基于PWM的逆變電路分析

1、試卷類型： A 蘇州科技大學蘇州科技大學電力電子技術電力電子技術試卷試卷使用專業(yè)年級機電 13 考試方式：開卷( )閉卷（ ) 共 1 頁題號合計得分系 專業(yè) 班 學號 姓名密封線說明:本課程不進行期末卷面考試，要求按照規(guī)定完成一篇科技論文。一、論文的具體要求(1）選擇授課過程中的一個具體的技術內容或知識點，自擬論文題目；查找一些技術資料，對所選擇的一項技術或一個知識點進行闡述；（2）字數在 3000 以上；A4 紙打印;（3）按照科技論文的格式排版。要求包含：標題、作者單位、作者姓名、摘要、關鍵詞、引言、正文、結論、參考文獻幾部分.（4)基本格式要求如下:標題 3 號黑體、作者單位用 5 號

2、宋體，其余均用小四號楷體或仿宋、1.25 倍行間距、單欄。層次按1、1。1、1。2、2、2.1、2。2、方式排序。二、評分標準 （1）優(yōu)秀：論文內容有理論要有理論和現實意義;觀點明確，重點突出；思路清晰，結構合理；有自己的觀點;文字通順，格式完全符合要求。（2)良好:論文內容有一定的理論和現實意義，觀點明確;結構合理，邏輯性較強；有自己的觀點;文字比較流暢，格式符合要求。（3)中等：論文內容有一定的現實意義；論點基本正確；觀點較明確，思路較清晰；有一些自己的觀點；文字較流暢，格式基本符合要求.（4）及格:內文內容主要觀點正確，結構較合理；敘述欠正確,語言欠流暢；沒有自己的觀點；格式不太符合要求

3、.(5）不及格：論文內容觀點有重大錯誤；完全抄襲他人；結構與觀點不相符；內容有常識性錯誤；內容空洞、層次混亂、條理不清。1逆變器的仿真與特性研究逆變器的仿真與特性研究作者單位：蘇州科技大學作者姓名：孫健摘要摘要:現在大量應用的逆變電路中，絕大部分都是 PWM 型逆變電路。為了對 PWM型逆變電路進行研究，首先建立了逆變器單極性控制所需的電路模型，采用IGBT 作為開關器件,并對單相橋式電壓型逆變電路和 PWM 控制電路的工作原理進行了分析，運用 MATLAB 中的 SIMULINK 對電路進行了仿真，給出了仿真波形,并運用 MATLAB 提供的 powergui 模塊對仿真波形進行了 FFT

4、分析（諧波分析)。關鍵詞：關鍵詞：SPWM;PWM；逆變器；諧波；FFT 分析1 1 引言引言隨著地球非可再生資源的枯竭日益以及人們對電力的日益依賴,逆變器在人們日常生活中扮演著越來越重要的角色.近年來，PWM 型逆變器的的應用十分廣泛,它使電力電子裝置的性能大大提高，并顯示出其可以同時實現變頻變壓反抑制諧波的優(yōu)越性，因此它在電力電子技術的發(fā)展史上占有十分重要的地位。PWM控制技術正是有賴于在逆變電路中的成功應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位。2PWM2PWM 控制的基本原理控制的基本原理PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術,即通過對

5、一系列脈沖的寬度進行調制,來等效地獲得所需要的波形。PWM 控制技術的重要理論基礎是面積等效原理,即:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波。把正弦半波分成 N 等分,就可以把正弦半波看成由 N 個彼此相連的脈沖序列所組成的波形。如果把這些脈沖序列用相同數量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積(沖量）相等，就可得到下圖 b 所示的脈沖序列，這就是 PWM 波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，也稱為 SPWM 波形

6、。SPWM 波形如下圖所示：蘇州科技大學2OUd-Ud圖（一）：單極性 PWM 控制方式波形上圖波形稱為單極性 SPWM 波形，根據面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的 PWM 波，即雙極性 SPWM 波形，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。O tUd-Ud圖(二）：雙極性 PWM 控制方式波形3 3PWMPWM 逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法PWM 逆變電路可分為電壓型和電流型兩種,目前實際應用的幾乎都是電壓型電路，因此主要分析電壓型逆變電路的控制方法。要得到需要的 PWM 波形有兩種方法,分別是計算法和調制法。根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計算 PWM 波各脈沖寬度和

7、間隔,據此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需 PWM 波形,這種方法稱為計算法。由于計算法較繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化。與計算法相對應的是調制法,即把希望調制的波形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過信號波的調制得到所期望的 PWM 波形。通常采用等腰三角波作為載波，在調制信號波為正弦波時，所得到的就是 SPWM 波形。下面具體分析單相橋式逆變電路的單極性控制方式。圖（三)是采用 IGBT 作為開關器件的單相橋式電壓型逆變電路。t蘇州科技大學3圖（三）:單相橋式 PWM 逆變電路單極性 PWM 控制方式：在ur 和uc 的交點時刻控制 IGBT 的通

8、斷。ur正半周,V1保持通,V2 保持斷。當uruc 時使 V4 通,V3 斷，uo=Ud 。當uruc 時使 V4 斷，V3 通,uo=0 。ur負半周,V2 保持通,V1 保持斷。當uruc 時使 V3 通，V4 斷,uo=Ud ；當uruc 時使 V3 斷，V4 通，uo=0 .這樣就得到圖一所示的單極性的 SPWM 波形.4 4電路仿真及分析電路仿真及分析4.1 單極性 SPWM 觸發(fā)脈沖波形的產生：仿真圖如下所示。圖（四）:單極性 PWM 逆變器觸發(fā)脈沖發(fā)生電路蘇州科技大學4在 Simulink 的“Source庫中選擇“Clock模塊，以提供仿真時間 t，乘以 2f 后再通過一個“

9、sin”模塊即為 sinwt，乘以調制比 m 后可得到所需的正弦波調制信號.三角載波信號由“Source”庫中的“Repeating Sequence”模塊產生,正確設置參數,三角波經過處理，便可成為頻率為 fc 的三角載波。將調制波和載波通過一些運算與比較,即可得出下圖所示的單極性 SPWM 觸發(fā)脈沖波形。圖（五):單相橋式 PWM 逆變器 V1 觸發(fā)脈沖波形(單極性 SPWM 波形）4。2 雙極性 SPWM 觸發(fā)脈沖波形的產生：仿真圖如下所示.蘇州科技大學5圖（六)：雙極性 PWM 逆變器觸發(fā)脈沖發(fā)生電路同上，在 Simulink 的“Source庫中選擇“Clock”模塊,以提供仿真時間

10、t,乘以 2f 后再通過一個“sin模塊即為 sinwt，乘以調制比 m 后可得到所需的正弦波調制信號。三角載波信號由“Source”庫中的“Repeating Sequence模塊產生,正確設置參數，便可生成頻率為 fc 的三角載波.將調制波和載波通過一些運算與比較，即可得出下圖所示的雙極性 SPWM 觸發(fā)脈沖波形.圖（七)：單相橋式 PWM 逆變器 V1 觸發(fā)脈沖波形(雙極性 SPWM 波形)4.3 單極性 SPWM 控制方式的單相橋式逆變電路仿真及分析4。3。1 單極性 SPWM 方式下的單相橋式逆變電路主電路圖如下所示：蘇州科技大學6圖（八）：單相橋式 PWM 逆變器主電路圖將調制深度

11、 m 設置為 0。5,輸出基波頻率設為 50Hz，載波頻率設為基波的15 倍，即 750Hz,仿真時間設為 0。04s，在 powergui 中設置為離散仿真模式,采樣時間設為 1e005s，運行后可得仿真結果,輸出交流電壓，交流電流和直流電流如下圖所示:圖(九）:單極性 SPWM 方式下的逆變電路輸出波形對上圖中的輸出電壓 uo 進行 FFT 分析,得如下分析結果：蘇州科技大學7圖（十）：單極性控制方式下輸出電壓的 FFT 分析由 FFT 分析可知:在 m=0。5,fc=750Hz,fr=50Hz，即 N=15 時，輸出電壓的基波電壓的幅值為 U1m=150。9V，基本滿足理論上的 U1m=

12、mUd（即300*0.5=150）.諧波分布中最高的為 29 次和 31 次諧波，分別為基波的71。75和 72。36%，考慮最高頻率為 4500Hz 時的 THD 達到 106。50%。對輸出電流 io 進行 FFT 分析，得如下分析結果:蘇州科技大學8圖（十一）：單極性控制方式下輸出電流的 FFT 分析由 FFT 分析可知：在 m=0。5,fc=750Hz，fr=50Hz，即 N=15 時，輸出電流基波幅值為 128.2A，考慮最高頻率為 4500Hz 時的 THD=13。77，輸出電流近似為正弦波。改變調制比 m 和載波比 N，如增大 m 和 N,可以有效減小輸出電壓和輸出電流的諧波分量

13、。4。3。2 雙極性 SPWM 方式下的單相橋式逆變電路雙極性 SPWM 控制方式下的單相橋式逆變電路主電路與圖(八）相同，只需把單極性 SPWM 發(fā)生模塊改為雙極性 SPWM 發(fā)生模塊即可.參數設置使之同單極性 SPWM 方式下的單相橋式逆變電路相同，即將調制深度 m 設置為 0。5，輸出基波頻率設為 50Hz，載波頻率設為基波的 15 倍（750Hz） ，仿真時間設為 0.06s，在 powergui 中設置為離散仿真模式，采樣時間設為 1e005s，運行后可得仿真結果，輸出交流電壓，交流電流和直流側電流如下圖所示：蘇州科技大學9圖（十二)：雙極性 SPWM 方式下的逆變電路輸出波形同樣，

14、對上圖中的輸出電壓 uo 進行 FFT 分析，得如下分析結果圖（十三）：雙極性控制方式下輸出電壓的 FFT 分析蘇州科技大學10由 FFT 分析可知:在 m=0。5,fc=750Hz，fr=50Hz,即 N=15 時,輸出電壓的基波電壓的幅值為 U1m=152V，基本滿足理論上的 U1m=mUd（即 300*0。5=150）.諧波分布中最高的為第 15 次和 29、31 次諧波，分別為基波的 212.89和71。65、71.95%，考慮最高頻率為 4500Hz 時的 THD 達到 260。21.對輸出電流 io 進行 FFT 分析,得如下分析結果：圖（十四）:雙極性控制方式下輸出電流的 FFT

15、 分析由 FFT 分析可知：在 m=0。5，fc=750Hz，fr=50Hz，即 N=15 時,輸出電流基波幅值為 130.3A，考慮最高頻率為 4500Hz 時的 THD=34。15%，輸出電流近似為正弦波。改變調制比 m 和載波比 N，如增大 m 和 N，同樣可以有效減小輸出電壓和輸出電流的諧波分量.4。3。3 單極性和雙極性 SPWM 控制方式下的單相橋式逆變電路比較分析單極性 SPWM 控制方式輸出波形和雙極性 SPWM 控制方式輸出波形的比較：在調制比 m(0。5)、載波頻率 fc（750Hz） 、調制波頻率 fr（50Hz)等均相同的情況下,單極性 SPWM 控制方式輸出電壓 THD=106.5，明顯低于雙極性 SPWM 控制方式輸出電壓的 THD 值(260。21） ，且單極性方式下輸出電壓諧波次數較高，蘇州科技大學11更容易濾除；單極性 SPWM 控制方式輸出電流 THD=13.77,而雙極性 SPWM 控制方式輸出電壓的 THD=34。15%,即單極性方式下輸出電流諧波含量明顯更小，更接近于正弦波。綜上所述:單極性調制時的諧波性能要優(yōu)于雙極性調制方式。5 5 結論結論對于PWM控制方式的單相橋式逆變電路,即可以選用單極性SPWM控制方式,也可以選用雙極性SPWM控制方式。單極性SPWM信號發(fā)生電路比雙極性的復雜一些