： 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 负载电流为负时： VD1和VD4续流通过,此时uo等于Ud V4关断后,通过V3和VD1续流,此时uo=0 uo总可得到Ud和零两种电平

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uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通 断 uo同样可得-Ud和零两种电平

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由图可见门极脉冲的状态分布：

输出电压正半波 (0<ωt<π),ug1=const,ug4=0,ug2和ug3按载 频fc交替出现，即(V1T3)和(T1V2)交替出现。 输出电压负半波(π<ωt<2π), ug2=ugm,ug3=0,ug1和ug4按载波频率fc交替出 现→(T2T4)和(D1T2)交替出现。

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矩形波调制方式： 任何瞬间输出电压UAB脉宽为τ=const, 设UAB在0—π区间共包含i个脉冲，其前后沿相角分别为α1, α2,α2i,通过控制电压波形,使之成为奇函数,且对称于π/2轴, 则UAB的富氏级数无余弦项和偶次项,且有An=0,故:uAB Bn sin nwt |n 1,3,5...n

式中 : Bn

2

0

2Ud i uAB sin td t (cos n 2 j 1 cos n 2 j ) n j 1

2Ud i 故 : uAB [ (cos n 2 j 1 cos n 2 j )] sin n t | n 1,3,5.. n j 1 n 令 : n 1, 2 , 1 0, 2 1 此时为单脉冲情况, 则 基波幅值 : uAB1m 4Ud 2 2Ud

, 有效值 : uAB1

7

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右图为不同mf和г 值下的各谐波分量 的变化情况 mf:―频率调制比 mf=T/Tc=fc/f fc: 载波频率 f:调制波频率 右边实线mf=20

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– mf值较低时，谐波含量仍很高 – mf值较高时，谐波含量有所下降，但对低次谐 波影响很小。

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7.2 采用正弦波调制( SPWM)逆变电路u ur

u

c

O

t

u U

o d

u

of

u

o

O - U

t

d

图6-6 用某

一频率的低频正弦波信号(调制波)与一个频 率较高的三角波相比较得到各个晶体管(开关管)的控制 信号，从而得到该频率的正弦输出电压波形。

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2. 采用正弦波调制( SPWM)逆变电路

图5-13(c)

图中：fc:载波频率，即三角波UC的开关频率 f1:调制频率，正弦控制电压US的频率， 用于调制开关占空比11

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Ur>UC:T1,T3导通,T2,T4截止,UAB=Ud Ur<UC:T2,T4导通,T1,T3截止, UAB =-Ud 可以证明:用SPWM控制后,只要三角波载波频率相对正弦 波调制频率足够高,在一个三角波周期中输出电压的平均值正 比于正弦波控制电压的平均值(即正比于ma),所以,输出电压 在一个三角波周期中输出电压的平均值按正弦波规律变化.12

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由图可看到：(1)、基波分量的幅度UAB1m=maUd,故UAB1m随ma线性变化。 (0<ma<1).即逆变器的输出电压随ma可调。 (2)、逆变器输出电压中的谐波分量更集中在开关频率fc及其

倍频数2fc,3fc等中心的周围，形成边带谐波频率：

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(3)、谐波电压的幅度随开关次数的增加而迅速减少 (4)、当mf为奇数时，输出波形奇函数对称，故仅有奇 次谐波。

输出电压的傅立叶级数表达式可参考《电力 电子技术基础》机械工业出版社 林谓勋

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电压型逆变电路一览表项目名称

单相半桥逆 变电路

单相全桥逆 中心抽头逆 三相全桥逆 变电路 变电路 变电路

单相SPWM逆变电 路

调频性能 调压性能

能 不能

能 能

能 能

能 能

能 能

输出电压基 波幅值(相 电压)开关管承受 正向压降 谐波成份 开关管数量 控制电路 电路成本

0.637UdUd 高 2

1.274UdUd 高 4

1.274Ud2Ud 高 2

0.637UdUd 中 6

1.274UdUd 低 4

简单 低

复杂 中

最简单 低

复杂 中

最复杂 高15

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7.3

不间断电源(UPS)

不间断电源又称UPS(Uninterrupted Power Supply), 目前 主要应用于IT领域, 为IT设备提供不间断的供电电源。 1、UPS分类 A、按输入电源分：直流UPS和交流UPS B、按输出波形分：方波UPS和正弦波UPS C、按电源相数分：单进单出 三进单出 三进三出 D、按电路组成原理分： 在线式和后备式 E、按电池供电时间分：标准机(15min),长延时(30min)