基于PWM的逆变电路分析.docx

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基于PWM的逆变电路分析

逆变器的仿真与特性研究

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（PulseWidthModulation）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：

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

ω

t

U

d

-

U

d

图

（二）:

双极性PWM控制方式波形

3PWM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

ur负半周，V2保持通，V1保持断。

当uruc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“RepeatingSequence”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“RepeatingSequence”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。