毛兵，彭繼明

（攀鋼集團(tuán)攀鋼釩冷軋廠，四川 攀枝花 617000）

1 前言

在電氣傳動系統(tǒng)中，因電機(jī)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(tǒng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、故障頻發(fā)、維修保養(yǎng)費用貴等眾多運行缺陷，已經(jīng)逐步被市場所淘汰，交流傳動系統(tǒng)借助GTO（可關(guān)斷晶閘管）、BJT或GTR（電力雙極型晶體管）、Power-MOSFET（電力場效應(yīng)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(fā)展，已經(jīng)逐步完全取代直流傳動系統(tǒng)，占據(jù)電氣傳動系統(tǒng)的主導(dǎo)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(dǎo)通和關(guān)斷晶閘管或晶體管，并且其開關(guān)頻率可以達(dá)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(tǒng)輸出的波形，在目前的工業(yè)電氣化設(shè)備實施中，PWM脈寬調(diào)制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交流傳動系統(tǒng)的整流和逆變、UPS電源系統(tǒng)和各種電源濾波系統(tǒng)和裝置中，并且經(jīng)過更深入的研究和應(yīng)用。目前已經(jīng)不僅應(yīng)用于逆變技術(shù)，還廣泛應(yīng)用于整流回路，在整流回路中采用對全控型功率元器件進(jìn)行PWM脈寬調(diào)制控制技術(shù)，能夠讓電網(wǎng)端的輸入電流波形近似正弦波，同時讓功率因數(shù)接近為1，達(dá)到大大降低直至解決整流裝置對電網(wǎng)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(diào)節(jié)和控制技術(shù)基本工作原理

在信號采樣的控制理論中，已經(jīng)得出一個基本結(jié)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(huán)節(jié)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(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)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(shù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，它們在低頻率段的特性比較接近，僅僅在高頻率段有細(xì)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(huán)節(jié)上，其輸出的響應(yīng)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(diào)節(jié)和控制工作原理是我們分析波形的理論基礎(chǔ)。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(jù)正弦波的規(guī)律發(fā)生變化。假如把以上脈沖用數(shù)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(yīng)正弦波等分的中間點相重合，并且讓矩形脈沖和對應(yīng)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(diào)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(guī)律來發(fā)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(diào)制后的波形和正弦半波波形是等效的。同樣對正弦波的負(fù)半周采用同樣的方法可以得到PWM調(diào)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(diào)制波如圖3所示。所以PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)和控制技術(shù)就是通過全控型的晶閘管和晶體管進(jìn)行觸發(fā)控制，在改變頻率的同時對輸出電壓也進(jìn)行控制。PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)和控制就是利用電氣傳動設(shè)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(guī)律來控制全控型功率元件的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而在電氣傳動設(shè)備的輸出側(cè)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(shù)在整流回路的應(yīng)用

（1）下面就單相全控整流橋的PWM進(jìn)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(jìn)行脈沖寬度調(diào)節(jié)和控制，就可以在整流橋的交流側(cè)A-B之間生成一個SPWM調(diào)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(guān)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(chǎn)生很小的脈動現(xiàn)象，當(dāng)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(dāng)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(diào)節(jié)和控制整流回路四象限運行和相量分析。

整流狀態(tài)：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(tài)，功率因數(shù)等于1，為PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)和控制整流回路基本狀態(tài)。

圖5 整流狀態(tài)時相量圖

逆變狀態(tài)：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(tài)。說明PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)和控制整流回路能夠?qū)崿F(xiàn)電能正向和反方向兩個方向的流動。

圖6 逆變狀態(tài)時相量圖

無功補償運行狀態(tài)：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(tài)。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(fā)生器。

圖7 無功補償狀態(tài)時相量圖

超前角運行狀態(tài)：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(tài)時相量圖

4 PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)和控制技術(shù)在逆變電路的應(yīng)用

現(xiàn)有中小功率的逆變器電路基本上都采用PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)和控制技術(shù)，PWM逆變電路主要有電壓和電流兩種型式，現(xiàn)有的PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)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(jìn)行簡單介紹。

（1）調(diào)制法：根據(jù)我們希望得到輸出的波形作為調(diào)制控制信號，把接收的調(diào)制控制信號作為載波，通過對控制信號波形的調(diào)節(jié)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(jìn)行分析，如圖9，當(dāng)負(fù)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(dǎo)通時，電壓Uo和電壓Ud相等。當(dāng)全控型功率元件（V4）關(guān)斷時，負(fù)荷電流通過全控型功率元件（V1）和二極管（VD3）進(jìn)行續(xù)流，此時Uo電壓為0，當(dāng)負(fù)荷電流為負(fù)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(dǎo)通，此時電流Io為負(fù)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(dāng)全控型功率元件（V4）關(guān)斷同時全控型功率元件（V3）導(dǎo)通后，電流Io從全控型功率元件（V3）和二極管（VD1）上進(jìn)行續(xù)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(tài)。電壓Uo為負(fù)半周工作時，使全控型功率元件（V2）保持導(dǎo)通，全控型功率元件（V1）保持關(guān)斷，全控型功率元件（V3）和全控型功率元件（V4）交替導(dǎo)通和關(guān)斷，電壓Uo可以得到負(fù)電壓Ud和零兩種電平狀態(tài)。

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(dǎo)通和關(guān)斷，在電壓Ur的一半周期內(nèi)，三角波形的載波信號有時為正有時為負(fù)，所得PWM脈沖波形也是有時為正有時為負(fù)，其幅值大小只有正負(fù)電壓Ud兩種電平狀態(tài)。但在電壓Ur為正負(fù)半周時，對各全控型功率元件的觸發(fā)控制規(guī)律是一樣的。當(dāng)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(fā)出觸發(fā)導(dǎo)通信號，給全控型功率元件（V2）和全控型功率元件（V3）發(fā)出關(guān)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(dǎo)通，如果電流Io小于0，二極管（VDl）和二極管（VD4）導(dǎo)通，此時，電壓Uo和電壓Ud相等。當(dāng)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(dǎo)通，全控型功率元件（V1）和全控型功率元件（V4）關(guān)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(dǎo)通，如果電流Io大于0，二極管（VD2）和二極管（VD3）導(dǎo)通，電壓Uo等于電壓負(fù)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(dǎo)通和關(guān)斷，當(dāng)電壓Ur工作在正半周時期，全控型功率元件（V1）保持導(dǎo)通，全控型功率元件（V2）保持關(guān)斷。當(dāng)電壓Ur大于電壓Uc的時候，讓全控型功率元件（V4）導(dǎo)通，全控型功率元件（V3）關(guān)斷，此時電壓Uo和電壓Ud相等，當(dāng)電壓Ur小于電壓Uc的時候，讓二極管（V4D）關(guān)斷，全控型功率元件（V3）導(dǎo)通，此時電壓Uo為0。

（4）計算法：按照正弦波半周期脈沖數(shù)、幅值和頻率，可以準(zhǔn)確計算出脈沖寬度調(diào)節(jié)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(guān)斷和導(dǎo)通，可以得到所需要的PWM波形，稱為計算法。

5 PWM控制技術(shù)和電氣傳動技術(shù)發(fā)展展望

隨著全控型功率元件不斷發(fā)展和技術(shù)更新，PWM控制技術(shù)必將更加廣泛地用于電子技術(shù)和電力技術(shù)的各項領(lǐng)域，電氣傳動系統(tǒng)裝置和技術(shù)將借助PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)和控制技術(shù)的發(fā)展總趨勢，將是交流變頻調(diào)速逐步取代直流調(diào)速、無觸點控制取代有接點邏輯控制、全數(shù)字控制與數(shù)模復(fù)合控制并存，逐步實現(xiàn)智能化、智慧化的發(fā)展趨勢。