电力电子变流技术 第 二十九 讲 主讲教师：隋振　　　　　　　　　　　　　　　　学时：32.

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1 电力电子变流技术 第 二十九 讲 主讲教师：隋振　　　　　　　　　　　　　　　　学时：32

2 第十章 PWM控制技术 引言 10.1 PWM控制的基本原理 10.2 PWM逆变电路及其控制方法

3 第十章 PWM控制技术• 引言 PWM (Pulse Width Modulation)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)。 到PWM控制，直流斩波电路采用的就PWM技术；

4 第十章 PWM控制技术• 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。

5 10.1 PWM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 图10-1 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 O a)矩形脉冲 b)三角形脉冲 c)正弦半波脉冲

6 10.1 PWM控制的基本思想 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 SPWM波 > > > ωt ωt ωt
O u ωt > SPWM波 O u ωt > O u ωt >

7 10.1 PWM控制的基本思想 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 SPWM波
O u ωt > SPWM波 O u ωt > O u ωt > 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。

8 10.1 PWM控制的基本思想 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：
O w t U d -U 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。 O w t U d -

9 10.1 PWM控制的基本思想 不等幅PWM波 等幅PWM波 输入电源是恒定直流 输入电源是交流或不是恒定的直流 ω t U U O w t
d - U o ω t

10 10.1 PWM控制的基本思想 2）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

11 10.2 PWM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。
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。

12 10.2 PWM逆变电路及其控制方法 调制法 异步调制和同步调制 计算法

13 电力电子变流技术 第 三十 讲 主讲教师：隋振　　　　　　　　　　　　　　　　学时：32

14 10.2.1 调制法 2）调制法 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。
调制法 2）调制法 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。 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10－2 单相桥式PWM逆变电路

15 10.2.1 调制法 2）调制法 V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0
调制法 2）调制法 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。 图10－2 单相桥式PWM逆变电路

16 10.2.1 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。
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。 u r c O w t o of U d - ur正半周，V1保持通，V2保持断。 当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud 。 当ur<uc时使V4断，V3通，uo=0 。 ur负半周，请同学们自己分析。 图10-3 单极性PWM控制方式波形

17 当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud 。 当ur<uc时使V4断，V3通，uo=0 。
ur正半周，V1保持通，V2保持断。 当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud 。 当ur<uc时使V4断，V3通，uo=0 。 u r c O w t o of U d -

18 10.2.1 调制法 3）双极性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。
调制法 3）双极性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。 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，其幅值只有±Ud两种电平。 同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。 ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。 u r c O w t o of U d - 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 。 当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。 如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud 。 图10-4 双极性PWM控制方式波形

19 10.2.1 调制法 当ur >uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。
调制法 当ur >uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。 当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。 u r c O w t o of U d - 图10-4 双极性PWM控制方式波形

20 调制法 图10-5 单极性PWM控制方式波形 u r c O w t o of U d - 图10-6 双极性PWM控制方式波形 u r c O w t o of U d - 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。

21 10.2.1 调制法 载波比：载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr
调制法 图10-5 单极性PWM控制方式波形 u r c O w t o of U d - 图10-6 双极性PWM控制方式波形 u r c O w t o of U d - 载波比：载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr 调制度：信号幅值Ar与载波幅值Ac之比，a=Ar/Ac，0≤a<1

22 电力电子变流技术 第 三十一 讲 主讲教师：隋振　　　　　　　　　　　　　　　　学时：32

23 10.2.1 调制法 所得交流电： 1、频率：取决于信号波频频率fc 2、电压：由调制度a和直流电源电压共同决定，调制度
调制法 图10-5 单极性PWM控制方式波形 u r c O w t o of U d - 图10-6 双极性PWM控制方式波形 u r c O w t o of U d - 所得交流电： 1、频率：取决于信号波频频率fc 2、电压：由调制度a和直流电源电压共同决定，调制度 a相当于正弦波幅值处的占空比，故有：

24 10.2.1 调制法 4）双极性PWM控制方式（三相桥逆变） 三相的PWM控制公用三角波载波uc
调制法 4）双极性PWM控制方式（三相桥逆变） 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° 图10-7 三相桥式PWM型逆变电路

25 10.2.1 调制法 下面以U相为例分析控制规律： 当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2。
调制法 u c rU rV rW UN' VN' WN' UN UV U d - O ? t 2 3 下面以U相为例分析控制规律： 当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2。 当urU<uc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN’=-Ud/2。 当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。 uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平。 uUV波形可由uUN’-uVN’得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=－Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。 图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形 图10-8 三相桥式PWM型逆变电路

26 10.2.1 调制法 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。
调制法 u c rU rV rW UN' VN' WN' UN UV U d - O ? t 2 3 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 同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。 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。 图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形 图10-8 三相桥式PWM型逆变电路

27 10.2.2 异步调制和同步调制 载波比 载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr
异步调制和同步调制 载波比 载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr 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。 1） 异步调制 载波信号和调制信号不同步的调制方式 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，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 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

28 10.2.2 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。
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。 u c rU rV rW UN' VN' O t WN' 2 U d - 图10-9 同步调制三相PWM波形 基本同步调制方式，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。

29 10.2.2 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。
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。 图 分段同步调制方式举例 为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。 同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。 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。

30 计算法 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。

31 规则采样法 u c O t r T A D B o d ' 2 图 规则采样法 1）自然采样法： 按照SPWM控制的基本原理产生的PWM波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。 2）规则采样法 工程实用方法，效果接近自然采 样法，计算量小得多。

32 10.2.3 规则采样法 三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc 。 自然采样法中，脉冲中点不和三角波(负峰点)重合。
规则采样法 u c O t r T A D B o d ' 2 图6-12 规则采样法 规则采样法原理 三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc 。 自然采样法中，脉冲中点不和三角波(负峰点)重合。 规则采样法使两者重合，使计算大为减化。 如图所示确定A、B点，在tA和tB时刻控制开关器件的通断。 脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。

33 10.2.3 规则采样法 规则采样法计算公式推导 正弦调制信号波 a称为调制度，0≤a<1； wr为信号波角频率 从图, (10-6)
规则采样法 规则采样法计算公式推导 u c O t r T A D B o d ' 2 图 规则采样法 正弦调制信号波 a称为调制度，0≤a<1； wr为信号波角频率 从图, (10-6) 三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度 (10-7)

34 10.2.3 规则采样法 3）三相桥逆变电路的情况 三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120°
规则采样法 3）三相桥逆变电路的情况 三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120° 同一三角波周期内三相的脉宽分别为dU、dV和dW，脉冲两边的间隙宽度分别为d´U、d´ V和d´ W，同一时刻三相调制波电压之和为零，由式(10-6)得 由式(10-7)得 利用以上两式可简化三相SPWM波的计算 (10-8) (10-9)

35 学习要点 基本概念 整流：将交流电变成直流电的过程称整流，实现整流变换的电路称整流电路，如果在整流过程中，能够对输出电压、电流进行控制，称可控整流 逆变： 有源逆变及无源逆变的区别 触发角 导通角 逆变角 换相重叠角

36 自然换相点 逆变失败（颠覆） 交流调压 斩波 载波比 调制度 同步调制 异步调制 单边调制 双边调制

37 基本原理和基本计算 晶闸管的导通条件 单相、三相、半波、全波、全桥可控整流电路，电阴性负载和电阻——电感性负载工作原理，晶闸管最大正反向电压输出电压、电流计算公式等 有源逆变及其产生的条件 （有源）逆变失败（颠覆）的原因 三相桥对触发脉冲的要求（双脉冲） PWM斩波计算公式（升压型、降压型） SPWM逆变中的基本计算公式

38 电力电子变流技术 第 三十二 讲 主讲教师：隋振　　　　　　　　　　　　　　　　学时：32

39 例题： 填空题 晶闸管导通的条件有 正向电压（正偏） 、 触发 。
晶闸管导通的条件有 正向电压（正偏） 、 触发 。 三相半波可控整流电路中，设相电压有效值为U2，纯电阻性负载，晶闸管所承受的最大正、反向电压分别为 、 。 单相桥式可控整流电路的自然换相点是 电压波形过零点 、三相半波可控整流电路的自然换相点是 相电压波形交点 。 三相逆变电路中，逆变角β与触发角α的关系是 β+ α = 。

40 单相交流调压电路中，若负载电阻为R、电感为L，则负载的功率因数角 ，触发角与应满足的关系为 .
晶闸管并联的主要目的是为了 提高电流承载能力 ，但需防止 电流分配不平均 。 三相桥式全控整流电路，电阻——电感负载，负载电阻R=10Ω，电感L足够大，变压器二次侧线电压U2L=220V，触发角a=60°，则输出电压平均值为 ,电流平均值为 。

41 回答下列问题 试列出三种以上的电力电子器件，并给出每种器件的图形符号、简单工作原理及特性。 有源逆变和无源逆变有哪些相同点和不同点？

42 4.1 逆变的概念 有源逆变 交流电网 直流电源 整流 有源逆变： 无源逆变 存在交流电源 向交流侧传输能量 交流侧电压、频率固定 交流电源
4.1 逆变的概念 有源逆变 交流电网 直流电源 整流 有源逆变： 无源逆变 存在交流电源 向交流侧传输能量 交流侧电压、频率固定 交流电源 无源逆变： 原本无交流电源，通过逆变得到 向交流侧接负载，向负载传输能量 交流侧电压、频率可变 交流负载

43 晶闸管可控整流装置的触发电路由哪些基本环节组成？
有源逆变产生的条件有哪些？ 1、触发角大于90 2、有直流电动势源，方向与晶闸管导通方向相同 3有电感 晶闸管可控整流装置的触发电路由哪些基本环节组成？ 触发电路主要环节：同步、移相、脉冲生成、隔离驱动

44 4.7 变流电路的触发电路 触发电路作用：按工作要求，产生脉冲 可控整流/有源逆变 交流 直流 同步 移相 脉冲生成 隔离驱动
变流电路的触发电路 触发电路作用：按工作要求，产生脉冲 可控整流/有源逆变 交流 直流 同步 移相 脉冲生成 隔离驱动 触发电路主要环节：同步、移相、脉冲生成、隔离驱动

45 变压器漏抗对可控整流——有源逆变电路有哪些影响
1、换相过程不能瞬时完成，而是需要一段时间（换相重叠角） 2、在换相其间，存在两相同时导通的情况，使平均电压降低 3、在逆变时，如果触发角过大（逆变角过小），当逆变角小于换相重叠角时，换相过程不能完成，引起换相指失败，进而造成逆变失败

46 画图 画出三相半波可控整波电路，电阻——电感性负载时，电路图及触发角a=60度时的电压波形图，给出输出电压的计算公式 u i O w t d
b c O w t

47 画图 在下面给出的坐标上，画出三相桥式全控整流电路中，6个晶闸管触发脉冲（双窄脉冲）的相对关系图（图中虚线为辅助线，便于对齐） VT1

48 画图 在三相半波可控整电路中，如果一个晶闸管的触发脉冲消失，会出现什么情况，试画图说明

49 1）画出由晶闸管组成的三相半波有源逆变电路图、（2）描出β＝60°时Ud 波形（设电流连续）；（3）试列举几种（3种以上）导致逆变失败的原因。（10分）