单相正弦波逆变器不同载波比的影响仿真研究.docx

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单相正弦波逆变器不同载波比的影响仿真研究

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：

图1电压型单相全桥逆变器电路结构

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：

2：

单极性倍频正弦脉冲宽度调制原理：

图2输出SPWM电压波形

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。

图3驱动信号形成电路

图4脉冲电压占空比及平均值

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。

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：

当载波频率很高时，基波电压瞬时值可以认为是：

，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。

3LOH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

开关频率取20kHz，依据

，

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。

图7滤波前的输出电压波形

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8滤波后输出电压波形

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

图13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：

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：

图15滤波后输出电压波形

8：

开关频率315Hz，P=0.1Kw，即R=484Ω时，得到的输出电压结果如下：

图16滤波后输出电压波形

由结果可见，随着开关频率不断降低，即载波比的不断降低，波形越来越难看，这是因为输出的电压中低频谐波分量越来越大，难以通过滤波器完全滤过，解决方法可通过增大电容实现，下图是开关频率为315Hz，R=484Ω，增大电容后的电压滤波后波形，可见虽然仍然不是标准的正弦波，但和没增大时的波形相比较已经有了十分大的改进。

图18增大滤波电容后滤波后电压波形

五：

分工

雷张平：

U201311804：

相关参数计算，电路图设计

银泽一：

U201311797：

仿真电路搭建与实现

柳林海：

U201311819：

报告编写

王睿之：

U201311808：

相关资料查阅

六：

参考资料

正弦波逆变器脉宽调制技术的调制模型分析——————————王立乔

电力电子学-电力电子变换和控制技术—————————————陈坚，康勇