单相和三相逆变器SPWM调制技术的仿真与分析.doc
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目录
1. 引言 -1-
2. PWM控制的基本原理 -1-
3. PWM逆变电路及其控制方法 -2-
4. 电路仿真及分析 -3-
4.1 双极性SPWM波形的产生 -3-
4.2 三相SPWM波形的产生 -5-
4.3 双极性SPWM控制方式单相桥式逆变电路仿真及分析 -6-
5. 双极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路和三相逆变电路比较分析 -11-
6. 结论 -12-
7. 参考文献 -12-
1.引言
PWM技术的的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。
它使电力电子装置的性能大大提高，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。
常用的PWM技术包括：
正弦脉宽调制（SPWM）、选择谐波调制（SHEPWM）、电流滞环调制（CHPWM）和电压空间矢量调制（SVPWM）。
2.PWM控制的基本原理
PWM（PulseWidthModulation）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，就可得到图1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。
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U
d
-U
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图1单极性SPWM控制方式波形
上图所示的波形称为单极性SPWM波形，根据面积等效原理，正弦波还可等效为图2中所示的PWM波，这种波形称为双极性SPWM波形，而且这种方式在实际应用中更为广泛。
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图2双极性SPWM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，因此本节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。
下面具体分析单相和三相逆变电路双极性控制方式。
图3是采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。
图3单相桥式PWM逆变电路
单相桥式逆变电路双极性PWM控制方式：
在的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有±两种电平。
同样在调制信号和载波信号的交点时刻控制器件的通断。
正负半周，对各开关器件的控制规律相同。
当>时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。
如>0，V1和V4通，如<0，VD1和VD4通，=。
当<时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。
如<0，V2和V3通，如>0，VD2和VD3通，=-。
这样就得到图2所示的双极性的SPWM波形。
图4是采用IGBT作为开关器件的三相桥式电压型逆变电路。
图4三相PWM逆变电路
当时，给V1导通信号，给V4关断信号，；当时，给V4导通信号，给V1关断信号，。
当给V1（V4）加导通信号时，可能是V1（V4）导通，也可能是VD1（VD4）导通。
、和的PWM波形只有两种电平。
波形可由、得出，当1和6通时，=，当3和4通时，=，当1和3或4和6通时，=0。
、的波形可同理得出。
4.电路仿真及分析
4.1双极性SPWM波形的产生：
仿真电路图如图5所示。
在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以后再通过一个“sin”模块即为sin，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“RepeatingSequence”模块产生,参数设置为【01//43//41/】和【01-10】，便可生成频率为的三角载波。
将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出图6所示的双极性SPWM触发脉冲波形。
图5双极性PWM逆变器触发脉冲发生电路
图6双极性SPWM波形
从上图可以看出，对于双极性SPWM控制方式，在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，SPWM波也是在正负之间变化。
4.2三相SPWM波形的产生：
仿真图如下所示。
图7三相SPWM逆变器触发脉冲发生电路
本文中采用单三角载波和三个幅值、频率相同相位互差120度的三相交流波形作为调制波。
同上，在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以后再通过一个“sin”模块即为sin，乘以调制比m后可得到所需的正弦波调制信号，通过设置即可产生三相正弦波信号。
三角载波信号由“Source”库中的“RepeatingSequence”模块产生,参数设置为【01//42//41/】和【-101-1】，便可生成频率为的三角载波。
将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出三相SPWM触发脉冲波形。
三角载波与调制波的波形如图8所示：
图8三相调制波与三角载波波形
4.3双极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路仿真及分析
双极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路主电路图如下图所示：
图9单相桥式PWM逆变器主电路图
为了使仿真界面简洁，仿真参数易于修改，通用桥（UniversalBridge）的触发脉冲是图5所示部分封装成的子模块。
对于单相SPWM控制方式的逆变电路，有如下重要参数：
载波比N——载波频率与调制信号频率之比，即N=/。
调制度m――调制波幅值与载波幅值之比，即m＝/。
输出电压基波幅值=，其中，为直流侧电源电压。
将调制度m设置为0.9，调制波频率设为50Hz，载波频率设为基波的30倍（载波比N=30），即1500Hz，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-006s，运行后可得仿真结果，建立m文件，程序如下所示：
（示波器名称设置为inv）
subplot（2,1,1）;
plot（inv.time,inv.signals
（1）.values）;
title（'输出电压波形'）;
subplot（2,1,2）;
plot（inv.time,inv.signals
（2）.values）;
title（'输出电流波形'）;
运行此文件后，可得输出电压和电流波形如图10所示：
图10 双极性SPWM方式下的逆变电路输出波形
从上图中可以看出，输出电压为单极性PWM型电压，脉冲宽度符合正弦规律变化，交流电流接近于正弦波形，直流电流含有直流分量。
利用MATLAB提供的powergui模块，对上图中的输出电压和输出电流进行FFT分析，得图11、图12所示结果：
图11 双极性控制方式单向桥式逆变电路输出电压的FFT分析
图12 双极性控制方式单向桥式逆变电路输出电流的FFT分析
由图11可知：
在=300V，m=0.9,=1500Hz,=50Hz，即N=30时，输出电压的基波电压的基波幅值为=269.5V，基本满足理论上的=（即3000.9=270V）。
谐波分布中最高的为30次谐波，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到121%。
由图12可知：
输出电流基波幅值为246.8A，谐波分布中最高的为30次谐波，考虑最高频率为4500Hz时的THD=9.47%，输出电流近似为正弦波。
4.3.1SPWM控制方式下的三相逆变电路
SPWM控制方式下的三相逆变电路主电路如图13所示：
图13三相逆变电路主电路
设置参数使之与单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路参数相同，即将调制度m设置为0.9，调制波频率设为50Hz，载波频率设为基波的30倍（载波比N=30），即1500Hz，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-006s，运行仿真图形，然后建立m文件，程序如下所示：
subplot（3,1,1）;
plot（inv.time,inv.signals
（1）.values）;
title（Uab'线电压波形'）;
subplot（3,1,2）;
plot（inv.time,inv.signals
（2）.values）;
title（'A相输出电压Ua波形'）;
subplot（3,1,3）;
plot（inv.time,inv.signals（3）.values）;
axis（[00.04-300300]）;
title（'A相输出电流波形'）;
运行此文件后，可得输出交流电压，交流电流和直流电流如图14所示：
图14 SPWM方式下的三相逆变电路输出波形
分析上图可知，输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由（±2/3）Ud、（±1/3）Ud和0共5种电平组成。
利用MATLAB提供的powergui模块，对上图中的输出相电压和输出电流进行FFT分析，得图15、图16所示结果：
图15 SPWM控制方式三相逆变电路输出相电压的FFT分析
图16 SPWM控制方式三相逆变电路输出电流的FFT分析
由图15可知：
在=300V，m=0.9,=1500Hz,=50Hz，即N=30时，输出相电压的基波电压的基波幅值为=134.7V，谐波分布中最高的为28和32次谐波，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到79.74%。
由图16可知：
考虑最高频率为4500Hz时的THD=5.15%，输出电流近似为正弦波。
5.双极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路和三相逆变电路比较分析
经比较分析可以看出，在调制比和载波比都相同的情况下，三相逆变电路比单向桥式逆变电路的谐波含量小得多，因此，从谐波含量的角度考虑，三相逆变电路的输出波形更接近正弦波。
同时，从SPWM触发产生电路可以看出，三相逆变电路的触发产生电路要比单相桥式逆变电路复杂。
通过设置适当的m和N的值，就可以很好的实现逆变电路的运行要求。
6.结论
通过适当的参数设置，根据不同应用场合的要求，选择能够满足实际要求的控制方式，运用PWM控制技术，可以有效减小输出电压和输出电流的谐波分量，改善输出波形，可以很好的实现逆变电路的运行要求。
7.参考文献
［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］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。
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