单相正弦波逆变器不同载波比的影响仿真研究教学内容

单相正弦波逆变器不同载波比的影响仿真

研究

电气学科大类

2013 级

《电力电子研讨课》报告单向正弦波逆变器不同载波比的影响仿真研究

指导教师万山明

日期 2016.4.18

实验成绩

评阅人

单相正弦波逆变器不同载波比的影响仿真研究

一：设计要求

1：单相全桥电压源逆变器，采用单极倍频SPWM 控制方法

2：滤波参数L=2mH ，C=50μF

3：输入：400V 直流，输出：220V/50Hz 交流 (有效值)

4：控制方法采用开环控制，负载为纯电阻负载

当开关频率取20kHz(载波比为20k/50=400)，并假设负载功率分别为0.1kW 、20kW 时，求滤波后的输出电压波形。当开关频率分别取5kHz 、1kHz 、315Hz 时，仍按上述负载功率的变化求滤波后的输出电压波形。可否从理论上解释这些波形变化背后的原因？如果滤波后的输出电压波形谐波含量仍然较大，也即不够正弦，有什么方法解决？

二：主电路及相关原理

1：电压型单相全桥逆变电路结构与原理：

其中四个开关管，T1、T4一组，T2、T3一组，在两组驱动信号的驱动下，两组器件周期性交替通、断产生交变的Vab ，当驱动T1，T4的信号为正时，T1、T4驱动导通，T2、T3关断，此时输出u0=Udc ，当其为负时，T2、T3驱动导通，T1、T4关断，此时u0=-Udc ，从而实现逆变功能。输出电压傅里叶形式表达为：

4111sin sin 3sin 5sin 7357ab D v V t t t t ωωωωπ⎡⎤=++++⎢⎥⎣⎦L 2：单极性倍频正弦脉冲宽度调制原理：

图 1电压型单相全桥逆变器电路结构

单极式倍频SPWM 技术含有两个频率和幅值大小相同，相位相反的双极性三角载波，通过驱动信号形成电路（图3）将这两个载波与标准正弦信号进行比较，形成SPWM 驱动信号。

倍频式 SPWM 技术的 2 个三角载波与正弦波 相比较生成 2 路驱动信号 ,其中一路作为T1的驱 动信号 ,另一路作为T32的驱动信号。 由图4

可以看出，在图 2输出SPWM 电压波形

图 3驱动信号形成电路

图 4脉冲电压占空比及平均值

前后半个载波周期内哥得到了一个输出电压脉冲，产生了脉冲数倍增的效果。假设载波频率足够高，在一个载波周期内Vr 大小不变，其中第k 个脉冲的占空比为。 /2sin /2/4k k rm k r k c c cm cm

T T V v FC FB D T T EC EA V V α======其中αk 表示第k 个脉冲中心点所对应的基波角度。 半个载波周期内，输入电压的平均面积为：sin /2k rm ab D D k c cm

T V V V V T V α=⋅=⋅⋅ 当载波频率很高时，基波电压瞬时值可以认为是：1sin ab D r V M V t ω=⋅⋅，其中M 为调制比。

可以看出 ,单极倍频式 SPWM 的输出电压有以下特点:

① 消除了低次谐波，3,5,7….等次谐波没有了。

② 谐波幅值仍然可以与基波相比较甚至更大。

③ LOH 在两倍开关频率附近，比双极性SPWM 优越。

④ 最低次谐波频率提高一倍

3：相关参数计算

本实验需要研究不同载波比对单相正弦逆变器影响。 载波比定义为载波频率与调制波频率之比，即c c r r

f N f ωω=

= 开关频率取20kHz ，依据2U P R =， 2

U R P = 得 当负载功率P=20kw 时，R=2.42Ω，P=0.1Kw 时，R=484Ω

滤波器参数，L=L=2mH ，C=50μF

开关频率为5KHz 时，N=100,1kHz 时，N=20,315Hz 时，N=6.3

三、仿真电路设计

在matlab 上搭建的开环电路仿真拓扑图如下：

图 5 仿真电路拓扑图

左上角处输入三角波及正弦波，通过比较器后作用在逆变器电路作为驱动信号，两个示波器分别测量未滤波和滤波后的输入电压信号波形。

四：仿真结果

1：载波信号及调制波经过比较器电路后形成的驱动信号如图（只截了一个驱动信号）：

图 6驱动信号波形

由图中可见，驱动信号并不是标准方波，而是输出平均电压按正弦规律变化的SPWM波，符合冲量等效原理。

2：开关频率20kHz，P=20Kw，即R=2.42Ω时，得到的输出电压结果如下：

图 7滤波前的输出电压波形

由图中可见，滤波前的输出电压波形幅值V=400V，每个载波周期内输入电

压面积按正弦规律变化，符合预期，经过滤波器后，变成了标准正弦信号，幅值V=300V，符合预期。

2：开关频率20kHz，P=0.1Kw，即R=484Ω时，得到的输出电压结果如下：

图 8滤波后输出电压波形

图 9滤波前输出电压波形

图 10滤波后输出电压波形

3：开关频率5kHz，P=20Kw，即R=2.42Ω时，得到的输出电压结果如下：

图 11滤波后输出电压波形

4：开关频率5kHz，P=0.1Kw，即R=484Ω时，得到的输出电压结果如下：

图 12滤波后输出电压波形

5：开关频率1kHz，P=20Kw，即R=2.42Ω时，得到的输出电压结果如下：

图 13滤波后输出电压波形

6：开关频率1kHz，P=0.1Kw，即R=484Ω时，得到的输出电压结果如下：

图 14滤波后输出电压波形

7：开关频率315Hz，P=20Kw，即R=2.42Ω时，得到的输出电压结果如下：