單相和三相逆變器SPWM調(diào)制技術(shù)的仿真與分析

目錄TOC\o"1-5"\h\z1.引言 -2-PWM控制的基本原理 -2-PWM逆變電路及其控制方法 3-電路仿真及分析 -4-雙極性SPWM波形的產(chǎn)生 -4 -三相SPWM波形的產(chǎn)生 -6 -4.3雙極性SPWM控制方式單相橋式逆變電路仿真及分析-7-雙極性SPWM控制方式的單相橋式逆變電路和三相逆變電路比較分析 -12-結(jié)論 -13-7.參考文獻(xiàn)7.參考文獻(xiàn) -13-1.引言PWM技術(shù)的的應(yīng)用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了PWM技術(shù)。它使電力電子裝置的性能大大提高，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。常用的PWM技術(shù)包括：正弦脈寬調(diào)制（SPWM）、選擇諧波調(diào)制（SHEPWM）、電流滯環(huán)調(diào)制（CHPWM）和電壓空間矢量調(diào)制（SVPWM）。2.PWM控制的基本原理PWM（PulseWidthModulation）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(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，就可得到圖1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SPWM波。Ud-UdtUd-Udt圖1單極性SPWM控制方式波形上圖所示的波形稱為單極性SPWM波形，根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為圖2中所示的PWM波，這種波形稱為雙極性SPWM波形，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。

圖2雙極性SPWM控制方式波形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，因此本節(jié)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。下面具體分析單相和三相逆變電路雙極性控制方式。圖3是采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的單相橋式電壓型逆變電路。圖3單相橋式PWM逆變電路

單相橋式逆變電路雙極性PWM控制方式：在Ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得PWM波也有正有負(fù)，其幅值只有±Ud兩種電平。同樣在調(diào)制信號(hào)Ur和載波信號(hào)Uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制器件的通斷。Ur正負(fù)半周，對(duì)各開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同。當(dāng)Ur>Uc時(shí)，給VI和V4導(dǎo)通信號(hào),給V2和V3關(guān)斷信號(hào)。如i>0，V1和V4通，如i<0，VD1和VD4通，ooU=Ud。當(dāng)Ur<Uc時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4關(guān)斷信號(hào)。o如ivO,V2和V3通，如i>0,VD2和VD3通，U=-Ud。這樣就得到ooo圖2所示的雙極性的SPWM波形。圖4是采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的三相橋式電壓型逆變電路。圖4三相圖4三相PWM逆變電路當(dāng)U>U時(shí)，給VI導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，U二U；當(dāng)TOC\o"1-5"\h\zrU c UN、’ d/2U<U時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，U =-U。當(dāng)給V1(V4)rU c UN、’ d/2加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通。U、UUN、' VN''和U的PWM波形只有+U兩種電平。U波形可由U、U得出,WN'' 一d/2 UV UN、' VN''當(dāng)1和6通時(shí)，U=Ud，當(dāng)3和4通時(shí)，U=-Ud，當(dāng)1和3或4和6UV UV通時(shí)，U=0。U、U的波形可同理得出。UV VW WU電路仿真及分析4.1雙極性SPWM波形的產(chǎn)生：仿真電路圖如圖5所示。在Simulink的“Source”庫(kù)中選擇“Clock”模塊，以提供仿真時(shí)間t,乘以2nf后再通過(guò)一個(gè)“sin”模塊即為sin?t，乘以調(diào)制比m后可得到所需的r

正弦波調(diào)制信號(hào)。三角載波信號(hào)由“Source”庫(kù)中的“RepeatingSequence”模塊產(chǎn)生,參數(shù)設(shè)置為【01/f/43/f/41/f】和【01-10】，ccc便可生成頻率為f的三角載波。將調(diào)制波和載波通過(guò)一些運(yùn)算與比較，c即可得出圖6所示的雙極性SPWM觸發(fā)脈沖波形。圖5雙極性PWM逆變器觸發(fā)脈沖發(fā)生電路圖6雙極性SPWM波形從上圖可以看出，對(duì)于雙極性SPWM控制方式，在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，SPWM波也是在正負(fù)之間變化。

4.2三相SPWM波形的產(chǎn)生：仿真圖如下所示。本文中采用單三角載波和三個(gè)幅值、頻率相同相位互差120度的三相交流波形作為調(diào)制波。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2nf后再通過(guò)一個(gè)“sin”模塊即為sinwt，乘以調(diào)制比rm后可得到所需的正弦波調(diào)制信號(hào)，通過(guò)設(shè)置即可產(chǎn)生三相正弦波信號(hào)。三角載波信號(hào)由“Source”庫(kù)中的“RepeatingSequence”模塊產(chǎn)生，參數(shù)設(shè)置為【01/f/42/f/41/f】和【-101-1】，便可生成頻率為f的三cccc角載波。將調(diào)制波和載波通過(guò)一些運(yùn)算與比較，即可得出三相SPWM觸發(fā)脈沖波形。三角載波與調(diào)制波的波形如圖8所示：

圖8三相調(diào)制波與三角載波波形4.3雙極性SPWM控制方式的單相橋式逆變電路仿真及分析雙極性SPWM方式下的單相橋式逆變電路主電路圖如下圖所示:PWMADCB2SeriesF：LCBranthF''iJVW to「powerqui雙極性SPWM方式下的單相橋式逆變電路主電路圖如下圖所示:PWMADCB2SeriesF：LCBranthF''iJVW to「powerquiUniversaIBridgeMuItimeter°———Wv―TJli*-Discrete,Ta=1e-U063.圖9單相橋式PWM逆變器主電路圖為了使仿真界面簡(jiǎn)潔，仿真參數(shù)易于修改，通用橋(UniversalBridge)的觸發(fā)脈沖是圖5所示部分封裝成的子模塊。對(duì)于單相SPWM控制方式的逆變電路，有如下重要參數(shù):載波比N——載波頻率f與調(diào)制信號(hào)頻率f之比，即N=f/f。c r cr調(diào)制度m――調(diào)制波幅值A(chǔ)與載波幅值A(chǔ)之比，即m=A/A。r c rc輸出電壓基波幅值U=mU，其中，U為直流側(cè)電源d1m d d電壓。將調(diào)制度m設(shè)置為0.9,調(diào)制波頻率設(shè)為50Hz，載波頻率設(shè)為基波的30倍(載波比N=30)，即1500Hz，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-006s，運(yùn)行后可得仿真結(jié)果，建立m文件，程序如下所示：(示波器名稱設(shè)置為inv)subplot(2,1,1);plot(inv.time,inv.signals(1).values);title('輸出電壓波形')；subplot(2,1,2);plot(inv.time,inv.signals(2).values)；title('輸出電流波形')；運(yùn)行此文件后，可得輸出電壓和電流波形如圖10所示：圖10雙極性SPWM方式下的逆變電路輸出波形從上圖中可以看出，輸出電壓U為單極性PWM型電壓，脈沖寬度符o合正弦規(guī)律變化，交流電流I接近于正弦波形，直流電流含有直流分量。o利用MATLAB提供的powergui模塊,對(duì)上圖中的輸出電壓U和輸出電流Ioo進(jìn)行FFT分析，得圖11、圖12所示結(jié)果：Availablesignalsstndure:invInpU：:input1Sigrainumber1-FFT^ndovs1Time(釧StartfimeCs：|:□.□—FFTanalysis Availablesignalsstndure:invInpU：:input1Sigrainumber1-FFT^ndovs1Time(釧StartfimeCs：|:□.□—FFTanalysis Nurtoerofcycles1FundamentalTrequency〔H巧:50FFTsettingsDl$^$(ystyle:Frequencyoxis:HarmonicorderMaxFrequcny(Hr)圖11雙極性控制方式單向橋式逆變電路輸出電壓U的FFT分析o—AvailablesignalsStructure:FFTanalysis—尸F(xiàn)Twinduw Starttme(e|:|o.QNurrtoerqTcycles:"FunderrentaiirequencyfHz):旳 —FFTsellingsCispaystyle-:Bar(relativetafundamental)存BftSCVfilUC：|1.□Frequency日ids:Harrfionlcordai ”MaxFreqiencytUz):圖12雙極性控制方式單向橋式逆變電路輸出電流I的FFT分析0Signal10analyzeDlgplsysetBDtBdslgnsl0旦到旳y.FEl..空l(shuí)也E邂由圖11可知：在U=300V,m=0.9,f=1500Hz,f=50Hz,即N=30

dcr時(shí)，輸出電壓的基波電壓的基波幅值為U=269.5V，基本滿足理論上的d1mU=mxU(即300x0.9=270V)。諧波分布中最高的為30次諧波，考慮d1m d最高頻率為4500Hz時(shí)的THD達(dá)到121%。由圖12可知：輸出電流基波幅值I為246.8A，諧波分布中最高的為

d1m30次諧波，考慮最高頻率為4500Hz時(shí)的THD=9.47%,輸出電流近似為正弦波。4.3.1SPWM控制方式下的三相逆變電路SPWM控制方式下的三相逆變電路主電路如圖13所示:Dis-crete；Uniw曰詢Bridge-圖13三相逆變電路主電路設(shè)置參數(shù)使之與單極性SPWM方式下的單相橋式逆變電路參數(shù)相同，即將調(diào)制度m設(shè)置為0.9，調(diào)制波頻率設(shè)為50Hz，載波頻率設(shè)為基波的30倍(載波比N=30)，即1500Hz，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-006s，運(yùn)行仿真圖形，然后建立m文件,程序如下所示：subplot(3,1,1);plot(inv.time,inv.signals(1).values);title(Uab'線電壓波形')；subplot(3,1,2);plot(inv.time,inv.signals(2).values)；title('A相輸出電壓Ua波形')；subplot(3,1,3)；plot(inv.time,inv.signals(3).values)；axis([00.04-300300]);title('A相輸出電流波形')；

運(yùn)行此文件后，可得輸出交流電壓，交流電流和直流電流如圖14所示：Umb■線電壓波形500■MWIU'50°0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.03￡ 0.04A相輸岀電壓U曰液形200-200-400□-005 0-01 0.015 0_02 0-025 0_03 0.036 0_04*x1Q" A和諭岀電流怛逼形1I I I I ■ I I I計(jì)I I I ■ ■ I I I '0 0■MWIU'50°0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.03￡ 0.04A相輸岀電壓U曰液形200-200-400□-005 0-01 0.015 0_02 0-025 0_03 0.036 0_04*x1Q" A和諭岀電流怛逼形1I I I I ■ I I I計(jì)I I I ■ ■ I I I '0 0QQ5□01 0^016 □02 0025 003 □03fi004圖14SPWM方式下的三相逆變電路輸出波形分析上圖可知，輸出線電壓PWM波由土Ud和0三種電平構(gòu)成負(fù)載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±l/3)Ud和0共5種電平組成。利用MATLAB提供的powergui模塊，對(duì)上圖中的輸出相電壓U和輸出電流I進(jìn)行FFTAA分析，得圖15、圖16所示結(jié)果：AvailableStruolLfe:Dl&plziyFFT!A>1ndDWSignaltaanal/zeabisplayselezted邁耳可in*InpLt:nput工君伽刮nLfl-rfc&i-:FFTwindwStart1lm±曰g曰valueFr*?<uenoy^>1?:HarrTOnicorderMaxFrequj&noyiZHzZc4百CONurnbsrofcycles:1FFTseltmasDisplaystvle:Fundamenlai1rec#jency[Hh丁5ar(rei-Btiretofundament-al) *=E品EqxJnLl_」DsgwDisplayCIO*圖15SPWM控制方式三相逆變電路輸出相電壓U的FFT分析AI—AvailablesignalsStructure:invHsrmoncorderMazFrequency(Hz):〔I—AvailablesignalsStructure:invHsrmoncorderMazFrequency(Hz):〔ra4u2E-suLf4口強(qiáng)一brazBar(rclatr^e1of