基于PWM的逆變電路分析報(bào)告

1、試卷類型：A科技大學(xué)電力電子技術(shù)試卷使用專業(yè)年級 機(jī)電13 考試方式：開卷( V )閉卷()共1頁題號合計(jì)得分1-說明：本課程不進(jìn)行期末卷面考試，要求按照規(guī)定完成一篇科技論文。、論文的具體要求(1) 選擇授課過程中的一個(gè)具體的技術(shù)容或知識點(diǎn)，自擬論文題目；查找一些 技術(shù)資料，對所選擇的一項(xiàng)技術(shù)或一個(gè)知識點(diǎn)進(jìn)行闡述；(2) 字?jǐn)?shù)在3000以上；A4紙打??；(3) 按照科技論文的格式排版。要求包含：標(biāo)題、作者單位、作者、摘要、關(guān) 鍵詞、引言、正文、結(jié)論、參考文獻(xiàn)幾部分。(4) 基本格式要求如下：標(biāo)題3號黑體、作者單位用5號宋體，其余均用小四號楷體或仿宋、1.25倍行間距、單欄。層次按1、1.1、1

2、.2、2、2.1、2.2、 方式排序。二、評分標(biāo)準(zhǔn)(1) 優(yōu)秀：論文容有理論要有理論和現(xiàn)實(shí)意義；觀點(diǎn)明確，重點(diǎn)突出；思路清 晰，結(jié)構(gòu)合理；有自己的觀點(diǎn)；文字通順，格式完全符合要求。(2) 良好：論文容有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義，觀點(diǎn)明確；結(jié)構(gòu)合理，邏輯性較 強(qiáng)；有自己的觀點(diǎn)；文字比較流暢，格式符合要求。(3) 中等：論文容有一定的現(xiàn)實(shí)意義；論點(diǎn)基本正確；觀點(diǎn)較明確，思路較清 晰；有一些自己的觀點(diǎn)；文字較流暢，格式基本符合要求。(4) 及格：文容主要觀點(diǎn)正確，結(jié)構(gòu)較合理；敘述欠正確，語言欠流暢；沒有 自己的觀點(diǎn)；格式不太符合要求。(5) 不及格：論文容觀點(diǎn)有重大錯(cuò)誤；完全抄襲他人；結(jié)構(gòu)與觀點(diǎn)不相符；

3、容 有常識性錯(cuò)誤；容空洞、層次混亂、條理不清逆變器的仿真與特性研究作者單位：科技大學(xué)作者：健摘要：現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是 PWh型逆變電路。為了對PWM 型逆變電路進(jìn)行研究，首先建立了逆變器單極性控制所需的電路模型，采用IGBT作為開關(guān)器件，并對單相橋式電壓型逆變電路和 PWMI制電路的工作原理進(jìn)行了 分析，運(yùn)用MATLAB的SIMULINK寸電路進(jìn)行了仿真，給出了仿真波形，并運(yùn)用 MATLA提供的powergui模塊對仿真波形進(jìn)行了 FFT分析（諧波分析）.關(guān)鍵詞：SPWMPWM逆變器；諧波；FFT分析1 引言隨著地球非可再生資源的枯竭日益以及人們對電力的日益依賴，逆變器在人

4、們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜絹碓街匾慕巧?.近年來,PWM型逆變器的的應(yīng)用十分廣 泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，并顯示出其可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑 制諧波的優(yōu)越性，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。2 PW控制的基本原理PWM Pulse Width Modulation ）控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形。PWMS制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)是面積等效原理， 即:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有 慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。下面分析

5、如何用一系列等幅不等寬的脈沖來 代替一個(gè)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個(gè)彼此 相連的脈沖序列所組成的波形。如果把這些脈沖序列用相同數(shù)量的等幅不等寬的 矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，就可得到下圖 b所示的脈沖序列，這就 是PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWI波形。SPWI波形如下圖所示：U dO-Ud圖（一）：單極性PWM控制方式波形上圖波形稱為單極性SPW波形，根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下 圖中的pwm波，即雙極性SPW波形，而且這種方式

6、在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。3 PWM逆變電路及其控制方法PWM逆變電路可分為電壓型和電流型兩種， 目前實(shí)際應(yīng)用的幾乎都是電壓型 電路，因此主要分析電壓型逆變電路的控制方法。 要得到需要的PW波形有兩種 方法，分別是計(jì)算法和調(diào)制法。根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì) 算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷， 就可得到所需 PWM波形，這種方法稱為計(jì)算法。由于計(jì)算法較繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅 值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。與計(jì)算法相對應(yīng)的是調(diào)制法，即把希望調(diào)制的 波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過信號波的調(diào)制得到所期望 的PWM波形。通常采用等腰三角波作為

7、載波，在調(diào)制信號波為正弦波時(shí)，所得到 的就是SPWM波形。下面具體分析單相橋式逆變電路的單極性控制方式。圖（三）是采用IGBT作為開關(guān)器件的單相橋式電壓型逆變電路。圖（三）：單相橋式PWM逆變電路單極性PWM控制方式：在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。ur正半周，V1 保持通，V2保持?jǐn)唷．?dāng)uruc時(shí)使V4通，V3斷，uo=Ud。當(dāng)urvuc時(shí)使V4斷, V3通，uo=0。ur負(fù)半周，V2保持通，V1保持?jǐn)?。?dāng)urvuc時(shí)使V3通，V4斷, uo=-Ud ;當(dāng)uruc時(shí)使V3斷，V4通，uo=0。這樣就得到圖一所示的單極性的 SPW波形。4 電路仿真及分析4.1單極性SPW觸發(fā)脈沖波形

8、的產(chǎn)生：仿真圖如下所示圖（四）：單極性PWM逆變器觸發(fā)脈沖發(fā)生電路在Simulink的“ Source”庫中選擇“ Clock”模塊，以提供仿真時(shí)間t,乘 以2nf后再通過一個(gè)“ sin ”模塊即為sinwt，乘以調(diào)制比m后可得到所需的正 弦波調(diào)制信號。三角載波信號由“ Source”庫中的“ Repeating Sequenc6模塊 產(chǎn)生,正確設(shè)置參數(shù)，三角波經(jīng)過處理，便可成為頻率為fc的三角載波。將調(diào)制波和載波通過一些運(yùn)算與比較，即可得出下圖所示的單極性 SPW觸發(fā)脈沖波形圖（五）：單相橋式PWM逆變器V1觸發(fā)脈沖波形（單極性SPW波形）4.2雙極性SPW觸發(fā)脈沖波形的產(chǎn)生：仿真圖如下所示

9、。圖（六）：雙極性PWM逆變器觸發(fā)脈沖發(fā)生電路同上，在Simulink的“Source”庫中選擇“ Clock”模塊，以提供仿真時(shí)間 t,乘以2nf后再通過一個(gè)“ sin ”模塊即為sinwt，乘以調(diào)制比m后可得到所需 的正弦波調(diào)制信號。三角載波信號由“ Source”庫中的“ Repeating Sequenee 模塊產(chǎn)生，正確設(shè)置參數(shù)，便可生成頻率為fc的三角載波。將調(diào)制波和載波通過 一些運(yùn)算與比較，即可得出下圖所示的雙極性 SPW觸發(fā)脈沖波形。圖（七）：單相橋式PWM逆變器V1觸發(fā)脈沖波形（雙極性SPW波形）4.3單極性SPWM控制方式的單相橋式逆變電路仿真及分析431單極性SPW方式下

10、的單相橋式逆變電路主電路圖如下所示：圖（八）：單相橋式PWM逆變器主電路圖將調(diào)制深度m設(shè)置為0.5，輸出基波頻率設(shè)為50Hz,載波頻率設(shè)為基波的 15倍，即750Hz,仿真時(shí)間設(shè)為0.04s，在powergui中設(shè)置為離散仿真模式， 采樣時(shí)間設(shè)為1e-005s，運(yùn)行后可得仿真結(jié)果，輸出交流電壓，交流電流和直流 電流如下圖所示：圖（九）：單極性SPW方式下的逆變電路輸出波形對上圖中的輸出電壓uo進(jìn)行FFT分析，得如下分析結(jié)果：圖（十）:單極性控制方式下輸出電壓的 FFT分析由FFT分析可知：在 m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15時(shí)，輸出電壓的基 波電壓的幅值為U1m=150

11、.9V基本滿足理論上的 U1m=m*U即300*0.5=150）。 諧波分布中最高的為29次和31次諧波，分別為基波的71.75%和72.36%,考慮 最高頻率為4500Hz時(shí)的THD達(dá)至V 106.50%。對輸出電流io進(jìn)行FFT分析，得如下分析結(jié)果：t = . _ O Mcoconcoco E 2 1 1 2H Is1E-xiewIm沁上 I. Zools Rtjiktop JLinaow HlulpFFT wndow: 1 of 2 cycles of selected signalStfuctjreNumber o- cycles; 10.0050.01CI.DIE0.D2Time (

12、s)Furtdamenlal (SOHzJ = 120.2 IHD= 13 7WtIIIIIIIIIIIDs play FFT vdndjw765J321OIII Illi 111 In 1020304050607000=0Harmonic ordeiFindarnertai frequencv CHzl50Max Fequertcy (Hz): 4i0Frequency axis:Harhunic orderDispla/ sbie:Lt (relatva to Fund, cr 02)Bsse yfllue:DiiplapClose圖（十一）：單極性控制方式下輸出電流的 FFT分析由FFT

13、分析可知：在 m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15時(shí)，輸出電流基波 幅值為128.2A,考慮最高頻率為4500Hz時(shí)的THD=13.77%輸出電流近似為正弦 波。改變調(diào)制比m和載波比N,如增大m和N,可以有效減小輸出電壓和輸出電 流的諧波分量。4.3.2雙極性SPW方式下的單相橋式逆變電路雙極性SPW控制方式下的單相橋式逆變電路主電路與圖（八）相同，只需 把單極性SPW發(fā)生模塊改為雙極性SPW發(fā)生模塊即可。參數(shù)設(shè)置使之同單極性SPW方式下的單相橋式逆變電路相同，即將調(diào)制深 度m設(shè)置為0.5,輸出基波頻率設(shè)為50Hz,載波頻率設(shè)為基波的15倍（750Hz）， 仿真時(shí)間設(shè)為 0

14、.06s，在powergui中設(shè)置為離散仿真模式，采樣時(shí)間設(shè)為 1e-005s，運(yùn)行后可得仿真結(jié)果，輸出交流電壓，交流電流和直流側(cè)電流如下圖 所示：圖（十二）：雙極性SPW方式下的逆變電路輸出波形同樣，對上圖中的輸出電壓uo進(jìn)行FFT分析，得如下分析結(jié)果 Powctpui ； FFT TouljrI二I叵 1區(qū)E-ii t 里io*Helpstart time rsx o.oStructureNurvtieir of cycles;Fundamental trequeriCTI gwax Frequency rriz；rtecUai匚丫 ajtis_-58c-sunjoegwDisplay F

15、T7 種hdew5000I IcamwiG erderRar (reistiv1 tn FuirwJ nrDisplay ?tyle .DiayClose圖（十三）：雙極性控制方式下輸出電壓的 FFT分析由FFT分析可知：在 m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15時(shí)，輸出電壓的基 波電壓的幅值為U1m=152V基本滿足理論上的 U1m=m*U（即300*0.5=150）。諧 波分布中最高的為第15次和29、31次諧波，分別為基波的212.89%和71.65%、 71.95%,考慮最高頻率為4500Hz時(shí)的THD達(dá)至U 260.21%。對輸出電流io進(jìn)行FFT分析，得如下分析結(jié)

16、果:Pp曰君gui : FFT Tool?面區(qū)匕It； Zili t iew ZjLer L louliLiniowTime (a)Structjreirwdinput input tsignal numtierd1Start tms (s o.JNumber o- cycles; 1Max Fequarw/ (Hz): 4itFrequency axis;Displa/ sbls:冒匚 QUJBPUnll.Q護(hù))郃壬Ds play FFT vdndjwFindanertai frequencv 他150Harrnjnic orderBv (relot vs to Fumd. orBase，i

17、FaliJB：DisplayClose圖（十四）：雙極性控制方式下輸出電流的 FFT分析由FFT分析可知：在 m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15時(shí)，輸出電流基波 幅值為130.3A,考慮最高頻率為4500Hz時(shí)的THD=34.15%輸出電流近似為正弦 波。改變調(diào)制比m和載波比N,如增大m和N,同樣可以有效減小輸出電壓和輸 出電流的諧波分量。4.3.3單極性和雙極性SPW控制方式下的單相橋式逆變電路比較分析單極性SPW控制方式輸出波形和雙極性SPW控制方式輸出波形的比較： 在調(diào)制比m（0.5 ）、載波頻率fc（750Hz）、調(diào)制波頻率fr （50Hz）等均相同的 情況下，單極性SPW控制方式輸出電壓 THD=106.5%明顯低于雙極性 SPW控 制方式輸出電壓的THDfi（ 260.21%）,且單極性方式下輸出電壓諧波次數(shù)較高， 更容易濾除；單極性 SPWM控制方式輸出電流THD=13.77%而雙極性SPW控制 方式輸出電壓的THD=34.15%即單極性方式下輸出電流諧波含量明顯更小，更 接近于正弦波。綜上所述：單極性調(diào)制時(shí)的諧波性能要優(yōu)于雙極性調(diào)制方式。5 結(jié)論對于PW控制方式的單相橋式逆變電路，即可以選用