基于單極性倍頻SPWM調(diào)制的逆變電源系統(tǒng)研究

1、第8卷第3期2009年9月寧夏工程技術(shù)NingxiaEngineeringTechnologyVol8No3Sep2009文章編號(hào)：（2009）1671724403019704基于單極性倍頻SPWM調(diào)制的逆變電源系統(tǒng)研究李摘?。ㄎ靼怖砉ご髮W(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西西安710048）要：針對(duì)大功率條件下開關(guān)頻率不能過高的問題，在傳統(tǒng)三環(huán)控制基礎(chǔ)上，采用單極性倍頻SPWM波調(diào)制利方式，使逆變器在開關(guān)頻率較低的條件下，輸出電壓波形畸變率滿足指定要求.在介紹其調(diào)制原理的基礎(chǔ)上，用Matlab/Simulink建立該系統(tǒng)仿真模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.結(jié)果表明，該方法能夠有效地降低輸出波形的THD.關(guān)鍵詞：

2、逆變電源；單極性SPWM；多環(huán)控制中圖分類號(hào)：TM464文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)逆變電源的要求也越來越高.在大功率逆變電源場(chǎng)合，流過主電路上的器件電流非常大，作為開關(guān)管的IGBT上流過的電流可達(dá)幾百安，所以一般所選的開關(guān)管容量比較大，這就導(dǎo)致調(diào)制時(shí)的開關(guān)頻率不能過高.針對(duì)這個(gè)問題，文獻(xiàn)1對(duì)SPWM調(diào)制和滯環(huán)調(diào)制做了仿真和實(shí)驗(yàn)分析；文獻(xiàn)2討論了6kV·A電流滯環(huán)調(diào)制逆變器的研制，并給出了輸出波形；文獻(xiàn)3對(duì)并組合式三相逆變電源的SPWM調(diào)制法進(jìn)行研究，給出實(shí)驗(yàn)波形.本文針對(duì)大功率場(chǎng)合時(shí)開關(guān)頻率不能過高的問題，采用基于單極性倍頻SPWM調(diào)制的三環(huán)控制方法，使逆變電源系統(tǒng)

3、在較低的開關(guān)頻率下，得到較好輸出波形，達(dá)到指標(biāo)要求.VD1V1EV2VD2AV4V3BVD3TLC負(fù)載VD4調(diào)制電路圖1逆變器主電路拓?fù)?主電路與三環(huán)控制逆變器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主電路采用全橋結(jié)構(gòu)，輸出端連接了LC濾波器濾除高次諧波.開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由三角波和正弦波比較匹配得到.三環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，由內(nèi)到外分別為瞬時(shí)值電容電流環(huán)、瞬時(shí)值電壓環(huán)和電壓有效值環(huán).其中：瞬時(shí)值電流環(huán)的主要作用是校正輸出電壓波形；瞬時(shí)值電壓環(huán)主要作用是校正輸出電壓的相位，并提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；電壓有效值環(huán)的主要作用是使輸出電壓穩(wěn)定在所需要的電壓幅值.圖2三環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖收稿日期：20090306作者簡(jiǎn)介：李?。?/p>

4、1984），男，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代電力、電子電路與系統(tǒng)研究.198寧夏工程技術(shù)第8卷電流瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)和電壓瞬時(shí)值外環(huán)均采用P調(diào)節(jié)器，最外環(huán)電壓有效值環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器.圖3和圖4分別為采用三環(huán)控制的逆變電源系統(tǒng)從滿載到空載和空載到滿載的波形仿真圖，圖3中uo為輸出電壓，切載時(shí)電壓Io為輸出電流.由圖34可知，幅值基本保持不變，說明系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性.20015010050U/V0-50-100-150-2000.0020.0060.010t/s0.0140.018Iouo2.1單極性倍頻SPWM調(diào)制圖320015010050U/V0-50-100-150-2000.002三環(huán)控制下滿載到

5、空載波形仿真圖uo單極性倍頻SPWM調(diào)制原理單極性調(diào)制法就是用2個(gè)極性相反的參考正弦波與雙向三角形載波交截產(chǎn)生功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，原理如圖5所示.這種調(diào)制方式含有2個(gè)基波ug和-ug.ug與三角波uc交截產(chǎn)生2個(gè)信號(hào)：ua和其互補(bǔ)信號(hào)a.而-ug與uc交截也產(chǎn)生2個(gè)信號(hào)：ub和b輸出電壓uo的正半周是由ua和ub的與邏輯決定的.當(dāng)ua，ub為高電平時(shí)，VT1和VT4導(dǎo)通，使得當(dāng)ua或ub有一個(gè)為低電平時(shí)，則VT2和VT4uoud；或者VT1和VT3導(dǎo)通而使得uo0.因?yàn)樵谡胫軆?nèi)，ua的高電平一直比ub的低電平區(qū)寬，所以VT2，VT3不會(huì)同時(shí)開通，從而使得輸出電壓uo中只包含ud和0兩個(gè)電平.同

6、理，在負(fù)半周輸出電壓uo由ua和b的與邏輯決定，它只包含0和-ud兩個(gè)電平.由于ud在一個(gè)載波周期內(nèi)有2次狀態(tài)轉(zhuǎn)變，所以其頻率是開關(guān)管的一倍.u0uaud0ubud0uoud0-uduguc-ugtIottt圖50.0060.010t/s0.0140.018單極性倍頻SPWM調(diào)制原理圖4三環(huán)控制下空載到滿載波形仿真圖在常規(guī)SPMW波調(diào)制中，開關(guān)頻率和輸出脈沖頻率是相等的，但是在大功率條件下，開關(guān)頻率不能過高，原因主要：開關(guān)頻率過高會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗增大；長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)損壞開關(guān)會(huì)使開關(guān)管發(fā)熱嚴(yán)重，器件；出現(xiàn)擎住效應(yīng)的幾率增大；開關(guān)頻率過高，大容量開關(guān)器件高速通斷，會(huì)產(chǎn)生很高的電壓尖峰，有可能造成開關(guān)管

7、或其他元件被擊穿.但是，開關(guān)頻率降低會(huì)使輸出波形中THD含量變高，不能滿足最終指標(biāo)要求.為了提高輸出波形質(zhì)量，通常的做法是加大主電路后端LC濾波器參數(shù)，或增加三環(huán)控制中調(diào)節(jié)器比例系數(shù)，但是加大LC濾波器參數(shù)會(huì)使逆變器體積變大，成本增加，而且在實(shí)際構(gòu)成數(shù)字控制系統(tǒng)時(shí)，調(diào)節(jié)器系數(shù)不能太大，否則就會(huì)造成振蕩；所以單極性倍頻SPWM調(diào)制方式應(yīng)用而生.單極性倍頻SPWM調(diào)制下濾波器設(shè)計(jì)單極性倍頻SPWM調(diào)制下輸出濾波電感的值一般是由電感電流的最大紋波所決定，取該值為滿載輸出電流峰值的15%.本文設(shè)計(jì)逆變器輸出功率單相為10kW，輸出電壓為115V，頻率為400Hz，根據(jù)以上參數(shù)可得：2.23IL=15%

8、×姨×Po=15%×姨×10×10o18.44A.設(shè)逆變橋輸出脈沖為UAB，直流側(cè)母線電壓為可Ud，所以占空比為d=.根據(jù)公式：I=t，UdL得電感電流紋波表達(dá)式為）UAB.IL=Ud-UAB×d=（Ud-UABd由上式可得，當(dāng)UAB=U時(shí)，電感電流紋波最大.380IL=Ud圯L=Ud=100H.L第2期李?。夯趩螛O性倍頻SPWM調(diào)制的逆變電源系統(tǒng)研究199電路中電容的作用是和電感一起構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，因此在電感值確定后，就可以根據(jù)LC濾波器的截止頻率來確定電容C的值.由于在單極性倍頻SPWM調(diào)制方式下，輸出諧波為開關(guān)頻率2倍以上

9、的偶次倍的高次諧波，所以LC濾波器的截止頻即率可以取最低次輸出諧波的1/10，1100=2f圯C.2姨在實(shí)際電路中，由于各個(gè)器件的非理想特性，基準(zhǔn)正弦也為非標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，再加上死區(qū)對(duì)輸出波形的影響，所以輸出波形會(huì)含有低次諧波.將電容值適當(dāng)取大，能夠有效抑制低次諧波.將已計(jì)算得到的電感值帶入上式中，即可得到電容值：C=10F.224×f×4×L4×26400×42×1×10-4在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，可取電感為0.4mH，電容2為20F.在三環(huán)控制下，采用SPWM波單極性倍頻調(diào)制方法，數(shù)字控制系統(tǒng)中的比例控制器參數(shù)不需要很大，就可以

10、保證較好的輸出電壓波形質(zhì)量，而且輸出幅值都能達(dá)到指標(biāo)要求.電壓信號(hào)的相位、3.1系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析仿真結(jié)果及分析本文基于上述原理，采用Matlab/Simulink搭建了仿真模型，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).采用常規(guī)SPWM調(diào)制，200100U/VFFTwindow：8of8cyclesofselectedsignal在三環(huán)控制下的輸出波形及波形THD分析結(jié)果圖如圖6所示.其中：開關(guān)頻率為26.4kHz；輸出功率為10kW.由Simulink自帶的FFT分析可知，在此三次諧波含量控制下的THD含量為1.23%.其中，較大，高次諧波已被LC濾波器濾掉.采用單極性倍頻SPWM調(diào)制，在三環(huán)控制下，輸出波形及波形THD分

11、析結(jié)果圖如圖7所示.其中：開關(guān)頻率為10kHz，輸出功率為10kW.由在此控制下的THDSimulink自帶的FFT分析可知，含量為0.75%.其中，偶次諧波含量較大，高次諧波已被LC濾波器濾掉.200100U/V0-100FFTwindow：8of8cyclesofselectedsignal0-100-2000.0050.01t/s(a)波形Fundamental(400Hz)=161.4，THD=1.23%0.015-200(a)波形0.015Fundamental(400Hz)=163.6，THD=0.75%Mag(%ofFundamental)24f/Hz(b)THD分析6810&#

12、215;104Mag(%ofFundamental)24f/Hz(b)THD分析6810×104圖6常規(guī)SPWM調(diào)制三環(huán)控制下波形及THD分析圖7單極性倍頻SPWM調(diào)制三環(huán)控制下波形及THD分析200寧夏工程技術(shù)第8卷（a）V1和V3管驅(qū)動(dòng)波形（b）V2和V4管驅(qū)動(dòng)波形（a）系統(tǒng)突卸載波形（b）系統(tǒng)突加載波形圖8單極性倍頻調(diào)制下SPWM波形圖9系統(tǒng)切換負(fù)載波形（a）實(shí)驗(yàn)中的輸出電壓波形（b）輸出電壓的諧波畸變率（a）輸出電壓波形）輸出電壓的諧波畸變率（b圖10雙極性SPWM調(diào)制下輸出波形圖11單極性倍頻SPWM調(diào)制下輸出波形SPWM調(diào)制下的輸出電壓波形及諧波畸變率如圖11所示.由圖1

13、1可知，THD僅為1.53%.3（3）：SPWM倍頻調(diào)制的比較J.電源技術(shù)應(yīng)用，2005，824-27.易小強(qiáng)，裴雪軍，侯婷，等.基于DSP組合式三相逆變電源單極倍頻SPWM研究J.電力電子技術(shù)，（6）：2007，4177-79.彭小兵，穆新華.SPWM逆變電源的單極性控制4胡興柳，方式實(shí)現(xiàn)J.機(jī)電工程，（1）：2004，2138-41.5NASERM，ABDEL-RAHIM，JOHNEQUAICOE.Analysisanddesignofamultiplefeedbackloopcontrolstrategyforsingle-phasevoltage-sourceUPSinvertersJ

14、.IEEE（4）：1996532-541.TransactionsonPowerElectronics，6JUNGSL，TZOUYY.DiscreteslidingmodecontrolofaPWMinverterforsinusoidaloutputwaveformsynthesiswithoptimalslidingcurveJ.IEEETransonPowerElectronics，1996，11(4)：567-576.4結(jié)語本文為解決在大功率條件下開關(guān)管的開關(guān)頻率不能過高問題，將單極性倍頻SPWM波調(diào)制方式與三環(huán)控制結(jié)合起來進(jìn)行仿真研究，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.結(jié)果表明，這種方法應(yīng)用在大功率逆

15、變電源中效果較好，能夠使輸出波形THD達(dá)到較高指標(biāo).參考文獻(xiàn)：1關(guān)森，沈頌華，王永.三態(tài)電流滯環(huán)調(diào)制與單極性倍頻（10）：SPWM調(diào)制比較J.電氣應(yīng)用，2005，2566-69.石健將，何湘寧.6kV·2梅燁，A逆變器滯環(huán)調(diào)制與單極性Researchofinverterpowersystembasedonunipolar&frequencymultiplicationSPWMLIChen（SchoolofAutomationandInformationEngineering,Xi）anUniversityofTechnology,Xian710048,ChinaAbstract：Unipolar&frequencymultiplicationSPWMisusedintraditionalofthreeloopcontroltoimprovetheproblemofvoltagewaveformdistortionundertheconditionoflowswitchfrequencyandhighpowerinverterpowersupply,theinverterpowersupplycanmakethe