单相正弦波PWM逆变电路.docx

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单相正弦波PWM逆变电路

一、实验目的

1、用MATLAB对单相正弦波PWM逆变电路进行仿真，讨论载波信号、调制信号对输出电压、电流、谐波以及谐波畸变率的影响。

2、主要讨论载波比、调制深度对输出电压、电流、谐波以及谐波畸变率的影响。

2、实验原理

1、PWM控制的基本原理

PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，将宽度变化的窄脉冲作为驱动信号，其控制的基本原理是面积等效原理，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。

冲量指窄脉冲的面积。

效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

低频段常接近，仅在高频段略有差异。

如图1-1为PWM波等效为正弦波，2-1a中把正弦波分成N等分，就可以把正弦波看成是由N个彼此相连的脉冲序列组成的波形，这些脉冲的宽度相等，都为π/N，但幅值不相等。

如果把这一系列的窄脉冲用等幅而不等宽的矩形窄脉冲代替，使矩形脉冲的中点与相应的正弦脉冲部分的中点重合，且使矩形脉冲与相应的正弦脉冲的面积相等，且宽度是按正弦规律变化的如图2-1b，由面积等效原理可知，PWM波和正弦波是等效的。

这种脉冲宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形叫做SPWM。

图2-1SPWM波等效为正弦波

2、电路结构及控制方法

2.1单相SPWM逆变电路结构

图2-2单相SPWM逆变电路

2.2单相SPWM逆变电路控制方式

图2-3单极性SPWM控制方式波形图2-4双极性SPWM控制方式波形

对于单极性SPWM，如图2-3所示，在Ur和Uc焦点的时刻控制IGBT的通断。

在Ur的正半周，VT1保持通态，VT2保持断态，当Ur>Uc时使VT4导通，VT3关断，Uo=Ud；当Ur

在Ur的负半周，VT1保持断态，VT2保持通态，当UrUc时使VT3关断，VT4导通，Uo=0。

对于双极性SPWM，如图2-4所示，仍然在Ur和Uc焦点的时刻控制IGBT的通断。

在Ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。

即当Ur>Uc时，给VT1和VT4以导通信号，给VT2和VT3以关断信号，这时如果Io>0，则VT1和VT4通，如Io<0，则VD1和VD4通，不管哪种情况，都是输出电压Uo=Ud。

当Ur0，则VD2和VD3通，不管哪种情况，都是输出电压Uo=-Ud。

3、实验内容

1、单极性SPWM逆变电路仿真

图3-1单极性SPWM逆变电路仿真模型

图3-2单极性SPWM控制信号仿真模型

参数设计：

阻感负载，R=1Ω，L=2mH，直流电源取300V，控制电路中载波的频率为1000HZ，幅值为1V，调制波的频率为50HZ,，幅值为0.5V，即调制比0.5，载波比为20。

运行后可得仿真结果，输出交流电压、交流电流和直流电流的波形如图所示，对输出的交流电压、交流电流进行FFT谐波分析，可得频谱图如图所示。

图3-3单极性SPWM逆变电路m=0.5时的仿真波形图

图3-4单极性SPWM逆变电路m=0.5时输出电压的谐波分析图

图3-5单极性SPWM逆变电路m=0.5时输出电流的谐波分析图

基波幅值约为150.3V，满足基波电压幅值与直流电压的关系式：

U1m=mUd=0.5*300=150V。

单极性谐波分析当载波比为偶数时，不含偶次谐波。

不再含有开关频率次即20次，19和21次谐波幅值为基波的73%左右，值得考虑的最低次谐波为17次，幅值为基波的9.51%，最高分析频率为3.5KHz时的THD达到123.61%。

由于感性负载的滤波作用，负载上交流电流的THD为15.42%。

若将调制度设为0.8，则可以得到仿真波形，输出交流电压、交流电流和直流电流的波形如图所示，对输出的交流电压、交流电流进行FFT谐波分析，可得频谱图如图所示。

图3-6单极性SPWM逆变电路m=0.8时的仿真波形图

图3-7单极性SPWM逆变电路m=0.8时输出电压的谐波分析图

图3-8单极性SPWM逆变电路m=0.8时输出电流的谐波分析图

基波幅值约为240.8V，满足基波电压幅值与直流电压的关系式：

U1m=mUd=0.8*300=240V。

不再含有开关频率次即20次，19和21次谐波幅值有所降低，为基波的38%左右，但17次和23次谐波稍大，幅值为基波的18%，最高分析频率为3.5KHz时的THD达到76.04%。

负载上交流电流的THD也降低为13.28%。

若将调制度设为1，则可以得到仿真波形，输出交流电压、交流电流和直流电流的波形如图所示，对输出的交流电压、交流电流进行FFT谐波分析，可得频谱图如图所示。

图3-9单极性SPWM逆变电路m=1时的仿真波形图

图3-10单极性SPWM逆变电路m=1时输出电压的谐波分析图

图3-11单极性SPWM逆变电路m=1时输出电流的谐波分析图

基波幅值约为299.4V，满足基波电压幅值与直流电压的关系式：

U1m=mUd=1*300=300V。

不再含有开关频率次即20次，19和21次谐波幅值有所降低，为基波的17%左右，但17次和23次谐波稍大，幅值为基波的22%，最高分析频率为3.5KHz时的THD达到51.47%。

负载上交流电流的THD也降低为12.42%。

调制度m仍保持1不变，改变载波比为40，使载波频率为2000Hz，则可以得到仿真波形，输出交流电压、交流电流和直流电流的波形如图所示，对输出的交流电压、交流电流进行FFT谐波分析，可得频谱图如图所示。

图3-12单极性SPWM逆变电路m=1，p=40时的仿真波形图

图3-13单极性SPWM逆变电路m=1，p=40时输出电压的谐波分析图

图3-14单极性SPWM逆变电路m=1，p=40时输出电流的谐波分析图

19和21次谐波幅值为基波的17%左右，但17次和23次谐波幅值为基波的22%，最高分析频率为3.5KHz时的THD达到52.07%。

负载上交流电流的THD降低为12.21%。

分析：

对比上面四个仿真的仿真波形及FFT分析结果可以看出，相对于第一个的结果,第二、三个仿真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；而第四个仿真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p对波形的影响很大，参数值越大，逆变输出效果越好。

2、双极性SPWM逆变电路仿真

图3-15双极性SPWM逆变电路仿真模型

图3-16双极性SPWM控制信号仿真模型

参数设计：

阻感负载，R=1Ω，L=2mH，直流电源取300V，控制电路中载波的频率为1000HZ，幅值为1V，调制波的频率为50HZ,，幅值为0.5V，即调制比0.5，载波比为20。

运行后可得仿真结果，输出交流电压、交流电流和直流电流的波形如图所示，对输出的交流电压、交流电流进行FFT谐波分析，可得频谱图如图所示。

图3-17双极性SPWM逆变电路m=0.5时的仿真波形图

图3-18双极性SPWM逆变电路m=0.5时输出电压的谐波分析图

图3-19双极性SPWM逆变电路m=0.5时输出电流的谐波分析图

基波幅值约为150.4V，满足基波电压幅值与直流电压的关系式：

U1m=mUd=0.5*300=150V。

双极性谐波分析当载波比为偶数时，不含奇次谐波。

最严重的20次谐波分量达到基波2.12倍，值得考虑的最低次谐波为18次，幅值为基波的18.78%，最高分析频率为3.5KHz时的THD达到263.71%。

由于感性负载的滤波作用，负载上交流电流的THD为27.99%。

若将调制度设为0.8，则可以得到仿真波形，输出交流电压、交流电流和直流电流的波形如图所示，对输出的交流电压、交流电流进行FFT谐波分析，可得频谱图如图所示。

图3-20双极性SPWM逆变电路m=0.8时的仿真波形图

图3-21双极性SPWM逆变电路m=0.8时输出电压的谐波分析图

图3-22双极性SPWM逆变电路m=0.8时输出电流的谐波分析图

基波幅值约为238.4V，满足基波电压幅值与直流电压的关系式：

U1m=mUd=0.8*300=240V。

20次谐波明显降低，只有基波幅值的1.12倍，但18次谐波稍大，幅值为基波的29.75%，最高分析频率为3.5KHz时的THD降低为147.08%。

负载上交流电流的THD也降低为19.45%。

若将调制度设为1，则可以得到仿真波形，输出交流电压、交流电流和直流电流的波形如图所示，对输出的交流电压、交流电流进行FFT谐波分析，可得频谱图如图所示。

图3-23双极性SPWM逆变电路m=1时的仿真波形图

图3-24双极性SPWM逆变电路m=1时输出电压的谐波分析图

图3-25双极性SPWM逆变电路m=1时输出电流的谐波分析图

基波幅值约为300.1V，满足基波电压幅值与直流电压的关系式：

U1m=mUd=1*300=300V。

20次谐波明显降低，只有基波幅值的59.81%，但18次谐波稍大，幅值为基波的34.75%，最高分析频率为3.5KHz时的THD降低为99.73%。

负载上交流电流的THD也降低为17.08%。

调制度m仍保持1不变，改变载波比为40，使载波频率为2000Hz，则可以得到仿真波形，输出交流电压、交流电流和直流电流的波形如图所示，对输出的交流电压、交流电流进行FFT谐波分析，可得频谱图如图所示。

图3-26双极性SPWM逆变电路m=1，p=40时的仿真波形图

图3-27双极性SPWM逆变电路m=1，p=40时输出电压的谐波分析图

图3-28双极性SPWM逆变电路m=1，p=40时输出电压的谐波分析图

20次谐波是基波幅值的59.81%，18次谐波幅值为基波的34.75%，最高分析频率为3.5KHz时的THD降低为99.68%。

负载上交流电流的THD降低为14.23%。

分析：

对比上面四个仿真的仿真波形及FFT分析结果可以看出，相对于第一个的结果,第二、三个仿真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；而第四个仿真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p对波形的影响很大，参数值越大，逆变输出效果越好。

同时，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。