淺談PWM控制技術在電氣傳動系統的應用

毛兵，彭繼明

（攀鋼集團攀鋼釩冷軋廠，四川 攀枝花 617000）

1 前言

在電氣傳動系統中，因電機種類的不同，主要分為直流傳動和交流傳動，眾所周知，由于直流傳動系統的電機結構復雜、成本高、故障頻發、維修保養費用貴等眾多運行缺陷，已經逐步被市場所淘汰，交流傳動系統借助GTO（可關斷晶閘管）、BJT或GTR（電力雙極型晶體管）、Power-MOSFET（電力場效應管）、IGBT（絕緣柵極雙極型晶體管）、IGCT（集成門極換流晶閘管）等這些全控型功率元器件的迅猛發展，已經逐步完全取代直流傳動系統，占據電氣傳動系統的主導地位，這些全控型的晶閘管和晶體管可以通過門極來控制導通和關斷晶閘管或晶體管，并且其開關頻率可以達到非常高，使其輸出的電流、電壓波形可以接近或類似直流傳動系統輸出的波形，在目前的工業電氣化設備實施中，PWM脈寬調制技術已經廣泛應用于交流傳動系統的整流和逆變、UPS電源系統和各種電源濾波系統和裝置中，并且經過更深入的研究和應用。目前已經不僅應用于逆變技術，還廣泛應用于整流回路，在整流回路中采用對全控型功率元器件進行PWM脈寬調制控制技術，能夠讓電網端的輸入電流波形近似正弦波，同時讓功率因數接近為1，達到大大降低直至解決整流裝置對電網的諧波污染問題。加上由PWM整流單元和PWM逆變單元組成的電壓型變頻裝置不需要增加任何附加電路和元器件，就能夠控制電能的雙向傳輸，做到真正意義上的四象限運行。

2 PWM脈沖寬度調節和控制技術基本工作原理

在信號采樣的控制理論中，已經得出一個基本結論，脈沖沖量相等而脈沖形狀不相同的脈沖加在慣性控制環節上，其控制效果是基本相等的。脈沖沖量指的是脈沖的面積大小。控制效果基本相等指的是該慣性控制環節的輸出響應波形形狀和大小是一樣的。如果對輸出波形采用傅里葉變換技術進行分析，可以發現，它們在低頻率段的特性比較接近，僅僅在高頻率段有細微差異。各種脈沖形狀如圖1所示，圖1a）為矩形波形狀脈沖，圖1b）為三角形波形狀脈沖，圖1c）為正弦半波形狀脈沖，它們的脈沖面積都等于1。如果把它們分別加在具有相同慣性控制環節上，其輸出的響應波形是一樣的。脈沖寬度越窄其輸出的差值就愈小。

圖1 各種脈沖形狀圖

以上PWM脈沖寬度調節和控制工作原理是我們分析波形的理論基礎。下面就分析用一系列幅值相同而寬度不同的脈沖如何代替正弦波的半波，把圖2-1的半波波形分成N多個寬度相同的等份，就可以把半波波形看成由N多個彼此相連但寬度不同的脈沖組成。這些脈沖沖量相等，都等于π/N，但幅值各不相同，并且脈沖頂部不是一條直線，而是一條曲線，各脈沖的幅值根據正弦波的規律發生變化。假如把以上脈沖用數量和幅值相同而寬度不同的矩形脈沖來替代，讓矩形脈沖的中間點和對應正弦波等分的中間點相重合，并且讓矩形脈沖和對應正弦波的面積相等，就得到圖2-2的脈沖波形，這就是我們所說的PWM調制波形。從以下圖中可以看出，每個脈沖波的寬度是依照正弦波的規律來發生變化的。按照脈沖沖量相等，其輸出的波形效果也是相同的基本原理，PWM調制后的波形和正弦半波波形是等效的。同樣對正弦波的負半周采用同樣的方法可以得到PWM調制波形，按照面積等效基本工作原理，得到一個正弦波周期的等效PWM調制波如圖3所示。所以PWM脈沖寬度調節和控制技術就是通過全控型的晶閘管和晶體管進行觸發控制，在改變頻率的同時對輸出電壓也進行控制。PWM脈沖寬度調節和控制就是利用電氣傳動設備主回路中安裝的全控型功率元件，由控制回路按照需要的規律來控制全控型功率元件的導通和關斷，從而在電氣傳動設備的輸出側得到一組幅值相同而寬度不同的矩形脈沖波，使其近似等效于我們需要的正弦電壓波形。

圖2 正弦波的等效PWM波形圖

圖3 PWM控制的基本原理示意圖

3 PWM控制技術在整流回路的應用

（1）下面就單相全控整流橋的PWM進行分析：如圖4所示，該圖為單相全控整流橋主電路典型電路圖，用正弦波信號和三角波信號對比方法對圖中的D1、D2、D3、D4來進行脈沖寬度調節和控制，就可以在整流橋的交流側A-B之間生成一個SPWM調制波UA-B，UA-B中包含和正弦波同頻同幅值成比例的基波分量，以及和三角波相關的頻率很高的諧波分量，同時沒有低次諧波分量。加上Ls電抗器的濾波功能，諧波電壓造成Is電流產生很小的脈動現象，當正弦波頻率與輸入電源頻率相同時，Is電流為輸入電源的頻率相同的正弦波形。當Us電壓一定時，Is電流的相位和幅值只由UA-B中的基波分量UA-B-f的大小和其與Us電壓的相位差來決定。改變UA-B-f的相位和大小，就可以讓Is電流和Us電壓相位反相或相同，Is電流相位比Us電壓電壓超前90度，或者讓Us和Is相位差為我們所需要的角度。

圖4 單相全控整流橋主電路

（2）單相全控整流橋PWM脈沖寬度調節和控制整流回路四象限運行和相量分析。

整流狀態：如圖5，UA-B滯后Us電壓相角為δ，Is電流和Us電壓的相位相同，此時，電路工作在整流狀態，功率因數等于1，為PWM脈沖寬度調節和控制整流回路基本狀態。

圖5 整流狀態時相量圖

逆變狀態：如圖6所示，UA-B電壓超前Us電壓相角為δ，Us電壓和Is電流相位相反，此時，電路工作在逆變狀態。說明PWM脈沖寬度調節和控制整流回路能夠實現電能正向和反方向兩個方向的流動。

圖6 逆變狀態時相量圖

無功補償運行狀態：如圖7，UAB滯后Us相角δ，Is超前Us 900，此時，電路處于無功補償運行狀態。說明電路向交流電源送出無功功率，這時稱為靜止無功功率發生器。

圖7 無功補償狀態時相量圖

超前角運行狀態：如圖8，通過對UAB幅值和相位的控制，可使Is比Us超前或滯后任意角度ψ。

圖8 超前角狀態時相量圖

4 PWM脈沖寬度調節和控制技術在逆變電路的應用

現有中小功率的逆變器電路基本上都采用PWM脈沖寬度調節和控制技術，PWM逆變電路主要有電壓和電流兩種型式，現有的PWM脈沖寬度調節和控制逆變電路基本上都是電壓型。下面就PWM的控制方法進行簡單介紹。

（1）調制法：根據我們希望得到輸出的波形作為調制控制信號，把接收的調制控制信號作為載波，通過對控制信號波形的調節和控制得到所希望的PWM載波。下就以單相橋式PWM逆變電路為實例進行分析，如圖9，當負荷電流為正的時候，全控型功率元件（V1）和全控型功率元件（V4）同時導通時，電壓Uo和電壓Ud相等。當全控型功率元件（V4）關斷時，負荷電流通過全控型功率元件（V1）和二極管（VD3）進行續流，此時Uo電壓為0，當負荷電流為負的時候，此時全控型功率元件（V1）和全控型功率元件（V4）仍然導通，此時電流Io為負值，事實上，電流Io從二極管（VD1）和二極管（VD4）上流過，仍然是電壓Uo和電壓Ud相等。當全控型功率元件（V4）關斷同時全控型功率元件（V3）導通后，電流Io從全控型功率元件（V3）和二極管（VD1）上進行續流，此時電壓Uo為0，電壓Uo總是可以得到電壓Ud和零兩種電平狀態。電壓Uo為負半周工作時，使全控型功率元件（V2）保持導通，全控型功率元件（V1）保持關斷，全控型功率元件（V3）和全控型功率元件（V4）交替導通和關斷，電壓Uo可以得到負電壓Ud和零兩種電平狀態。

圖9 單相橋式pwm逆變電路

（2）雙極性PWM控制方式：在電壓Ur和電壓Uc的交點時候控制全控型功率元件的導通和關斷，在電壓Ur的一半周期內，三角波形的載波信號有時為正有時為負，所得PWM脈沖波形也是有時為正有時為負，其幅值大小只有正負電壓Ud兩種電平狀態。但在電壓Ur為正負半周時，對各全控型功率元件的觸發控制規律是一樣的。當電壓Ur大于電壓Uc時，給全控型功率元件（V1）和全控型功率元件（V4）發出觸發導通信號，給全控型功率元件（V2）和全控型功率元件（V3）發出關斷信號。如果電流Io大于0，全控型功率元件（V1）和全控型功率元件（V4）導通，如果電流Io小于0，二極管（VDl）和二極管（VD4）導通，此時，電壓Uo和電壓Ud相等。當電壓Ur小于電壓Uc時，讓全控型功率元件（V2）和全控型功率元件（V3）導通，全控型功率元件（V1）和全控型功率元件（V4）關斷，如果電流Io小于0，全控型功率元件（V2）和全控型功率元件（V3）導通，如果電流Io大于0，二極管（VD2）和二極管（VD3）導通，電壓Uo等于電壓負Ud。

（3）單極性PWM控制方式：在電壓Ur和電壓Uc的交點時候控制全控型功率元件的導通和關斷，當電壓Ur工作在正半周時期，全控型功率元件（V1）保持導通，全控型功率元件（V2）保持關斷。當電壓Ur大于電壓Uc的時候，讓全控型功率元件（V4）導通，全控型功率元件（V3）關斷，此時電壓Uo和電壓Ud相等，當電壓Ur小于電壓Uc的時候，讓二極管（V4D）關斷，全控型功率元件（V3）導通，此時電壓Uo為0。

（4）計算法：按照正弦波半周期脈沖數、幅值和頻率，可以準確計算出脈沖寬度調節和控制波形各個脈沖的間隔和寬度，按此控制逆變主回路功率元件的關斷和導通，可以得到所需要的PWM波形，稱為計算法。

5 PWM控制技術和電氣傳動技術發展展望

隨著全控型功率元件不斷發展和技術更新，PWM控制技術必將更加廣泛地用于電子技術和電力技術的各項領域，電氣傳動系統裝置和技術將借助PWM脈沖寬度調節和控制技術的發展總趨勢，將是交流變頻調速逐步取代直流調速、無觸點控制取代有接點邏輯控制、全數字控制與數模復合控制并存，逐步實現智能化、智慧化的發展趨勢。