单相和三相逆变器SPWM调制技术的仿真与分析

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1、目录1.引言- 1 -2.PWM控制的基本原理- 1 -3.PWM逆变电路及其控制方法- 2 -4.电路仿真及分析- 3 -双极性SPWM波形的产生- 3 -三相SPWM波形的产生- 5 -双极性SPWM控制方式单相桥式逆变电路仿真及分析- 6 -5.双极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路和三相逆变电路比较分析- 11 -6.结论- 12 -7.参考文献- 12 -1. 引言PWM技术的的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力

2、电子技术中的重要地位。常用的PWM技术包括：正弦脉宽调制（SPWM）、选择谐波调制（SHEPWM）、电流滞环调制（CHPWM）和电压空间矢量调制（SVPWM）。2. PWM控制的基本原理PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术的重要理论基础是面积等效原理，即：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。把正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。如果把这些脉冲

3、序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就可得到图1所示的脉冲序列，这就是PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波。OwtUd-Ud图1 单极性SPWM控制方式波形上图所示的波形称为单极性SPWM波形，根据面积等效原理，正弦波还可等效为图2中所示的PWM波，这种波形称为双极性SPWM波形，而且这种方式在实际应用中更为广泛。OwtUd-Ud图2 双极性SPWM控制方式波形3. PWM逆变电路及其控制方法PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种，目前实际应用的几

4、乎都是电压型电路，因此本节主要分析电压型逆变电路的控制方法。要得到需要的PWM波形有两种方法，分别是计算法和调制法。根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形，这种方法称为计算法。由于计算法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。与计算法相对应的是调制法，即把希望调制的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。下面具体分析单相和三相逆变电路双极性控制方式。图3是采用IGBT作

5、为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。图3 单相桥式PWM逆变电路单相桥式逆变电路双极性PWM控制方式：在的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有两种电平。同样在调制信号和载波信号的交点时刻控制器件的通断。正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如0，V1和V4通，如0，VD1和VD4通，= 。当时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如0，VD2和VD3通，=- 。这样就得到图2所示的双极性的SPWM波形。图4是采用IGBT作为开关器件的三相桥式电压型逆变电路。图4 三相PWM逆变电路当时，给V1导通信号，给V

6、4关断信号，；当时，给V4导通信号，给V1关断信号，。 当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1 ( VD4 )导通。、和的PWM波形只有两种电平。波形可由、得出，当1和6通时，=，当3和4通时，=，当1和3或4和6通时，=0。、的波形可同理得出。4. 电路仿真及分析4.1 双极性SPWM波形的产生：仿真电路图如图5所示。在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以后再通过一个“sin”模块即为sin，乘以调制比m后可得到所需的正弦波调制信号。三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产

7、生,参数设置为【0 1/4 3/4 1/】和【0 1 -1 0】，便可生成频率为的三角载波。将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出图6所示的双极性SPWM触发脉冲波形。图5 双极性PWM逆变器触发脉冲发生电路图6 双极性SPWM波形从上图可以看出，对于双极性SPWM控制方式，在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，SPWM波也是在正负之间变化。4.2 三相SPWM波形的产生：仿真图如下所示。图7 三相SPWM逆变器触发脉冲发生电路本文中采用单三角载波和三个幅值、频率相同相位互差120度的三相交流波形作为调制波。同上，在Simulink的“Source”库中选择“Clock”

8、模块，以提供仿真时间t,乘以后再通过一个“sin”模块即为sin，乘以调制比m后可得到所需的正弦波调制信号，通过设置即可产生三相正弦波信号。三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生,参数设置为【0 1/4 2/4 1/】和【-1 0 1 -1】，便可生成频率为的三角载波。将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出三相SPWM触发脉冲波形。三角载波与调制波的波形如图8所示：图8 三相调制波与三角载波波形4.3 双极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路仿真及分析双极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路主电路图如下图所示：图9 单相桥式PWM逆变器主电路图为

9、了使仿真界面简洁，仿真参数易于修改，通用桥（Universal Bridge）的触发脉冲是图5所示部分封装成的子模块。对于单相SPWM控制方式的逆变电路，有如下重要参数：载波比N载波频率与调制信号频率之比，即N = /。调制度m调制波幅值与载波幅值之比，即m/。输出电压基波幅值=，其中，为直流侧电源电压。将调制度m设置为0.9，调制波频率设为50Hz，载波频率设为基波的30倍（载波比N=30），即1500Hz，仿真时间设为，在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间设为1e-006s，运行后可得仿真结果，建立m文件，程序如下所示：（示波器名称设置为inv）subplot(2,1,1);p

10、lot(inv.time,inv.signals(1).values);title(输出电压波形);subplot(2,1,2);plot(inv.time,inv.signals(2).values);title(输出电流波形);运行此文件后，可得输出电压和电流波形如图10所示：图10双极性SPWM方式下的逆变电路输出波形从上图中可以看出，输出电压为单极性PWM型电压，脉冲宽度符合正弦规律变化，交流电流接近于正弦波形，直流电流含有直流分量。利用MATLAB提供的powergui模块，对上图中的输出电压和输出电流进行FFT分析，得图11、图12所示结果：图11双极性控制方式单向桥式逆变电路输出

11、电压的FFT分析图12双极性控制方式单向桥式逆变电路输出电流的FFT分析由图11可知：在=300V ，m=0.9, =1500Hz, =50Hz，即N=30时，输出电压的基波电压的基波幅值为=2V，基本满足理论上的= (即3000.9=270V)。谐波分布中最高的为30次谐波，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到121%。由图12可知：输出电流基波幅值为24A，谐波分布中最高的为30次谐波，考虑最高频率为4500Hz时的THD=%，输出电流近似为正弦波。4.3.1 SPWM控制方式下的三相逆变电路SPWM控制方式下的三相逆变电路主电路如图13所示：图13 三相逆变电路主电路设置参数使之与单

12、极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路参数相同，即将调制度m设置为0.9，调制波频率设为50Hz，载波频率设为基波的30倍（载波比N=30），即1500Hz，仿真时间设为，在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间设为1e-006s，运行仿真图形，然后建立m文件，程序如下所示：subplot(3,1,1);plot(inv.time,inv.signals(1).values);title(Uab线电压波形);subplot(3,1,2);plot(inv.time,inv.signals(2).values);title(A相输出电压Ua波形);subplot(3,1,3);plot(i

13、nv.time,inv.signals(3).values);axis(0 0.04 -300 300);title(A相输出电流波形);运行此文件后，可得输出交流电压，交流电流和直流电流如图14所示：图14SPWM方式下的三相逆变电路输出波形分析上图可知，输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成。利用MATLAB提供的powergui模块，对上图中的输出相电压和输出电流进行FFT分析，得图15、图16所示结果：图15SPWM控制方式三相逆变电路输出相电压的FFT分析图16SPWM控制方式三相逆变电路输出电流的FFT分析由图1

14、5可知：在=300V ，m=0.9, =1500Hz, =50Hz，即N=30时，输出相电压的基波电压的基波幅值为=V，谐波分布中最高的为28和32次谐波，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到%。由图16可知：考虑最高频率为4500Hz时的THD=%，输出电流近似为正弦波。5. 双极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路和三相逆变电路比较分析经比较分析可以看出，在调制比和载波比都相同的情况下，三相逆变电路比单向桥式逆变电路的谐波含量小得多，因此，从谐波含量的角度考虑，三相逆变电路的输出波形更接近正弦波。同时，从SPWM触发产生电路可以看出，三相逆变电路的触发产生电路要比单相桥式逆变电路复杂。通过设置适当的m和N的值，就可以很好的实现逆变电路的运行要求。6. 结论通过适当的参数设置，根据不同应用场合的要求，选择能够满足实际要求的控制方式，运用PWM控制技术，可以有效减小输出电压和输出电流的谐波分量，改善输出波形，可以很好的实现逆变电路的运行要求。7. 参考文献1林飞，杜欣，电力电子应用技术的MATLAB仿真，中国电力出版社，2王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，3汤才刚，朱红涛，李莉，陈国桥，基于PWM的逆变电路分析，现代电子技术2008年第1期总第264期。