基于PWM的逆变电路分析

1、试卷类型： A 苏州科技大学苏州科技大学 电力电子技术电力电子技术 试卷试卷 使用专业年级机电 13 考试方式：开卷（ ）闭卷（ ） 共 1 页 题号合计 得分 系 专业 班 学号 姓名 密封线 说明：本课程不进行期末卷面考试，要求按照规定完成一篇科技论文。 一、论文的具体要求 （1）选择授课过程中的一个具体的技术内容或知识点，自拟论文题目；查找 一些技术资料，对所选择的一项技术或一个知识点进行阐述； （2）字数在 3000 以上；A4 纸打印； （3）按照科技论文的格式排版。要求包含：标题、作者单位、作者姓名、摘 要、关键词、引言、正文、结论、参考文献几部分。 （4）基本格式要求如下：标题

2、3 号黑体、作者单位用 5 号宋体，其余均用小 四号楷体或仿宋、1.25 倍行间距、单栏。层次按 1、1.1、1.2、2、2.1、2.2、方式排序。 二、评分标准 （1）优秀：论文内容有理论要有理论和现实意义；观点明确，重点突出；思 路清晰，结构合理；有自己的观点；文字通顺，格式完全符合要求。 （2）良好：论文内容有一定的理论和现实意义，观点明确；结构合理，逻辑 性较强；有自己的观点；文字比较流畅，格式符合要求。 （3）中等：论文内容有一定的现实意义；论点基本正确；观点较明确，思路 较清晰；有一些自己的观点；文字较流畅，格式基本符合要求。 （4）及格：内文内容主要观点正确，结构较合理；叙述欠正

3、确，语言欠流畅； 没有自己的观点；格式不太符合要求。 （5）不及格：论文内容观点有重大错误；完全抄袭他人；结构与观点不相符； 内容有常识性错误；内容空洞、层次混乱、条理不清。 逆变器的仿真与特性研究逆变器的仿真与特性研究 作者单位：苏州科技大学 作者姓名：孙健 摘要摘要：现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是 PWM 型逆变电路。为了对 PWM 型逆变电路进行研究，首先建立了逆变器单极性控制所需的电路模型，采 用 IGBT 作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路和 PWM 控制电路的工作原 理进行了分析，运用 MATLAB 中的 SIMULINK 对电路进行了仿真，给出了仿真波 形，并运用

4、MATLAB 提供的 powergui 模块对仿真波形进行了 FFT 分析（谐波分 析）. 关键词：关键词：SPWM；PWM；逆变器；谐波；FFT 分析 1 1 引言引言 随着地球非可再生资源的枯竭日益以及人们对电力的日益依赖,逆变器在人 们日常生活中扮演着越来越重要的角色.近年来,PWM 型逆变器的的应用十分广 泛，它使电力电子装置的性能大大提高，并显示出其可以同时实现变频变压反 抑制谐波的优越性,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，才确定了它在电力电子技 术中的重要地位。 2 2 PWMPWM 控制的基本原理控制的基本原理

5、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，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，就可得到下图 b 所示的 脉冲

6、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 波形。SPWM 波形如下图所示： O Ud -Ud 图（一）:单极性 PWM 控制方式波形 上图波形称为单极性 SPWM 波形，根据面积等效原理，正弦波还可等效为下 图中的 PWM 波，即双极性 SPWM 波形，而且这种方式在实际应用中更为广泛。 O t U d -U d 图（二）:双极性 PWM 控制方式波形 3 3 PWMPWM 逆变电路及其控制方法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，因此主要分析电压型逆变电路的控制方

7、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。下面具体分析单相桥式逆变电路的单极性 控制方式。图（三）是采用 IGBT 作为开关器件的

8、单相桥式电压型逆变电路。 t 图（三）：单相桥式 PWM 逆变电路 单极性 PWM 控制方式：在ur 和uc 的交点时刻控制 IGBT 的通断。ur正半周， V1 保持通，V2 保持断。当uruc 时使 V4 通，V3 断，uo=Ud 。当uruc 时使 V4 断，V3 通，uo=0 。ur负半周，V2 保持通，V1 保持断。当uruc 时使 V3 断，V4 通，uo=0 。这样就得到图一所示的单 极性的 SPWM 波形。 4 4 电路仿真及分析电路仿真及分析 4.1 单极性 SPWM 触发脉冲波形的产生：仿真图如下所示。 图（四）：单极性 PWM 逆变器触发脉冲发生电路 在 Simulink

9、 的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间 t,乘 以 2f 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。三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence” 模块产生,正确设置参数，三角波经过处理，便可成为频率为 fc 的三角载波。 将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出下图所示的单极性 SPWM 触发脉 冲波形。 图（五）：单相桥式 PWM 逆变器 V1 触发脉冲波形（单极性 SPWM 波形） 4.2 双极性 SPWM 触发脉冲波形的产生：仿真图如下所示。 图（六）：双极性 PWM 逆变器触发脉

10、冲发生电路 同上，在 Simulink 的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时 间 t,乘以 2f 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。三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生,正确设置参数，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，即可得出下图所示的双极性 SPWM 触发脉冲波形。 图（七）：单相桥式 PWM 逆变器 V1 触发脉冲波形（双极性 SPWM 波形） 4.3 单极性 SPWM 控制方式的单相桥式逆变电路仿真及分析 4.3.1 单极性

11、SPWM 方式下的单相桥式逆变电路 主电路图如下所示： 图（八）：单相桥式 PWM 逆变器主电路图 将调制深度 m 设置为 0.5，输出基波频率设为 50Hz，载波频率设为基波的 15 倍，即 750Hz，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-005s，运行后可得仿真结果，输出交流电压，交流电流和直 流电流如下图所示： 图（九）：单极性 SPWM 方式下的逆变电路输出波形 对上图中的输出电压 uo 进行 FFT 分析，得如下分析结果： 图（十）：单极性控制方式下输出电压的 FFT 分析 由 FFT 分析可知：在 m=0.5,fc=750Hz

12、,fr=50Hz，即 N=15 时，输出电压的 基波电压的幅值为 U1m=150.9V，基本满足理论上的 U1m=m*Ud(即 300*0.5=150)。 谐波分布中最高的为 29 次和 31 次谐波，分别为基波的 71.75%和 72.36%，考虑 最高频率为 4500Hz 时的 THD 达到 106.50%。 对输出电流 io 进行 FFT 分析，得如下分析结果： 图（十一）：单极性控制方式下输出电流的 FFT 分析 由 FFT 分析可知：在 m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即 N=15 时，输出电流基 波幅值为 128.2A，考虑最高频率为 4500Hz 时的 THD=13

13、.77%，输出电流近似为 正弦波。 改变调制比 m 和载波比 N，如增大 m 和 N，可以有效减小输出电压和输出电 流的谐波分量。 4.3.2 双极性 SPWM 方式下的单相桥式逆变电路 双极性 SPWM 控制方式下的单相桥式逆变电路主电路与图（八）相同，只需 把单极性 SPWM 发生模块改为双极性 SPWM 发生模块即可。 参数设置使之同单极性 SPWM 方式下的单相桥式逆变电路相同，即将调制深 度 m 设置为 0.5，输出基波频率设为 50Hz，载波频率设为基波的 15 倍（750Hz） ， 仿真时间设为 0.06s，在 powergui 中设置为离散仿真模式，采样时间设为 1e- 005

14、s，运行后可得仿真结果，输出交流电压，交流电流和直流侧电流如下图所 示： 图（十二）：双极性 SPWM 方式下的逆变电路输出波形 同样，对上图中的输出电压 uo 进行 FFT 分析，得如下分析结果 图（十三）：双极性控制方式下输出电压的 FFT 分析 由 FFT 分析可知：在 m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即 N=15 时，输出电压的 基波电压的幅值为 U1m=152V，基本满足理论上的 U1m=m*Ud(即 300*0.5=150)。 谐波分布中最高的为第 15 次和 29、31 次谐波，分别为基波的 212.89%和 71.65%、71.95%，考虑最高频率为 4500Hz

15、 时的 THD 达到 260.21%。 对输出电流 io 进行 FFT 分析，得如下分析结果： 图（十四）：双极性控制方式下输出电流的 FFT 分析 由 FFT 分析可知：在 m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即 N=15 时，输出电流基 波幅值为 130.3A，考虑最高频率为 4500Hz 时的 THD=34.15%，输出电流近似为 正弦波。 改变调制比 m 和载波比 N，如增大 m 和 N，同样可以有效减小输出电压和输 出电流的谐波分量。 4.3.3 单极性和双极性 SPWM 控制方式下的单相桥式逆变电路比较分析 单极性 SPWM 控制方式输出波形和双极性 SPWM 控制方式输

16、出波形的比较： 在调制比 m（0.5） 、载波频率 fc（750Hz） 、调制波频率 fr（50Hz）等均相同的 情况下，单极性 SPWM 控制方式输出电压 THD=106.5%，明显低于双极性 SPWM 控 制方式输出电压的 THD 值（260.21%） ，且单极性方式下输出电压谐波次数较高， 更容易滤除；单极性 SPWM 控制方式输出电流 THD=13.77%，而双极性 SPWM 控制 方式输出电压的 THD=34.15%，即单极性方式下输出电流谐波含量明显更小，更 接近于正弦波。 综上所述：单极性调制时的谐波性能要优于双极性调制方式。 5 5 结论结论 对于PWM控制方式的单相桥式逆变电路，即可以选用单极性SPWM控制方式， 也可以选用双极性SPWM控制方式。单极性SPWM信号发生电路比双极性的复杂