單相正弦波逆變器不同載波比的影響仿真研究

電氣電氣學科大類2013級《電力電子研討課》報告單向正弦波逆變器不同載波比的影響仿真研究指導教師萬山明日期2016.4.18實驗成績評閱人

單相正弦波逆變器不同載波比的影響仿真研究一：設計要求1：單相全橋電壓源逆變器，采用單極倍頻SPWM控制方法2：濾波參數(shù)L=2mH，C=50μF3：輸入：400V直流，輸出：220V/50Hz交流(有效值)4：控制方法采用開環(huán)控制，負載為純電阻負載當開關頻率取20kHz(載波比為20k/50=400)，并假設負載功率分別為0.1kW、20kW時，求濾波后的輸出電壓波形。當開關頻率分別取5kHz、1kHz、315Hz時，仍按上述負載功率的變化求濾波后的輸出電壓波形?？煞駨睦碚撋辖忉屵@些波形變化背后的原因？如果濾波后的輸出電壓波形諧波含量仍然較大，也即不夠正弦，有什么方法解決？二：主電路及相關原理1：電壓型單相全橋逆變電路結構與原理：圖圖SEQ圖\*ARABIC1電壓型單相全橋逆變器電路結構其中四個開關管，T1、T4一組，T2、T3一組，在兩組驅(qū)動信號的驅(qū)動下，兩組器件周期性交替通、斷產(chǎn)生交變的Vab，當驅(qū)動T1，T4的信號為正時，T1、T4驅(qū)動導通，T2、T3關斷，此時輸出u0=Udc，當其為負時，T2、T3驅(qū)動導通，T1、T4關斷，此時u0=-Udc，從而實現(xiàn)逆變功能。輸出電壓傅里葉形式表達為：2：單極性倍頻正弦脈沖寬度調(diào)制原理：圖圖2輸出SPWM電壓波形單極式倍頻SPWM技術含有兩個頻率和幅值大小相同，相位相反的雙極性三角載波，通過驅(qū)動信號形成電路（圖3）將這兩個載波與標準正弦信號進行比較，形成SPWM驅(qū)動信號。圖圖3驅(qū)動信號形成電路圖圖4脈沖電壓占空比及平均值倍頻式SPWM技術的2個三角載波與正弦波相比較生成2路驅(qū)動信號,其中一路作為T1的驅(qū)動信號,另一路作為T32的驅(qū)動信號。由圖4可以看出，在前后半個載波周期內(nèi)哥得到了一個輸出電壓脈沖，產(chǎn)生了脈沖數(shù)倍增的效果。假設載波頻率足夠高，在一個載波周期內(nèi)Vr大小不變，其中第k個脈沖的占空比為。其中αk表示第k個脈沖中心點所對應的基波角度。半個載波周期內(nèi)，輸入電壓的平均面積為：當載波頻率很高時，基波電壓瞬時值可以認為是：，其中M為調(diào)制比。可以看出,單極倍頻式SPWM的輸出電壓有以下特點:消除了低次諧波，3,5,7….等次諧波沒有了。諧波幅值仍然可以與基波相比較甚至更大。LOH在兩倍開關頻率附近，比雙極性SPWM優(yōu)越。最低次諧波頻率提高一倍3：相關參數(shù)計算本實驗需要研究不同載波比對單相正弦逆變器影響。載波比定義為載波頻率與調(diào)制波頻率之比，即開關頻率取20kHz，依據(jù)，得當負載功率P=20kw時，R=2.42Ω，P=0.1Kw時，R=484Ω濾波器參數(shù)，L=L=2mH，C=50μF開關頻率為5KHz時，N=100,1kHz時，N=20,315Hz時，N=6.3三、仿真電路設計在matlab上搭建的開環(huán)電路仿真拓撲圖如下：圖圖5仿真電路拓撲圖左上角處輸入三角波及正弦波，通過比較器后作用在逆變器電路作為驅(qū)動信號，兩個示波器分別測量未濾波和濾波后的輸入電壓信號波形。四：仿真結果1：載波信號及調(diào)制波經(jīng)過比較器電路后形成的驅(qū)動信號如圖（只截了一個驅(qū)動信號）：圖圖6驅(qū)動信號波形由圖中可見，驅(qū)動信號并不是標準方波，而是輸出平均電壓按正弦規(guī)律變化的SPWM波，符合沖量等效原理。圖7濾波前的輸出電壓波形2：開關頻率20kHz，P=20Kw，即R=2.42Ω時圖7濾波前的輸出電壓波形圖圖8濾波后輸出電壓波形由圖中可見，濾波前的輸出電壓波形幅值V=400V，每個載波周期內(nèi)輸入電壓面積按正弦規(guī)律變化，符合預期，經(jīng)過濾波器后，變成了標準正弦信號，幅值V=300V，符合預期。2：開關頻率20kHz，P=0.1Kw，即R=484Ω時，得到的輸出電壓結果如下：圖圖9濾波前輸出電壓波形圖圖10濾波后輸出電壓波形3：開關頻率5kHz，P=20Kw，即R=2.42Ω時，得到的輸出電壓結果如下：圖11圖11濾波后輸出電壓波形4：開關頻率5kHz，P=0.1Kw，即R=484Ω時，得到的輸出電壓結果如下：圖圖12濾波后輸出電壓波形圖13濾波后輸出電壓波形5：開關頻率1kHz，P=20Kw，即R=2.42Ω時，得到的輸出電壓結果如下：圖13濾波后輸出電壓波形6：開關頻率1kHz，P=0.1Kw，即R=484Ω時，得到的輸出電壓結果如下：圖圖14濾波后輸出電壓波形7：開關頻率315Hz，P=20Kw，即R=2.42Ω時，得到的輸出電壓結果如下：圖圖15濾波后輸出電壓波形8：開關頻率315Hz，P=0.1Kw，即R=484Ω時，得到的輸出電壓結果如下：圖圖16濾波后輸出電壓波形由結果可見，隨著開關頻率不斷降低，即載波比的不斷降低，波形越來越難看，這是因為輸出的電壓中低頻諧波分量越來越大，難以通過濾波器完全濾過，解決方法可通過增大電容實現(xiàn)，下圖是開關頻率為315Hz，R=484Ω，增大電容后的電壓濾波后波形，可見雖然仍然不是標準的正弦波，但和沒增大時的波形相比較已經(jīng)有了十分大的改進。圖圖18增大濾波電容后濾波后電壓波形五：分工雷張平：U201311804：相關參數(shù)計算，電路圖設計銀澤一：U201311797：仿