根据PWM的逆变电路分析
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逆变器的仿真与特性研究
作者单位:苏州科技大学
作者姓名:孙健
摘要:现在大量应用的逆变电路中,绝大部分都是PWM型逆变电路。为了对PWM型逆变电路进行研究,首先建立了逆变器单极性控制所需的电路模型,采用IGBT作为开关器件,并对单相桥式电压型逆变电路和PWM控制电路的工作原理进行了分析,运用MATLAB中的SIMULINK对电路进行了仿真,给出了仿真波形,并运用MATLAB提供的powergui模块对仿真波形进行了FFT分析(谐波分析).
关键词:SPWM;PWM;逆变器;谐波;FFT分析
1 引言
随着地球非可再生资源的枯竭日益以及人们对电力的日益依赖,逆变器在人们日常生活中扮演着越来越重要的角色.近年来,PWM型逆变器的的应用十分广泛,它使电力电子装置的性能大大提高,并显示出其可以同时实现变频变压反抑制谐波的优越性,因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM 控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用,才确定了它在电力电子技术中的重要地位。
2PWM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,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量)相等,就可得到下图b 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 波形。SPWM 波形如下图所示:
图(一):单极性PWM 控制方式波形
上图波形称为单极性SPWM 波形,根据面积等效原理,正弦波还可等效为下图中的PWM 波,即双极性SPWM 波形,而且这种方式在实际应用中更为广泛。
O U d -U
图(二):双极性PWM 控制方式波形
3 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。下面具体分析单相桥式逆变电路的单极性控制方式。图(三)是采用IGBT 作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。
O
t
U d - U d
图(三):单相桥式PWM逆变电路
单极性PWM控制方式:在u r和u c的交点时刻控制IGBT的通断。ur正半周,V1保持通,V2保持断。当u r>u c时使V4通,V3断,u o=U d 。当u ru c时使V3断,V4通,u o=0 。这样就得到图一所示的单极性的SPWM波形。
4电路仿真及分析
4.1单极性SPWM触发脉冲波形的产生:仿真图如下所示。
图(四):单极性PWM逆变器触发脉冲发生电路
在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块,以提供仿真时间t,乘以2∏f后再通过一个“sin”模块即为sinwt,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”库中的“Repeating Sequence”模块产生,正确设置参数,三角波经过处理,便可成为频率为fc的三角载波。将调制波和载波通过一些运算与比较,即可得出下图所示的单极性SPWM触发脉冲波形。
图(五):单相桥式PWM逆变器V1触发脉冲波形(单极性SPWM波形)4.2 双极性SPWM触发脉冲波形的产生:仿真图如下所示。
图(六):双极性PWM逆变器触发脉冲发生电路
同上,在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块,以提供仿真时间t,乘以2∏f后再通过一个“sin”模块即为sinwt,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”库中的“Repeating Sequence”模块产生,正确设置参数,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,即可得出下图所示的双极性SPWM触发脉冲波形。
图(七):单相桥式PWM逆变器V1触发脉冲波形(双极性SPWM波形)
4.3单极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路仿真及分析
4.3.1单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路
主电路图如下所示:
图(八):单相桥式PWM逆变器主电路图
将调制深度m设置为0.5,输出基波频率设为50Hz,载波频率设为基波的
15倍,即750Hz,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-005s,运行后可得仿真结果,输出交流电压,交流电流和直流电流如下图所示:
图(九):单极性SPWM方式下的逆变电路输出波形
对上图中的输出电压uo进行FFT分析,得如下分析结果:
图(十):单极性控制方式下输出电压的FFT分析