基于PWM的逆变电路分析

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 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 1 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 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 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 苏州科技大学 2 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 t 苏州科技大学 3 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 苏州科技大学 4 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 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 苏州科技大学 5 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 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 SPWM 方式下的单相桥式逆变电路 主电路图如下所示 苏州科技大学 6 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 苏州科技大学 7 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 苏州科技大学 8 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 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 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 苏州科技大学 9 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 苏州科技大学 10 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 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 苏州科技大学 11 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一 些 但与双极性SPW