單相逆變器SPWM調制技術的仿真

1、華東交通大學課程設計論文目錄第一章 單相逆變器主電路拓補圖及工作原理11.1單相逆變器主電路拓撲圖11.2逆變器SPWM調制工作原理1第二章 控制策略22.1 SPWM控制方式2第三章 建立Simulink仿真模型43.1 單極性SPWM控制方式43.2 雙極性SPWM控制方式5第四章 仿真參數(shù)及其輸出波形64.1 單極性SPWM仿真輸出波形及頻譜圖64.2 雙極性SPWM仿真輸出波形及頻譜圖11第五章 心得體會13第一章 單相逆變器主電路拓補圖及工作原理1.1單相逆變器主電路拓撲圖單相橋式逆變器有四個帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的IGBT組成，分別為VT1VT4，直流側由兩個串聯(lián)電容，他們共同提供直流

2、電壓Ud，負載為阻感負載，調制電路分別由單相交流正弦調制波形和三角載波組成，其中三角載波和正弦調制波的幅值和頻率之比分別被稱為調制度和載波頻率，這是SPWM調制中的兩個重要參數(shù)。三角載波和正弦調制波相互調制產生四路脈沖信號分別給六個IGBT提供觸發(fā)信號。圖1 單相橋式SPWM型逆變電路1.2逆變器SPWM調制工作原理PWM控制技術在逆變電路中的應用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了PWM技術。常用的PWM技術主要包括：正弦脈寬調制(SPWM)、選擇諧波調制（SHEPWM）、電流滯環(huán)調制（CHPWM）和電壓空間矢量調制（SVPWM）。在采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不同

3、的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。圖1中各個形狀的窄脈沖在作用到逆變器中電力電子器件時，其效果是相同的，正是基于這個理論，SPWM調制技術才孕育而生。 a)矩形脈沖 b)三角脈沖 c)正弦半波脈沖 d)單位脈沖函圖2 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖第二章 控制策略2.1 SPWM控制方式SPWM包括單極性和雙極性兩種調制方法：（1）如果在正弦調制波的半個周期內，三角載波只在正或負的一種極性范圍內變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內，叫做單極性控制方式。（2）如果在正弦調制波半個周期內，三角載波在正負極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負之間變化，叫做雙極性控制方式。

4、（a）單極性PWM控制方式 （b）雙極性PWM控制方式圖3 SPWM控制方式將正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖寬度為p/N，但幅值頂部是曲線且大小按正弦規(guī)律變化的脈沖序列組成的。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而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，這就是PWM波形。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。 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SPWM（Sinusoidal PWM）波形。 圖4 用PWM波代替正弦其中：載波比載波頻率 fc與調制信號頻率 fr 之比N，既 N =

5、 fc / fr調制度調制波幅值Ar與載波幅值Ac之比，即MaAr/Ac同步調制N 等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步。Ø 基本同步調制方式，fr 變化時N不變，信號波一周期內輸出脈沖數(shù)固定；Ø 三相電路中公用一個三角波載波，且取 N 為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱；Ø 為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應取奇數(shù)；Ø fr 很低時，fc 也很低，由調制帶來的諧波不易濾除；Ø fr 很高時，fc 會過高，使開關器件難以承受。異步調制載波信號和調制信號不同步的調制方式。Ø 通常保持 fc 固定不變，當 fr 變化時，載波比 N 是

6、變化的；Ø 在信號波的半周期內，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱；Ø 當 fr 較低時，N 較大，一周期內脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產生的不利影響都較小；Ø 當 fr 增高時，N 減小，一周期內的脈沖數(shù)減少，PWM 脈沖不對稱的影響就變大。兩種調制方法特點：單極性：每半個周期內，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規(guī)律時通時通時斷地工作，另一個完全截止；而在另半個周期內，兩個器件的工況正好相反，流經負載ZL的便是正、負交替的交變電流。雙極性：逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總

7、是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導通和關斷，毫不停息，而流過負載ZL的是按線電壓規(guī)律變化的交變電流。 第三章 建立Simulink仿真模型3.1 單極性SPWM控制方式3.1.1 單極性SPWM調制電路的Simulink仿真模型圖5 單極性SPWM調制電路的Simulink仿真模型3.1.2 單極性SPWM觸發(fā)脈沖的Simulink仿真模型圖6 單極性SPWM觸發(fā)脈沖的Simulink仿真模型3.2 雙極性SPWM控制方式 3.2.1 雙極性SPWM調制電路的Simulink仿真模型圖7 雙極性SPWM調制電路的Simulink仿真模型3.2.2 雙極性SPWM觸發(fā)脈沖的Simulink仿真模型

8、圖8 雙極性SPWM觸發(fā)脈沖的Simulink仿真模型第四章 仿真參數(shù)及其輸出波形4.1 單極性SPWM仿真輸出波形及頻譜圖4.1.1 同步調制：fr=50（Hz） fc=750（Hz） N=15 Ma=0.9時的仿真波形圖9 單極性阻感負載同步調制仿真輸出電壓電流波形圖10 VT1VT4的電壓輸出波形 a)電壓頻譜圖 b) 電流頻譜圖 圖11 對應頻譜圖4.1.2 異步調制：fc=750（Hz） fr=60（Hz） N=12.5 Ma=0.9時的仿真波形圖圖12 單極性阻感負載異步調制仿真輸出電壓電流波形 a)電壓頻譜圖 b)電流頻譜圖 圖13 對應頻譜圖分析：同步調制：電壓=269.5V

9、HD=37.86% 電流=228.4A THD=8.87%異步調制：電壓=172.2V THD=68.52% 電流=145A THD=20.75%由以上的數(shù)據可知：異步調制后電壓電流值都變小了，但其諧波失真度都變大了。所以根據不同的需求，可調節(jié)載波比N的值，從而得到質量不一樣的波形。4.1.3 同步調制：fr=50（Hz） fc=750（Hz） N=15 Ma=0.8時的仿真波形圖14 單極性阻感負載同步調制變調制度仿真輸出電壓電流波形 電壓頻譜圖 電流頻譜圖圖15 對應頻譜圖分析：Ma=0.9時：電壓=269.5V THD=57.86%Ma=0.8時：電壓=238.7V THD=10.06%

10、由以上數(shù)據可知Ma值變大，則電壓幅值變大，其THD變小，其表明SPWM逆變電壓輸出的基波幅值與調制度成線性關系。因此，通過調節(jié)控制信號可方便調節(jié)逆變輸出的電壓的頻率和幅值，一般Ma值取大點，對波形越好。4.1.4 結論：由上面變載波比、變調制度知，輸出電壓基波幅值與調制深度成正比。當載波比一定，變調制度時，當載波頻率遠大于輸出電壓基波頻率即fc>>fs，且調制深度0m1時，基波電壓幅值與直流側電壓滿足一下關系：。仿真電路中，Ma=0.8時，輸出電壓基波約為238.7V，Ma=0.9時，輸出電壓基波約為269.5V。它表明，SPWM逆變輸出電壓的基波幅值與調制深度成線性變化。因此通過

11、調節(jié)控制信號，可以方便的調節(jié)逆變器的輸出電壓的頻率和幅值。載波比越高，最低次諧波離基波越遠，也就越容易濾波。例如：調制深度都為0.9，載波比為15時， 負載電流諧波失真THD=8.87%；載波比為12.5時， 負載電流諧波失真THD=20.75%，即載波比越高，負載電流中的諧波越少。故提高載波比將有效改善輸出電壓、電流的質量。4.2 雙極性SPWM仿真輸出波形及頻譜圖4.2.1同步調制：fr=50（Hz） fc=750（Hz） N=15 Ma=0.9時的仿真波形圖16 雙極性阻感負載同步調制仿真輸出電壓電流波形 電壓頻譜圖 電流頻譜圖圖17對應頻譜圖4.2.2異步調制：fc=750（Hz） f

12、r=60（Hz） N=12.5 Ma=0.9時的仿真波形圖圖18雙極性阻感負載異步調制仿真輸出電壓電流波形 電壓頻譜圖 電流頻譜圖圖19 對應頻譜圖分析：同步調制：電壓=269.5V THD=107.67% N=15電流=228.7A THD=14.33% 異步調制：電壓=222V THD=110.33% N=12.5電流=173.1A THD=26.82%由以上數(shù)據可知：異步調制后電壓電流值都變小了，但其諧波失真度都變大了。所以根據不同的需求，可調節(jié)載波比N的值，得到不同的波形輸出質量。4.2.3 結論:1）輸出電壓基波幅值與調制度成正比。當載波比一定，變化調制度時，當載波頻率遠大于輸出電壓

13、基波頻率即fc>>fs，且調制深度0<m<=1時，基波電壓幅值與直流側電壓滿足一下關系：。仿真電路中，Ma=0.9時，輸出電壓基波約為269.5V，Ma=0.8時，輸出電壓基波約為238.7V。它表明，SPWM逆變輸出電壓的基波幅值與調制深度成線性變化。因此通過調節(jié)控制信號，可以方便的調節(jié)逆變器的輸出電壓的頻率和幅值。2）PWM電壓波形中含有載波頻率的整數(shù)倍及其附近的諧波。幅值最高影響最大的是K次諧波分量，隨調制深度的增加，其幅值的相對值逐漸減小。由于PWM電壓波形中含有載波頻率的整數(shù)倍及其附近的諧波，可見載波比越高，最低次諧波離基波越遠，也就越容易濾波。例如：調制深度

14、都為0.9時，載波比為15時， 負載電流諧波失真THD=14.33%；載波比為12.5時， 負載電流諧波失真THD=26.82%，即載波比越高，負載電流中的諧波越少。故提高載波比將有效改善輸出電壓的質量。但是另外，由于開關損耗等原因，開關頻率在逆變器的設計和運行中還會受到多種因素的影響，相應的對載波比大小也有一定的限制。3）輸出頻率：50HZ、載波比：15、調制深度：0.9時。單極性，電壓總諧波失真THD=57.86%，負載電流諧波失真THD=10.06%；雙極性，電壓總諧波失真THD=107.67%，負載電流諧波失真THD=14.33%?？梢姡突ㄐ阅芏?，單極性PWM和雙極性PWM完全一致，但在線性調制的情況下單極性PWM諧波性能明顯優(yōu)于雙極性PWM。開關次整數(shù)倍諧波消除，最低次諧波幅值比雙極性調制小的多，更容易濾波。第五章 心得體會Simulink仿真技術在這次電力電子電路仿真的設計中已經很好的體現(xiàn)了他在這個領域中的優(yōu)點，本文通過仿真實驗的得出的結果與理論分析的結果波形可以說是基本一致，這更進一步說明了Simulink在電力電子系統(tǒng)仿真研究的實用性和有效性。通過這次為期一周的課程設計，使我對本課程所學的內容有了一定的綜合性認識。通過自己的摸索、研究、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，使我加深了對理論的理解，同時也提高了我獨立自主的動手能力和分析解決問題的能力，具體