单相和三相逆变器SPWM调制技术的仿真与分析

目录TOC\o"1-5"\h\z1.引言 -2-PWM控制的基本原理 -2-PWM逆变电路及其控制方法 3-电路仿真及分析 -4-双极性SPWM波形的产生 -4 -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-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-结论 -13-7.参考文献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（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。Ud-UdtUd-Udt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。

图2双极性SPWM控制方式波形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Ur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±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VI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，ooU=Ud。当Ur<Uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。o如ivO,V2和V3通，如i>0,VD2和VD3通，U=-Ud。这样就得到ooo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桥式电压型逆变电路。图4三相图4三相PWM逆变电路当U>U时，给VI导通信号，给V4关断信号，U二U；当TOC\o"1-5"\h\zrU c UN、’ d/2U<U时，给V4导通信号，给V1关断信号，U =-U。当给V1(V4)rU c UN、’ d/2加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。U、UUN、' VN''和U的PWM波形只有+U两种电平。U波形可由U、U得出,WN'' 一d/2 UV UN、' VN''当1和6通时，U=Ud，当3和4通时，U=-Ud，当1和3或4和6UV UV通时，U=0。U、U的波形可同理得出。UV VW WU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“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以2nf后再通过一个“sin”模块即为sin®t，乘以调制比m后可得到所需的r

正弦波调制信号。三角载波信号由“Source”库中的“RepeatingSequence”模块产生,参数设置为【01/f/43/f/41/f】和【01-10】，ccc便可生成频率为f的三角载波。将调制波和载波通过一些运算与比较，c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。

4.2三相SPWM波形的产生：仿真图如下所示。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“Source”库中选择“Clock”模块,以提供仿真时间t,乘以2nf后再通过一个“sin”模块即为sinwt，乘以调制比rm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“RepeatingSequence”模块产生，参数设置为【01/f/42/f/41/f】和【-101-1】，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方式下的单相桥式逆变电路主电路图如下图所示:PWMADCB2SeriesF：LCBranthF''iJVW to「powerqui双极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路主电路图如下图所示:PWMADCB2SeriesF：LCBranthF''iJVW to「powerquiUniversaIBridgeMuItimeter°———Wv―TJli*-Discrete,Ta=1e-U063.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(UniversalBridge)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。c r cr调制度m――调制波幅值A与载波幅值A之比，即m=A/A。r c rc输出电压基波幅值U=mU，其中，U为直流侧电源d1m d d电压。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o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。o利用MATLAB提供的powergui模块,对上图中的输出电压U和输出电流Ioo进行FFT分析，得图11、图12所示结果：Availablesignalsstndure:invInpU：:input1Sigrainumber1-FFT^ndovs1Time(釧StartfimeCs：|:□.□—FFTanalysis Availablesignalsstndure:invInpU：:input1Sigrainumber1-FFT^ndovs1Time(釧StartfimeCs：|:□.□—FFTanalysis Nurtoerofcycles1FundamentalTrequency〔H巧:50FFTsettingsDl$^$(ystyle:Frequencyoxis:HarmonicorderMaxFrequcny(Hr)图11双极性控制方式单向桥式逆变电路输出电压U的FFT分析o—AvailablesignalsStructure:FFTanalysis—尸FTwinduw Starttme(e|:|o.QNurrtoerqTcycles:"FunderrentaiirequencyfHz):旳 —FFTsellingsCispaystyle-:Bar(relativetafundamental)存BftSCVfilUC：|1.□Frequency日ids:Harrfionlcordai ”MaxFreqiencytUz):图12双极性控制方式单向桥式逆变电路输出电流I的FFT分析0Signal10analyzeDlgplsysetBDtBdslgnsl0旦到旳y.FEl..空l也E邂由图11可知：在U=300V,m=0.9,f=1500Hz,f=50Hz,即N=30

dcr时，输出电压的基波电压的基波幅值为U=269.5V，基本满足理论上的d1mU=mxU(即300x0.9=270V)。谐波分布中最高的为30次谐波，考虑d1m d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I为246.8A，谐波分布中最高的为

d1m30次谐波，考虑最高频率为4500Hz时的THD=9.47%,输出电流近似为正弦波。4.3.1SPWM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:Dis-crete；Uniw曰詢Bridge-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：subplot(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([00.04-300300]);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：Umb■线电压波形500■MWIU'50°0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.03£ 0.04A相输岀电压U曰液形200-200-400□-005 0-01 0.015 0_02 0-025 0_03 0.036 0_04*x1Q" A和谕岀电流怛逼形1I I I I ■ I I I计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相输岀电压U曰液形200-200-400□-005 0-01 0.015 0_02 0-025 0_03 0.036 0_04*x1Q" A和谕岀电流怛逼形1I I I I ■ I I I计I I I ■ ■ I I I '0 0QQ5□01 0^016 □02 0025 003 □03fi004图14SPWM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波由土Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±l/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U和输出电流I进行FFTAA分析，得图15、图16所示结果：AvailableStruolLfe:Dl&plziyFFT!A>1ndDWSignaltaanal/zeabisplayselezted迈耳可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*图15SPWM控制方式三相逆变电路输出相电压U的FFT分析AI—AvailablesignalsStructure:invHsrmoncorderMazFrequency(Hz):〔I—AvailablesignalsStructure:invHsrmoncorderMazFrequency(Hz):〔ra4u2E-suLf4口强一brazBar(rclatr^e1of