38单相电压型全桥逆变电路输出电压频谱分析研究

1、2010年 12月阴山学刊D ec.2010第 24卷 第 4期Y INSHAN ACADEM IC JOURNALVo1. 24No. 4单相电压型全桥逆变电路输出电压频谱分析研究巩瑞春, 王润文(包头师范学院信息科学与技术学院, 内蒙古包头 014030)摘 要: 本文首先介绍了单相电压型全桥逆变电路, 对其进行了 MAT LAB 仿真, 分 180 和 120 移相调压两种方式对输出电压波形, 输出电流波形, 以及输出电压的频谱进行了分析。关键词: 单相全桥; 逆变电路; 移相; 频谱分析中图分类号: TM 464文献标识码: A 文章编号: 1004- 1869( 2010) 04-

2、0036- 031 单相电压型全桥逆变电路简介电路如图 1所示, 直流侧为电压源, 交流侧为阻感性负载 , 共有四个桥臂, 可以看成两个半桥电路组合而成。每个桥臂都由一个 IGBT 和与它反并联的二极管组成。当给 IGBT 加关断信号时, IGBT 一定关断, 但给 IG BT 加导通信号时 , IGBT 不一定能导通, IGBT 是单向器件, 能否导通取决与流过负载的电流是否与 IGBT 的导通电流方向一致。如一致, 则 IG BT 导通, 如不一致, 则对应的二极管导通。图 1: 单相电压型全桥逆变电路图 2: 单相电压型全桥逆变电路仿真电路图2 180 移相型全桥逆变电路仿真分析2. 1

3、 180 移相型全桥逆变电路工作原理仿真电路如图 2所示, 把桥臂 1和 4作为一对, 桥臂 2和3作为另一对, 成对的两个桥臂同时导通, 两对交替各自导通180 , V1, V4 (或 VD 1, VD 4 ) 导通, 输出电压为 Ud, V2, V3 (或 VD 2, VD 3 ) 导通, 输出电压为 - Ud, 所以输出电压为正负各为180 , 幅值为 Ud 的矩形波。矩形波 u0 展开成傅里叶级数得;u =2U d sin t +1sin3 t +1sin5 t + 3502. 2 180 移相型全桥逆变电路仿真分析分别从 MAT LAB /SIM UL INK 的电力模块库 ( S

4、mi powe r system s)和基本模块库 ( S mi ulink) 里拖出相应模块, 连接, 设置参数, 使直流侧电压 Ud = 100V, 负载电阻 R = 1 , 电感 L= 0. 1H, IG BT 的栅极驱动脉冲周期为 0. 02s, 进行仿真, 检测各栅极驱动脉冲, 输出电压, 输出电流波形如图 3所示:从仿真波形中可以看出, 输出电压 u0 波形为正负各180 的矩形波, 幅值等于直流测电压为 100V, 而电流波形是由于负载与直流侧交换能量而形成的充放电波形。*收稿日期: 2010- 10- 28作者简介: 巩瑞春 ( 1970- ), 男, 内蒙古土默特左旗人, 讲

5、师, 硕士。36图 3: 180 移相 ug1, ug2, ug3, ug 4, u0, i0 波形图对输出电压波形进行频谱分析, 得到输出电压波形频谱图如图 4所示:图 4: 180 移相输出电压波形频谱图从频谱分析图中可以看出, 180 移相逆变器输出交流电压波形中除含有基波外, 还含有 3次, 5次, 7次等奇次谐波,低次谐波含量较高, 3 次谐波高达 33. 36% , 5 次谐波高达 20% , THD (总谐波系数 ) 为 40. 4% 。3 120 移相型全桥逆变电路仿真分析3. 1 120 移相型全桥逆变电路工作原理120 移相调压就是调节输出电压脉冲的宽度为 120 , V1

6、和 V2的栅极驱动信号互补, V3 和 V4 的栅极驱动信号互补, 但 V 3比 V1 的栅极驱动信号滞后 120 , 输出电压波形为正负各为120 的脉冲, 当 V1, V4 (或 VD 1, VD 4 ) 导通, 输出电压为 Ud, V 2, V3 (或 VD 2, VD 3 ) 导通, 输出电压为 - Ud, V1, VD 3 ( 或 V3, VD 1 或 VD 2, V4, 或 V2, VD 4 ) 导通时, 输出电压为 0, uo 展开成傅里叶级数得:u=4U d sint -1sin5 t +1sin7t +1sin11 t +5711UV1s in13t - =4U d sin

7、t +1( -1) ks inn t13nn(式中 n =6k1, k 为自然数。)3. 2 120 移相型全桥逆变电路仿真分析除 V3 的栅极驱动脉冲比 V1 滞后 120 外, 其余参数设置和 180 移相型全桥逆变电路相同, 进行仿真, 检测各栅极驱动脉冲, 输出电压, 输出电流波形如图 5所示:从仿真波形中可以看出, 输出电压 u0 波形为正负各120 的矩形波, 幅值等于直流测电压为 100V, 而电流波形是由于负载与直流侧交换能量而形成的充放电波形。图 5: 120 移相 ug1, ug2, ug3, ug4, u0, i0 波形图对输出电压波形进行频谱分析, 得到输出电压波形频谱

8、图如图 6所示:37图 6: 120 移相输出电压波形频谱图从频谱分析图中可以看出, 120 移相逆变器输出交流电压波形中除含有基波外, 还含有 ( k 为自然数 )次奇次谐波,无 3k( k为奇数 )次奇次谐波, 低次谐波含量较低, 5次谐波为 20% , 7次谐波为 14% , THD (总谐波系数 )为 31% 。4 结论应用 MAT LAB /SIM UL INK 对单相电压型全桥逆变电路进行动态仿真, 120 移相方式比 180 移相方式的输出电压波形频谱中少了 3k ( k 为奇数 ) 倍的奇次谐波, 总谐波系数减小, 波形质量有了较大的提高。参考文献 1王兆安, 刘进军. 电力电

9、子技术 M . 北京: 机械工业出版社, 2008. 2陈坚. 电力电子学 M . 北京: 高等教育出版社, 2004. 3黄忠霖, 黄京. 电力电子技术的 M ATLA 实践 M . 北京:国防工业出版社, 2009. 4王忠礼, 等. M ATLA B应用技术 - 在电气工程与自动化专业中的应用 M . 北京: 清华大学出版社, 2007.The Research of Single - phase Voltage Source Full- BridgeI nverter Output Voltage Spectrum AnalysisGONG Ru i- chun, WANG Run-

10、w en( Facu lty o f info rm ation Science and Techno logy, Baotou Teachers Co llege; Bao tou 014030)Abstract: Th is artic le first introduced sing le phase vo ltage source inverter. The circuit carried on the the dynam ic m atlab sim ulation. Then it ana lyzed the outpu t voltage w ave, output currence w av