PWM_逆变器的设计及仿真

《现代电力电子技术》课程报告

PWM 逆变器的设计与仿真

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学号：9

学科专业：控制科学与工程

年级：2013

学期：2013/2014学年第二学期

完成时间：2014年6月30日

PWM 逆变器的设计与仿真

王多睿

摘要：随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅速发展，PWM技术得到了迅速发展，SPWM正弦脉宽调制这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列有点，是一种比较好的波形改善法。它的出现对中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。因此，研究SPWM逆变器的基本工作原理和作用特性意义十分重大.

本篇论文以IGBT构成的逆变电路为基础，讨论PWM波的产生原理及不同的控制方法，并借助著名的科学计算软件MATLAB/Simulink，对PWM逆变电路进行仿真设计，并进行结果分析。

关键词：PWM SPWM 逆变MATLAB/Simulink

1.引言

20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以交换和控制，生产了现在各种高效节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输等提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生活发生了巨大的变化。但是在电力电子技术中有关电能的变换与控制过程，容大多涉及电力电子技术各种装置的分析与大量计算，电能变换的波形分析，测量与绘图等，随着晶闸管所处状态的不同，系统的参数形式也不同，因而传统的计算机语言编程仿真程序冗长，可读性差，调试费时，大量的时间花在矩阵处理和图形的生成分析等繁琐易错的细节上，而这些工作特别适合MATLAB的使用。MATLAB 运算功能强大，计算准确又快捷；同时MATLAB提供的动态仿真工具SIMULINK可直接建立电路仿真参数，并且可以立即得到参数修改后的仿真结果，直观性强，省去了编程步骤，实体图形化模型的仿真简单，方便，能节省设计时间与降低成本。MATLAB绘制的图形尤其准确，清晰，精美。电力电子技术领域通常利用MATLAB中的SIMULINK其中的电气系统模块库（Power System Blockser）建立电力电子装置的简化模型并进行控制器的设计和仿真。

现如今，逆变器的应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池，、干电池、天阳能电池都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变。另外，交流电机调速变频，感应加热电源等使用广泛的电力电子设备，都是以逆变电路为核心。本次设计利用MATLAB仿真软件PWM逆变电路进行仿真分析，并得出正确的仿真结果，而且改变了参数从而进行比较，更能清晰的了解PWM逆变器的工作原理及影响其工作特性的因素，从而达到学习的目的。

2.PWM的工作原理介绍

2.1理论基础

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。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

2-1-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

2.1.1面积等效原理

分别将如图2-1-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2-1-2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2-1-2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

上述原理可以称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。

下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。图2-1-3可以看到把半波分成N 等份，就可以把正弦半波看成N个彼此相连的脉冲序列组成的波形，然后把脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使它们面积相等，就可以得到脉冲序列。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

2-1-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

2-1-3 用PWM 波代替正弦半波

要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。

2.2 PWM 逆变电路及其控制方法

目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM 技术。逆变电路是PWM 控制技术最为重要

的应用场合。PWM 逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型。

2.2.1计算法

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。

缺点：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

3.2.2调制法

输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM 波；通常采用等腰三角波或锯齿波作

为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一平

缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合

PWM 的要求。

调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM 波；调制信号不是正弦波，而是其他所需

波形时，也能得到等效的PWM 波。

结合IGBT 单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：设负载为阻感负载，工作时V 1

和V 2通断互补，V 3和V 4通断也互补。控制规律：

0u 正半周，1V 通，2V 断，3V 和4V 交替通断，负载电流比电压滞后，在电压

u 正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，1V 和4V 导通时，0u 等于d U ，4V 关断时，负载电流通过1V 和3D V 续流，0u =0，负载

电流为负区间，0i 为负，实际上从1D V 和4D V 流过，仍有0u =d U ，4V 断，3V 通后，0i 从3V 和

1D V 续流，0u =0，0u 总可得到d U 和零两种电平。0u 负半周，让2V 保持通，1V 保持断，3V 和

4V 交替通断，0u 可得-d U 和零两种电平。