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1、单相正弦波 PWM 逆变电路仿真报告1. 仿真目的：通过对单相 SPWM 逆变电路不同控制方式的仿真研究，进一步理解 SPWM 控制信号的产生原理，单极性、双极性控制方式的原理及不同、载波比与调制深 度不同对逆变电路输出波形的影响等。2. 仿真原理：2.1 单相桥式逆变电路图 1 所示为单相桥式逆变电路的框图，设负载为阻感负载。在桥式逆变电 路中，桥臂的上下两个开关器件轮流导通，即工作时 V1 和 V2 通断状态互补， V3 和 V4 的通断状态互补。下面将就单极性及双极性两种不同的控制方法进行 分析。图 1 单相桥式 PWM 逆变电路2.2 不同控制方式原理2.2.1 单极性控制方式调制信号
2、ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负 半周为负极性的三角波。在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态，在uruc时 使V4导通，V3关断，u0=Ud；在uruc时使V3导通，V4关断，u0=O;在ur的负 半周，V1保持断态，V2保持通态，在uruc时使V4导通，V3关断，u0=0。这样就得到了 SPWM波形u0。图 2 单极性 PWM 控制波形2.2.2 双极性控制方式采用双极性方式时，在ur的半个周期内，三角波不再是单极性的，而是有正 有负，所得的PWM波也是有正有负。在Ur的一个周期内，输出的PWM波只有 土d两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。在ur的
3、正负半周，对各开关器 件的控制规律相同。即uruc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3以关断信 号，如i0，则V1和V4通，如i0，贝V VD1和VD4通，不管哪种情况都是输出 电压u0=Ud。uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4以关断信号，这时如 i00,则VD2和VD3通,不管哪种情况都是输出电压u0=- Ud。图 3 双极性 PWM 控制波形3. 仿真过程：3.1 仿真主电路模型：仿真模型如图4所示，其中的PWM模块为根据不同控制方式自定义的子系 统封装模块，设置该模块的参数为m （调制深度）、f （调制波频率）、fc （载波 频率），方便仿真时快捷调整调制深度及载波比，来观
4、察不同参数对逆变电路输 出的影响。图4仿真主电路乡了密J-0g-BFWU图中的“Universal Bridge 模块，在对话框中选择桥臂数为2,即可组成单 相全桥电路，开关器件选带反并联二极管的IGBT；直流电压源模块设置为300V；“Series RLC Branch”模块去掉电容后将阻感负载分别设为1 Q和2 m H；在串联 RLC支路模块的对话框下方选中测量电压和电流，再利用“Multimeter”模块即 可观察逆变器的输出电压、电流；“Powergui ”模块设置为离散仿真模式，采样 时间为1e-5s。仿真时间设为0.06s，选择ode45仿真算法。3.2 单极性 PWM 逆变仿真3
5、.2.1 单极性 PWM 控制信号产生原理在本仿真中，采用同幅值、同频率的两条等腰三角载波分别与同幅值、同频率，但相位相差180的两条正弦调制波比较，经过处理后得到PWM控制信号， 原理如图 5 所示。由于两个桥臂是分开控制的同一桥臂上的两个开关在控制上仍 然互补。在输出电压的半个周期内，电压极性只在一个方向变化，故称为单极性 控制。咂伽伽叽时甸一图5单极性PWM控制信号产生原理3.2.2 单极性控制仿真模型K-stflnHProduisS图 6 单极性 PWM 控制信号产生模型在图6中，正弦波m * sin(2nft)以及m*sin(2nft + n)由模块组合产生，与频 率为fc的等腰三角
6、波比较后，经过处理产生单极性PWM控制信号。PiOduciSDa Sa Tjpa CDTvsnio-nS-cnEtani1DDTticantTnanrometn cFbCistionPriKiudL 乌 idlGlcc&lOaini3001 flT申耳 CenvSHSlcr 1cJble: double Eta Tsp= C l*OT pcrNBTPulzaSublnsclPulM: i!rwHlor1F! 口 “nil 口 口 5jLwnaE1Trijoromfitri Fur dio-n1St. 3ba-23.2.3 进行仿真及波形记录(1)调制深度m设为0.5,基波频率f设为50Hz,载
7、波频率fc设为基频的20 倍，即1000Hz。运行仿真主电路，可得输出电压、负载电流、直流侧电流如图7 所示。图 7m=0.5,fc=1000Hz 时单极性 PWM 逆变电路输出波形对此时的输出电压及负载电流进行FFT分析，结果如图8所示。输出电压基 波幅值为150.4V，与理论值很接近，约为基波幅值的50%。其THD为124.27%。 而由于感性负载的存在，负载电流的THD为4.97%。-ELU BEEPUnLL.Jrl迟 mE 巨图 8 m=0.5,fc=1000Hz 时单极性输出电压 FFT 分析结果仿真(2) 在(1)的基础上，将调制深度 m 改为 1，其它参数不变,仿真后可得此 时输
8、出电压、负载电流及直流侧输电流波形如图 9 所示。务吕电F M直垃Rl电垃凌fl；!11J!1111 兀;2鋼耐测叫詁細III joJiiiiiii0010J20.型0 03D.D%0 040 04G0(&0。昭VB图9m=1,fc=1000Hz时单极性PWM逆变电路输出波形对此时的输出电压及负载电流进行FFT分析，结果如图10所示。输出电压 基波幅值为300.1V，与理论值非常接近，其THD降为52.16%。而同样由于感性 负载的存在，负载电流的THD为1.99%，比(1)中降低很多。图 10 m=1,fc=1000Hz 时单极性输出电压 FFT 分析结果仿真(3)在(2)的基础上将载波频率
9、提高到fc=2000Hz.仿真后，得到此时的输 出电压，负载电流及直流侧电流波形如图 11 所示.-EccuEEPUnLL口 盘】Bcri芝需出电莖滾邯jnn哪“0.016啦2Q.Q郎僅阳D.&350 040血百0.的Q.Q碍0 06血图11m=1,fc=2000Hz时单极性PWM逆变电路输出波形此时的输出电压基波幅值为 300.2V， THD 为 52.1%；负载电流的 THD 降为 1.09%，更加接近正弦。图 12 m=1,fc=2000Hz 时单极性负载电流 FFT 分析结果(-BcmEEPUm 丄Be 卫3.2.4 单极性控制仿真结果分析对比仿真(1)、(2)、(3)的仿真波形及 F
10、FT 分析结果可以看出，相对于(1)的结 果,(2)的结果波形中电压中心部分明显加宽，THD明显减小，负载电流波形更加 光滑；而(3)的结果波形中输出电压中心加宽更明显，负载电流的正弦度也更好了。 由此可见调制深度 m 与载波比对波形的影响很大，参数值越大，逆变输出效果 越好。3.3 双极性 PWM 逆变仿真3.3.1 双极性 PWM 控制信号产生原理相对于单极性控制，双极性PWM控制较为简单，将正弦调制信号与双极性 三角载波进行比较后经过简单处理，即可产生PWM控制信号。其原理如图3所 示。3.3.2 双极性 PWM 控制信号产生模型CDLogiraildnubifiWT科短加n FiKi
11、M 2TilQorwrnulo FundbonDpanloi图 13 双极性 PWM 控制信号产生模型图13中，同样由时钟信号经过处理产生的正弦波与频率为fc的双极性等腰三角波比较后，经过处理即可得到双极性PWM控制信号。3.3.3 进行仿真及波形记录如单极性PWM逆变仿真中一样，分别对应于仿真（1）、（2）、（3）,设定调制深 度m与载波频率fc的值，得到仿真波形如图14、15、16所示。能岀电压證寵n D15awfia ai0 D3&I |4 EH&0 Dt0 0G图 14 m=0.5,fc=1000Hz 时双极性 PWM 逆变电路输出波形Q1Qb01帖001辅出电圧丽時OffiS0 01
12、&DD苦OOS石0 0150035（ftA：H电浇淤邢0M5的出电谟液莊图15m=1,fc=1000Hz时双极性PWM逆变电路输出波形!11 二二二E;h:1/F:图 16 m=1,fc=2000Hz 时双极性 PWM 逆变电路输出波形3.3.4 仿真结果分析同样对每次仿真结果进行FFT分析，输出电压THD由263.75%降至99.72% ； 负载电流THD由21.09%降至3.83%，谐波含量及正弦度明显改善。如同单极性 PWM 逆变仿真结果分析中所述，调制深度 m 和载波比的大小 对双极性 PWM 逆变输出波形的影响也很大，在 m 和 fc 值较大的情况下，负载 电流的正弦度明显较好。同时
13、，对比仿真图可以看出，在同样的参数条件下，单极性控制下的逆变输 出波形要比双极性控制下的输出要好。4 拓展思考在仿真过程中可以看出，无论是单极性控制还是双极性控制，在不同的参数 条件下，由于输出电压含有谐波，负载电流的波形总是不够光滑。因此考虑在逆 变器输出部分加入 LC 滤波环节，看是否能够改善输出情况。经过仿真对比，设 置 L=0.002H， C=1e-4F.加入滤波环节后的仿真主电路如图17所示：图 17 加入 LC 滤波的仿真主电路对单极性和双极性控制，分别在 m=0.5,fc=1000Hz 参数条件下进行仿真并记 录波形如图18、19 所示。图 18 m=0.5,fc=1000Hz 时，加入 LC 滤波后单极性 PWM 逆变电路输出波形n0 066&0g7TQffiJQ.Q5将出电压技邢QJM50.03E VsD.D35Vn 诟出电誉迟邢QJ35Vfl 宜潦劇电谙逋坯图 19 m=0.5,fc=1000Hz 时，加入 LC 滤波后双极性 PWM 逆变电路输出波形.ZJf;丁由仿真结果可以看出，加入 LC 滤波后，输出电压中的谐波分量被滤除了许 多，更加趋近于正弦波形，而负载电流的波形更加光滑，正弦度更好。说明加入 滤波环节对于逆变输出波形有明显改善。
单相正弦波PWM逆变电路仿真报告(Simulink)
