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1、1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
2、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
3、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：O U d-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。t2O tU d- U
4、 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
5、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3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 uruc 时使 V4通，V3 断， uo=Ud 。当 uruc 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
6、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。4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
7、上，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，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。5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
8、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：6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7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.
9、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
10、分量。4.3.2 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：8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
11、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9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=75
12、0Hz,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。4.3.3 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
13、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。105 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，2009.12王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.53李维波，MATLAB在电气工程中的应用，中国电力出版社，20074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。
