电力电子技术_课件_第7章_PWM控制技术

7.1.4混合动力电动汽车对电力电子 技术的要求
受实际运用条件的限制，要求混合 动力电动汽车用电力电子技术及装置应 具有成本低、体积小、比功率大、易于 安装的特点。除此之外，下面的技术细 节需进行重点考虑:
(1)电力电子装置密封问题 (2)电磁兼容/ 电磁干扰(EMC/EMI)问 题
(3)直流母线电压利用问题 (4)电力电子装置控制问题
图7-2 混联工作方式
7.1.3电气系统结 构及各部分电力 电子装置
图7-3 Prius THSⅡ整车电气系统结构
下面主要介绍功率控制单元的结构 组成和主要作用 。
1．电动机/发电机用逆变器单元 2．DC-DC 升压变换器单元 3．DC-DC 降压变换器单元
图7-4 功率主回路示意图
图7-5 Prius THSⅡ可变压系统电路结构图
图7-15 带双向变换器的独立光伏发电系统电路图
图7-11 太阳能光伏发电系统
(1)独立光伏发电系统
图7-12所示为一种常用的太阳 能独立光伏发电系统结构示意图， 该系统由太阳能电池阵列、DC/DC 变换器、蓄电池组、DC/AC逆变器 和交直流负载构成。
图7-12 独立光伏发电系统
(2)并网光伏发电系统
图7-13所示一种常用的并网光伏发 电系统结构示意图，该系统包括太阳能 电池阵列、DC/DC变换器、DC/AC逆变 器、交流负载、变压器，另外该系统可 根据需要在DC/DC变换器输出端并联蓄 电池组，以用于提高系统供电的可靠性， 但系统成本将增加。
7.2半导体照明技术
LED光源与传统光源相比较，具有 如下的优点：超长寿命，可达几万小时， 传统光源一般为几千小时；结构坚固， 没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，具 有极高的抗震性能；响应速度快，光通 上升时间短；对点灯线路要求低，易实 现调光和智能控制；耐开关冲击，适用 于频繁开关场合；高效节能，现有光效 已经超过白炽灯，理论光效可达200 lm/W ；不含汞、铅等有害物质，没有 双向变换器的独立光伏发电 系统结构框图如图7-14所示。该系 统主要包括几个部分：太阳能电池 阵列、BOOST变换器（升压变换 器）、负载、双向BUCK-BOOST 变换器（升降压变换器）、蓄电池 以及控制电路，如图图7-15所示。

2.1 交-交变频器
❖ 交-交变频器直接把恒压恒频（Constant Voltage Constant Frequency，简称CVCF）的交流电源变换成变压变频
（VVVF）的交流电源，又称为直接变频装置。有时也 称作周波变换器(Cycloconveter）。
CVCF
VVVF
AC
交－交变频
AC
50Hz~
uIV =U dm co IsV
式中，Udm 是整流组输出的最高直流电压。
w 当I组开放时， uA =uI 即 U Am sin t= U dc moIs
于是
I
=ar
c(cUoAsm siw nt)
Udm
IV= I
对于三相交-交变频器，B、C两相的期望输出电压应与A相的 正弦输出电压大小相同，相位上互差120，各整流组的控制 角必须按照本相输出电压的要求运算获得。
❖ 鉴于以上各方面的特点，交-交变频器特别适用于 低速、大容量的调速系统，如轧钢机、球磨机、 水泥回转窑等。这类机械由交-交变频器供电的低 速电机直接拖动，可以省去庞大笨重的齿轮减速 箱，极大地缩小装置的体积，减少日常维护，提 高系统性能。
这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装 置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内 有些企业已有可靠的产品。
iC
输出电压可表示为：
图2-6 矩阵式交-交变频器的简化结构
uA SAa SAb SAcua uB=SBa SBb SBcub uC SCa SCb SCcuc
❖ 在纯电阻性负载下，MC的最高输出频率可达300Hz以上，在电动机 负载下，也能达到额定频率以上，但最高输出电压有一个限制。当要 求输出电流为正弦波并采用高频调制时，最高输出电压为输入电压的 0.866倍。

2U d a5 (1 2 cos 5a1 2 cos 5a 2 2 cos 5a 3 ) 0 5 2U d a7 (1 2 cos 7a1 2 cos 7a 2 2 cos 7a 3 ) 0 7 a1 2U d (1 2 cos a1 2 cos a 2 2 cos a 3 )
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
15

a1
2Ud

(12cos1
2cos2
2cos3)

a5
2Ud
5
(12c
os51
2cos52
2cos53)
0

a7
2Ud
7
(12c
os71
2cos72
2cos73)
0
回目录
PWM控制技术的实现
特定谐波消除PWM（SHEPWM）的实现
u r1
ur uc
u
O
t
回目录
图 6-18
PWM控制技术的实现
SPWM的改进
u 1
O
改进2：加入电压为
-1 uP
O
-0.5
u p mu irU n ,u r1( V ,u r 1W ) 1 1
u 1
的直流分量降低开关频率
O
-1 uUN'
Ud 2
O

Ud 2
uVN'
O uWN'
O
uUV Ud
PWM调制技术介绍
吴学智
2019年6月26日
目录 PWM控制技术的基本原理 PWM控制技术的实现方式 PWM控制技术的应用实例 总结
回目录
PWM控制技术的基本原理
PWM控制——脉冲宽度调制技术
1、目的：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），实现波形重组
2、应用场合：逆变电路、脉冲整流、矩阵变换器、直 流斩波、斩控式交流调压
+ fT* -
fT
ferr
f/V
Udc
+ i*
ierr
S
u, i

3.7 直流变换电路的PWM控制技术
2、调制法： 采用等腰三角波作为载波（其任一点水平宽度与高度呈 线性关系且左右对称），将输出波形作调制信号，等腰三角 形与任一平缓变化的调制信号波相交，与各交点对应就得到 宽度正比于信号波幅值的脉冲，这一系列的脉冲就是控制开 关器件通断的PWM驱动信号。
3.7 直流变换电路的PWM控制技术
电力电子技术(第5版) 第3章 直流变换电路
3.7 直流变换电路的 PWM控制技术
3.7 直流变换电路的PWM控制技术
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。
产生PWM控制脉冲的方法有很多，常用的有计算法和调制 法。
1、计算法 根据需要得到的电压或电流波形频率、幅值和周期脉冲 数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制电力电子 电路开关器件的通断，就可得到所需的PWM波形。但这种方 式的计算工作量很大，且繁琐，在实际中很少采用。
图3.7.1 直流PWM调制电路与调制信号波形
பைடு நூலகம்
等腰三角波与直流信号波调制，所得到的便是与直流调制信号等效 的直流PWM波形。如图3.7.1所示，只要调节直流调制信号ur 的大小， 就可以改变PWM波脉冲的宽度。
直流PWM控制方式就是用ug对直流变换电路开关器件的通断进行控 制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，如果这些脉冲的频率不变而 宽度变化，经过滤波器后就能得到大小可调的直流电压。当然，三角载 波uc的频率越高，开关器件的通断频率也越高，就越容易得到纹波小的 直流电压。

需求分析
明确控制目标和控制参数，分析 系统的约束条件和性能要求。
系统集成与测试
将PWM控制器与被控对象集成在 一起，进行系统测试和验证，确 保满足设计要求。
PWM控制器设计的实例
01
02
03
直流电机调速系统
采用PWM控制器实现直 流电机的调速控制，通过 调节占空比实现电机转速 的调节。
LED亮度调节
PWM控制技术的应用领域
总结词
PWM控制技术广泛应用于电机控制、电 源管理、照明控制等领域。
VS
详细描述
PWM控制技术在许多领域都有广泛的应 用，其中最常见的是电机控制领域。通过 PWM控制技术，可以精确地调节电机转 速和转矩，实现电机的高效运行。此外， PWM控制技术在电源管理领域也得到了 广泛应用，如开关电源、充电器等。在照 明控制领域，PWM控制技术可以实现 LED灯的亮度调节，提高照明质量和节能 效果。此外，PWM控制技术还应用于音 频信号处理、温度控制等领域。
采用PWM控制器实现LED 亮度的调节，通过调节占 空比实现LED亮度的变化 。
温度控制系统
采用PWM控制器实现温 度的控制，通过调节加热 元件的通断时间实现温度 的调节。
05 PWM控制技术的优缺点
PWM控制技术的优点
高效节能
PWM控制技术可以根据实际需求调 整输出功率，避免了能量的浪费，从 而实现节能。
脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）：通过调节脉 冲宽度来改变输出电压或电流的大小 。
脉冲密度调制（Pulse Density Modulation，PDM）：通过调节脉 冲密度来改变输出电压或电流的大小 。
频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）：通过改变脉 冲频率来改变输出电压或电流的大小 。

此时为单脉冲情况,则
基波幅值 : uAB1m 4Ud ,有效值 : uAB1 4Ud sin t
7
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
8
– 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
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
14
电压型逆变电路一览表
项目名称 调频性能
单相半桥逆 变电路
能
单相全桥逆 中心抽头逆 三相全桥逆 单相SPWM逆变电
变电路
变电路
变电路
路
能
能
能
能
调压性能
输出电压基 波幅值（相
电压）
不能 0.637Ud
能
能
能
1.274Ud 1.274Ud 0.637Ud
100Ah*0.1c=以10A放电共可放10小时
20
7.2.4 PWM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 • 分析方法
十分少见 – 第5章未涉及到PWM控制技术，对逆变电路的介绍不完
整。学完本章才能对逆变电路有较完整的认识
27
第7章
小结
• PWM控制技术用于整流电路
– PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路 – 可看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸 – PWM整流电路已获得了一些应用，并有良好的应用前景 – PWM整流电路作为对第2章的补充，可使我们对整流电路有

谐波含量低，减少对电网污染；
体积小、重量轻、动态响应快。
二、基本原理
控制目标：使交流侧电 流与电压同相位
u N (t ) 2U N sin t
i N (t ) 2I N sin t
Pd (t ) ud (t ) id (t ) PN (t ) u N (t ) iN (t ) U N I N (1 cos 2t )
+
IN uN
LN us
T2
A
T4
2
L2 Cd C2 ud
B
4
D D 变流器工作模式及能流关系（网压 uN (t) 为正半波时）
图7.6 单相电压型PWM整流器的主电路图
T1
T3 D1 D3
+
IN uN
LN us
u C 变流器工作模式及能流关系（网压 uN (t) 为正半波时） B C T T
d d
CN
Ld Id
T1
T3
负 载
T2
T4
图7.15 电流型单相PWM整流器
与电压型类似，根据各功率器件的工作状态及能量流 向，变流器的工作模式也可分成3类12种模式： （1）电源断接（us=0）：电源与CN交换能量（4种） （2）整流：变流器从交流电源或CN吸收能量（4种） （3）逆变：变流器向交流电源或CN泄放能量（4种）
1、直接电流控制——电流跟踪控制
双闭环控制系统 根据外环的比较结果确定参考电流幅值和极性
根据内环的比较结果确定功率开关的通/断状态 特点： 控制系统简单； u 电流响应快； + u 开关频率不固定， 滤波困难。
* d
iaibic
-
PI
id