实验单相逆变器单极性和双极性SPWM调制技术的仿真

1、单相逆变器单极性和双极性spwM调制技术的仿真1. PWM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

2、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-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2. 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

3、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。ZVD叫2叫信号波；调制 载波上4 £路图3 单

4、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，其幅值只有土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V1和V4导通信号，给V2和V3关断信 号。女口 i°>0, V1 和 V4 通，女口 io<0，VD1 和 VD4 通，U° = Ud 。当 Ur < Uc 时, 给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如io<0, V2和V3通，如i°>0, VD2

5、和VD3通，U。二Ud。这样就得到图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。鱼_|+5r图4三相PWM逆变电路当Uru Uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，Uun、 Ud/2 ；当Uru时，给V4导通信号，给V1关断信号，Uun、 Ud/2。当给V1(V4)加导通信号 时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1 ( VD4 )导通。Uun、，、UVN、'和U、，的PWM 波形只有_Ud/2两种电平。Uuv波形可由Uun、，、UvN'，得出，当1和6通时，Uuv =ud，当 3 和 4 通时，Uuv= Ud，当 1 和 3 或 4

6、 和 6通时，Uuv=O。Uvw、 Uwu的波形可同理得出。3电路仿真及分析双极性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2 fr后再通过一个“sin模块即为sin t，乘以调制比m后可得到所需的正弦波调制 信号。三角载波信号由“Source?中的“Repeating Sequenc模块产生，参数设置为【0 1/fc/4 3/fc/4 1/fc】和【0 1 -1 0】，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，即可得出图6所示的双极性SPWM触发脉冲波形。SPWM 形L-ifIfS1ihb

7、00.0050 010.0150 02 025 0W 0 0350.04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。三相SPWM波形的产生：仿真图如下所示。CsiinZ Triflonorrw-Hc FundionPFoducrOlc>ScspeCopsts ntCloodlTSdtio-nslOheral&fData Car vartiDFiTGsinlContra nJLtg i sa IIOpvstorsinTrigo normslric Functicnl-2*p

8、i/3.2*pi-'3Constan 4ClockSTrigzn*rt1-etri 亡 Fu”nti=n2Csr=t=nt2R »p«alirigS-eqL«-n xRp£3iir>g託斗utn«'FrMudl2lianai3p4«to<14 MOTLtsiealOptra tot!LUI I.:l :l ZfL t?l E匚 mtm Ccn-.-sinrii>RelationalOptratwlL> NOTLbgiralOperatcr5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

9、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2 fr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“RepeatingSequenee模块产生,参数设置为【0 1/fc/4 2/fc/4 1/fc】和【-1 0 1 -1】，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

10、波形双极性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(Un iversal 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fc与调制信号频率fr之比，即N = fc/fr。调制度m 调制波幅值Ar与载波幅值Ac之比，即m= Ar/Ac。输出电压基波幅值Udim=mUd，其中，Ud为直流侧电源电压。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，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(i nv.time,i nv.sig nals(1).values);title(' 输出电压波形');subplot(2,1,2);plot(i nv.time,i nv.sig nals(2).values);title(