基于PWM的逆变电路分析.doc

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试卷类型: A
苏州科技大学电力电子技术试卷
使用专业年级机电13 考试方式:开卷（ √ )闭卷（ ） 共 1 页

题号

合计

得分

说明:本课程不进行期末卷面考试,要求按照规定完成一篇科技论文。
一、论文的具体要求
（1）选择授课过程中的一个具体的技术内容或知识点，自拟论文题目;查找一些技术资料,对所选择的一项技术或一个知识点进行阐述；
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（3)按照科技论文的格式排版。要求包含:标题、作者单位、作者姓名、摘要、关键词、引言、正文、结论、参考文献几部分。
（4）基本格式要求如下：标题3号黑体、作者单位用5号宋体，其余均用小四号楷体或仿宋、1.25倍行间距、单栏.层次按1、1。1、1。2、……2、2。1、2.2、……方式排序。
二、评分标准
(1）优秀：论文内容有理论要有理论和现实意义；观点明确，重点突出；思路清晰，结构合理;有自己的观点；文字通顺,格式完全符合要求。
(2)良好：论文内容有一定的理论和现实意义,观点明确;结构合理，逻辑性较强；有自己的观点；文字比较流畅，格式符合要求。
（3）中等：论文内容有一定的现实意义；论点基本正确；观点较明确，思路较清晰;有一些自己的观点;文字较流畅，格式基本符合要求。
（4）及格：内文内容主要观点正确，结构较合理;叙述欠正确,语言欠流畅;没有自己的观点；格式不太符合要求。
(5）不及格：论文内容观点有重大错误；完全抄袭他人；结构与观点不相符;内容有常识性错误;内容空洞、层次混乱、条理不清。

苏州科技大学
逆变器的仿真与特性研究
作者单位：苏州科技大学
作者姓名:孙健
摘要：现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。为了对PWM型逆变电路进行研究，首先建立了逆变器单极性控制所需的电路模型,采用IGBT作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路和PWM控制电路的工作原理进行了分析，运用MATLAB中的SIMULINK对电路进行了仿真，给出了仿真波形，并运用MATLAB提供的powergui模块对仿真波形进行了FFT分析（谐波分析）。
关键词:SPWM；PWM；逆变器;谐波；FFT分析
1 引言
随着地球非可再生资源的枯竭日益以及人们对电力的日益依赖，逆变器在人们日常生活中扮演着越来越重要的角色。近年来，PWM型逆变器的的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，并显示出其可以同时实现变频变压反抑制谐波的优越性，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，才确定了它在电力电子技术中的重要地位.
2PWM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，就可得到下图b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波形。SPWM波形如下图所示：
t
O
w
U
d
-U
d

图（一）:单极性PWM控制方式波形
上图波形称为单极性SPWM波形，根据面积等效原理,正弦波还可等效为下图中的PWM波,即双极性SPWM波形，而且这种方式在实际应用中更为广泛。
O
w
t
U
d
-
U
d

图（二）：双极性PWM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，目前实际应用的几乎都是电压型电路，因此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.下面具体分析单相桥式逆变电路的单极性控制方式。图（三）是采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。
图(三）：单相桥式PWM逆变电路
单极性PWM控制方式：在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断.ur正半周，V1保持通,V2保持断。当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud .当ur〈uc时使V4断，V3通,uo=0 .ur负半周，V2保持通，V1保持断.当ur〈uc时使V3通，V4断，uo=—Ud ；当ur>uc时使V3断,V4通，uo=0 。这样就得到图一所示的单极性的SPWM波形。
4 电路仿真及分析
4.1单极性SPWM触发脉冲波形的产生：仿真图如下所示。
图（四）:单极性PWM逆变器触发脉冲发生电路
在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t，乘以2∏f后再通过一个“sin”模块即为sinwt，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”模块产生,正确设置参数,三角波经过处理，便可成为频率为fc的三角载波.将调制波和载波通过一些运算与比较,即可得出下图所示的单极性SPWM触发脉冲波形。
图（五)：单相桥式PWM逆变器V1触发脉冲波形（单极性SPWM波形）
4。2 双极性SPWM触发脉冲波形的产生：仿真图如下所示。
图（六）:双极性PWM逆变器触发脉冲发生电路
同上，在Simulink的“Source”库中选择“Clock"模块,以提供仿真时间t,乘以2∏f后再通过一个“sin”模块即为sinwt,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”模块产生，正确设置参数,便可生成频率为fc的三角载波。将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出下图所示的双极性SPWM触发脉冲波形。
图(七）：单相桥式PWM逆变器V1触发脉冲波形(双极性SPWM波形）
4.3 单极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路仿真及分析
4.3。1单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路
主电路图如下所示：
图(八）：单相桥式PWM逆变器主电路图
将调制深度m设置为0。5，输出基波频率设为50Hz,载波频率设为基波的15倍,即750Hz，仿真时间设为0.04s,在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间设为1e—005s，运行后可得仿真结果，输出交流电压,交流电流和直流电流如下图所示：
图（九)：单极性SPWM方式下的逆变电路输出波形
对上图中的输出电压uo进行FFT分析，得如下分析结果：
图(十）：单极性控制方式下输出电压的FFT分析
由FFT分析可知：在m=0。5，fc=750Hz，fr=50Hz，即N=15时，输出电压的基波电压的幅值为U1m=150。9V,基本满足理论上的U1m=m＊Ud（即300＊0.5=150)。谐波分布中最高的为29次和31次谐波，分别为基波的71.75％和72。36%，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到106.50％。
对输出电流io进行FFT分析,得如下分析结果：
图（十一):单极性控制方式下输出电流的FFT分析
由FFT分析可知:在m=0。5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15时，输出电流基波幅值为128。2A,考虑最高频率为4500Hz时的THD=13.77%，输出电流近似为正弦波。
改变调制比m和载波比N，如增大m和N，可以有效减小输出电压和输出电流的谐波分量。
4。3。2 双极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路
双极性SPWM控制方式下的单相桥式逆变电路主电路与图（八)相同，只需把单极性SPWM发生模块改为双极性SPWM发生模块即可。
参数设置使之同单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路相同,即将调制深度m设置为0。5，输出基波频率设为50Hz，载波频率设为基波的15倍（750Hz),仿真时间设为0。06s,在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间设为1e—005s，运行后可得仿真结果，输出交流电压，交流电流和直流侧电流如下图所示：
图（十二）：双极性SPWM方式下的逆变电路输出波形
同样，对上图中的输出电压uo进行FFT分析,得如下分析结果
图(十三):双极性控制方式下输出电压的FFT分析
由FFT分析可知：在m=0。5，fc=750Hz，fr=50Hz，即N=15时，输出电压的基波电压的幅值为U1m=152V,基本满足理论上的U1m=m＊Ud(即300＊0。5=150）。谐波分布中最高的为第15次和29、31次谐波，分别为基波的212。89%和71。65％、71。95%，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到260。21％.
对输出电流io进行FFT分析,得如下分析结果：
图（十四)：双极性控制方式下输出电流的FFT分析
由FFT分析可知:在m=0。5，fc=750Hz，fr=50Hz，即N=15时，输出电流基波幅值为130。3A，考虑最高频率为4500Hz时的THD=34。15％，输出电流近似为正弦波.
改变调制比m和载波比N，如增大m和N，同样可以有效减小输出电压和输出电流的谐波分量。
4.3。3 单极性和双极性SPWM控制方式下的单相桥式逆变电路比较分析
单极性SPWM控制方式输出波形和双极性SPWM控制方式输出波形的比较：
在调制比m(0.5）、载波频率fc（750Hz）、调制波频率fr（50Hz）等均相同的情况下，单极性SPWM控制方式输出电压THD=106。5％，明显低于双极性SPWM控制方式输出电压的THD值（260.21％）,且单极性方式下输出电压谐波次数较高，更容易滤除；单极性SPWM控制方式输出电流THD=13.77％，而双极性SPWM控制方式输出电压的THD=34.15%,即单极性方式下输出电流谐波含量明显更小，更接近于正弦波。
综上所述：单极性调制时的谐波性能要优于双极性调制方式.
5 结论
对于PWM控制方式的单相桥式逆变电路，即可以选用单极性SPWM控制方式,也可以选用双极性SPWM控制方式。单极性SPWM信号发生电路比双极性的复杂一些,但与双极性SPWM控制方式相比，单极性SPWM在线性调制情况下的谐波性能明显优于双极性调制。通过适当的参数设置，运用PWM控制技术可以很好的实现逆变电路的运行要求.
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，2009。1
[2]王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009。5
［3］李维波,MATLAB在电气工程中的应用，中国电力出版社,2007
［4］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.
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