基于PWM的逆變電路分析

1、試卷類型： A 蘇州科技大學(xué)蘇州科技大學(xué) 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 試卷試卷使用專業(yè)年級(jí)機(jī)電 13 考試方式：開(kāi)卷（ ）閉卷（ ） 共 1 頁(yè)題號(hào)合計(jì)得分 系 專業(yè) 班 學(xué)號(hào) 姓名 密封線說(shuō)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。一、論文的具體要求（1）選擇授課過(guò)程中的一個(gè)具體的技術(shù)內(nèi)容或知識(shí)點(diǎn)，自擬論文題目；查找一些技術(shù)資料，對(duì)所選擇的一項(xiàng)技術(shù)或一個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行闡述；（2）字?jǐn)?shù)在 3000 以上；A4 紙打印；（3）按照科技論文的格式排版。要求包含：標(biāo)題、作者單位、作者姓名、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(hào)黑體、作者單位用

2、 5 號(hào)宋體，其余均用小四號(hào)楷體或仿宋、1.25 倍行間距、單欄。層次按1、1.1、1.2、2、2.1、2.2、方式排序。二、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn) （1）優(yōu)秀：論文內(nèi)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：論文內(nèi)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：論文內(nèi)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：內(nèi)文內(nèi)容主要觀點(diǎn)正確，結(jié)構(gòu)較合理；敘述欠正確，語(yǔ)言欠流暢；沒(méi)有自己的觀點(diǎn)；格式不太

3、符合要求。（5）不及格：論文內(nèi)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；內(nèi)容有常識(shí)性錯(cuò)誤；內(nèi)容空洞、層次混亂、條理不清。1逆變器的仿真與特性研究逆變器的仿真與特性研究作者單位：蘇州科技大學(xué)作者姓名：孫健摘要摘要：現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是 PWM 型逆變電路。為了對(duì)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(kāi)關(guān)器件，并對(duì)單相橋式電壓型逆變電路和 PWM 控制電路的工作原理進(jìn)行了分析，運(yùn)用 MATLAB 中的 SIMULINK 對(duì)電路進(jìn)行了仿真，給出了仿真波形，并運(yùn)用 MATLAB 提供的 powergui 模塊對(duì)仿真波形進(jìn)行了

4、 FFT 分析（諧波分析）.關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：SPWM；PWM；逆變器；諧波；FFT 分析1 1 引言引言隨著地球非可再生資源的枯竭日益以及人們對(duì)電力的日益依賴,逆變器在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜絹?lái)越重要的角色.近年來(lái),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 2 PWMPWM 控制的基本原理控制的基本原理PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制

5、的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形。PWM 控制技術(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。下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)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

6、SPWM 波形。SPWM 波形如下圖所示：蘇州科技大學(xué)2OUd-Ud圖（一）:單極性 PWM 控制方式波形上圖波形稱為單極性 SPWM 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 SPWM 波形，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。O tUd-Ud圖（二）:雙極性 PWM 控制方式波形3 3 PWMPWM 逆變電路及其控制方法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 PWM 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

7、 波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開(kāi)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(duì)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(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)信號(hào)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載波，在調(diào)制信號(hào)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(kāi)關(guān)器件的單相橋式電壓型逆變電路。t蘇州科技大學(xué)3圖（三）：?jiǎn)蜗鄻蚴?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

8、 IGBT 的通斷。ur正半周，V1 保持通，V2 保持?jǐn)?。?dāng)uruc 時(shí)使 V4 通，V3 斷，uo=Ud 。當(dāng)uruc 時(shí)使 V4斷，V3 通，uo=0 。ur負(fù)半周，V2 保持通，V1 保持?jǐn)?。?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 SPWM 波形。4 4 電路仿真及分析電路仿真及分析4.1 單極性 SPWM 觸發(fā)脈沖波形的產(chǎn)生：仿真圖如下所示。圖（四）：?jiǎn)螛O性 PWM 逆變器觸發(fā)脈沖發(fā)生電路蘇州科技大學(xué)4在 Simulink 的“Source”庫(kù)中選擇“Clock”模塊，以提供仿真時(shí)間 t,乘以 2f 后再通過(guò)一個(gè)“sin”模塊即為 sinwt，

9、乘以調(diào)制比 m 后可得到所需的正弦波調(diào)制信號(hào)。三角載波信號(hào)由“Source”庫(kù)中的“Repeating Sequence”模塊產(chǎn)生,正確設(shè)置參數(shù)，三角波經(jīng)過(guò)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(guò)一些運(yùn)算與比較，即可得出下圖所示的單極性 SPWM 觸發(fā)脈沖波形。圖（五）：?jiǎn)蜗鄻蚴?PWM 逆變器 V1 觸發(fā)脈沖波形（單極性 SPWM 波形）4.2 雙極性 SPWM 觸發(fā)脈沖波形的產(chǎn)生：仿真圖如下所示。蘇州科技大學(xué)5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(kù)中選擇“Clock”模塊，以提供仿真時(shí)間 t,乘以 2f 后再通過(guò)一

10、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(hào)。三角載波信號(hào)由“Source”庫(kù)中的“Repeating Sequence”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(guò)一些運(yùn)算與比較，即可得出下圖所示的雙極性 SPWM 觸發(fā)脈沖波形。圖（七）：?jiǎn)蜗鄻蚴?PWM 逆變器 V1 觸發(fā)脈沖波形（雙極性 SPWM 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4.3.1 單極性 SPWM 方式下的單相橋式逆變電路主電路圖如下所示：蘇州科技大學(xué)6圖（八）：?jiǎn)蜗鄻蚴?PWM 逆變器主電路圖將調(diào)制深度 m 設(shè)置為 0.5，

11、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）：?jiǎn)螛O性 SPWM 方式下的逆變電路輸出波形對(duì)上圖中的輸出電壓 uo 進(jìn)行 FFT 分析，得如下分析結(jié)果：蘇州科技大學(xué)7圖（十）：?jiǎn)螛O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=150.9V，基本滿足理論上的 U1m=m*Ud(即 300

12、*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)到 106.50%。對(duì)輸出電流 io 進(jìn)行 FFT 分析，得如下分析結(jié)果：蘇州科技大學(xué)8圖（十一）：?jiǎn)螛O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 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.

13、2 雙極性 SPWM 方式下的單相橋式逆變電路雙極性 SPWM 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 SPWM 發(fā)生模塊改為雙極性 SPWM 發(fā)生模塊即可。參數(shù)設(shè)置使之同單極性 SPWM 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 0.06s，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：蘇州科技大學(xué)9圖（十二）：雙極性 SPWM 方式下的逆變電路輸出波形同樣，對(duì)上圖中

14、的輸出電壓 uo 進(jìn)行 FFT 分析，得如下分析結(jié)果圖（十三）：雙極性控制方式下輸出電壓的 FFT 分析蘇州科技大學(xué)10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*Ud(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)到 260.21%。對(duì)輸出電流 io 進(jìn)行 FFT 分析，得如下分析結(jié)果：圖（十四）：雙極性控制方式下輸出電流的 FFT

15、 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 SPWM 控制方式下的單相橋式逆變電路比較分析單極性 SPWM 控制方式輸出波形和雙極性 SPWM 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 SPWM 控制方式輸出電壓 THD=106.5%，明顯低于雙極性 SPWM 控制方式輸出電壓的 THD 值（260.21%） ，且單極性方式下輸出電壓諧波次數(shù)較高，蘇州科技大學(xué)11更容易濾除；單極性 SPWM 控制方式輸出電流 THD=13.77%，而雙極性 SPWM 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：?jiǎn)螛O性調(diào)制時(shí)的諧波性能要優(yōu)于雙極性調(diào)制方式。5 5 結(jié)論結(jié)論對(duì)于PWM控制方式的單相橋式逆變電路，即可以選用單極性SPWM控制方式，也可以選用雙極性SPWM控制方式。單極性SPWM信號(hào)發(fā)生電路比雙極性的復(fù)雜一些，