單相橋式PWM逆變電路2

1、 單相全橋逆變電路 過(guò)程分析與仿真 學(xué)院：電氣工程學(xué)院 班級(jí)：電自卓越111班 組員：康寧 李健 方浩 劉文娣目錄1. 摘要.第3頁(yè)2.關(guān)鍵詞.第3頁(yè)3.問(wèn)題描述.第4頁(yè)4.分析計(jì)算.第5-7頁(yè)5.仿真分析.第8-13頁(yè)6.結(jié)論.第14頁(yè)7.心得體會(huì).第14頁(yè)8.參考文獻(xiàn).第18頁(yè) 摘要逆變電路的應(yīng)用十分廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。在我們學(xué)習(xí)電力電子的最后階段，為了更加深入的理解與掌握逆變電電路及PWM控制技術(shù)，現(xiàn)針對(duì)單相VSI與PWM控制逆變分別進(jìn)行研究、仿真、分析。 關(guān)鍵詞： 單相電壓型逆變電路(VSI

2、) PWM控制 極性控制方式 Simulink仿真 頻譜分析1.問(wèn)題描述對(duì)圖1.1單相全橋逆變電路進(jìn)行分析，其中Ud=600V,R=10，L=0.1H，根據(jù)該電路所給參數(shù)回答下列問(wèn)題：（1）電路采用180度導(dǎo)電方式，控制周期TC=20mS，求、，并給出其頻譜分布。（2）采用SPWM導(dǎo)電方式，fs=5000Hz，unef=220sin（100t）,求、及其頻譜分布。2.分析計(jì)算2.1基本原理針對(duì)問(wèn)題（1）：?jiǎn)蜗嗳珮蚰孀冸娐返幕驹恚褐饕蓪?duì)角兩組橋臂180°交替導(dǎo)通的控制方式，通過(guò)電壓變向?qū)崿F(xiàn)電流方向的交變（二極管在阻感負(fù)載時(shí)起續(xù)流作用）。分析計(jì)算時(shí)，我們將電路分作兩個(gè)狀態(tài)，即如圖示

3、： 圖1.1單相逆變電(1)負(fù)載端加正向電壓；(2)負(fù)載端加正向電壓；兩狀態(tài)都可以列出一階微分穩(wěn)態(tài)后電流連續(xù)且由以上可以推測(cè)則推得：帶入數(shù)據(jù)解得穩(wěn)態(tài)后電流初值為則計(jì)算得到穩(wěn)定后一個(gè)周期內(nèi)接著對(duì)傅里葉分解進(jìn)行諧波分析，因其是方波分解成所以基波有效值為電壓諧波總畸變率為 可以看出電壓諧波分量很大，那么電流中也一定含有大量諧波。所以電壓型逆變電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便可靠。但若想要在波形上與正弦電壓得到更加接近，我們就可以考慮PWM控制逆變。針對(duì)問(wèn)題（2）：?jiǎn)蜗鄻蚴絇WM逆變電路的基本原理： PWM調(diào)制電路圖 在采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：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(shí)，其效果基本相同。

4、下面分析用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波。圖2-1可以看到把半波分成N等份，就可以把正弦半波看成N個(gè)彼此相連的脈沖序列組成的波形，然后把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，使它們面積相等，就可以得到脈沖序列。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。圖2-1用PWM波代替正弦半波 a）正弦半波 b）脈沖序列單相橋式PWM逆變電路的控制方法有計(jì)算法與調(diào)制法兩種。但計(jì)算法所需時(shí)間長(zhǎng)，即使采用規(guī)則采樣法，計(jì)算能力不足時(shí)難以快速反應(yīng)信號(hào)波，于是實(shí)際中多采用調(diào)制法，它的神奇之處在于自然采樣法，只要有三角波這把量尺，自然的就為不同信號(hào)波“量身定做”它的脈沖序列。(1)單極調(diào)制

5、法 圖2-2 單極性PWM控制方式波形負(fù)載為阻感負(fù)載時(shí)，工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)。單極性PWM控制方式（單相橋逆變）：在和的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷，波形見(jiàn)圖2-2。具體控制規(guī)則我們會(huì)在仿真時(shí)進(jìn)一步說(shuō)明，這里只要看上圖就能了解。(2)雙極調(diào)制法：采用雙極性方式時(shí)，在的半個(gè)周期內(nèi)，+三角載波不再是單極性，而是有正有負(fù)，所得的PWM波也是有正有負(fù)。在的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的PWM波只有兩種電平不像單極性控制時(shí)還有零電平。在的正負(fù)半周，對(duì)各開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同。即當(dāng)>時(shí)，導(dǎo)通，以關(guān)斷，<，關(guān)斷，導(dǎo)通。波圖件圖2-3。圖2-3雙極性PWM控制方式波形另外PWM調(diào)制有載

6、波比、調(diào)制度兩個(gè)控制參數(shù)在之后的仿真中具體介紹。 5. 仿真分析（1） 單相VSI首先我們用Simulink搭建仿真模型，值得注意的是在仿真的運(yùn)行設(shè)置不是常用的Ode45，由于用到了IGBT，而在用微分方程描述的一個(gè)變化過(guò)程中，若往往又包含著多個(gè)相互作用但變化速度相差十分懸殊的子過(guò)程，這樣一類(lèi)過(guò)程就認(rèn)為具有“剛性”，包括IGBT的仿真屬“剛性問(wèn)題”。所以這里應(yīng)設(shè)置為Ode15s(Stiff/NDF)的剛性算法。然后我們看到示波器輸出的負(fù)載電壓電流波形如圖，設(shè)置的仿真時(shí)間為(00.06s即三個(gè)周期)圖中電壓波形是600與-600兩種電平的方波，和理論一致。而單相電壓型逆變正是通過(guò)電壓正負(fù)的交替變

7、換實(shí)現(xiàn)了電流方向的交變。圖中的電流波形經(jīng)過(guò)一兩個(gè)周期后趨于穩(wěn)定，在30與-30以?xún)?nèi)的某對(duì)稱(chēng)個(gè)區(qū)間來(lái)回，前述理論計(jì)算時(shí)得到電流幅值沒(méi)27.727，計(jì)算與仿真接近?？梢?jiàn)VSI是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠的逆變方式，但要想要電流波形更加接近正弦就能力不足了。 頻譜分析：首先說(shuō)明一下，我們采用了simulink自身的快速傅里葉變換工具FFT Tool，它操作簡(jiǎn)潔，頻譜分析時(shí)的基頻、坐標(biāo)軸單位設(shè)置方便，而且可以以圖形和表格兩種方式分析諧波含量，簡(jiǎn)單實(shí)用。 從頻譜圖中可以看到：基波頻率設(shè)為50Hz，頻譜范圍在05000Hz。頻譜中沒(méi)有偶次諧波，奇次諧波有效值也隨著諧波次數(shù)的增加而遞減，諧波電壓總畸變率THD=47

8、.83% 但這是在有限頻譜范圍計(jì)算的，距理論值48.34%已經(jīng)很接近。足見(jiàn)FFT Tool可信度。（2） PWM雙極調(diào)制仿真控制規(guī)則如下表：VT1、VT4 offVT2、VT3 onVT1、VT4 onVT2、VT3 off可見(jiàn)雙極調(diào)制規(guī)則很簡(jiǎn)單，調(diào)制電路的思路也很明顯，就是一個(gè)電壓比較器或類(lèi)似的元件。在此我們采用加法器Sum和Switch開(kāi)關(guān)構(gòu)成調(diào)制電路。信號(hào)波與等腰三角波同過(guò)加法器控制開(kāi)關(guān)1和0狀態(tài)的投切作為IGBT門(mén)極的控制信號(hào)。PWM調(diào)制的精度和輸出也是可調(diào)的，正是前面提到的載波比和調(diào)制度越大，電流的波形與信號(hào)波越接近，但它受到IGBT開(kāi)關(guān)頻率的制約，否則會(huì)丟失脈沖影響輸出波形，而且I

9、GBT有開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)壽命也有限，單極調(diào)制正是減少損耗，延長(zhǎng)IGBT使用壽命的辦法，下文會(huì)提到。這里具題意載波比100調(diào)制度 影響輸出電壓，也可以說(shuō)是電壓利用率 它必須小于1，實(shí)際工作中IGBT開(kāi)關(guān)需要時(shí)間，它會(huì)更小一點(diǎn)。題目中接線(xiàn)如圖，左下為調(diào)制電路，值得注意的是因?yàn)镻WM調(diào)制后的電壓沖量已經(jīng)接近正弦，考慮到為了讓電流迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，可以將正弦信號(hào)波的初相設(shè)為基波阻抗角，計(jì)算于是取初相角2/5。運(yùn)行仿真后示波器輸出：仿真時(shí)間范圍00.03s 因?yàn)殡娏鞑ㄐ慰梢哉f(shuō)幾乎是直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的。由圖可見(jiàn)雙極調(diào)制的電壓脈沖序列是600與-600兩種電平，電流的正弦波感覺(jué)很美，理論上幅值=9.44 對(duì)應(yīng)波形圖

10、很接近，證明電流諧波含量低。 頻譜分析：（題意中，）以上是電壓的頻譜分析，直接調(diào)用了整數(shù)倍載波頻率附近的諧波分析得到電壓包含以下諧波成分(以50Hz基波作基準(zhǔn)值)1) 奇次倍載波頻以及其附近偶次倍信號(hào)頻。2) 偶次倍載波頻(本身沒(méi)有)附近奇次倍信號(hào)頻。我們?cè)儆肍FT Tool看一下電流波形質(zhì)量和諧波分析：取016000Hz真接近，總幅值9.405。且所包含的諧波分量和電壓一致 （3）PWM單極調(diào)制上文前提到IGBT的開(kāi)關(guān)壽命和開(kāi)關(guān)損耗，單極調(diào)制是個(gè)好對(duì)策（單相時(shí)應(yīng)用）首先控制規(guī)則：VT1 onVT2 offVT3 offVT4 onVT1 offVT2 onVT3 onVT4 offVT1 onVT2 offVT3 offVT4 on從規(guī)則中我們也能給發(fā)現(xiàn)1、2和3、4兩組“工人”是在一個(gè)周期內(nèi)輪流值班的，這樣既減少了損耗有延長(zhǎng)了壽命。所以單極輸出電平有0，+Ud，-Ud三種狀態(tài)。 如圖這是VT1在00.03s 也就是一個(gè)半周期的開(kāi)關(guān) 情況。 (信號(hào)波初相角2/5) PWM單極調(diào)制仿真圖 （調(diào)制電路） 示波器輸出（00.03s、初相角2/5）： 負(fù)載電壓輸出電平有0，+Ud，-Ud三種狀態(tài)。電流波形從肉眼看去比雙極調(diào)制更接近正弦（同樣載波比）。 頻譜分析： 類(lèi)似雙極調(diào)制發(fā)現(xiàn)單極調(diào)制電壓諧波成分只包含整數(shù)倍載波頻(本身沒(méi)有)附近奇次倍信號(hào)頻成分。 左為電流在016000Hz頻譜圖