单相和三相逆变器SPWM调制技术的仿真与分析

第 - 1 - 页 共 13 页 目录目录 1. 引言引言 .- 1 - 2. PWM 控制的基本原理控制的基本原理.- 1 - 3. PWM 逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法.- 2 - 4. 电路仿真及分析电路仿真及分析 .- 3 - 4.1双极性 SPWM 波形的产生.- 3 - 4.2三相 SPWM 波形的产生.- 5 - 4.3双极性 SPWM 控制方式单相桥式逆变电路仿真及分析- 6 - 5. 双极性双极性 SPWM 控制方式的单相桥式逆变电路和三相逆变电控制方式的单相桥式逆变电路和三相逆变电 路比较分析路比较分析 .- 11 - 6. 结论结论 .- 12 - 7. 参考文献参考文献 .- 12 - 第 - 2 - 页 共 13 页 1.引言引言 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。 O t Ud -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 第 - 3 - 页 共 13 页 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。 O t Ud -Ud 图 2 双极性 SPWM 控制方式波形 3.PWM 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。 第 - 4 - 页 共 13 页 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：在的半个周期内，三角Ur 波载波有正有负，所得 PWM 波也有正有负，其幅值只有两种电平。dU 同样在调制信号和载波信号的交点时刻控制器件的通断。正负半UrUcUr 周，对各开关器件的控制规律相同。当时，给 V1 和 V4 导通信号，UrUc 给 V2 和 V3 关断信号。如0，V1 和 V4 通，如0，VD1 和 VD4 通， o i o i = 。当时，给 V2 和 V3 导通信号，给 V1 和 V4 关断信号。 o UdUUrUc 如0，VD2 和 VD3 通，=- 。这样就得到 o i o i o UdU 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 PWM 逆变电路 当时，给 V1 导通信号，给 V4 关断信号，；当 crU UU 2/dUN UU 时，给 V4 导通信号，给 V1 关断信号，。 当给 crU UU 2/dUN UU V1(V4)加导通信号时，可能是 V1(V4)导通，也可能是 VD1 ( VD4 )导通。 、和的 PWM 波形只有两种电平。波形可由、 UN U VN U WN U 2/d U UV U UN U 得出，当 1 和 6 通时，=，当 3 和 4 通时，=，当 1 VN U UV UUd UV UUd 和 3 或 4 和 6 通时，=0。、的波形可同理得出。 UV U VW U WU U 4.电路仿真及分析电路仿真及分析 4.1 双极性 SPWM 波形的产生：仿真电路图如图 5 所示。 第 - 5 - 页 共 13 页 在 Simulink 的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间 t,乘以 后再通过一个“sin”模块即为 sin，乘以调制比 m 后可得到所需 r f2t 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,参数设置为【0 1/4 3/4 1/】和【0 1 c f c f c f -1 0】，便可生成频率为的三角载波。将调制波和载波通过一些运 c f 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 第 - 6 - 页 共 13 页 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。 图 7 三相 SPWM 逆变器触发脉冲发生电路 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,乘以后再通过一个“sin”模块即为 sin，乘以调制比 r f2t 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 1/4 2/4 1/】和【-1 0 1 -1】，便可生成频率为的三 c f c f c f c f 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 第 - 7 - 页 共 13 页 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： 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载波频率与调制信号频率之比，即 N = /。 c f r f c f r f 第 - 8 - 页 共 13 页 调制度 m调制波幅值与载波幅值之比，即 m/。 r A c A r A c A 输出电压基波幅值=，其中，为直流侧电源 m1d U d mU d U 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，输出电压为单极性 PWM 型电压，脉冲宽度符 o U 合正弦规律变化，交流电流接近于正弦波形，直流电流含有直流分量。 o I 利用 MATLAB 提供的 powergui 模块，对上图中的输出电压和输出电流 o U 第 - 9 - 页 共 13 页 进行 FFT 分析，得图 11、图 12 所示结果： o I 图 11双极性控制方式单向桥式逆变电路输出电压的 FFT 分析 o U 第 - 10 - 页 共 13 页 图 12双极性控制方式单向桥式逆变电路输出电流的 FFT 分析 0 I 由图 11 可知：在=300V ，m=0.9, =1500Hz, =50Hz，即 N=30 d U c f r f 时，输出电压的基波电压的基波幅值为=269.5V，基本满足理论上的 m1d U = (即 300 0.9=270V)。谐波分布中最高的为 30 次谐波，考虑 m1d U d Um 最高频率为 4500Hz 时的 THD 达到 121%。 由图 12 可知：输出电流基波幅值为 246.8A，谐波分布中最高的为 m1d I 30 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： 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); 第 - 11 - 页 共 13 页 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： 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和输出电流 A U 进行 FFT 分析，得图 15、图 16 所示结果： A I 第 - 12 - 页 共 13 页 图 15SPWM 控制方式三相逆变电路输出相电压的 FFT 分析 A U 图 16SPWM 控制方式三相逆变电路输出电流的 FFT 分析 A I 第 - 13 - 页 共 13 页 由图 15 可知：在=300V ，m=0.9, =1500Hz, =50Hz，即 N=30 d U c f r f 时，输出相电压的基波电压的基波幅值为=134.7V，谐波分布中最高 m1d U 的为 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