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。