单相正弦波逆变器不同载波比的影响仿真研究

2013级《电力电子研讨课》报告单向正弦波逆变器不同载波比的影响仿真研究指导教师万山明日期2016.4.18实验成绩评阅人电气学科大类单相正弦波逆变器不同载波比的影响仿真研究一：设计要求1：单相全桥电压源逆变器，采用单极倍频SPWM控制方法2：滤波参数L=2mH，C=50μF3：输入：400V直流，输出：220V/50Hz交流(有效值)4：控制方法采用开环控制，负载为纯电阻负载当开关频率取20kHz(载波比为20k/50=400)，并假设负载功率分别为0.1kW、20kW时，求滤波后的输出电压波形。当开关频率分别取5kHz、1kHz、315Hz时，仍按上述负载功率的变化求滤波后的输出电压波形。可否从理论上解释这些波形变化背后的原因？如果滤波后的输出电压波形谐波含量仍然较大，也即不够正弦，有什么方法解决？二：主电路及相关原理1：电压型单相全桥逆变电路结构与原理：其中四个开关管，T1、T4一组，T2、T3一组，在两组驱动信号的驱动下，两组器件周期性交替通、断产生交变的Vab，当驱动T1，T4的信号为正时，T1、T4驱动导通，T2、T3关断，此时输出u0=Udc，当其为负时，T2、T3驱动导通，T1、T4关断，此时u0=-Udc，从而实现逆变功能。输出电压傅里叶形式表达为：4111sinsin3sin5sin7357abDvVtttt2：单极性倍频正弦脉冲宽度调制原理：图1电压型单相全桥逆变器电路结构单极式倍频SPWM技术含有两个频率和幅值大小相同，相位相反的双极性三角载波，通过驱动信号形成电路（图3）将这两个载波与标准正弦信号进行比较，形成SPWM驱动信号。倍频式SPWM技术的2个三角载波与正弦波相比较生成2路驱动信号,其中一路作为T1的驱动信号,另一路作为T32的驱动信号。由图4可以看出，在前后半个载波周期内哥得到了一个输出电压脉冲，产生了脉冲数倍增的效果。假设载波频率足够高，在一个载波周期内Vr大小不变，其中第k个脉冲的占空比为。/2sin/2/4kkrmkrkcccmcmTTVvFCFBDTTECEAVV其中αk表示第k个脉冲中心点所对应的基波角度。图2输出SPWM电压波形图3驱动信号形成电路图4脉冲电压占空比及平均值半个载波周期内，输入电压的平均面积为：sin/2krmabDDkccmTVVVVTV当载波频率很高时，基波电压瞬时值可以认为是：1sinabDrVMVt，其中M为调制比。可以看出,单极倍频式SPWM的输出电压有以下特点:①消除了低次谐波，3,5,7….等次谐波没有了。②谐波幅值仍然可以与基波相比较甚至更大。③LOH在两倍开关频率附近，比双极性SPWM优越。④最低次谐波频率提高一倍3：相关参数计算本实验需要研究不同载波比对单相正弦逆变器影响。载波比定义为载波频率与调制波频率之比，即ccrrfNf开关频率取20kHz，依据2UPR，2URP得当负载功率P=20kw时，R=2.42Ω，P=0.1Kw时，R=484Ω滤波器参数，L=L=2mH，C=50μF开关频率为5KHz时，N=100,1kHz时，N=20,315Hz时，N=6.3三、仿真电路设计在matlab上搭建的开环电路仿真拓扑图如下：左上角处输入三角波及正弦波，通过比较器后作用在逆变器电路作为驱动信号，两个示波器分别测量未滤波和滤波后的输入电压信号波形。四：仿真结果1：载波信号及调制波经过比较器电路后形成的驱动信号如图（只截了一个驱动信号）：图5仿真电路拓扑图由图中可见，驱动信号并不是标准方波，而是输出平均电压按正弦规律变化的SPWM波，符合冲量等效原理。2：开关频率20kHz，P=20Kw，即R=2.42Ω时，得到的输出电压结果如下：图6驱动信号波形图7滤波前的输出电压波形由图中可见，滤波前的输出电压波形幅值V=400V，每个载波周期内输入电压面积按正弦规律变化，符合预期，经过滤波器后，变成了标准正弦信号，幅值V=300V，符合预期。2：开关频率20kHz，P=0.1Kw，即R=484Ω时，得到的输出电压结果如下：图8滤波后输出电压波形图9滤波前输出电压波形图10滤波后输出电压波形3：开关频率5kHz，P=20Kw，即R=2.42Ω时，得到的输出电压结果如下：4：开关频率5kHz，P=0.1Kw，即R=484Ω时，得到的输出电压结果如下：5：开关频率1kHz，P=20Kw，即R=2.42Ω时，得到的输出电压结果如下：6：开关频率1kHz，P=0.1Kw，即R=484Ω时，得到的输出电压结果如下：图11滤波后输出电压波形图12滤波后输出电压波形图13滤波后输出电压波形7：开关频率315Hz，P=20Kw，即R=2.42Ω时，得到的输出电压结果如下：图14滤波后输出电压波形8：开关频率315Hz，P=0.1Kw，即R=484Ω时，得到的输出电压结果如下：图15滤波后输出电压波形由结果可见，随着开关频率不断降低，即载波比的不断降低，波形越来越难看，这是因为输出的电压中低频谐波分量越来越大，难以通过滤波器完全滤过，解决方法可通过增大电容实现，下图是开关频率为315Hz，R=484Ω，增大电容后的电压滤波后波形，可见虽然仍然不是标准的正弦波，但和没增大时的波形相比较已经有了十分大的改进。图16滤波后输出电压波形五：分工雷张平：U201311804：相关参数计算，电路图设计银泽一：U201311797：仿真电路搭建与实现柳林海：U201311819：报告编写王睿之：U201311808：相关资料查阅图18增大滤波电容后滤波后电压波形六：参考资料正弦波逆变器脉宽调制技术的调制模型分析——————————王立乔电力电子学-电力电子变换和控制技术—————————————陈坚，康勇