1、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
2、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/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2-1 SPWM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SPW
3、M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UrUc时使VT4导通,VT3关断,Uo=Ud;当UrUc时使VT4关断,VT3导通,Uo=0。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UrUc时,给VT1和VT4以导通信号,给VT2和VT3以关断信号,这时如果Io0,则VT1和VT4通,如Io0,则VD1和VD4通,
4、不管哪种情况,都是输出电压Uo=Ud。当UrUc时,给VT2和VT3以导通信号,给VT1和VT4以关断信号,这时如果Io0,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=1,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
5、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
6、.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%。
7、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
8、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
9、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=1,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
10、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
11、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。2
12、0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*30
13、0=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。
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