双极性模式PWM逆变电路

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电力电子系统计算机仿真题目：双极性模式PWM逆变电路

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摘要

PWM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控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，现在大量应用的逆变电路中绝大部分都是PWM型逆变电路。

本设计为双极性PWM方式下的单相全桥逆变电路，主要包括双极性SPWM控制信号的发生电路和带反并联二极管的IGBT作为开关器件的单相全桥电路。设计的重点在于运用MATLAB中的SIMULINK建立电路模型，对电路进行仿真，并对仿真结果进行分析，得出系统参数对输出的影响规律。

关键字：双极性PWM控制逆变电路 SIMULINK仿真

目录

一、主电路工作原理 (3)

1.1 PWM控制技术及SPWM波的生成 (3)

1.1.1 PWM控制的基本原理 (3)

1.1.2 SPWM法的基本原理 (4)

1.1.3规则采样法 (4)

1.2 单极性和双极性PWM控制逆变电路分析 (5)

1.2.1 单极性PWM控制方式 (6)

1.2.2 双极性PWM控制方式 (6)

二、MATLAB仿真及结论分析 (7)

2.1 建立仿真模型 (7)

2.1.1 双极性SPWM控制信号的仿真模型 (7)

2.1.2 双极性模式PWM逆变电路仿真模型 (10)

2.2 双极性模式PWM逆变电路仿真结果及分析 (13)

三、PSIM仿真及结论分析 (20)

3.1 建立仿真模型 (20)

3.2 仿真结果及分析 (21)

四、总结与体会 (26)

五、参考文献 (27)

一、主电路工作原理

1.1 PWM控制技术及SPWM波的生成

1.1.1 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控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，PWM控制技术在逆变电路中的应用也最具代表性。

面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础，即在采样控制中，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的同一环节上时，其效果基本相同。其中，冲量指的是窄脉冲的面积；效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。如图1.1.1(1)所示，三个窄脉冲形状不同，但是它们的面积都等于1，当它们分别加在如图1.1.1(2)(a)所示的R-L电路上时，并设其电流i(t)为电路的输出，则其输出响应波形基本相同且如图1.1.1(2)（b）所示。

（a） (b) (c) (d)

图1.1.1（1）冲量相等、形状不同的窄脉冲

（a） (b)

图1.1.1（2）形状不同而冲量相同的各种窄脉冲及响应波形

1.1.2 SPWM 法的基本原理

脉冲幅值相等而脉冲宽度按正弦规律变化而正弦波等效的PWM 波称为SPWM(sinusoidal PWM)波形。

如图1.1.2所示，把正弦半波分成N 等份，就可以把正弦半波看成是由N 个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，这些脉冲宽度都等于N / ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是按正弦规律变化的曲线。如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅值而不等宽的矩形脉冲来代替，使矩形脉冲的中点和相应的正弦波部分中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，则可得图所示的矩形脉冲序列，这就是SPWM 波形。

图1.1.2 用PWM 波来代替正弦半波

1.1.3 规则采样法

SPWM 的控制就是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关器件的通断时刻。规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般采用三角波作为载波，其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM 法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的，这种方法称为对称规则采样其原理如图1.1.3所示。

图1.1.3 规则采样法生成SPWM 波的原理图

假设三角波的幅值为1,正弦函数为r u =M t sin ω，M 为调制度且0

2/22/t sin M 12c T t =+ω

其中，Tc 为三角载波周期，t2为脉冲宽度。

所以矩形波开通时间为：2/)sin 1(2

c T t M t ω+= 将上式离散化后可得：2/)1)/2sin((2+=N I M t π

式中， c T 为在波周期，I 为第I 个SPWM 波，N 为采样的总个数

1.2 单极性和双极性PWM 控制逆变电路分析

电路如图1.2所示，该电路工作时，1V 和2V 通断互补，3V 和4V 也通断互补，如在o u 正半周，1V 导通，2V 关断，3V 和4V 交替通断，且负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在o u 的负半周，让2V 保持通态，1V 保持断态，3V 和4V 交替通断，负载电压o u 可以得到-d U 和零两种电平。

图1.2 单相桥式PWM 逆变电路

1.2.1 单极性PWM 控制方式

如图1.2.1所示，调制信号r u 为正弦波，载波c u 在r u 的正半周为正极性的三角波，在r u 的负半周为负极性的三角波。

a)在r u 的正半周时，1V 保持通态，2V 保持断态，当r u >c u 时，使4V 导、3V 关断，o u =d U 。当r u

b)在r u 的负半周时，1V 保持断态，2V 保持通态。当r u c u 时，使3V 关断、4V 导通，o u =0。

图1.2.1 单极性PWM 控制方式波形

1.2.2 双极性PWM 控制方式

如图1.2.2所示，在调制信号r u 和载波信号c u 的交点的时刻控制各个开关器件的通断。