单相双极性SPWM逆变器的设计
单、三相双极性SPWM逆变电路
计算机仿真实验报告专业：电气工程及其自动化班级：11电牵4班姓名：江流在班编号：26指导老师：叶满园实验日期：2014年5月22日一、实验名称：单、三相双极性SPWM逆变电路MATLAB仿真二、目的及要求了解并掌握单、三相双极性SPWM逆变电路的工作原理； 2.进一步熟悉MATLAB中对Simulink的使用及模块封装、参数设置等技能； 3.进一步熟悉掌握用MA TLAB绘图的技巧。
三、实验原理1.单相双极性SPWM逆变的电路原理2、单相双极性SPWM逆变电路工作方式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V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。
如I0>0，V1和V4通，如I0<0，VD1和VD4通，U0=Ud 。
当Ur<Uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。
如I0<0，V2和V3通，如I0>0，VD2和VD3通，U0=-Ud 。
这样就得到如下所示的双极性的SPWM波双极性SPWM控制方式波形3.三相双极性SPWM逆变的电路原理图三相SPWM逆变电路4、三相双极性SPWM逆变电路工作方式为：四、实验步骤及电路图1、建立单相双极性SPWM逆变电路MA TLAB仿真模型。
以下分别是主电路和控制电路（触发电路）模型：2、单相双极性SPWM逆变电路参数设置本实验设置三角载波的周期为t，通过改变t的值改变输出SPWM矩形波的稠密，从而调节负载获取电压的质量。
设置正弦波周期为0.02s，幅值为1。
直流电源幅值为97V，三角载波幅值为1.2V，三角载波必须依次交替输出正三角波和负三角波，这可以通过让三角载波同与之周期相同的、依次交替输出1和-1的矩形波相乘实现。
一种易忽略的单、双极性SPWM波产生电路
一种易忽略的单、双极性SPWM波产生电路【摘要】随着SPWM逆变技术的发展和广泛应用，SPWM信号的获得也多种多样。
本文介绍一种简单、方便但易忽略的纯硬件单、双极性SPWM波产生电路。
仿真结果表明，该方法确实可行。
【关键词】SPWM波；纯硬件；单极性；电路0 引言随着正弦脉宽调制（Sinusoidal PWM 简称SPWM）技术的不断发展，SPWM 逆变技术也成了当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一并涉及民用、商用、军用及科研四大板块，相关产品几乎涵盖了所有的开关电源、斩波器及电流变换器等领域[1]。
人们也真实的感受到了相关系统性能的改善、能源转换效率的提高和电磁污染的减少或净化，也为应用的持续发展奠定了坚实的基础，并且不断与其他科学领域相互关联、相互交叉和相互渗透，继而使应用系统逐渐朝高性能、高效率、大功率、高频化和智能化的方向发展[2]。
SPWM逆变技术中的小功率SPWM信号是不可避免的，而SPWM信号的产生主要可分为纯硬件电路法和利用微处理器实现SPWM技术的数字化方法[3]，两种方法各有优缺点，而前者主要以简单方便著称。
本文仅介绍一种易忽略的纯硬件单、双极性SPWM波产生电路。
1 单、双极性SPWM波产生电路设计所谓SPWM脉宽调制技术，是一种以参考波（正弦波）为调制波（Modulating Wave），而以N倍于调制波频率的三角波（有时也用锯齿波）为载波（Carrier Wave）进行波形比较，在调制波大于载波（反之亦可）的部分产生一组幅值相等而宽度正比于调制波的矩形脉冲序列[4]。
1.1 双极性SPWM波产生电路采用双极性调制方式时，在调制波的半个周期内，三角载波为双极性的（即有正有负），且所得SPWM波也是有正有负即双极性[5]，如图1（a）、图1（b）所示。
在图1（a）中，正弦波的产生并未直接采用正弦振荡器，而是代之以迟滞比较器产生的方波经二阶有源滤波后得到近似的正弦波，目的是为了可适当调频调幅。
单双极性SPWM单相桥电压型逆变电路课程设计前言
前言电力电子应用技术综合了微电子、电路、电机学、自动控制等多科学知识，是电能变换与控制的核心技术，在工业、能源、交通、国防等各个领域发挥着越来越重要的作用。
然而，由于电力电子器件所固有的非线性特性，使得对电力电子电路及系统的分析十分困难。
现代计算机仿真技术通过在计算机平台上模拟实际的物理系统，为电力电子电路及系统的分析提供了有效的方法，大大简化了电力电子和传动系统的分析与设计过程，成为研究电力电子应用技术的重要手段。
计算机仿真需要用数学模型代替实际的电力电子装置，通过数值方法求解数学方程，获得电力电子电路及系统中各状态变量的运动规律。
但是，复杂的数学模型、数值计算及编程过程依然需要耗费巨大的工作量，阻碍了计算机仿真技术在工程中的应用。
为此，出现了PSPICE、SABER、MATLAB等适用于电力电子电路及系统的专用仿真软件。
这些软件将各种功能子程序模块化，提供了完善的部件模型，用户只需简单的操作便可完成给定系统的仿真。
目前，MATLAB已涉及通信、信号处理、电气工程、人人工智能等诸多领域。
MATLAB中提供的“SimPowerSystems”，是进行电力电子系统仿真的理想工具，SimPowerSystems中的模型关注器件的外特性，易于与控制系统相连接。
SimPowerSystems 模型库中包含常用的电源快、电力电子器件模块、电机模型以及相应的驱动模块、控制和测量模块，使用这些模块进行电力电子电路系统、电力系统、电力传动等的仿真，能够简化编程工作，以直观易用的图形方式对电气系统进行模拟描述。
直流-交流（DC-AC）变换电路，又称为逆变器(inverter)，能够将直流电能转换为交流电能。
逆变电路可做多种分类，按功率器件可分为半控器件逆变电路和全控器件逆变电路。
前者采用晶闸管器件，负载换流或者外接电路强制换流，正逐渐被采用GTO、IGBT等器件的全控器件逆变器所代替。
按直流电源形式可分为电压源逆变器和电流源逆变器。
单极性SPWM逆变电路电力电子课设
电力电子技术课程设计单极性SPWM单相桥式逆变电路的设计与仿真院、部：电气信息工程学院学生姓名：李旺指导教师：杨万里职称助教专业：自动化班级：1401班学号：1430740107完成时间：2017.6湖南工学院电力电子技术课程设计课题任务书学院:电气与信息工程学院专业：自动化摘要20世纪80年代以来，信息电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的电力电子器件，典型代表有门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管。
逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。
这里在研究单相桥式PWM逆变电路的理论基础上，采用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立单相桥式单极性控制方式下PWM逆变电路的仿真模型，通过动态仿真，研究了调制深度、载波度对输出波形的影响。
仿真结果表明建模的正确性，并证明了该模型具有快捷、灵活、方便、直观等一系列特点，从而为电力电子技术教学和研究中提供了一种较好的辅助工具。
关键词:PWM控制技术；逆变电路；单极性SPWM；SimulinkAbstractSince 1980s, the electronic information technology and power electronics technology combined to produce a generation of high frequency phase in their development, full controlled power electronic devices, a typical gate turn off thyristor, power transistor, power MOSFET and insulated gate bipolar transistor.The inverter circuit is one of the most important applications of PWM control technology. Here in the theoretical basis of the single-phase bridge inverter circuit of the PWM, the simulation model of PWM inverter using Matlab visual simulation tool Simulink to establish the single-phase bridge unipolar control mode, through dynamic simulation, studied the modulation depth, the carrier frequency of the output voltage. Influence of load current; and analyzes the harmonic characteristics of output voltage, load current. The simulation results show that the model is correct, and it is proved that the model is fast, flexible, convenient, intuitive and a series of characteristics, so as to power electronic technology teaching Study and research provides an effective tool.Key words:PWM control technology; inverter circuit; SPWM waveform; Simulink目录1绪言 (1)1.1电力电子技术的概况 (1)1.2课程学习情况简介 (1)1.3设计要求及总体方案设计 (2)2主电路设计 (3)2.1主电路原理图及原理分析 (3)2.2器件选择及参数计算 (4)3控制与驱动电路设计 (5)3.1控制电路设计 (5)3.2驱动电路设计 (6)4保护电路设计 (7)4.1过电流保护 (7)4.2过电压保护 (7)5仿真分析 (8)5.1仿真软件介绍 (8)5.2仿真模型的建立 (8)5.3仿真结果分析 (10)6设计总结 (13)参考文献 (14)致谢 (15)附录 (16)1绪言1.1电力电子技术的概括随着电力电子技术的高速发展，逆变电路的应用非常广泛，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当我们使用这些电源向交流负载供电时，就需要用到逆变电路了。
全桥逆变电路双极性SPWM调制电路
单相全桥逆变电路双极性SPWM调制电路1逆变主电路设计1.1逆变电路原理及相关概念逆变与整流（Rectif ier）是相对应的，把直流电变为交流电的过程称为逆变。
根据交流侧是否与交流电网相连可将逆变电路分为有源逆变和无源逆变，在不加说明时，逆变一般指无源逆变，本文针对的就是无源逆变的情况；根据直流侧是恒流源还是恒压源又将逆变电路分为电压型逆变电路和电流型逆变电路，电压型逆变电路输出电压的波形为方波而电流型逆变电路输出电流波形为方波，由于题目要求对输出电压进行调节，所以本文只讨论电压型逆变电路；根据输出电压电流的相数又将逆变电路分为单相逆变电路和三相逆变电路，由于题目要求输出单相交流电，所以本文只讨论单相全桥逆变电路。
1.2单相全桥逆变电路设计单相全桥逆变电路，如下图所示：其特点是有四个桥臂，相当于两个半桥电路的组合，其中桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180，其输出矩形波的幅值是半桥电路的两倍。
全桥电路在带阻感负载时还可以采用移相调压的方式输出脉冲宽度可调的矩形波。
图 1单相全桥逆变电路1.3建立单项全桥逆变电路的Simulink的仿真模型1.3.1模型假设1)所有开关器件都是理想开关器件，即通态压降为零，断态压降为无穷大，并认为各开关器件的换流过程在瞬间完成，不考虑死区时间。
2)所有的输入信号包括触发信号、电源电压稳定，不存在波动。
1.3.2利用MATLAB/Simuli nk进行单项全桥逆变电路仿真在Simul ink工作空间中添加如下元件：Simsca pe/SimPow erSystem s/PowerE lectr onics中的Dio de、IGBT模块Simsca pe/SimPow erSystem s/Electr icalS ource s/DCVoltag eSource模块Simsca pe/SimPow erSystem s/Elemen ts/Series RLCBranch模块Simsca pe/SimPow erSystem s /powerg ui模块Simuli nk/Sinks/Scope模块利用上述模块得到单相全桥逆变电路模型：图 2 单相全桥逆变电路的Simulink的仿真模型各个模块的参数设置如下：“DCVoltag eSource”模块幅值设为110V；“powerg ui”中“Simula tiont ype”选为“contin uous”，并且选中“Enable useof ideals witch ingdevice”复选框；“Solver”求解器算法设为ode45；仿真时间设为6S。
单双极性SPWM单相桥电压型逆变电路课程设计单极性
单双极性SPWM单相桥电压型逆变电路课程设计单极性单极性PWM控制方式调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。
在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态。
当ur>uc时使V4导通，V3关断，uo=Ud。
当ur<uc时使V4关断，V3导通，uo=0。
在ur的负半周，V1保持断态，V2保持通态。
当ur<uc时使V3导通，V4关断uo=-Ud。
当ur>uc时使V3关断，V4导通，uo=0。
主电路在每个开关周期内输出电压在正和零（或负和零）间跳变，正、负两种电平不会同时出现在一个开关周期内，故称为单极性SPWM。
七、单极性SPWM调制分析载波比和调制深度的定义与双极性SPWM相同。
它不适于半桥电路，而双极性SPWM在半桥、全桥电路中都可以使用。
与双极性SPWM相同，在m<=1和fc>>f的条件下，单极性SPWM逆变电路输出的基波电压u1的幅值U1m满足如下关系：U1m=mUd即输出电压的基波幅值随调制深度m线性变化，故其直流电压利用率与双极性时也相同。
就基波性能而言，单极性SPWM和双极性SPWM完全一致，但在线性调制情况下它的谐波性能优于双极性调制：开关次整数倍谐波消除，值得考虑的最低次谐波幅值较双极性调制时小得多，所需滤波器也较小。
八、建立单极性SPWM仿真模型单极性SPWM触发信号产生图：为[101]。
对脉冲电路进行封装：触发电路中三角载波（Triangle）参数设置：“TimeValue”为[01/fc/21/fc]，“OutputValue”单极性SPWM主电路：触发电路参数设置：Ud=300v，R=1欧，L=2mH九、进行单极性SPWM仿真1、仿真时间设为0.06键入MATLAB语言命令：>>ubplot(4,1,1)>>ubplot(4,1,2)仿真结果如下：单极性SPWM单相逆变器m=0.8，N=15时的仿真波形图仿真结果分析：输出电压为单极性SPWM型电压，脉冲宽度符合正弦变化规律。
实验单相逆变器单极性和双极性SPWM调制技术的仿真
单相逆变器单极性和双极性SPWM调制技术的仿真
1.
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。
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 时，给V4导通信号，给V1关断信号， 。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。 、 和 的PWM波形只有 两种电平。 波形可由 、 得出，当1和6通时， = ，当3和4通时， = ，当1和3或4和6通时， =0。 、 的波形可同理得出。
调制度m――调制波幅值 与载波幅值 之比，即m＝ / 。
输出电压基波幅值 = ，其中， 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）
单双极性SPWM单相逆变器
O U d 图 6 5
t
在ur与uc的交点处控制IGBT的通断。在ur的正半周，V1保持通 态，V2保持断态，当ur＞UC时，使V4导通，v3关断，u0=ud； 当ur＜uc，V4关断，V3导通，u0=0；
双极性PWM控制方式
Ur的半个周期内，三角载波在正负极之间连续变化，所得PWM波 也是在正负之间变化，称为双极性PWM控制方式。
单极性PWM控制方式
Ur为正弦调制信号波，Uc为三角载波。Ur的半个周期内三角载波 只在正极性和负极性一种极性范围内变化，所得PWM波也只处于 一个极性的范围内，称为单极性PWM控制方式。
V 1 U d + V 2 u 信 号 波 r u c 载 波
V D 1 R V D 2 u o
V 3 L V 4
图 用PWM波代替正弦半波
PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种， 由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。 输出波形作调制信号，接受调制的信号为载波进 行调制得到期望的PWM波； 载波比——载波信号频率fc与调制信号频率fr之比，P= fc / fr 调制信号——正弦调制信号与三角载波信号的幅值之比 ，m=ur/uc 当载波频率fc远高于输出电压u0基频f且调制深度m≤1 时,可知输出基波电压u0f 的幅值 u1m=mud
f (t) f (t) f (t) f (t)
(t)
形状不同而冲 量相同的各种 窄脉冲
t d )
O
a )
t O
b )
t O 图 6 1
c )
t O
PWM控制的基本原理
用PWM波代替正弦半波 将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽 度为/N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规 律变化的脉冲序列组成的。 把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不 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，这就是 PWM波形。 对于正弦波的负半周，也可以用同样的方 法得到PWM波形。 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SPWM波形。
PSIM仿真设计单相桥式SPWM逆变器
PSIM仿真设计单相桥式SPWM逆变器PSIM仿真设计单相桥式PWM逆变器⼀、实验⽬的1.加深对SPWM基本原理的理解2.熟悉双极性脉冲宽度调制和单极倍频正弦脉宽调制的原理。
3.掌握PSIM仿真软件基本操作并搭建单相SPWM仿真验证双极性脉冲宽度调制和单极倍频正弦脉宽调制；实验验证单级倍频正弦脉宽调制的特点。
⼆、实验设备表4-1 实验所需设备表三、实验原理(⼀)、单相桥式电路（H桥）拓扑及其⼯作原理电压型全桥逆变电路共有四个开关管：T1、T2、T3、T4和四个续流⼆极管⼆极管D1、D2、D3、D4，如图4.1所⽰。
当T1、T4导通时，V ab=V D；当T2、T3导通时，V ab=-V D；当T1、T3导通时V ab=0；当T2、T4导通时，V ab=0（其中T1、T2不能同时导通；T3、T4不能同时导通）。
因此控制四个开关管的通断可以控制输出电压在V D、-V D、0之间变化。
(⼆)、SPWM 的原理采样控制理论有⼀个重要的原理——冲量等效原理：⼤⼩、波形不相同的窄脉冲变量，例如电压V(t)，作⽤于惯性系统（例如RLC电路）时，只要它们的冲量，即变量对时间的积分相等，其作⽤效果相同。
V DV o 图3-1 单相桥式逆变电路的拓扑结构图3-2 ⽤SPWM电压等效正弦电压如果将图3-2所⽰的标准正弦波等分成很多份，那么⼀个连续的正弦波也可以看作是⼀系列幅值为正弦波⽚段的窄脉冲组成。
如果每个⽚段的⾯积分别与①、②、③…所⽰⼀系列等宽不等⾼的矩形窄脉冲的⾯积相等，那么从冲量等效的观点看，由①、②、③…这些等宽不等⾼矩形脉冲波构成的阶梯波和标准正弦波是等效的。
进⼀步，如果让图3-1所⽰逆变器产⽣如图3-2所⽰⼀系列幅值为±U d 的等⾼不等宽矩形电压窄脉冲，每个电压脉冲的⾯积（冲量）分别与①、②、③…⾯积相等，于是图3-2中的登⾼不等宽的脉冲电压和正弦电压也是冲量等效的。
作⽤于R、L、C惯性系统后基本是正弦波。
PSIM仿真设计单相桥式SPWM逆变器
PSIM仿真设计单相桥式PWM逆变器一、实验目的1.加深对SPWM基本原理的理解2.熟悉双极性脉冲宽度调制和单极倍频正弦脉宽调制的原理。
3.掌握PSIM仿真软件基本操作并搭建单相SPWM仿真验证双极性脉冲宽度调制和单极倍频正弦脉宽调制；实验验证单级倍频正弦脉宽调制的特点。
二、实验设备表4-1 实验所需设备表三、实验原理(一)、单相桥式电路（H桥）拓扑及其工作原理电压型全桥逆变电路共有四个开关管：T1、T2、T3、T4和四个续流二极管二极管D1、D2、D3、D4，如图4.1所示。
当T1、T4导通时，V ab=V D；当T2、T3导通时，V ab=-V D；当T1、T3导通时V ab=0；当T2、T4导通时，V ab=0（其中T1、T2不能同时导通；T3、T4不能同时导通）。
因此控制四个开关管的通断可以控制输出电压在V D、-V D、0之间变化。
(二)、SPWM 的原理采样控制理论有一个重要的原理——冲量等效原理：大小、波形不相同的窄脉冲变量，例如电压V(t)，作用于惯性系统（例如RLC电路）时，只要它们的冲量，即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。
V DV o 图3-1 单相桥式逆变电路的拓扑结构图3-2 用SPWM电压等效正弦电压如果将图3-2所示的标准正弦波等分成很多份，那么一个连续的正弦波也可以看作是一系列幅值为正弦波片段的窄脉冲组成。
如果每个片段的面积分别与①、②、③…所示一系列等宽不等高的矩形窄脉冲的面积相等，那么从冲量等效的观点看，由①、②、③…这些等宽不等高矩形脉冲波构成的阶梯波和标准正弦波是等效的。
进一步，如果让图3-1所示逆变器产生如图3-2所示一系列幅值为±U d 的等高不等宽矩形电压窄脉冲，每个电压脉冲的面积（冲量）分别与①、②、③…面积相等，于是图3-2中的登高不等宽的脉冲电压和正弦电压也是冲量等效的。
作用于R、L、C惯性系统后基本是正弦波。
※(三)、双极性正弦脉冲宽度调制（重点）图3-3 双极性正弦脉宽调制输出波形基于载波的SPWM如图3-3所示，图中的高频三角波v c成为载波，正弦波v r称为调制波或参考调制波。
单相单,双极性SPWM仿真课设
通过对单极性与双极性SPWM结果的比较可以看出单极性的输出电流的波动幅值更小，谐波频率高，畸变率THD小，更接近正弦波。
对各输出电压uo的频谱分析可看出PWM波不含有低次谐波，只含有高次谐波，其中800~1000HZ的谐波含量较多。
图3-8a为f=50，N=18，Ma=0.9时的波形结果图（uo为输出电压io为输出电流）
图3-8a
图3-8b为f=50，N=18，Ma=0.9时输出电压uo的频谱图
图3-8b
图3-8c为f=50，N=18，Ma=0.9时输出电流io的频谱图
图3-8c
图3-9a为f=50，N=24，Ma=0.9时的波形结果图（uo为输出电压io为输出电流）
当ur>uc时，给VT1和VT4导通信号，给VT2和VT3关断信号，如io>0，VT1和VT4通，如io<0，VD1和VD4通，uo=Ud
当ur<uc时，给VT2和VT3导通信号，给VT1和VT4关断信号，如io<0，VT2和VT3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud PWM波等效为正弦波
2.
2
如图2-1是单相PWM逆变电路VT1~VT4是四个IGBT管，VD1~ VD4是四个二极管，调制电路作为控制电路控制IGBT导通与关断来得到所需要的波形
图2-1单相SPWM逆变电路
2
2.2.1
SPWM逆变电路主要有两种控制方法：计算法和调制法。计算法是将PWM脉冲宽度的波形计算出来，显然这种方法是很繁琐的，不采用。调制法是用一个三角波作为载波，将一正弦波作为调制信号进行调制。我们采用调制法。因为等腰三角波上下宽度与高度呈线性关系且左右对称，当它与一个平缓变化的正弦调制信号波相交时，在交点时刻就可以得到宽度正比于正弦信号波幅度的脉冲
双极性单相SPWM逆变器滤波电感电流值的近似计算方法
An Approx i m ate Calculation Approach of the Current of the F ilter Conductor for a B ipolar Single Phase SPWM Inverter
ZHANG Yi cheng, CAO Chang song, Z H U X ue jun, YAO Yong tao, S HEN Yu zhuo ( Departm ent o f E lectrica l Eng in eerin g , T ongji Un iv ersity, Shanghai 200331 , Chin a)
/
2 c
< 1 , 因而
2 1
(1-
/
2 c
) + j 1L /R
1
电感中的基频电流可近似为
IL1 IL 1m U1m
2
( 1 /R + j 1C ) U1m
2 1
0
2 2 1
( 6) C
2
基频电流幅值为 1 /R + C = m f UD
2
1 /R +
( 7) 基频电流有效值为 IL 1 = IL1m 2 m f UD 1 /R + 2
要参数。分析了双极性单相 SP WM 逆变器的输出电压特性 及 LC 滤波电 路的特性 , 提出 了一种近似计算滤波电感电流有效值和电流峰值的方法。与仿真结果相比较 , 本近似计 算方法具有较高的计算精度 , 为正确选择滤波电感提供了依据。 关键词 : 逆变器 ; LC 滤波器 ; 电感 ; 电流有效 值 ; 电流峰值 中图分类号 : TM 464 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 5531( 2006) 11 0009 05
实验单相逆变器单极性和双极性SPWM调制技术的仿真
图4三相PWM逆变电路
当 时，给V1导通信号，给V4关断信号， ；当 时，给V4导通信号，给V1关断信号， 。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。 、 和 的PWM波形只有 两种电平。 波形可由 、 得出，当1和6通时， = ，当3和4通时， = ，当1和3或4和6通时， =0。 、 的波形可同理得出。
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 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± 两种电平。同样在调制信号 和载波信号 的交点时刻控制器件的通断。 正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当 > 时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如 >0，V1和V4通，如 <0，VD1和VD4通， = 。当 < 时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如 <0，V2和V3通，如 >0，VD2和VD3通， =- 。这样就得到图2所示的双极性的SPWM波形。
图8三相调制波与三角载波波形
3.3
双
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 = / 。
调制度m――调制波幅值 与载波幅值 之比，即m＝ / 。
输出电压基波幅值 = ，其中， 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）
双极性单相spwm
4.
5.
输出频率10－－100Hz步进可调，步距1Hz；
最大输出电流2Aac，有硬件过载保护；
6.
7. 8.
总谐波失真度＜5%（或无明显失真）；
效率优于70%（？）。 提高输入电压，努力至220Vac（？）。
参考文献
林渭勋编著，《现代电力电子技术》，机械
工业出版社，2006年1月，170-200
SW 1
硬 故 障 关 断 /高 有 效
HShu t SSh ut
保护电路
软 故 障 关 断 /高 有 效
上 电 及 手 动 关 断
R1 5 1 0K
C1 31 0u /50 V
五、输出滤波
SPWM 调制下输出滤波电感的值一般是由电感电流的最大纹波所决定， 一般可取该值为满功率输出时正弦电流峰值的 15％。 在单极性 SPWM 调制下，电感电流纹波可表达式为
HShu t SSh ut
保护电路
软 故 障 关 断 /高 有 效
上 电 及 手 动 关 断
R1 5 1 0K
C1 31 0u /50 V
+15 R9 3 00 2 3
D1
4 00 7
C4 1 04 R1 0 3 00 2 CG2 3
+15
D2
4 00 7
C61 04
C3 1 0/5 0V 8 7 5 IC1 T L P52 0 R1 1 00 R2 1 0K A G1 +5
u0 t
+Ud
i0
G1G3
t
G2
L
OUT 1 C
G2G4
t
u0
RL
单相双极性SPWM逆变器的设计共23页
34、春秋满四泽，夏云多奇峰，秋月 扬明辉 ，冬岭 秀孤松 。 35、丈夫志四海，我愿不知老。
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
23
单相双极性SPWM逆变器的设计讲解
数据分析
单片机输出SPWM波形20HZ时测试结果如下图所示。 算法计算频率为20HZ,实际实验结果频率为20.8572HZ,计算 值与实际值偏差不大。
数据分析
单片机输出SPWM波形97HZ时测试结果如下图所示。 算法计算频率为97HZ,实际实验结果频率为96.7070HZ,计算 值与实际值偏差不大。
论文的结构和主要内容
第一部分
单相逆变器SPWM调制电路的基本结构图 PWM调制技术及双极性调制
第二部分
硬件设计 单片机的最小系统设计 驱动电路设计 显示电路设计
论文的结构和主要内容
第三部分
双极性调制算法 算法子程序设计 显示子程序设计 主程序设计
单相双极式SPWM逆变电路
载波双极性对称三角波
uc
ur
uc，频率fc
0
调制波 正弦波ur,频率f
调制比 m U rm U Cm
u0
1
u 01
Ud
频率比
0
N fc f
f c f i
0
脉宽随时间按正弦规律
变化
A T13 D24 T24 D13
i
B
C
D
t
C C
论文结论
该调制器的设计全面阐述了逆变器的基本结构、驱动原理以及软硬 件的设计。本文所设计的基于STC12C5A60S2单片机的调制器具有硬件 结构简单、保护功能完善等特点。主要实现了如下功能： (1)采用STC12C5A60S2作为控制核心，加强智能控制； (2)安全控制系统，实现了系统的过流保护； (3)设计了驱动电路、控制电路的设计，提高系统的可靠性： (4)系统软件采用模块化设计，为二次开发提供了非常便利的条件。 但也由于时间与能力有限，本文所设计的控制系统还有待于进一步 的改进，比如，利用软件检测频率值，添加电压调节功能，还可采用专 用控制芯片和单片机相结合的方式实现控制，使系统具有更好的灵活性 和稳定性。
单相太阳能并网逆变器SPWM发生器设计
单相太阳能并网逆变器SPWM发生器设计1 实验目的(1) 学会使用高级控制定时器；(2) 理解SPWM波形的产生原理。
2 实验任务(1) 对信号发生器的正弦信号进行频率和相位跟踪，调整SPWM波的频率、相位与其一致，模拟实现逆变并网；(2) 编写函数实现载波频率，正弦频率调节等功能的SPWM波输出控制指令。
3 实验说明(1)TIM1和TIM8简介高级控制定时器(TIM1和TIM8)由一个16位的自动装载计数器组成，它由一个可编程的预分频器驱动。
它适合多种用途，包含测量输入信号的脉冲宽度(输入捕获)，或者产生输出波形(输出比较、PWM、嵌入死区时间的互补PWM等)。
使用定时器预分频器和RCC时钟控制预分频器，可以实现脉冲宽度和波形周期从几个微秒到几个毫秒的调节。
高级控制定时器(TIM1和TIM8)和通用定时器(TIMx)是完全独立的，它们不共享任何资源，可以同步操作。
(2)TIM1和TIM8主要特性16位向上、向下、向上/下自动装载计数器●16位可编程(可以实时修改)预分频器，计数器时钟频率的分频系数为1～65535之间的任意数值● 多达4个独立通道：─ 输入捕获─ 输出比较─ PWM生成(边缘或中间对齐模式)─ 单脉冲模式输出● 死区时间可编程的互补输出● 使用外部信号控制定时器和定时器互联的同步电路● 允许在指定数目的计数器周期之后更新定时器寄存器的重复计数器● 刹车输入信号可以将定时器输出信号置于复位状态或者一个已知状态● 如下事件发生时产生中断/DMA：─ 更新：计数器向上溢出/向下溢出，计数器初始化(通过软件或者内部/外部触发)─ 触发事件(计数器启动、停止、初始化或者由内部/外部触发计数)─ 输入捕获─ 输出比较─ 刹车信号输入● 支持针对定位的增量(正交)编码器和霍尔传感器电路● 触发输入作为外部时钟或者按周期的电流管理(3)SPWM波形的产生原理SPWM全称正弦脉冲宽度调制技术，是用一系列等幅不等宽的脉冲等效正弦波。
双极性单相spwm
保护电路
软 故 障 关 断 /高 有 效
上 电 及 手 动 关 断
R1 5 1 0K
C1 31 0u /50 V
+15 R9 3 00 2 3
D1
4 00 7
C4 1 04 R1 0 3 00 2 CG2 3
+15
D2
4 00 7
C61 04
C3 1 0/5 0V 8 7 5 IC1 T L P52 0 R1 1 00 R2 1 0K A G1 +5
u 01 (nTc ) 1 Tc
( n 1)Tc nTc
u 0 (t )dt
1 U d D(n)Tc U d Tc D(n)Tc 2D(n) 1U d Tc
三、输出电压分析
5． 双极性 SPWM 脉冲的占空比
D ( n)
( n)
Tc
u g (nTc ) U cm 2U cm
图4：双极性SPWM逆变控制策略
二、全桥式逆变 器的控制策略
3. 双极性SPWM逆变： 输出正弦波(谐波 少)、电压可调； B和C工况：G2G4有 效时，电流右方向， VT24不导通，从 VD24续流；
+Ud
i0
t
G1G3
t
G2G4
t
基波 u 01
u0 t
基波 i 0 1
i0 t
DC-T O-AC G1 T1 T2 IRF84 0 IRF84 0 A
G2
L
OUT 1 C
VT 1 3 VD2 4 VT 2 4 VD1 3
RL
u0
A工况
B 工况
C 工况
D工况
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u O
ur<uc时，V2和V3正驱动，V1和V4关断。
uo 如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通， U d uo=-Ud 。 O
一周期内输出平均电压为(2a-1)Ud。 a=0.5时输出电压平均值为0。 -U d
图7-6
单、双极式控制方式的比较
u uc ur u wt O uo uo Ud wt O
1，4驱动，2，3 单相双极式SPWM 逆变电路 关断，U >0
0
输出电压基波 阻感性负载电流基波 滞后
t
载波双极性对称三角波 电感释放能量，电流 uc，频率幅值下降 fc 调制波 正弦波ur,频率f
0
uc
ur
电流负，二极管续 调制比 流，1，4管虽有驱 U rm 动但被反压嵌位不 m 频率比 导通 U
STC12C5A60S2单片机最小系统如图6所示：
STC12C5A60S2单片机最小系统
主程序设计
STC12C5A60S2 单片机的端口、 SPWM 输出的占空比、 ADC、1602液晶显示屏都经过初始化后，继电器会延时一
秒合上，经过数字平均滤波，会检测电流值，当电流值大
于 2A 时，将会关闭所有 MOS 管，保护调制器不被烧坏。 当流值在正常值时，会根据 ADC3的值输出与之成正比的
实现多功能的电机控制。
STC12C5A60S2 单片机有 60K 的 Flash 程序存储字节， 36 个 I/O口，具有两路PWM输出、8路10位ADC模数转换、每个I/O
能设置成弱上拉、强上拉、高阻、开漏模式，I/O在弱上拉
时输出电流为0.15~0.25mA。该单片机内置上电复位电路， 性价比高，抗静电，抗干扰，低功耗，低成本。
uc
载波双极性对称三角波 uc，频率fc 调制波 正弦波ur,频率f 调制比 频率比
ur
t
0
U rm m U Cm
u0
0
1
u 01
Ud
C C t
fc N f
f c f
i0 i
0 Id t
脉宽随时间按正弦规律 变化
i
A T13 D24 T24 D13 B C D
数据分析 总结
SPWM逆变电路及其原理分析
工作时上下管通断互补。
根据对IGBT在一个开关周 期调制控制的方法不同，输 出电压具有不同的电平形式。
调制控制信号的产生一般 常采用指令电压与三角波比 较获得。 指令信号电压 Ur 称为调制信号电压 （波），它的频率决定了输出电压、 电流的基波频率。 三角波信号电压 Uc 称为载波电压， 它的频率决定了功率管的调制开关 频率。
数据分析
单片机输出SPWM波形50HZ时测试结果如下图所示。
算法计算频率为50HZ,实际实验结果频率为50.1337HZ,计算
值与实际值偏差不大。
数据分析
单片机输出 SPWM 波形 20HZ 时测试结果如下图所示。
算法计算频率为20HZ,实际实验结果频率为20.8572HZ,计算
值与实际值偏差不大。
fc N 二极管 1，4续流直到 i f 负电流降为0。V1，4
i
B C
电源输出正电流， Id t 向逆变器输送能 量
D
电源端输出电流为 负，吸收回馈能量
单片机最小系统设计
本设计采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，容易实 现系统扩展，能有效输出两路PWM波形，通过软硬件设计，
ur半周期内，三角波正负对称，输出PWM波有正 有负，其幅值有±Ud两种极性的电平。
ur正负半周，各器件的控制规律相同。
ur uc wt uof uo wt
双极性PWM控制方式波形
ur >uc时，V1和V4正驱动，V2和V3关断。
如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通， uo=Ud 。
-U d
ur uc wt uof uo wt
O
uo Ud O
-U d
uof
图7-5
单极性PWM控制方式波形
图7-5
双极性PWM控制方式波形
对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也 可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们 的输出波形也有较大的差别。
单相双极式SPWM逆变电路
论文的结构和主要内容
第一部分
单相逆变器SPWM调制电路的基本结构图 PWM调制技术及双极性调制
第二部分
硬件设计 单片机的最小系统设计 驱动电路设计 显示电路设计
论文的结构和主要内容
第三部分
双极性调制算法 算法子程序设计 显示子程序设计 主程序设计
第四部分
u
uc
ur
单相桥式PWM逆变电路
O
wt
uo u of
uo Ud O
wt
-U d
7-6
单极性SPWM控制方式（单相桥逆变）
ur正半周，V1保持通，V2保持断。 在ur和uc的交点时刻控制V3/V4的通断。 负载电流为负的区间， V1、V4门 极正，但io为负，io从VD1和VD4流过， V1V4承受反压，无电流；uo=Ud 。
(4)系统软件采用模块化设计，为二次开发提供了非常便利的条件。
但也由于时间与能力有限，本文所设计的控制系统还有待于进一步 的改进，比如，利用软件检测频率值，添加电压调节功能，还可采用专 用控制芯片和单片机相结合的方式实现控制，使系统具有更好的灵活性 和稳定性。
感谢语
感谢我的导师。。。。。。。。
u
V4关断V3开通后，io从V3和VD1续 流，uo=0。 uo总可得到Ud和零两种 电平。 uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3 和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。 表示uo的基波分量
uc ur wt uo
O uo Ud O
-U d
uof wt
双极性PWM控制方式（单相桥逆变）
系统具有过流保护功能，可以在输出大于 2A 电流的情况下
切断交流输出，大大增加了系统的安全性和稳定性。
论文结论
该调制器的设计全面阐述了逆变器的基本结构、驱动原理以及软硬 件的设计。本文所设计的基于STC12C5A60S2单片机的调制器具有硬件 结构简单、保护功能完善等特点。主要实现了如下功能： (1)采用STC12C5A60S2作为控制核心，加强智能控制； (2)安全控制系统，实现了系统的过流保护； (3)设计了驱动电路、控制电路的设计，提高系统的可靠性：
u0
0
1
u 01
2，3驱动，1，4关断， C C Ud U0<0,2,3导通，电流负向 上升，电感吸收能量
t 2，3驱动， 1， 4 关断，U0>0 i0
Cm
负嵌位解除，转入导 f c f 通，电流变正上升。 A 脉宽随时间按正弦规律 T13 变化 D24
0 T24 D13
术虽有相关应用，却也未大范围推广。
系统的背景及意义
本文提出的 PWM 型逆变器用梯形波代替正弦波调制信号 , 是一种 新型脉宽调制技术, 梯形波作为调制信号，三角波为载波，以两波的 交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制。
正弦PWM逆变主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的，忽视了直 流电压的利用率，其直流电压利用率在最理想的条件下仅为 86.6% ，
SPWM波形。主程序流程图如下图所示：
主程序主程序流程图设计
开始 单片机端口、PWM、 ADC、1602初始化
继电器延时1秒
查询通道0、3的ADC值
1602显示错误信息
数字滤波
ADC0>12( 电 流大于2A)
NO
YES
关断所有MOS管
根 据 ADC3 的 数 字 输 出 与 之成正比的SPWM
1602显示当前频率
实际应用中更低。梯形波作调制信号与用正弦波作调制信号相比较，
它能使逆变器输出的 PWM 波形中基波分量幅值高，可以有效地提高直 流电压利用率。在电机传动领域中我国电机每年要消耗 62% 的电能。 而利用梯形脉宽调制技术不仅能给电机提供良好的调速性能，还能大 大节约能源，在我国有着广阔的市场前景，对于目前国家提出的节能 减排具有积极意义。
数据分析
单片机输出 SPWM 波形 97HZ 时测试结果如下图所示。
算法计算频率为97HZ,实际实验结果频率为96.7070HZ,计算
值与实际值偏差不大。
系统仿真结论
多方测试结果可以看出，该调制器能输出20~100HZ的正
弦波电流。并且实际值与理论值偏差非常小，说明单相双极
性SPWM调制器的性能指标达到了预期的要求。另外本调制 器外接LCD显示及按键，可手动调节频率，并显示。同时该
单相双极性SPWM 调制器的设计
指导教师：彭华
学院：信息科学与工程学院 学生：彭华 学号：0909082415
LOGO
系统的背景及意义
近年来，随着能源危机的日趋严重，电气工程师一直致力改善供
电质量，欧美约有70%的电能经电力电子装置处理后使用，节约能源
20%。到2000年处理后使用的能源已达到90%。目前，世界上的几个
主要的大电气公司所生产的逆变器.基本上都是采用PWM调制技术， 而在大功率方面，考虑到开关损耗的原因，基本上采用阶梯波叠加的 调制技术。
80 年代后期，电力电子技术在国内开始使用，随着改革开放的步 伐加速，技术也越来越成熟，尽管如此，我国经电力电子技术处理后
使用的电能不足 30%，普及率远低于国外，而其中的梯形波 PWM 技