单相和三相逆变器SPWM调制技术的仿真与分析.docx

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1、目录1. 引言 2-2. PWM控制的基本原理- 2 -3. PWM逆变电路及其控制方法 3-4. 电路仿真及分析 4-4.1 双极性SPWM波形的产生-44.2 三相SPWM波形的产生-6 -4.3双极性SPWM控制方式单相桥式逆变电路仿真及分析-7-5. 双极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路和三相逆变电路比较分析.-12-6. 结论 13-7. 参考文献 13-1.引言PWM技术的的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了 PWM技术。它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的 发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的 成功应用，才确定了它

2、在电力电子技术中的重要地位。常用的PWM技术 包括：正弦脉宽调制（SPWM）、选择谐波调制（SHEPWM）、电流滞环调 制（CHPWM）和电压空间矢量调制（SVPWM）。2. PWM控制的基本原理PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技 术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。 PWM控制技术的重要理论基础是面积等效原理，艮即冲量相等而形状不同 的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。下面分析如何用一 系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。把正弦半波分成N等分，就 可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲序列所组成的

3、波形。如果把这 些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点 和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲 量）相等，就可得到图1所示的脉冲序列，这就是PWM波形。像这种脉 冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波。UdO-Ud图1单极性SPWM控制方式波形上图所示的波形称为单极性SPWM波形，根据面积等效原理，正弦波 还可等效为图2中所示的PWM波，这种波形称为双极性SPWM波形，而 且这种方式在实际应用中更为广泛。3. PWM逆变电路及其控制方法PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种，目前实际应用的几乎都是 电压型电路，因

4、此本节主要分析电压型逆变电路的控制方法。要得到需要 的PWM波形有两种方法，分别是计算法和调制法。根据正弦波频率、幅 值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变 电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形，这种方法称为计算法。 由于计算法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要 变化。与计算法相对应的是调制法，即把希望调制的波形作为调制信号， 把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，在调制信号波为正弦波时，所得到的就是 SPWM波形。下面具体分析单相和三相逆变电路双极性控制方式。图3是采用IGBT作为开关

5、器件的单相桥式电压型逆变电路。图3单相桥式PWM逆变电路单相桥式逆变电路双极性PWM控制方式：在肉的半个周期内，三角 波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有土Ud两种电平。 同样在调制信号Ur和载波信号Uc的交点时刻控制器件的通断。Ur正负半 周，对各开关器件的控制规律相同。当Ur Uc时，给V1和V4导通信号， 给V2和V3关断信号。如i 0，V1和V4通，如i 0，VD1和VD4通， U =Ud。当Ur Uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。 如i 0，VD2和VD3通，U =-Ud。这样就得到 图2所示的双极性的SPWM波形。图4是采用IGBT作为开关器件的三相

6、桥式电压型逆变电路。图4三相PWM逆变电路当U犯 Uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，U = Ud/2 ；当 U u U时，给V4导通信号，给V1关断信号，U =-Ud/2。当给V1(V4) 加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是Vd1( VD4 )导通。匕州、Uvn、, 和U的PWM波形只有Ud/2两种电平。U由波形可由Un、U得出， 当1和6通时，U = Ud，当3和4通时，U = - Ud，当1和3或4和6 通时，uuv=o。u吹、uwu的波形可同理得出。4.电路仿真及分析4.1双极性SPWM波形的产生：仿真电路图如图5所示。在Simulink 的“Source库中选择“Cl

7、ock”模块，以提供仿真时间t,乘以2时,后再通过一个“sin”模块即为sint，乘以调制比m后可得到所需的正弦波调制信号。三角载波信号Source”库中的“Repeating Sequence” 模块产生，参数设置为【0 1/f /4 3/f /4 1/f】和【0 1 -1 0】， 便可生成频率为fc的三角载波：将调制波和载波通过一些运算与比较， 即可得出图6所示的双极性SPWM触发脉冲波形。图5双极性PWM逆变器触发脉冲发生电路图6双极性SPWM波形从上图可以看出，对于双极性SPWM控制方式，在正弦调制波半个周 期内，三角载波在正负极性之间连续变化，SPWM波也是在正负之间变化。4.2 三

8、相SPWM波形的产生：仿真图如下所示。Ccnsts nt3A dcsu bl e2Rpi/3Dat目 ConvEfainCunstsnMR&P& stingS&qu&nc&JT Tigonom &tri d FunctisnZ图7三相SPWM逆变器触发脉冲发生电路FunctionReO|&ratD-TTrigDnom&tricFunction 1R&CE-ati ngtisn-al rstc-r1Ln-giMlOpEiatDil，doubleData ConversiE-nS本文中采用单三角载波和三个幅值、频率相同相位互差120度的三相 交流波形作为调制波。同上，在Simulink的“Sour

9、ce”库中选择“Clock”模块， 以提供仿真时间t,乘以2兀fr后再通过一个“sin”模块即为sinwt，乘以调制比 m后可得到所需的正弦波调制信号，通过设置即可产生三相正弦波信号。 三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生，参数设置为 【0 1/f /4 2/f /4 1/f】和【-1 0 1-1】，便可生成频率为f的三 cccc角载波。将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出三相SPWM触发 脉冲波形。三角载波与调制波的波形如图8所示：图8三相调制波与三角载波波形4.3双极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路仿真及分析双极性SPWM方式下的单

10、相桥式逆变电路主电路图如下图所示:图9单相桥式PWM逆变器主电路图为了使仿真界面简洁，仿真参数易于修改，通用桥(Universal Bridge) 的触发脉冲是图5所示部分封装成的子模块。对于单相SPWM控制方式的 逆变电路，有如下重要参数：载波比N载波频率f与调制信号频率f之比，即N = f /f。 crc r调制度m调制波幅值A与载波幅值Ac之比，即m= A/A。输出电压基波幅值气=mUd，其中，Ud为直流侧电源 电压。m将调制度m设置为0.9,调制波频率设为50Hz，载波频率设为基波的 30倍(载波比N=30)，即1500Hz，仿真时间设为0.04s，在powergui中设 置为离散仿真

11、模式，采样时间设为1e-006s，运行后可得仿真结果，建立m 文件，程序如下所示：(示波器名称设置为inv)subplot(2,1,1);plot(inv.time,inv.signals(1).values);title(输出电压波形)；subplot(2,1,2);plot(inv.time,inv.signals(2).values);title(输出电流波形)；运行此文件后，可得输出电压和电流波形如图10所示:图10 双极性SPWM方式下的逆变电路输出波形从上图中可以看出，输出电压U。为单极性PWM型电压，脉冲宽度符 合正弦规律变化，交流电流I。接近于?正弦波形，直流电流含有直流分量。

12、 利用MATLAB提供的powergUi模块，对上图中的输出电压U。和输出电流I。 进行FFT分析，得图11、图12所示结果：OOSignal 10 analyzeDisplay selectmcl slgnsl a 四邑购Available signalsStndure:IT*FInput:nput 1Signal numberFFT而时owStart fime Cs：|: .Nurtoer of cycles 1Fundamental Trequency (H 逍:FFT settingsDl$iy style:Bar Creialve to Tundamerrai) 了Bese valu

13、e: ITliFrequency oms:Hanronic orderMax Frequency (Hr):图11双极性控制方式单向桥式逆变电路输出电压Uo的FFT分析Signal to analyzea Dlsilay selected &iqrel Available signalsStructure:invInpul :input 2寻Slonsd nurrtaer1FFT winduwStart tme (=j: |o.QNurrtoer qT cycles: hFunderrentai irequency fHz):SU一FFT sellingsCispay style-:Bar (

14、relative ta fundamental) BftSC VfilUC： |1 .Frequency 己ids:Harrfionlc ordai，Max FreqiencY tUz):EID一DisplayClow由图 11 可知：在U =300V , m=0.9,f =1500Hz, f =50Hz,即 N=30 时，输出电压的基波电压的基波幅值为Ud：=269.5V,基本满足理论上的 U =mx U (即300x 0.9=270V)。谐波分布中最高的为30次谐波，考虑 最高频率为4500Hz时的THD达到121%。由图12可知：输出电流基波幅值七以为246.8A，谐波分布中最高的为 3

15、0次谐波，考虑最高频率为4500Hz时的1 THD=9.47%，输出电流近似为正 弦波。4.3.1 SPWM控制方式下的三相逆变电路SPWM控制方式下的三相逆变电路主电路如图13所示:powerguiD-is-crete, Ts. = 1e-0(K S-.图13三相逆变电路主电路设置参数使之与单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路参数相同， 即将调制度m设置为0.9,调制波频率设为50Hz，载波频率设为基波的30 倍(载波比N=30)，即1500Hz，仿真时间设为0.04s，在powergui中设置 为离散仿真模式，采样时间设为1e-006s，运行仿真图形，然后建立m文件， 程序如下所示：su

16、bplot(3,1,1);plot(inv.time,inv.signals(1).values);title(Uab线电压波形)；subplot(3,1,2);plot(inv.time,inv.signals(2).values);title(A相输出电压Ua波形)；subplot(3,1,3);plot(inv.time,inv.signals(3).values);axis(0 0.04 -300 300);title(A相输出电流波形)；运行此文件后，可得输出交流电压，交流电流和直流电流如图14所示:-200-4000.0 16A相谕出电渍栖泌形inirmmi m ninilllll

17、nnj nir倾 n wrHnm miii i m111111O.ais 0.02氏相输出电压U曰波形Dl&plziy FFTSignal ta anal/ze a biipla y s el ezte d 日顷 MTirne (s)=Equ 心E2PJnIJ_=SWN图14 SPWM方式下的三相逆变电路输出波形分析上图可知，输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成负载相电压PWM 波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成。利用MATLAB提供的powergui模块，对上图中的输出相电压气和输出电流IA进行FFT 分析，得图15、图16所示结果：AAAvailableStruolL

18、fe :Inpu-t :input 奁宥棚ne nLfl-rfc&i-:卜-FFT windowStart 1lmc (a):Nurnbsr of cycles: 1FLniJamenlai 1rec#jency HhJ网IFFT seltmasDisplay stvle :Barto fundarrierial) vabje: h .0Frsuenos1 4：-le:|HBrrTOnic orderFrequency CHzZc 45CCsipla 图15 SPWM控制方式三相逆变电路输出相电压U的FFT分析IAvailable signalsStructure :invhput:input

19、sSlansl numter：FFT windowStart time (s): 0.0Numkier of cycles: |lFundainental frequency (Hr):urawalE-sunLl_4c! *一 Braz FFT settingsDisplay style. Bar (rclatri/e 1o fundsnientol)m眼m sGiue: h .0FraiuercY asls:Hsrmonc orderMmr Frequency (Hz:图16 SPWM控制方式三相逆变电路输出电流I a的FFT分析由图 15 可知：在U =300V , m=0.9,f =15

20、00Hz, f =50Hz,即 N=30 时，输出相电压的基波电压的基波幅值为U =134.7V谐波分布中最高的 d1m为28和32次谐波，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到79.74%。由图 16可知：考虑最高频率为4500Hz时的THD=5.15%，输出电流近似为正弦 波。5.双极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路和三相逆变电路比较分析 经比较分析可以看出，在调制比和载波比都相同的情况下，三相逆变电 路比单向桥式逆变电路的谐波含量小得多，因此，从谐波含量的角度考 虑，三相逆变电路的输出波形更接近正弦波。同时，从SPWM触发产 生电路可以看出，三相逆变电路的触发产生电路要比单相桥式逆变电路 复杂。通过设置适当的m和N的值，就可以很好的实现逆变电路的运 行要求。6. 结论通过适当的参数设置，根据不同应用场合的要求，选择能够满足实际要 求的控制方式，运用PWM控制技术，可以有效减小输出电压和输出电流的 谐波分量，改善输出波形，可以很好的实现逆变电路的运行要求。7. 参考文献1 林飞，杜欣，电力电子应用技术的MATLAB仿真，中国电力出版社，2009.12 王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.53 汤才刚，朱红涛，李莉，陈国桥，基PWM的逆变电路分析，现 代电子技术2008年第1期总第264期。