基于PWM的逆变电路分析

逆变器的仿真与特性研究摘要：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。2 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：U dOt-U d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。U dOt- U d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。图（三）：单相桥式 PWM逆变电路单极性 PWM控制方式：在 ur 和 uc 的交点时刻控制 IGBT的通断。 ur 正半周， V1 保持通， V2 保持断。当 ur uc 时使 V4通， V3 断， uo=Ud 。当 ur uc 时使 V4 断， V3 通， uo=0 。ur 负半周， V2 保持通， V1 保持断。当 ur uc 时使 V3断， V4 通， uo=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 2f 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分析由 FFT分析可知：在 m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz ，即 N=15时，输出电压的基波电压的幅值为 U1m=150.9V，基本满足理论上的 U1m=m*Ud(即 300*0.5=150) 。谐波分布中最高的为 29 次和 31 次谐波，分别为基波的 71.75%和 72.36%，考虑最高频率为 4500Hz时的 THD达到 106.50%。对输出电流 io 进行 FFT 分析，得如下分析结果：图（十一）：单极性控制方式下输出电流的FFT分析由 FFT分析可知：在 m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz ，即 N=15时，输出电流基波幅值为 128.2A，考虑最高频率为 4500Hz时的 THD=13.77%，输出电流近似为正弦波。改变调制比 m和载波比 N，如增大 m和 N，可以有效减小输出电压和输出电流的谐波分量。双极性 SPWM方式下的单相桥式逆变电路双极性 SPWM控制方式下的单相桥式逆变电路主电路与图（八）相同，只需把单极性 SPWM发生模块改为双极性 SPWM发生模块即可。参数设置使之同单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路相同，即将调制深度 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（750Hz），仿真时间设为 0.06s ，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，交流电流和直流侧电流如下图所示：图（十二）：双极性 SPWM方式下的逆变电路输出波形同样，对上图中的输出电压 uo 进行 FFT分析，得如下分析结果图（十三）：双极性控制方式下输出电压的FFT分析由 FFT分析可知：在 m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz ，即 N=15时，输出电压的基波电压的幅值为 U1m=152V，基本满足理论上的 U1m=m*Ud(即 300*0.5=150) 。谐波分布中最高的为第 15 次和 29、 31 次谐波，分别为基波的 212.89%和 71.65%、71.95%，考虑最高频率为 4500Hz时的 THD达到 260.21%。对输出电流 io 进行 FFT 分析，得如下分析结果：图（十四）：双极性控制方式下输出电流的FFT分析由 FFT分析可知：在 m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz ，即 N=15时，输出电流基波幅值为 130.3A，考虑最高频率为 4500Hz时的 THD=34.15%，输出电流近似为正弦波。改变调制比 m和载波比 N，如增大 m和 N，同样可以有效减小输出电压和输出电流的谐波分量。单极性和双极性SPWM控制方式下的单相桥式逆变电路比较分析单极性 SPWM控制方式输出波形和双极性 SPWM控制方式输出波形的比较：在调制比 m（0.5 ）、载波频率 fc （750Hz）、调制波频率 fr （50Hz）等均相同的情况下，单极性 SPWM控制方式输出电压 THD=106.5%，明显低于双极性 SPWM控制方式输出电压的 THD值（ 260.21%），且单极性方式下输出电压谐波次数较高，更容易滤除；单极性 SPWM控制方式输出电流 THD=13.77%，而双极性 SPWM控制方式输出电压的 THD=34.15%，即单极性方式下输出电流谐波含量明显更小，更接近于正弦波。综上所述：单极性调制时的谐波性能要优于双极性调制方式。5 结论对于 PWM控制方式的单相桥式逆变电路，即可以选用单极性 SPWM控制方式，也可以选用双极性 SPWM控制方式。单极性 SPWM信号发生电路比双极性的复杂一些，但与双极性 SPWM控制方式相比， 单极性 SPWM在线性调制情况下的谐波性能明显优于双极性调制。通过适当的参数设置，运用 PWM控制技术可以很好的实现逆变电路的运行要求。参考文献 1林飞，杜欣，电力电子应用技术的 MATLAB仿真，中国电力出版社， 2009.1 2王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.5 3李维波， MATLAB在电气工程中的应用，中国电力出版社， 2007 4汤才刚，朱红涛，李莉，陈国桥，基于 PWM的逆变电路分析，现代电子技术 2008年第 1期总第 264期。