單相正弦波PWM逆變電路仿真報(bào)告材料

1、單相正弦波PWM逆變電路仿真報(bào)告1. 仿真目的:通過(guò)對(duì)單相SPWM逆變電路不同控制方式的仿真研究，進(jìn)一步理解SPWM控制信號(hào)的產(chǎn)生原理，單極性、雙極性控制方式的原理及不同、載波比與調(diào)制深 度不同對(duì)逆變電路輸出波形的影響等。2. 仿真原理:2.1單相橋式逆變電路圖1所示為單相橋式逆變電路的框圖，設(shè)負(fù)載為阻感負(fù)載。在橋式逆變電路中，橋臂的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件輪流導(dǎo)通，即工作時(shí)V1和V2通斷狀態(tài)互補(bǔ),V3和V4的通斷狀態(tài)互補(bǔ)。下面將就單極性及雙極性?xún)煞N不同的控制方法進(jìn)行 分析。栽波A2匚VD】調(diào)制倍號(hào)-*TR 2vim圖1單相橋式PWM逆變電路2.2不同控制方式原理單極性控制方式調(diào)制信號(hào)Ur為正弦波，載

2、波Uc在Ur的正半周為正極性的三角波，在 Ur的負(fù) 半周為負(fù)極性的三角波。在 Ur的正半周，V1保持通態(tài)，V2保持?jǐn)鄳B(tài)，在UrUc 時(shí)使V4導(dǎo)通，V3關(guān)斷，UO=Ud；在UrUc時(shí)使V4導(dǎo)通，V3關(guān)斷，U0=0。這樣就得到了 SPWM波形uo。圖2單極性PWM控制波形雙極性控制方式采用雙極性方式時(shí)，在 Ur的半個(gè)周期，三角波不再是單極性的，而是有正 有負(fù)，所得的PWM波也是有正有負(fù)。在Ur的一個(gè)周期，輸出的PWM波只有士巴“ 兩種電平，而不像單極性控制時(shí)還有零電平。在Ur的正負(fù)半周，對(duì)各開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同。即UrUc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3以關(guān)斷信號(hào)， 如ioO,則V1和V4

3、通，女口 i00,則VD1和VD4通，不管哪種情況都是輸出電 壓U0=Ud。UrVUc時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4以關(guān)斷信號(hào)，這時(shí)如ioO,則VD2和VD3通,不管哪種情況都是輸出電壓 U0=-Ud。IL圖3雙極性PWM控制波形3. 仿真過(guò)程：3.1仿真主電路模型：仿真模型如圖4所示，其中的PWM模塊為根據(jù)不同控制方式自定義的子系 統(tǒng)封裝模塊，設(shè)置該模塊的參數(shù)為 m （調(diào)制深度）、f （調(diào)制波頻率）、fc （載波 頻率），方便仿真時(shí)快捷調(diào)整調(diào)制深度及載波比，來(lái)觀察不同參數(shù)對(duì)逆變電路輸 出的影響。povnerg uiDC Voltage SourMD iscre 七巳， Ts = le

4、-0 OS s.:了JUFTUniversal Bridge匚urrent MeasurementPWMMultimeter圖4仿真主電路圖中的“Universal Bridge”模塊，在對(duì)話框中選擇橋臂數(shù)為 2，即可組成單 相全橋電路，開(kāi)關(guān)器件選帶反并聯(lián)二極管的IGBT直流電壓源模塊設(shè)置為300V;“Series RLC Brand”模塊去掉電容后將阻感負(fù)載分別設(shè)為1 Q和2 m H；在串聯(lián)RLC支路模塊的對(duì)話框下方選中測(cè)量電壓和電流，再利用“ Multimeter ”模塊即可觀察逆變器的輸出電壓、電流；“ Powergui”模塊設(shè)置為離散仿真模式，采樣 時(shí)間為1e-5so仿真時(shí)間設(shè)為0.0

5、6s,選擇ode45仿真算法。3.2單極性PWM逆變仿真單極性PWM控制信號(hào)產(chǎn)生原理在本仿真中，采用同幅值、同頻率的兩條等腰三角載波分別與同幅值、同頻率，但相位相差180的兩條正弦調(diào)制波比較，經(jīng)過(guò)處理后得到PWM控制信號(hào), 原理如圖5所示。由于兩個(gè)橋臂是分開(kāi)控制的同一橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)在控制上仍 然互補(bǔ)。在輸出電壓的半個(gè)周期，電壓極性只在一個(gè)方向變化，故稱(chēng)為單極性控 制。JL1Tn1 1LILL1J CnJ-u-%0圖5單極性PWM控制信號(hào)產(chǎn)生原理322單極性控制仿真模型-Sil圖6單極性PWM控制信號(hào)產(chǎn)生模型在圖6中，正弦波汽-用弋廠以及：:由模塊組合產(chǎn)生,與頻率為fc的等腰三角波比較后，經(jīng)過(guò)

6、處理產(chǎn)生單極性PWM控制信號(hào)進(jìn)行仿真及波形記錄(1)調(diào)制深度m設(shè)為0.5,基波頻率f設(shè)為50Hz,載波頻率fc設(shè)為基頻的20 倍，即1000Hz。運(yùn)行仿真主電路，可得輸出電壓、負(fù)載電流、直流側(cè)電流如圖 7 所示。加二;U壓?fl圖7 m=0.5,fc=1000Hz時(shí)單極性PWM逆變電路輸出波形對(duì)此時(shí)的輸出電壓及負(fù)載電流進(jìn)行 FFT分析，結(jié)果如圖8所示。輸出電壓基 波幅值為150.4V，與理論值很接近，約為基波幅值的 50%。其THD為124.27%。 而由于感性負(fù)載的存在，負(fù)載電流的 THD為4.97%。Fundamental (50Hz) = 150.4 ” THD= 124.27%-TUr

7、AEnJPLInLL-0 邑 6主0510Harmonic order圖8m=0.5,fc=1000Hz時(shí)單極性輸出電壓FFT分析結(jié)果仿真(2)在(1)的基礎(chǔ)上，將調(diào)制深度m改為1，其它參數(shù)不變，仿真后可得此 時(shí)輸出電壓、負(fù)載電流及直流側(cè)輸電流波形如圖 9所示。圖9 m=1,fc=1000Hz時(shí)單極性PWM逆變電路輸出波形對(duì)此時(shí)的輸出電壓及負(fù)載電流進(jìn)行 FFT分析，結(jié)果如圖10所示。輸出電壓 基波幅值為300.1V，與理論值非常接近，其THD降為52.16%。而同樣由于感性 負(fù)載的存在，負(fù)載電流的THD為1.99%,比中降低很多。=匚 BEEpunLl-o詫)mEW圖10 m=1,fc=100

8、0Hz時(shí)單極性輸出電壓FFT分析結(jié)果仿真 在(2)的基礎(chǔ)上將載波頻率提高到fc=2000Hz仿真后，得到此時(shí)的輸 出電壓，負(fù)載電流及直流側(cè)電流波形如圖11所示.圖11m=1,fc=2000Hz時(shí)單極性PWM逆變電路輸出波形此時(shí)的輸出電壓基波幅值為 300.2V, THD為52.1%;負(fù)載電流的THD降為 1.09%,更加接近正弦。圖12 m=1,fc=2000Hz時(shí)單極性負(fù)載電流FFT分析結(jié)果=2匚如 EEPUnu JO決)eibt-單極性控制仿真結(jié)果分析對(duì)比仿真、(2)、(3)的仿真波形及FFT分析結(jié)果可以看出，相對(duì)于的結(jié) 果,(2)的結(jié)果波形中電壓中心部分明顯加寬，THD明顯減小，負(fù)載電流

9、波形更加 光滑；而(3)的結(jié)果波形中輸出電壓中心加寬更明顯，負(fù)載電流的正弦度也更好 了。由此可見(jiàn)調(diào)制深度 m與載波比對(duì)波形的影響很大，參數(shù)值越大，逆變輸出 效果越好。3.3雙極性PWM逆變仿真331雙極性PWM控制信號(hào)產(chǎn)生原理相對(duì)于單極性控制，雙極性PWM控制較為簡(jiǎn)單，將正弦調(diào)制信號(hào)與雙極性 三角載波進(jìn)行比較后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理，即可產(chǎn)生 PWM控制信號(hào)。其原理如圖3所 示。雙極性PWM控制信號(hào)產(chǎn)生模型-* HOTPf.TJEhcmw 怦了E 時(shí)除rrS#lWrFury* ch圖13雙極性PWM控制信號(hào)產(chǎn)生模型圖 13 中,同樣由時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)處理產(chǎn)生的正弦波與頻率為fc的雙極性等腰三角波比較后，經(jīng)過(guò)

10、處理即可得到雙極性 PWM控制信號(hào)。333進(jìn)行仿真及波形記錄如單極性PWM逆變仿真中一樣，分別對(duì)應(yīng)于仿真（1）、（2）、（3）,設(shè)定調(diào)制深 度m與載波頻率fc的值，得到仿真波形如圖14、15、16所示。博出電庇世癢Sa-DW1COQJ4Q4DHb05OH圖14m=0.5,fc=1000Hz時(shí)雙極性PWM逆變電路輸出波形Q015Q V2UiOZ5DMimOMi915063Offi U - 4 9- 畔13003$笹出電t. rfl:2D0Q圖15 m=1,fc=1000Hz時(shí)雙極性PWM逆變電路輸出波形圖16 m=1,fc=2000Hz時(shí)雙極性PWM逆變電路輸出波形334仿真結(jié)果分析同樣對(duì)每次仿

11、真結(jié)果進(jìn)行 FFT分析，輸出電壓THD由263.75%降至99.72% ; 負(fù)載電流THD由21.09%降至3.83%,諧波含量及正弦度明顯改善。如同單極性PWM逆變仿真結(jié)果分析中所述，調(diào)制深度m和載波比的大小對(duì) 雙極性PWM逆變輸出波形的影響也很大，在 m和fc值較大的情況下，負(fù)載電 流的正弦度明顯較好。同時(shí)，對(duì)比仿真圖可以看出，在同樣的參數(shù)條件下，單極性控制下的逆變輸 出波形要比雙極性控制下的輸出要好。4拓展思考在仿真過(guò)程中可以看出，無(wú)論是單極性控制還是雙極性控制， 在不同的參數(shù) 條件下，由于輸出電壓含有諧波，負(fù)載電流的波形總是不夠光滑。因此考慮在逆 變器輸出部分加入LC濾波環(huán)節(jié)，看是否能夠改善輸出情況。經(jīng)過(guò)仿真對(duì)比，設(shè) 置 L=0.002H, C=1e-4F.加入濾波環(huán)節(jié)后的仿真主電路如圖17所示:圖17加入LC濾波的仿真主電路對(duì)單極性和雙極性控制，分別在 m=0.5,fc=1000Hz參數(shù)條件下進(jìn)行仿真并記 錄波形如圖18、19所示。IJh_ M11【艸I”0 g圖1