單相逆變器SPWM調(diào)制技術(shù)的仿真

1、華東交通大學(xué)課程設(shè)計論文目錄第一章 單相逆變器主電路拓補圖及工作原理11.1單相逆變器主電路拓?fù)鋱D11.2逆變器SPWM調(diào)制工作原理1第二章 控制策略22.1 SPWM控制方式2第三章 建立Simulink仿真模型43.1 單極性SPWM控制方式43.2 雙極性SPWM控制方式5第四章 仿真參數(shù)及其輸出波形64.1 單極性SPWM仿真輸出波形及頻譜圖64.2 雙極性SPWM仿真輸出波形及頻譜圖11第五章 心得體會13第一章 單相逆變器主電路拓補圖及工作原理1.1單相逆變器主電路拓?fù)鋱D單相橋式逆變器有四個帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的IGBT組成，分別為VT1VT4，直流側(cè)由兩個串聯(lián)電容，他們共同提供直流

2、電壓Ud，負(fù)載為阻感負(fù)載，調(diào)制電路分別由單相交流正弦調(diào)制波形和三角載波組成，其中三角載波和正弦調(diào)制波的幅值和頻率之比分別被稱為調(diào)制度和載波頻率，這是SPWM調(diào)制中的兩個重要參數(shù)。三角載波和正弦調(diào)制波相互調(diào)制產(chǎn)生四路脈沖信號分別給六個IGBT提供觸發(fā)信號。圖1 單相橋式SPWM型逆變電路1.2逆變器SPWM調(diào)制工作原理PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(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)。常用的PWM技術(shù)主要包括：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）。在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同

3、的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。圖1中各個形狀的窄脈沖在作用到逆變器中電力電子器件時，其效果是相同的，正是基于這個理論，SPWM調(diào)制技術(shù)才孕育而生。 a)矩形脈沖 b)三角脈沖 c)正弦半波脈沖 d)單位脈沖函圖2 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖第二章 控制策略2.1 SPWM控制方式SPWM包括單極性和雙極性兩種調(diào)制方法：（1）如果在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。（2）如果在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式。

4、（a）單極性PWM控制方式 （b）雙極性PWM控制方式圖3 SPWM控制方式將正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖寬度為p/N，但幅值頂部是曲線且大小按正弦規(guī)律變化的脈沖序列組成的。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是PWM波形。對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。 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SPWM（Sinusoidal PWM）波形。 圖4 用PWM波代替正弦其中：載波比載波頻率 fc與調(diào)制信號頻率 fr 之比N，既 N =

5、 fc / fr調(diào)制度調(diào)制波幅值A(chǔ)r與載波幅值A(chǔ)c之比，即MaAr/Ac同步調(diào)制N 等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步。Ø 基本同步調(diào)制方式，fr 變化時N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定；Ø 三相電路中公用一個三角波載波，且取 N 為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱；Ø 為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)；Ø fr 很低時，fc 也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除；Ø fr 很高時，fc 會過高，使開關(guān)器件難以承受。異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式。Ø 通常保持 fc 固定不變，當(dāng) fr 變化時，載波比 N 是

6、變化的；Ø 在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱；Ø 當(dāng) fr 較低時，N 較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小；Ø 當(dāng) fr 增高時，N 減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM 脈沖不對稱的影響就變大。兩種調(diào)制方法特點：單極性：每半個周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規(guī)律時通時通時斷地工作，另一個完全截止；而在另半個周期內(nèi)，兩個器件的工況正好相反，流經(jīng)負(fù)載ZL的便是正、負(fù)交替的交變電流。雙極性：逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總

7、是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，毫不停息，而流過負(fù)載ZL的是按線電壓規(guī)律變化的交變電流。 第三章 建立Simulink仿真模型3.1 單極性SPWM控制方式3.1.1 單極性SPWM調(diào)制電路的Simulink仿真模型圖5 單極性SPWM調(diào)制電路的Simulink仿真模型3.1.2 單極性SPWM觸發(fā)脈沖的Simulink仿真模型圖6 單極性SPWM觸發(fā)脈沖的Simulink仿真模型3.2 雙極性SPWM控制方式 3.2.1 雙極性SPWM調(diào)制電路的Simulink仿真模型圖7 雙極性SPWM調(diào)制電路的Simulink仿真模型3.2.2 雙極性SPWM觸發(fā)脈沖的Simulink仿真模型

8、圖8 雙極性SPWM觸發(fā)脈沖的Simulink仿真模型第四章 仿真參數(shù)及其輸出波形4.1 單極性SPWM仿真輸出波形及頻譜圖4.1.1 同步調(diào)制：fr=50（Hz） fc=750（Hz） N=15 Ma=0.9時的仿真波形圖9 單極性阻感負(fù)載同步調(diào)制仿真輸出電壓電流波形圖10 VT1VT4的電壓輸出波形 a)電壓頻譜圖 b) 電流頻譜圖 圖11 對應(yīng)頻譜圖4.1.2 異步調(diào)制：fc=750（Hz） fr=60（Hz） N=12.5 Ma=0.9時的仿真波形圖圖12 單極性阻感負(fù)載異步調(diào)制仿真輸出電壓電流波形 a)電壓頻譜圖 b)電流頻譜圖 圖13 對應(yīng)頻譜圖分析：同步調(diào)制：電壓=269.5V

9、HD=37.86% 電流=228.4A THD=8.87%異步調(diào)制：電壓=172.2V THD=68.52% 電流=145A THD=20.75%由以上的數(shù)據(jù)可知：異步調(diào)制后電壓電流值都變小了，但其諧波失真度都變大了。所以根據(jù)不同的需求，可調(diào)節(jié)載波比N的值，從而得到質(zhì)量不一樣的波形。4.1.3 同步調(diào)制：fr=50（Hz） fc=750（Hz） N=15 Ma=0.8時的仿真波形圖14 單極性阻感負(fù)載同步調(diào)制變調(diào)制度仿真輸出電壓電流波形 電壓頻譜圖 電流頻譜圖圖15 對應(yīng)頻譜圖分析：Ma=0.9時：電壓=269.5V THD=57.86%Ma=0.8時：電壓=238.7V THD=10.06%

10、由以上數(shù)據(jù)可知Ma值變大，則電壓幅值變大，其THD變小，其表明SPWM逆變電壓輸出的基波幅值與調(diào)制度成線性關(guān)系。因此，通過調(diào)節(jié)控制信號可方便調(diào)節(jié)逆變輸出的電壓的頻率和幅值，一般Ma值取大點，對波形越好。4.1.4 結(jié)論：由上面變載波比、變調(diào)制度知，輸出電壓基波幅值與調(diào)制深度成正比。當(dāng)載波比一定，變調(diào)制度時，當(dāng)載波頻率遠(yuǎn)大于輸出電壓基波頻率即fc>>fs，且調(diào)制深度0m1時，基波電壓幅值與直流側(cè)電壓滿足一下關(guān)系：。仿真電路中，Ma=0.8時，輸出電壓基波約為238.7V，Ma=0.9時，輸出電壓基波約為269.5V。它表明，SPWM逆變輸出電壓的基波幅值與調(diào)制深度成線性變化。因此通過

11、調(diào)節(jié)控制信號，可以方便的調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓的頻率和幅值。載波比越高，最低次諧波離基波越遠(yuǎn)，也就越容易濾波。例如：調(diào)制深度都為0.9，載波比為15時， 負(fù)載電流諧波失真THD=8.87%；載波比為12.5時， 負(fù)載電流諧波失真THD=20.75%，即載波比越高，負(fù)載電流中的諧波越少。故提高載波比將有效改善輸出電壓、電流的質(zhì)量。4.2 雙極性SPWM仿真輸出波形及頻譜圖4.2.1同步調(diào)制：fr=50（Hz） fc=750（Hz） N=15 Ma=0.9時的仿真波形圖16 雙極性阻感負(fù)載同步調(diào)制仿真輸出電壓電流波形 電壓頻譜圖 電流頻譜圖圖17對應(yīng)頻譜圖4.2.2異步調(diào)制：fc=750（Hz） f

12、r=60（Hz） N=12.5 Ma=0.9時的仿真波形圖圖18雙極性阻感負(fù)載異步調(diào)制仿真輸出電壓電流波形 電壓頻譜圖 電流頻譜圖圖19 對應(yīng)頻譜圖分析：同步調(diào)制：電壓=269.5V THD=107.67% N=15電流=228.7A THD=14.33% 異步調(diào)制：電壓=222V THD=110.33% N=12.5電流=173.1A THD=26.82%由以上數(shù)據(jù)可知：異步調(diào)制后電壓電流值都變小了，但其諧波失真度都變大了。所以根據(jù)不同的需求，可調(diào)節(jié)載波比N的值，得到不同的波形輸出質(zhì)量。4.2.3 結(jié)論:1）輸出電壓基波幅值與調(diào)制度成正比。當(dāng)載波比一定，變化調(diào)制度時，當(dāng)載波頻率遠(yuǎn)大于輸出電壓

13、基波頻率即fc>>fs，且調(diào)制深度0<m<=1時，基波電壓幅值與直流側(cè)電壓滿足一下關(guān)系：。仿真電路中，Ma=0.9時，輸出電壓基波約為269.5V，Ma=0.8時，輸出電壓基波約為238.7V。它表明，SPWM逆變輸出電壓的基波幅值與調(diào)制深度成線性變化。因此通過調(diào)節(jié)控制信號，可以方便的調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓的頻率和幅值。2）PWM電壓波形中含有載波頻率的整數(shù)倍及其附近的諧波。幅值最高影響最大的是K次諧波分量，隨調(diào)制深度的增加，其幅值的相對值逐漸減小。由于PWM電壓波形中含有載波頻率的整數(shù)倍及其附近的諧波，可見載波比越高，最低次諧波離基波越遠(yuǎn)，也就越容易濾波。例如：調(diào)制深度

14、都為0.9時，載波比為15時， 負(fù)載電流諧波失真THD=14.33%；載波比為12.5時， 負(fù)載電流諧波失真THD=26.82%，即載波比越高，負(fù)載電流中的諧波越少。故提高載波比將有效改善輸出電壓的質(zhì)量。但是另外，由于開關(guān)損耗等原因，開關(guān)頻率在逆變器的設(shè)計和運行中還會受到多種因素的影響，相應(yīng)的對載波比大小也有一定的限制。3）輸出頻率：50HZ、載波比：15、調(diào)制深度：0.9時。單極性，電壓總諧波失真THD=57.86%，負(fù)載電流諧波失真THD=10.06%；雙極性，電壓總諧波失真THD=107.67%，負(fù)載電流諧波失真THD=14.33%?？梢?，就基波性能而言，單極性PWM和雙極性PWM完全一致，但在線性調(diào)制的情況下單極性PWM諧波性能明顯優(yōu)于雙極性PWM。開關(guān)次整數(shù)倍諧波消除，最低次諧波幅值比雙極性調(diào)制小的多，更容易濾波。第五章 心得體會Simulink仿真技術(shù)在這次電力電子電路仿真的設(shè)計中已經(jīng)很好的體現(xiàn)了他在這個領(lǐng)域中的優(yōu)點，本文通過仿真實驗的得出的結(jié)果與理論分析的結(jié)果波形可以說是基本一致，這更進(jìn)一步說明了Simulink在電力電子系統(tǒng)仿真研究的實用性和有效性。通過這次為期一周的課程設(shè)計，使我對本課程所學(xué)的內(nèi)容有了一定的綜合性認(rèn)識。通過自己的摸索、研究、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，使我加深了對理論的理解，同時也提高了我獨立自主的動手能力和分析解決問題的能力，具體