基于PWM的逆变电路分析报告

.PAGE.....系专业班学号姓名┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉密┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉封┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉线┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉试卷类型：AXX科技大学电力电子技术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作者单位：XX科技大学作者__孙健摘要：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：SPWM；PWM；逆变器；谐波；FFT分析1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。2PWM控制的基本原理PWM〔PulseWidthModulation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：tOtOUd-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。OOtUd-Ud图〔二:双极性PWM控制方式波形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,因此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作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。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ur>uc时使V4通,V3断,uo=Ud。当ur<uc时使V4断,V3通,uo=0。ur负半周,V2保持通,V1保持断。当ur<uc时使V3通,V4断,uo=-Ud;当ur>uc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。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的"Source"库中选择"Clock"模块,以提供仿真时间t,乘以2∏f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"RepeatingSequence"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2∏f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"RepeatingSequence"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波形单极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路仿真及分析4.3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,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=13.77%,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。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-005s,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。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。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一些,但与双极性SPWM控制方式