基于PWM的逆变电路分析

系专业班学号姓名┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉密┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉封┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉线┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉试卷类型：A苏州科技大学电力电子技术试卷使用专业年级机电13考试方式：开卷（√）闭卷（）共1页题号合计得分说明：本课程不进行期末卷面考试，要求按照规定完成一篇科技论文。一、论文的具体要求（1）选择授课过程中的一个具体的技术内容或知识点，自拟论文题目；查找一些技术资料，对所选择的一项技术或一个知识点进行阐述；（2）字数在3000以上；A4纸打印；（3）按照科技论文的格式排版。要求包含：标题、作者单位、作者姓名、摘要、关键词、引言、正文、结论、参考文献几部分。（4）基本格式要求如下：标题3号黑体、作者单位用5号宋体，其余均用小四号楷体或仿宋、1.25倍行间距、单栏。层次按1、1.1、1.2、……2、2.1、2.2、……方式排序。二、评分标准（1）优秀：论文内容有理论要有理论和现实意义；观点明确，重点突出；思路清晰，结构合理；有自己的观点；文字通顺，格式完全符合要求。（2）良好：论文内容有一定的理论和现实意义，观点明确；结构合理，逻辑性较强；有自己的观点；文字比较流畅，格式符合要求。（3）中等：论文内容有一定的现实意义；论点基本正确；观点较明确，思路较清晰；有一些自己的观点；文字较流畅，格式基本符合要求。（4）及格：内文内容主要观点正确，结构较合理；叙述欠正确，语言欠流畅；没有自己的观点；格式不太符合要求。（5）不及格：论文内容观点有重大错误；完全抄袭他人；结构与观点不相符；内容有常识性错误；内容空洞、层次混乱、条理不清。1逆变器的仿真与特性研究作者单位：苏州科技大学作者姓名：孙健摘要：现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。为了对PWM型逆变电路进行研究，首先建立了逆变器单极性控制所需的电路模型，采用IGBT作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路和PWM控制电路的工作原理进行了分析，运用MATLAB中的SIMULINK对电路进行了仿真，给出了仿真波形，并运用MATLAB提供的powergui模块对仿真波形进行了FFT分析（谐波分析）.关键词：SPWM；PWM；逆变器；谐波；FFT分析1引言随着地球非可再生资源的枯竭日益以及人们对电力的日益依赖,逆变器在人们日常生活中扮演着越来越重要的角色.近年来,PWM型逆变器的的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，并显示出其可以同时实现变频变压反抑制谐波的优越性,因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。2PWM控制的基本原理PWM（PulseWidthModulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术的重要理论基础是面积等效原理，即：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。下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。把正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就可得到下图b所示的脉冲序列，这就是PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。SPWM波形如下图所示：苏州科技大学2图（一）:单极性PWM控制方式波形上图波形称为单极性SPWM波形，根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，即双极性SPWM波形，而且这种方式在实际应用中更为广泛。图（二）:双极性PWM控制方式波形3PWM逆变电路及其控制方法PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种，目前实际应用的几乎都是电压型电路，因此主要分析电压型逆变电路的控制方法。要得到需要的PWM波形有两种方法，分别是计算法和调制法。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，这种方法称为计算法。由于计算法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。与计算法相对应的是调制法，即把希望调制的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。下面具体分析单相桥式逆变电路的单极性控制方式。图（三）是采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。OUd-UdOtUd-Udt苏州科技大学3图（三）：单相桥式PWM逆变电路单极性PWM控制方式：在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。ur正半周，V1保持通，V2保持断。当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud。当uruc时使V4断，V3通，uo=0。ur负半周，V2保持通，V1保持断。当uruc时使V3通，V4断，uo=-Ud;当uruc时使V3断，V4通，uo=0。这样就得到图一所示的单极性的SPWM波形。4电路仿真及分析4.1单极性SPWM触发脉冲波形的产生：仿真图如下所示。图（四）：单极性PWM逆变器触发脉冲发生电路苏州科技大学4在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以2∏f后再通过一个“sin”模块即为sinwt，乘以调制比m后可得到所需的正弦波调制信号。三角载波信号由“Source”库中的“RepeatingSequence”模块产生,正确设置参数，三角波经过处理，便可成为频率为fc的三角载波。将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出下图所示的单极性SPWM触发脉冲波形。图（五）：单相桥式PWM逆变器V1触发脉冲波形（单极性SPWM波形）4.2双极性SPWM触发脉冲波形的产生：仿真图如下所示。图（六）：双极性PWM逆变器触发脉冲发生电路苏州科技大学5同上，在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以2∏f后再通过一个“sin”模块即为sinwt，乘以调制比m后可得到所需的正弦波调制信号。三角载波信号由“Source”库中的“RepeatingSequence”模块产生,正确设置参数，便可生成频率为fc的三角载波。将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出下图所示的双极性SPWM触发脉冲波形。图（七）：单相桥式PWM逆变器V1触发脉冲波形（双极性SPWM波形）4.3单极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路仿真及分析4.3.1单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路主电路图如下所示：苏州科技大学6图（八）：单相桥式PWM逆变器主电路图将调制深度m设置为0.5，输出基波频率设为50Hz，载波频率设为基波的15倍，即750Hz，仿真时间设为0.04s，在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间设为1e-005s，运行后可得仿真结果，输出交流电压，交流电流和直流电流如下图所示：图（九）：单极性SPWM方式下的逆变电路输出波形对上图中的输出电压uo进行FFT分析，得如下分析结果：苏州科技大学7图（十）：单极性控制方式下输出电压的FFT分析由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15时，输出电压的基波电压的幅值为U1m=150.9V，基本满足理论上的U1m=m*Ud(即300*0.5=150)。谐波分布中最高的为29次和31次谐波，分别为基波的71.75%和72.36%，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到106.50%。对输出电流io进行FFT分析，得如下分析结果：苏州科技大学8图（十一）：单极性控制方式下输出电流的FFT分析由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15时，输出电流基波幅值为128.2A，考虑最高频率为4500Hz时的THD=13.77%，输出电流近似为正弦波。改变调制比m和载波比N，如增大m和N，可以有效减小输出电压和输出电流的谐波分量。4.3.2双极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路双极性SPWM控制方式下的单相桥式逆变电路主电路与图（八）相同，只需把单极性SPWM发生模块改为双极性SPWM发生模块即可。参数设置使之同单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路相同，即将调制深度m设置为0.5，输出基波频率设为50Hz，载波频率设为基波的15倍（750Hz），仿真时间设为0.06s，在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间设为1e-005s，运行后可得仿真结果，输出交流电压，交流电流和直流侧电流如下图所示：苏州科技大学9图（十二）：双极性SPWM方式下的逆变电路输出波形同样，对上图中的输出电压uo进行FFT分析，得如下分析结果图（十三）：双极性控制方式下输出电压的FFT分析苏州科技大学10由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15时，输出电压的基波电压的幅值为U1m=152V，基本满足理论上的U1m=m*Ud(即300*0.5=150)。谐波分布中最高的为第15次和29、31次谐波，分别为基波的212.89%和71.65%、71.95%，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到260.21%。对输出电流io进行FFT分析，得如下分析结果：图（十四）：双极性控制方式下输出电流的FFT分析由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15时，输出电流基波幅值为130.3A，考虑最高频率为4500Hz时的THD=34.15%，输出电流近似为正弦波。改变调制比m和载波比N，如增大m和N，同样可以有效减小输出电压和输出电流的谐波分量。4.3.3单极性和双极性SPWM控制方式下的单相桥式逆变电路比较分析单极性SPWM控制方式输出波形和双极性SPWM控制方式输出波形的比较：在调制比m（0.5）、载波频率fc（750Hz）、调制波频率fr（50Hz）等均相同的情况下，单极性SPWM控制方式输出电压THD=106.5%，明显低于双极性SPWM控制方式输出电压的THD值（260.21%），且单极性方式下输出电压谐波次数较高，苏州科技大学11更容易滤除；单极性SPWM控制方式输出电流THD=13.77%，而双极性SPWM控制方式输出电压的THD=34.15%，即单极性方式下输出电流谐波含量明显更小，更接近于正弦波。综上所述：单极性调制时的谐波性能要优于双极性调制方式。5结论对于PWM控制方式的单相桥式逆变电路，即可以选用单极性SPWM控制方式，也可以选用双极性SPWM控制方式。单极性SPWM信号发生电路比双极性的复杂一些，但与双极性SPWM控制方式相比，单极性SPWM在线性调制情况下的谐波性能明显优于双极性调制。通过适当的参数设置，运用PWM控制技术可以很好的实现逆变电路的运行要求。苏州科技大学12参考文献［1］林飞，杜欣，电力电子应用技术的MATLAB仿真，中国电力出版社，2009.1［2］王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.5［3］李维波，MATLAB在电气工程中的应用，中国电力出版社，2007［4］汤才刚，朱红涛，李莉，陈国桥，基于PWM的逆变电路分析，《现代电子技术》2008年第1期总第264期。